MANUAL DE CONSULTA
Intercambiadores de Calor
Clayton de México, S.A. de C.V. México, D. F. www.clayton.com.mx MCxSP/10-08 RevA
Clayton Industries City of Industry, Ca., U.S.A. www.claytonindustries.com
Clayton of Belgium N. V. Bornem, Belgium www.clayton.be
Marco Introductorio
Clayton de México, en su carácter de empresa especializada en termodinámica aplicada, sistemas y aplicaciones térmicas, hidráulicas e hidrónicas se ha constituido como un referente obligado en materia de “Criterios de Selección, Condiciones y Características” de los principales componentes de un cuarto de máquinas. En virtud de lo anterior y ante la enorme diversidad de alternativas, configuraciones y opciones, nuestra compañía a través de sus diferentes áreas de ingeniería térmica, manufactura, proyectos, aplicaciones e instalaciones especiales han logrado integrar este compendio sobre los aspectos más relevantes en materia de diseño, configuración, desempeño y aplicaciones de los principales intercambiadores de calor disponibles y vigentes en el mercado. A lo largo de este libro se analizará desde un punto de vista práctico y sintético, los tipos básicos de intercambios caloríficos, disposiciones de las corrientes, coeficientes respectivos de transferencia térmica, criterios de valoración y cálculo de transmisión de calor entre fluidos en movimiento con temperaturas variables, detallando criterios para el cálculo de superficie de intercambio y resistencia controlante, entre otros factores de notable relevancia. Se profundizará en temas críticos como la distribución y características del flujo de fluidos, ahondando en doctrinas de cálculo de intercambiadores de diversos tipos y en consecuencia derivando en los costos y las conveniencias de cada modelo. En el transcurso de esta aventura, se estudiarán las características de los principales tipos de intercambiadores de calor entre los que destacan; Intercambiadores con tubos lisos rectos, de serpentines sumergidos, con superficies extendidas, de placa, compactos, de chaquetas, de tubos en “U”, de cabezal fijo, de cabezal flotante, de doble tubo aleteados y enfriadores de cascada, entre otros. Sin más preámbulo, iniciemos este viaje al apasionante mundo del intercambio calorífico, sus condiciones, características y aplicaciones, recordando la premisa fundamental que reza;
“Ingeniería que No se Aplica, No es Ingeniería es Teoría”
Jorge M. Henríquez Gerente General para México y América Latina
Propósito
El objetivo fundamental de este libro radica en constituirse como un compendio a modo de manual de consulta dinámico y sinóptico sobre los principales conceptos, diseños, tipos, características y aplicaciones de los intercambiadores de calor más comunes en el mercado actual. Clayton de México, siempre atento a su cabal compromiso por dotar de los mejores instrumentos a nuestros clientes, asociados, distribuidores, instaladores, contratistas, ingenieros relacionados, especificadores electromecánicos e hidrosanitarios, así como a instituciones educativas y al público en general interesado en aplicaciones termodinámicas, ha integrado un compendio a modo de guía referencial de los temas más relevantes sobre intercambio calorífico. Consideramos este libro como una guía indispensable para cualquier ingeniero teórico o de campo relacionado al medio termodinámico, sus accesorios y componentes.
NOMENCLATURA ΔPcoraza
Caída de presión del lado de la coraza en un intercambiador de coraza y tubos
ΔPideal
Caída de presión uniforme en la batería de tubos en un intercambiador de coraza y tubos
Ndef
Número de deflectores
k*
Constante del orden de 0.2 a 0.3
T1
Temperatura de entrada en °C
T2
Temperatura de salida en °C
Je
Número de Jensen
NTU
Número de Unidades de Transferencia de Calor (NTU- Number Transfer Units)
ΔP
Pérdida de carga en un intercambiador de placa en kg/m2
G
Flujo másico en kg/h m2
L
Longitud del canal de pasaje en m
D
Diámetro equivalente del canal de flujo en m
ρ
Densidad del fluido en kg/m3
g
Constante gravitacional en m/h2
Re
Número de Reynolds
f
Factor de fricción •
Q
Transferencia de Calor por unidad de tiempo
Ai
Área de la superficie de intercambio interior
Ae
Área de la superficie de intercambio exterior
ri
Radio interior
re
Radio exterior
U
Coeficiente total en kcal/hora m2 °C
Ue
Coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie exterior
Ui
Coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie interior
UFunc
Coeficiente global de transmisión de calor con el equipo funcionando
ULimpio
Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador limpio, respecto a la sección exterior
Usuc
Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador después de producirse el depósito
hCi
Coeficiente pelicular de convección del lado interno de la superficie en kcal/hora m2 °C
hCe
Coeficiente de convección medio del fluido en el exterior del tubo
hci
Coeficiente de convección medio del fluido en el interior del tubo
hFe
Coeficiente pelicular de convección del lado externo de la superficie en kcal/hora m2 °C
Re
Resistencia unitaria del depósito de suciedad en el exterior del tubo
Ri
Resistencia unitaria del depósito de suciedad en el interior del tubo
Requiv
Resistencia unitaria del tubo, en la que no se han considerado los depósitos de suciedad 2 interior y exterior, y el material del tubo, en m °C h/kcal, basada en el área de la superficie exterior del tubo
Rsucio
Resistencia térmica del depósito o factor de incrustación
h
Coeficiente pelicular externo (enfriadores de cascada)
W
Caudal de masa de agua en kg/h
L
Longitud de tubo en m
De
Diámetro externo en m
mC
Masa de agua caliente
mF
Masa de agua fría
LMTD
Diferencia media logarítmica de temperatura
ϕ
Parámetro adimensional empleado en el cálculo de la LMTD
CpC
Capacidad calorífica del fluido caliente
CpF
Capacidad calorífica del fluido frío
P
Coeficiente de efectividad
z
Relación de capacidades térmicas
k'
Seudo coeficiente de conductividad del material de la superficie
e
Espesor del material, metros
F
Factor o cociente de ensuciamiento que permite prever la resistencia adicional que ofrecerá el 2 sarro o incrustaciones al final del periodo de actividad en kcal/hora m °C
Re
Número de Reynolds
Pr
Número de Prandtl
ε
Efectividad térmica
N
Número de placas
μ
Viscosidad
INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE TEMÁTICO
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES ............................................................................ 1 DISPOSICIONES DE LAS CORRIENTES................................................................... 1
TIPOS DE INTERCAMBIADORES............................................................................. 2 SERPENTINES ............................................................................................................ 4 INTERCAMBIADORES CON TUBOS LISOS .............................................................. 4 Intercambiadores de Paso Simple .................................................................... 4 Intercambiadores de Haz de Tubos y Coraza .................................................. 5 Intercambiadores de Tubos en U.................................................................... 10 Intercambiadores de Cabezal Fijo .................................................................. 11 Intercambiadores de Cabezal Flotante ........................................................... 12 Intercambiador de Corrientes Paralelas en Contracorriente (1-2) .................. 14 Intercambiador (2-4) ....................................................................................... 16 Intercambiador de Flujos Cruzados ................................................................ 17 INTERCAMBIADORES CON SUPERFICIES EXTENDIDAS .................................... 18 Intercambiadores de Doble Tubo Aletado ...................................................... 18 Intercambiadores de Haz de Tubos Aletados................................................. 19 Tubos Aletados Helicoidalmente .................................................................... 19 Aleta tipo “G” ....................................................................................... 19 Aleta tipo “L” ........................................................................................ 19 Aleta tipo “KL”...................................................................................... 20 Aleta tipo “LL” ...................................................................................... 20 Aleta tipo “Semi Engarzada” ............................................................... 20 Aleta tipo “Extruida”............................................................................. 20 INTERCAMBIADORES COMPACTOS EN ESPIRAL................................................ 21 Disposiciones de las Corrientes...................................................................... 23 Aplicaciones.................................................................................................... 24 INTERCAMBIADORES DE PLACA ........................................................................... 25 Construcción de los Intercambiadores............................................................ 27 1. Materiales y dimensiones de las placas.......................................... 27 2. Diseño de las placas ....................................................................... 27 3. Materiales de Juntas ....................................................................... 29 Operación de los Intercambiadores de Placas ............................................... 30 1. Distribución y características del flujo de fluidos............................. 30
i
2. Flujo de fluidos y transferencia de calor .......................................... 31 3. Ensuciamiento en los equipos (fouling)........................................... 33 4. Aplicaciones principales .................................................................. 33
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL....................................37 FACTOR DE SUCIEDAD ........................................................................................... 38
TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO, A TEMPERATURAS VARIABLES, A TRAVÉS DE UNA PARED ...........................40 FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD ............................................................... 43 FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD PARA ALGUNOS INTERCAMBIADORES ............................................................................ 46
CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO...............................................49 MÉTODO APROXIMADO DE CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO .............................................................................. 50 Concepto de Resistencia Controlante............................................................. 50 Factor de Suciedad ......................................................................................... 51 Coeficiente Total ............................................................................................. 51 Seudo coeficiente de conductividad .................................................... 52 Coeficiente de Película ................................................................................... 52 Intercambiadores de doble tubo .......................................................... 52 Intercambiadores de haz de tubos y coraza........................................ 54 Enfriadores de cascada....................................................................... 54 Recipientes enchaquetados o encamisados ....................................... 55 Intercambiadores de serpentines sumergidos..................................... 55 Líquidos en ebullición .......................................................................... 56 Condensadores ................................................................................... 57 Calentadores de gas con bancos de tubos ......................................... 57
CÁLCULO APROXIMADO DE INTERCAMBIADORES DE HAZ DE TUBOS Y CORAZA ..............................................................................57 CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE PLACAS...............................................61 MÉTODO DE RAJU & CHAND .................................................................................. 61 A – Método del Factor de Corrección (Ft) ....................................................... 61 B – Método de la Eficiencia de la Transferencia de Calor (ε) ......................... 63 MÉTODO DE HASLEGO & POLLEY ......................................................................... 64 Costos de los Intercambiadores de Placas..................................................... 67 Costos de Intercambiadores de Calor de Casco y Tubos y de Placas ........... 67
ii
SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR ................................................................... 68 PRIMER PASO: DEFINIR EL TIPO DE INTERCAMBIO DE CALOR ........................ 68 SEGUNDO PASO: OBTENER PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS CALCULAR Q, U Y A .................................................................. 69 TERCER PASO: ELEGIR UNA CONFIGURACIÓN (TIPO DE INTERCAMBIADOR) ADECUADA ............................................................ 70 Intercambiadores de doble tubo ..................................................................... 70 Intercambiadores de haz de tubos v coraza ................................................... 71 CUARTO PASO: CONFIRMAR O MODIFICAR LA SELECCIÓN ............................. 74 RECOMENDACIONES PARA ESPECIFICARINTERCAMBIADORES DE HAZ Y CORAZA ................................................................................................... 74 REDES DE INTERCAMBIADORES. TÉCNICA DE PELLIZCO................................. 75 Significado del Término .................................................................................. 77 Base de la Técnica del Pellizco ...................................................................... 77 Usos y Limitaciones de la Técnica del Pellizco .............................................. 78 EL TUBO DE CALOR................................................................................................. 78 Principales Características de Diseño ............................................................ 79 Aplicaciones.................................................................................................... 81
INTERCAMBIADORES DE CALOR CLAYTON ...................................................... 83 MATERIAL.................................................................................................................. 83 INFORMACIÓN DISPONIBLE ................................................................................... 83 SOPORTERÍA Y MONTAJE ...................................................................................... 84 INTERCAMBIADORES IC – 6.................................................................................... 85 INTERCAMBIADORES IC – 8.................................................................................... 87 INTERCAMBIADORES IC – 10.................................................................................. 89 INTERCAMBIADORES IA – 6.................................................................................... 91 INTERCAMBIADORES IA – 8.................................................................................... 93 INTERCAMBIADORES IA – 10.................................................................................. 95 INTERCAMBIADORES DE SUCCIÓN....................................................................... 97
APÉNDICE................................................................................................................ 99 COEFICIENTES DE ENSUCIAMIENTO .................................................................. 101 COEFICIENTES TÍPICOS GLOBALES DE INTERCAMBIO “U” ............................. 102 COEFICIENTES INDIVIDUALES DE PELÍCULA “h” ............................................... 102 COEFICIENTES GLOBALES DE INTERCAMBIO “U” – INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO .............................................................. 103 DATOS DE COEFICIENTE GLOBAL “U” – PARA INDUSTRIA DE DESTILACIÓN DE PETRÓLEO E INDUSTRIA PETROQUÍMICA .................... 103
iii
INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34.
Esquema de Corrientes de Flujo....................................................................................................1 Esquema de Corrientes de Flujo a Contracorrientes y Corrientes Paralelas ................................2 Esquema de Corrientes de Flujo a Corrientes Cruzadas ..............................................................2 Intercambiador Simple de Tubos Concéntricos .............................................................................4 Intercambiador de Doble Tubo.......................................................................................................4 Intercambiador de Coraza y Tubos (1-1) con Mezcla de Fluidos ..................................................6 Intercambiador de Coraza y Tubos (1-1) sin Mezcla de uno de los Fluidos..................................7 Distribución de Temperaturas en: a) condensadores de un paso de tubos ......................................................................................7 b) vaporizadores de un paso de tubos ........................................................................................7 c) intercambiadores de calor de flujos en equicorriente y de un paso de tubos .........................7 Disposición del Haz de Tubos........................................................................................................7 Pantallas utilizadas en los Intercambiadores de Coraza y Tubos .................................................9 Intercambiador de Tubos en “U” ..................................................................................................10 Intercambiador de Cabezal Fijo ...................................................................................................11 Intercambiador de Cabezal Flotante ............................................................................................12 Intercambiador de Cabezal Flotante de Empaquetadura ............................................................12 Distribución de Temperaturas en Intercambiadores (1-2), Función de la Disposición de las Tuberías ..................................................................................15 Intercambiador de Carcasa y Tubos (1-2) ...................................................................................15 Distribución de Temperaturas en Intercambiadores (2-4) ...........................................................16 Intercambiador de Carcasa y Tubos (2-4) ...................................................................................16 Modelos de Intercambiadores......................................................................................................16 Intercambiadores de Flujos Cruzados .........................................................................................17 Disposición Geométrica de las Aletas en un Tubo ......................................................................18 Aleta tipo G...................................................................................................................................19 Aleta tipo L ...................................................................................................................................19 Aleta tipo KL .................................................................................................................................20 Aleta tipo LL .................................................................................................................................20 Aleta tipo Semi-Engarzada ..........................................................................................................20 Aleta tipo Extruida ........................................................................................................................20 Intercambiador Compacto en Espiral...........................................................................................21 Intercambiador de Placa en Espiral .............................................................................................22 Detalle de Intercambiador de Placa en Espiral............................................................................22 Comparación de Espacio ocupado por un Intercambiador de Placa en Espiral y Casco y Tubos ...............................................................................................22 Intercambiador con Tapas Bridadas ............................................................................................22 Intercambiador de Placa en Espiral con Disposición a Contracorriente......................................23 Variantes de Arreglos de Corrientes en un Intercambiador.........................................................24
iv
35. 36. 37. 38. 39. 40. 41.
Intercambiador de Placas con Juntas..........................................................................................26 PHE Armado ................................................................................................................................26 Selección Precisa de la Placa en un Intercambiador de Placas .................................................29 Placas Dobles para Prevención de Mezclas de Fluidos..............................................................30 Disposición Multilfujo ...................................................................................................................31 Arreglos de Flujo en PHE ............................................................................................................32 Transmisión de Calor entre la Cámara de Combustión y el Agua de un Caldera con Incrustaciones Calcáreas ........................................................................................38 42. Distribución de Temperaturas en Intercambiadores de Calor con Flujos en Contracorriente y de un solo Paso de Tubos...............................................................41 43A.- Factor de Corrección de la LMTD para un intercambiador en contracorriente (1-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ..................................................................................................46 43B.- Factor de Corrección de la LMTD para un intercambiador (1-3), con Dos de los Pasos en Contracorriente...........................................................................................46 43C.- Factor de Corrección de la LMTD para un Intercambiador en Contracorriente (2-4), y un Múltiplo Par de Pasos de Tubos .......................................................46 43D.- Factor de Corrección de la LMTD para un Intercambiador (3-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ..........................................................................................47 43E.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador (4-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ..........................................................................................47 43F.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador (6-2), o un Múltiplo Par de Pasos de Tubos ..................................................................................................47 43G.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de un Fluido en la Parte de la Carcasa y sin Mezcla del Otro Fluido, y un Paso de Tubos .............................................................................................................................48 43H.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de Ambos Fluidos y un Paso de Tubos ...........................................................................48 43I.- Factor de corrección de la LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de un Fluido en la Parte de la Carcasa y sin Mezcla del Otro Fluido, y un Múltiplo de 2 Pasos de Tubos ......................................................................................................48 43J.- Factor de Corrección de La LMTD para un Intercambiador de Flujos Cruzados, con Mezcla de un Fluido en la parte de la Carcasa y sin Mezcla del Otro Fluido, y un Múltiplo de 2 Pasos de Tubos ......................................................................................................49 44. Diagrama Calor-Temperatura para el Sistema............................................................................68 45. Diagrama Calor-Temperatura para Zonas Parciales...................................................................69 46. Redes de Intercambiadores, Técnica del Pellizco.......................................................................75 47. Tubo de Calor ..............................................................................................................................79
v
INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Materiales de Juntas para Intercambiadores de Placas ..............................................................29 Guía de Selección de Intercambiadores de Placas .....................................................................35 Tabla Comparativa de PHE vs. Carcasa y Tubos .......................................................................36 Factores de Resistencia por Ensuciamiento................................................................................39 Factores de Ensuciamiento para PHE .........................................................................................40 Rango de Factor de Ensuciamiento por Sustancia......................................................................51 Valores de Coeficiente Pelicular para Líquidos Comunes...........................................................52 Área Transversal de Flujo y Superficie para Tubos Calibre 16 BWG..........................................59 Diámetro de Tubo Externo en un Intercambiador de Contracorriente.........................................71 Propiedades de Algunos Fluidos de Trabajo usados en Tubos de Calor....................................80
INTERCAMBIADORES DE CALOR – ÍNDICE DE GRÁFICAS
GRÁFICA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Cálculo del valor de k’ ..................................................................................................................52 Factor de Corrección para Velocidades de Flujo distintas de 0.91 mps......................................53 Factor de Corrección para Diámetros distintos de 1” ..................................................................53 U para Agua o Soluciones Acuosas Hirviendo, Calentadas con Vapor ......................................56 Cantidad de Tubos a través del Casco ........................................................................................58 Corrección de Espacio entre Bafles.............................................................................................58 Coeficiente de Convección para Agua/Soluciones Acuosas, 0.25 < NTU < 2.0 .........................65 Coeficiente de Convección para Hidrocarburos, 0.25 < NTU < 2.0.............................................65 Coeficiente de Convección para Agua/Soluciones Acuosas, 2.0 < NTU < 4.0 ...........................66 Coeficiente de Convección para Hidrocarburos, 2.0 < NTU < 4.0...............................................67
vi
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
INTERCAMBIADORES DE CALOR INTRODUCCIÓN En un proyecto de ingeniería de equipamiento térmico son importantes no sólo las características de eficiencia térmica, sino también las referentes a la economía del sistema, por lo que habrá que conjugar ambas adecuadamente. El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y de materias primas necesarias para cumplir una determinada función. Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone en funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un determinado gradiente de temperatura para que se pueda efectuar la transmisión del calor; la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando un intercambiador mayor, pero esto a su vez implica un costo mayor, tanto de tipo económico, como energético. Dentro del grupo de intercambiadores de calor existen cantidad, entre ellos están los clásicos formados por la coraza y tubos, y otros como son por ejemplo los de lecho fluido, o los que aprovechan la energía solar, o las tuberías de calor o calefacción, etc. Si bien, el funcionamiento de los intercambiadores de calor es de lo más común, se debe aclarar que estos son diseñados de acuerdo a las necesidades de cada proceso, y es precisamente donde radica su complejidad. Antes de entrar en el tema, se darán algunas definiciones.
CONCEPTOS FUNDAMENTALES Un intercambiador se puede definir de modo muy elemental como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez. Un esquema de intercambiador de calor sumamente primitivo puede ser el siguiente:
FIGURA 1
T1F y T2F = temperaturas de entrada y salida del fluido frío T1C y T2C = temperaturas de entrada y salida del fluido caliente
DISPOSICIONES DE LAS CORRIENTES En el esquema anterior se tiene una situación que se ha dado en llamar “contracorriente” o “corrientes opuestas”. En cambio si ambas corrientes tienen el mismo sentido se trata de “corrientes paralelas” o “equicorrientes”.
1
Intercambiadores de Calor
CONTRACORRIENTE
Manual de Consulta
- FIGURA 2 -
CORRIENTES PARALELAS
También se presenta una situación en la que ambas corrientes se cruzan en ángulo recto. En ese caso se habla de “corrientes cruzadas”. Esta disposición se da con mayor frecuencia en el intercambio de calor de gases con líquidos, como se ve en el siguiente esquema.
FIGURA 3
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR El intercambiador de calor es uno de los equipos industriales más frecuentes. Prácticamente no existe industria en la que no se encuentre un intercambiador de calor, debido a que la operación de enfriamiento o calentamiento es inherente a todo proceso que maneje energía en cualquiera de sus formas. Los intercambiadores de calor son tan importantes y tan ampliamente utilizados en la industria, que su diseño ha experimentado un gran desarrollo, existiendo en la actualidad normas ideadas y aceptadas por TEMA (Tubular Exchangers Manufacturers Association) que especifican con detalle los materiales, métodos de construcción, técnicas de diseño y sus dimensiones. Existe mucha variación de diseños en los equipos de intercambio de calor. En ciertas ramas de la industria se han desarrollado intercambiadores muy especializados para ciertas aplicaciones puntuales. Tratar todos los tipos sería imposible, por la cantidad y variedad de ellos que se puede encontrar.
2
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
Intercambiadores de Serpentines Sumergidos Los intercambiadores de serpentín se usan en casos en que no hay tiempo o dinero para adquirir un equipo comercial, ya que son fáciles de construir en un taller. Al ser fácilmente removibles y transportables se usan mucho para instalaciones provisorias. El rendimiento del intercambio es bueno y son fáciles de limpiar exteriormente. La limpieza interior generalmente no es problema, ya que la aplicación más frecuente es para calentamiento, generalmente con vapor. El vapor no ensucia, pero es bastante corrosivo.
Intercambiadores con Tubos Lisos Rectos Los intercambiadores de tubos lisos rectos son los más abundantes. La causa de su generalización es su mayor flexibilidad. Pueden ser de doble tubo o de haz de tubos y coraza. Más adelante se describen con mayor detalle.
Intercambiadores con Superficies Extendidas Después de los intercambiadores de tubos lisos rectos son los más frecuentes. Existen muchos medios para aumentar la superficie de intercambio; el usado más a menudo son las aletas. Estas pueden ser transversales o longitudinales, según que el plano de las aletas sea normal al eje central del tubo o pase por el mismo.
Intercambiadores Compactos Los intercambiadores compactos han sido desarrollados para servicios muy específicos y no son habituales. Existen muchísimos diseños distintos, para los que no hay ninguna metodología general. Cada fabricante tiene sus diseños y métodos de cálculo propios. Para imaginar un intercambiador compacto suponga tener una corriente de gas a elevada temperatura (> 1000 °C) que se desea intercambie calor con aire a temperatura normal. El espacio es sumamente escaso, por lo que se compra un intercambiador construido horadando orificios en un cubo de grafito. Los orificios (tubos en realidad, practicados en la masa de grafito) corren entre dos caras opuestas de modo que existe la posibilidad de agregar una tercera corriente. El cálculo de este intercambiador es relativamente simple. Otras geometrías más complejas requieren métodos de cálculo muy elaborados.
Intercambiadores de Placa Un intercambiador de placa consiste en una sucesión de láminas de metal armadas en un bastidor y conectadas de modo que entre la primera y la segunda circule un fluido, entre la segunda y la tercera otro, y así sucesivamente. Se trata de equipos muy fáciles de desarmar para su limpieza. En la disposición más simple hay sólo dos corrientes circulando, y su cálculo es relativamente sencillo.
Chaquetas Se denomina chaqueta al doble fondo o encamisado de un recipiente. El propósito de este equipo generalmente es calentar el contenido del recipiente. Son bastante menos eficientes que los serpentines, tienen mayor costo inicial y resultan bastante difíciles de limpiar mecánicamente porque el acceso al interior de la camisa es complicado. En comparación con los serpentines, las camisas son una pobre elección. Un serpentín de la misma superficie tiene un intercambio de calor bastante mayor, alrededor de un 125% calculado en base a la camisa.
3
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
Enfriadores de cascada Estos equipos consisten en bancos de tubos horizontales, dispuestos en un plano vertical, con agua que cae resbalando en forma de cortina sobre los tubos formando una película. Se pueden construir con tubos de cualquier tamaño pero son comunes de 2 a 4" de diámetro. Constituyen un método barato, fácil de improvisar pero de baja eficiencia para enfriar líquidos o gases con agua que puede ser sucia, o cualquier líquido frío.
SERPENTINES Un intercambiador de serpentín es un simple tubo que se dobla en forma helicoidal y se sumerge en el líquido. Se usa normalmente para tanques y puede operar por convección natural o forzada. Debido a su bajo costo y rápida construcción se improvisa fácilmente con materiales abundantes en cualquier taller de mantenimiento. Usualmente se emplea tubería lisa de 3/4 a 2 pulgadas.
INTERCAMBIADORES CON TUBOS LISOS Los intercambiadores más habituales son, como se dijo, los que usan tubos. Estos comprenden a los serpentines, intercambiadores de doble tubo y los intercambiadores de tubo y coraza. Se describirá brevemente cada uno de ellos, y se discutirán los usos y aplicaciones de cada uno.
Intercambiadores de Paso Simple El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo dentro de otro tubo, este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en contracorriente como en equicorriente, circulando el fluido caliente o el frío a través del espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubería interior.
FIGURA 4. INTERCAMBIADOR SIMPLE DE TUBOS CONCÉNTRICOS
El intercambiador de doble tubo es el tipo más simple que se puede encontrar de tubos rectos. Básicamente consiste en dos tubos concéntricos, lisos o aletados. Normalmente el fluido frío se coloca en el espacio anular, y el fluido caliente va en el interior del tubo interno. La disposición geométrica es la siguiente:
FIGURA 5
4
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
El intercambiador está formado por varias unidades como las mostradas en el esquema. Cada una de ellas se llama "horquilla" y se arma con tubo roscado o bridado común y corriente. Las uniones también pueden ser soldadas, pero esto no es habitual pues dificulta el armado y desarmado para su limpieza. El flujo en este tipo y similares por lo general es a contracorriente pura, excepto cuando hay caudales grandes que demandan un arreglo en serie-paralelo. El flujo en contracorriente pura resulta en hasta un 20% más de intercambio comparado con el arreglo en equicorrientes de modo que si se manejan corrientes pequeñas este equipo es el mejor, y también el más económico. Las longitudes de horquilla máximas son del orden de 5.5 a 6.1 metros (18 a 20 ft). Si se usan largos no soportados mayores, el tubo interno se dobla y distorsiona el espacio anular, causando mala distribución del flujo en el mismo debido a su excentricidad y disminuyendo el coeficiente global. Algunas de sus ventajas son: ¾ ¾
¾ ¾ ¾
Son flexibles, fáciles de armar y mantener. La cantidad de superficie útil de intercambio es fácil de modificar para adaptar el intercambiador a cambios en las condiciones de operación, simplemente conectando más horquillas o anulándolas; desconectarlas lleva minutos. Se modifican en poco tiempo, con materiales abundantes en cualquier taller. No requieren mano de obra especializada para el armado y mantenimiento. Los repuestos son fácilmente intercambiables y obtenibles en corto tiempo.
Algunas de sus aplicaciones son: cuando un fluido es un gas, o un líquido viscoso, o su caudal es pequeño, mientras el otro es un líquido de baja viscosidad, o con alto caudal. Son adecuados para servicios con corrientes de alto ensuciamiento1, con Iodos sedimentables o sólidos o alquitranes por la facilidad con que se limpian. Si hay una buena respuesta a la limpieza química o los fluidos no ensucian, las uniones pueden ser soldadas para resistir altas presiones de operación. Son bastante comunes en procesos frigoríficos. En una variante del intercambiador de doble tubo, intermedia entre estos y los intercambiadores de haz de tubos y coraza, se reemplaza el tubo interior único por una cantidad pequeña de tubos finos. Esto se hace para aumentar la superficie de intercambio y la velocidad lineal en el espacio de la coraza, lo que a su vez aumenta también el intercambio de calor. Las diferencias entre estos intercambiadores y los de haz de tubos y coraza son las siguientes. 1) En los intercambiadores tipo horquilla de tubos internos múltiples lo mismo pueden estar más cerca unos de otros que en los de haz de tubos y coraza. En los intercambiadores de haz de tubos y coraza la relación (espaciado de tubos) / (diámetro de tubos internos) normalmente es del orden de 1.25 a 1.5, mientras que en los intercambiadores tipo horquilla de tubos internos múltiples esta relación puede ser menor de 1.25. 2) El largo no soportado de tubos admisible en el tipo horquilla no es tan grande como en los de tipo casco y tubos, debido a la ausencia de bafles y estructuras auxiliares de soporte.
Intercambiadores de Haz de Tubos y Coraza El intercambiador más sencillo que consta de dos tubos concéntricos, no es adecuado cuando el gasto másico es elevado. Si se utilizan varios tubos concéntricos en paralelo, el peso del material de los tubos que se necesita se haría tan grande, que es mucho más económico el construirlos formando un conjunto de tubos ubicados en un haz, rodeados por un tubo de gran diámetro 1
Más adelante se explicará ampliamente éste término.
5
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
denominado coraza; éste intercambiador, debido a que funciona con un solo paso de fluido en el lado de la coraza y un solo paso de fluido en el lado de los tubos se denomina intercambiador 1-1. Los intercambiadores de tipo haz de tubos y coraza se usan para servicios en los que se requieren grandes superficies de intercambio, generalmente asociadas a caudales mucho mayores de lo que puede manejar un intercambiador de doble tubo. En efecto, el intercambiador de doble tubo requiere una gran cantidad de horquillas para manejar servicios como los descritos, pero a expensas de un considerable consumo de espacio, y con aumento de la cantidad de uniones que son puntos débiles porque en ellas la posibilidad de fugas es mayor. De este modo los puntos débiles donde se pueden producir fugas, en las uniones del extremo de los tubos con la placa, están contenidos en la coraza. En la siguiente ilustración se ve un intercambiador de haz de tubos y coraza. A este intercambiador se lo denomina tipo 1-1, por tener un solo paso por la coraza y por los tubos. De tener dos pasos por los tubos y uno por la coraza se llamaría tipo 2-1.
FIGURA 6. INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS (1-1) CON MEZCLA DE DOS FLUIDOS
En este tipo de intercambiador, uno de los fluidos circula por el interior de los tubos, mientras que el otro fluido se ve forzado a circular entre la coraza y la parte exterior de los tubos, normalmente a ellos. Cuando las temperaturas TC del fluido del lado caliente y TF del fluido del lado frío son variables de un punto a otro, a medida que el calor va pasando del fluido más caliente al más frío, la velocidad de intercambio térmico entre los fluidos también variará a lo largo del intercambiador, porque su valor depende, en cada sección, de la diferencia de temperaturas entre los fluidos caliente y frío. En un flujo paralelo en equicorriente, la temperatura final del fluido más frío nunca puede llegar a ser igual a la temperatura de salida del fluido más caliente. Sin embargo, en un flujo en contracorriente, la temperatura final del fluido más frío (que es el que se calienta) puede superar la temperatura de salida del fluido más caliente (que se enfría), puesto que existe un gradiente de temperaturas favorable a todo lo largo del intercambiador de calor. En un intercambiador en contracorriente, los coeficientes de transmisión de calor del lado de la coraza y del lado de los tubos deben ser del mismo orden de magnitud y ser grandes para obtener un coeficiente global satisfactorio. La velocidad y turbulencia del líquido del lado de la coraza son tan importantes como las del líquido del lado de los tubos. Para evitar el debilitamiento de las placas tubulares es preciso mantener una distancia mínima entre los tubos, por lo que no resulta práctico colocar los tubos tan juntos que la sección libre para el flujo del fluido por el exterior de los tubos sea tan pequeña, como la del interior de los mismos.
6
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
FIGURA 7. INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS (1-1) SIN MEZCLA DE UNO DE LOS FLUIDOS
FIGURA 8. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN: a) CONDENSADORES DE UN PASO DE TUBOS; b) VAPORIZADORES DE UN PASO DE TUBOS c) INTERCAMBIADORES DE CALOR DE FLUJOS EN EQUICORRIENTE Y DE UN PASO DE TUBOS
Si las dos corrientes son del mismo orden de magnitud, la velocidad del lado de la coraza es menor que la del lado de los tubos; por esta razón se instalan placas deflectoras con el fin de disminuir la sección de flujo del líquido del lado de la coraza y obligarlo a circular en dirección cruzada a la bancada de tubos en vez de hacerlo paralelamente a ellos; de esta forma se consigue un coeficiente de transferencia de calor más elevado en flujo cruzado Figura 8c, que en circulación paralela a los tubos, Figura 8a. El flujo pasa perpendicularmente a los tubos, circulando hacia abajo en la primera sección, hacia arriba en la segunda, y así sucesivamente; la turbulencia adicional que se crea mediante este tipo de flujo aumenta el coeficiente de transmisión de calor del lado de la coraza. Las disposiciones del haz se pueden observar en el siguiente esquema.
FIGURA 9. DISPOSICIÓN DEL HAZ DE TUBOS
7
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
Las pantallas, (placas deflectoras), son discos circulares de una plancha metálica a los que se ha cortado, para estos intercambiadores, un cierto segmento circular, Figura 8c, de forma que la altura de este segmento sea igual a la cuarta parte del diámetro interior de la coraza, por lo que las placas deflectoras así obtenidas se denominan placas del 25%, viniendo perforadas para recibir los tubos; para evitar fugas, o hacer que estas sean mínimas, las holguras entre las placas y la coraza, y entre las placas y los tubos deben ser pequeñas. Este tipo de construcción resulta práctico solamente para corazas pequeñas. Los tubos se fabrican en todos los metales corrientes con un determinado diámetro exterior y un definido espesor de pared, según el número BWG. Los tubos se disponen según una ordenación triangular (tresbolillo) o rectangular (regular); cuando el lado de la coraza tiene gran tendencia a ensuciarse no se utiliza la disposición triangular por cuanto los espacios entre tubos son de difícil acceso, cosa que no sucede en la disposición cuadrada, que a su vez provoca una menor caída de presión en el lado de la coraza que la disposición triangular. Las normas TEMA especifican una distancia mínima de centro a centro de los tubos de 1.25 veces el diámetro exterior de los mismos para la disposición triangular y una anchura mínima de las calles de limpieza de 1/4 de pulgada para la disposición cuadrada. La coraza tiene un diámetro normalizado; la distancia o espaciado entre placas no debe ser menor de 1/5 del diámetro de la coraza ni mayor que el diámetro interior de la misma. Los tubos se unen a la placa tubular acanalando los orificios y acampanando en su interior los extremos de los tubos mediante un mandril cónico rotatorio que fuerza al metal del tubo más allá de su límite elástico, de forma que el metal se introduce en las acanaladuras; en los intercambiadores que van a trabajar a presiones elevadas, los tubos se sueldan a la placa tubular.
8
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
FIGURA 10. PANTALLAS UTILIZADAS EN LOS INTERCAMBIADORES DE CORAZA Y TUBOS
En general, el intercambiador de calor de coraza y tubos tiene unas placas (cabezales) en donde se fijan los tubos por ambos extremos, mediante soldadura u otro tipo de fijación; este tipo de construcción tiene un bajo costo inicial, pero sólo se puede utilizar para diferencias pequeñas de temperatura entre el fluido caliente y el frío, puesto que no se ha hecho ninguna previsión para evitar las tensiones mecánicas de origen térmico debidas a la dilatación entre los tubos y la coraza. Otra desventaja consiste en que el montaje del haz de tubos no se puede desmontar para su limpieza; estos inconvenientes se solucionan fácilmente haciendo que una de las placas de tubos esté fija, mientras que la otra se sujeta mediante pernos a un cabezal flotante que permite el movimiento relativo entre el haz de tubos y la coraza; la placa de tubos flotante está sujeta con mordazas entre la cabeza flotante y unas bridas, de modo que es posible retirar el haz de tubos para su limpieza. La caída de presión en el lado de la coraza ΔPcoraza para una distribución de tubos con deflectores, se puede estimar por la ecuación de Delaware, como suma de las siguientes aportaciones: ¾ ¾ ¾
Caída de presión en las secciones de entrada y salida Caída de presión asociada a las secciones interiores delimitadas por los deflectores Caída de presión asociada con el cortocircuito y las fugas
ΔPcoraza = k * (Ndef + 1)ΔPideal
(1)
En la que ΔPideal es la caída de presión uniforme en la batería de tubos, Ndef es el número de deflectores y k* una constante del orden de 0.2 a 0.3 que indica que la caída de presión real es sólo un 20% a un 30% de la que se obtendría en la misma batería de tubos si el flujo fuese uniforme. Existen tres tipos básicos de intercambiadores de haz de tubos y coraza. Dentro de cada uno de ellos hay numerosos subtipos diseñados para circunstancias de operación específicas. Los tres tipos básicos son: ¾ ¾ ¾
Tubos en U De cabezal fijo De cabezal flotante
9
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
Intercambiadores de Tubos en U Los intercambiadores de tubos en U tienen los tubos del haz doblados formando una U para evitar una de las dos placas de tubos, que al separar el espacio del fluido de la coraza del espacio del fluido de tubos ofrece un punto débil en la unión de los tubos con la placa que puede ser causa de fugas. Además, los tubos en U presentan cambios de dirección más graduales, porque la curva que forman en el extremo es muy abierta, lo que ofrece menor resistencia al flujo. El siguiente croquis muestra un típico intercambiador de tubos en U.
FIGURA 11
Los números en cada círculo identifican las partes principales del equipo, cuyo significado se aclara más adelante. Es uno de los tipos de intercambiador más usados. Los servicios en los que se pueden usar son los siguientes: ¾ ¾ ¾
¾
¾
Servicio limpio, ninguna corriente ensucia. Presión extrema en un lado. Por ejemplo, del lado del casco. Condiciones de temperatura que causan severos esfuerzos térmicos, particularmente cambios repetitivos o de inversión cíclica de temperatura que requieren aliviarse por expansión. El haz en U se expande libremente, evitando así elevados esfuerzos de corte en el cabezal. A veces para servicios con hidrógeno a presiones extremas (síntesis de amoníaco, por ejemplo) usando una construcción totalmente soldada con haz no removible. Este tipo de servicio prácticamente no ensucia. Para permitir localizar la boca de entrada de coraza lejos del haz de tubos. Esto a veces es necesario cuando la velocidad del fluido de casco es demasiado alta, lo que puede causar vibraciones destructivas en el haz de tubos.
Problemas con este tipo de intercambiador: ¾ ¾ ¾ ¾
La limpieza mecánica del interior del haz es dificultosa si se produce ensuciamiento en el sector recto, y a menudo imposible si se produce en las curvas. La limpieza mecánica del exterior del haz es muy difícil en el sector curvo. Es imposible tener contracorriente pura (un paso en los tubos, un paso en la coraza) con la disposición en U que por naturaleza debe tener al menos dos pasos en los tubos. Los tubos no son fáciles de cambiar, y a veces no se pueden cambiar de ninguna manera. Si un tubo no se puede cambiar, habrá que cerrarlo. Si se espera que haya daño en los tubos, habrá que prever un exceso razonable de cantidad de tubos para cubrir la posible disminución de número de tubos debido a tubos clausurados.
10
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
Intercambiadores de Cabezal Fijo Es el tipo más popular cuando se desea minimizar la cantidad de juntas, no hay problemas de esfuerzos de origen térmico y no es preciso sacar el haz (ambos fluidos no son corrosivos y el fluido del lado de coraza es limpio). Este tipo de intercambiador es sumamente propenso a tener fallas cuando hay esfuerzo térmico severo, resultando en que se producen fugas tanto internas como externas. Las internas son extremadamente peligrosas porque no son fáciles de detectar. Por ello es necesario realizar un análisis térmico considerando todas las fases de operación: arranque, normal, variaciones y anormal, para detectar y aliviar condiciones de esfuerzo térmico. Para analizar el esfuerzo térmico se deben calcular las temperaturas promedio de los tubos y la coraza, y por medio del módulo de elasticidad y del coeficiente de expansión térmica se calcula la diferencia de expansión entre la coraza y los tubos, y la tensión. Si los tubos se expanden más que la coraza, están bajo esfuerzo de compresión. Si los tubos se expanden menos que la coraza, sufren esfuerzo de tracción. Esto es importante para determinar el tipo de unión entre tubos y placa. Esta puede ser mandrilada o soldada. Si el esfuerzo es tan grande que se requiere una junta de expansión, se la debe seleccionar para que opere bajo corrosión y fatiga sin fallas, porque si una junta falla, no hay salida: hay que sacarlo de operación y mandarlo a reparar. Debido a que las juntas de expansión son más delgadas que la coraza, es preferible evitar su uso cuando esto sea posible si el fluido del lado de coraza es corrosivo. Las uniones soldadas de haz y placa son más robustas y confiables que las uniones mandriladas o expandidas, pero algo más caras. Soldar con latón o plomo es una solución de costo intermedio, que muchos prefieren cuando no se espera corrosión y la expansión térmica será baja. A continuación se ve un croquis que muestra la disposición de un intercambiador de cabezal fijo.
FIGURA 12
Los números en cada círculo identifican las partes principales del equipo, cuyo significado se aclara más adelante. Problemas con este tipo de intercambiador: ¾ ¾
El haz de tubos fijo no se puede inspeccionar o limpiar mecánicamente una vez instalado. El esfuerzo de origen térmico debe ser bajo o despreciable. Si no, se pueden usar juntas de expansión en la coraza, pero no cuando la presión es alta y/o el fluido es corrosivo.
En resumen, tomando unas cuantas precauciones razonables, el intercambiador de cabezal fijo es una opción comparativamente atractiva y más barata que la de cabezal flotante.
11
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
Intercambiadores de Cabezal Flotante Es el tipo más sofisticado (y caro) de intercambiador de haz de tubos y coraza. Está indicado en servicios en los que la limpieza de tubos y/o su reemplazo son frecuentes. Hay dos tipos básicos de intercambiador de cabezal flotante. Uno emplea un cabezal "flotante" (es decir, deslizante) con o sin anillo seccionado ("split ring"). El otro usa empaquetadura para permitir la expansión térmica. Este se llama comúnmente intercambiador de cabezal flotante de unión empaquetada y no se usa en servicio con fluidos peligrosos o cuando las fugas pueden ser tóxicas. Hay numerosos subtipos de intercambiador de cabezal flotante cuyas diferencias están en el diseño del cabezal y la cubierta. Los diseños de cubierta apuntan a evitar o prevenir que se tuerza el cabezal o el haz de tubos, lo que puede producir fugas. Muchas dependen de un maquinado preciso y un armado y abulonado muy exacto. Son evidentemente más caras. Otras usan un anillo espaciador y/o un segundo anillo o abrazadera a 90° de la primera para obtener una unión más fuerte. El cabezal generalmente está soportado por una placa. A continuación se muestra un croquis que ilustra un intercambiador de cabezal flotante interno de cabezal deslizante sin anillo dividido. Tanto el casquete de la coraza como el del cabezal interno tienen una anilla de sujeción para poder manipularlos.
FIGURA 13
La siguiente figura ilustra un intercambiador de cabezal flotante de empaquetadura. Dado que el cabezal de arrastre roza contra la empaquetadura, hay un desgaste que obliga a que esta se deba inspeccionar periódicamente para evitar las fugas
FIGURA 14
12
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
El significado de los números en cada círculo para esta figura y las anteriores es el siguiente. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Cabezal estacionario, canal del fluido de tubos Cabezal estacionario, casquete Brida de cabezal estacionario, canal o casquete Cubierta de canal Tobera de cabezal estacionario Espejo o haz estacionario Tubos Coraza Cubierta de la coraza Brida de la coraza, extremo del cabezal estacionario Brida de la coraza, extremo del cabezal posterior Tobera de la coraza Brida de la cubierta de la coraza Junta de expansión Espejo flotante Cubierta del cabezal flotante Brida del cabezal flotante Dispositivo de apoyo del cabezal flotante Anillo de corte dividido
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
Brida de apoyo deslizante Cubierta del cabezal flotante, externa Faldón del espejo flotante Brida del prensaestopas Empaque Prensaestopas o empaquetadura Anillo de cierre hidráulico Bielas y espaciadores Deflectores transversales o placas de apoyo Placa de choque Deflector longitudinal Separación de paso Conexión de ventila Conexión de drenaje Conexión de instrumentos Pie de soporte Anilla de sujeción Ménsula de soporte Vertedero
El diámetro del cabezal a menudo es mayor que el de la coraza, de modo que la coraza debe tener un cabezal uno o dos tamaños de tubo mayor que el resto. Si los tubos son cortos y el peso del cabezal es demasiado grande, se puede producir un brazo de palanca que tensione el haz, con peligro de rotura de las uniones con las placas, lo que se puede prevenir soldando una o dos barras al extremo del cabezal de la coraza para que el cabezal flotante se desplace sobre las barras que actúan como guías y soportes. El cabezal flotante de anillo partido emplea una abrazadera dividida en varias partes, con numerosas juntas que se deben maquinar con precisión para obtener una unión estanca. Este es un punto obviamente débil en este diseño si se opera con alta presión. Se sugiere ser muy cuidadoso si las presiones son mayores de 42 kg/cm2. El diseño de cabezal flotante de arrastre no usa anillo dividido. El bonete del cabezal es del mismo tamaño que la coraza. Debido al hecho de que el cabezal se encuentra próximo al extremo, este tipo de intercambiador no es adecuado para un paso por los tubos. Para resolver este problema, se puede hacer salir el fluido de tubos a través del extremo de coraza, pero esto origina otra unión empaquetada y por lo tanto crea un punto extra de fuga potencial. Otro problema del diseño de cabezal flotante de arrastre es el hecho de que para el mismo diámetro del haz, el diámetro del haz es dos (y a veces más) veces mayor que en el diseño de anillo partido. El espacio anular entre el haz y la coraza es mucho mayor que en el caso del diseño de anillo partido, y el caudal de fuga (que no atraviesa el haz de tubos) que se deriva por este espacio es mayor, lo que resulta en una menor eficiencia del intercambio. Esta corriente que escapa por el espacio anular se puede minimizar (¡pero no eliminar!) por medio de cintas o tiras de sellado. Por esta razón, la gente que hace o calcula intercambiadores de calor a menudo, generalmente prefiere el diseño de anillo partido, mientras que la gente de mantenimiento ama el diseño de cabezal flotante, que les da menos problemas. Un problema de todos los diseños de cabezal flotante es que los puntos de fuga interna potencial están en el prensaestopas del cabezal. Ahora bien, la fuga interna (es decir, contaminación por mezcla de las dos corrientes) es un problema sólo detectable mediante un cuidadoso monitoreo de las propiedades de ambas corrientes. Si la contaminación es un problema, querrá inspeccionar a menudo los prensaestopas del cabezal y de las uniones del haz para prevenir una fuga, lo que deberá hacer desconectando el equipo y extrayendo el haz para una inspección cuidadosa.
13
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
Intercambiador de Corrientes Paralelas en Contracorriente (1-2) El flujo en un intercambiador (1-2) es parcialmente en contracorriente y parcialmente en corrientes paralelas; en la Figura 15a el conjunto de las curvas de temperatura se corresponde con un intercambiador de corrientes paralelas en equicorriente, mientras que en la Figura 15b las curvas de temperatura son para un intercambiador en contracorriente. En los intercambiadores de paso múltiple se pueden utilizar velocidades más elevadas, tubos más cortos y resolver fácilmente el problema de las expansiones y dilataciones. En este tipo de intercambiadores disminuye la sección libre para el flujo, con lo cual aumenta la velocidad, dando lugar a un incremento del coeficiente de transmisión de calor por convección. Sus principales desventajas son: a) b)
El intercambiador es más complicado. Aumentan las pérdidas por fricción debido a la mayor velocidad y a la multiplicación de las pérdidas de carga en la entrada y en la salida.
Para un intercambiador de cuatro pasos de tubos, la velocidad media en los tubos es cuatro veces mayor que en un intercambiador de paso simple que tenga el mismo número y tamaño de los tubos y opere con el mismo caudal de líquido. El coeficiente de transmisión de calor del interior de los tubos del intercambiador de cuatro pasos es aproximadamente igual a 40.8 = 3.03 veces mayor que el del intercambiador de un solo paso, pudiendo ser todavía mayor si la velocidad en cada paso simple es suficientemente pequeña para dar lugar a un flujo laminar. Las pérdidas por rozamiento son del orden de 42.8= 48.5 veces mayores sin tener en cuenta las pérdidas adicionales debidas a las expansiones y contracciones. En el diseño más económico contribuye, entre otros factores, una velocidad del fluido en los tubos tal, que el incremento del costo de la potencia necesaria para el bombeo se compense con una disminución del costo del aparato; una velocidad demasiado baja ahorra potencia de bombeo pero en cambio requiere un cambiador excesivamente grande y costoso; una velocidad excesivamente grande, lo contrario. En los intercambiadores de paso múltiple se utilizan con frecuencia cabezales flotantes; el líquido del lado de los tubos entra y sale por la misma cámara que está tabicada mediante una placa con el fin de separar las corrientes de entrada y salida. El intercambiador (1-2) posee una importante limitación ya que debido al paso del flujo en corrientes paralelas, el intercambiador no permite que la temperatura de uno de los fluidos a la salida sea muy próxima a la temperatura del otro fluido a la entrada, lo que se traduce en que la recuperación de calor en un intercambiador (1-2) es necesariamente mala.
14
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
FIGURA 15. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN INTERCAMBIADORES (1-2), FUNCIÓN DE LA DISPOSICIÓN DE LAS TUBERÍAS
FIGURA 16. INTERCAMBIADOR DE CARCASA Y TUBOS (1-2)
15
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
Intercambiador (2-4) En la Figura 17, las líneas de trazo discontinuo de la distribución de temperaturas en un intercambiador (2-4) se refieren al fluido del lado de la carcasa y las de trazo continuo al fluido del lado de los tubos; el fluido que circula por la carcasa es el más caliente. El paso más caliente del fluido de la carcasa está en contacto térmico con los dos pasos más calientes del lado de los tubos y el paso más frío del lado de la carcasa lo está con los dos pasos más fríos del lado de los tubos.
FIGURA 17. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN INTERCAMBIADORES (2-4)
FIGURA 18. INTERCAMBIADOR DE CARCASA Y TUBOS (2-4)
FIGURA 19. MODELOS DE INTERCAMBIADORES
16
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
En conjunto, este intercambiador se aproxima más a una verdadera unidad en contracorriente de lo que es posible con un intercambiador (1-2) ya que una ventaja del montaje en contracorriente consiste en que, para un flujo térmico determinado, se requiere menos área superficial de intercambio que en un flujo en equicorriente. Con un intercambiador (2-4) se puede obtener una mejor recuperación de calor, por cuanto opera con dos pasos en el lado de la carcasa y cuatro pasos en el lado de los tubos, consiguiéndose mayores velocidades, así como un coeficiente global de transmisión de calor más elevado que en el caso (1-2) que opere con las mismas velocidades de flujo.
Intercambiador de Flujos Cruzados En el enfriamiento o calentamiento de gases es interesante utilizar un intercambiador de calor en flujo cruzado, Figura 20, en el que uno de los fluidos (líquido o gas) circula por el interior de los tubos, mientras que al otro fluido (gaseoso) se le obliga a circular perpendicularmente al haz de tubos. El flujo del fluido exterior puede realizarse mediante convección forzada o libre; el gas que circula por el exterior de los tubos se considera de tipo de mezcla, mientras que el fluido del interior de los tubos se considera sin mezclar; el flujo del gas exterior es con mezcla porque puede moverse libremente entre los tubos cuando intercambia calor, mientras que el fluido del interior de los tubos está confinado y no puede mezclarse con ningún otro flujo o corriente durante el proceso de intercambio de calor. En un proyecto de intercambiadores de calor es importante especificar si los fluidos están mezclados o sin mezclar y cuál de los fluidos está mezclado. Es importante también equilibrar los gradientes de temperatura mediante la obtención de coeficientes de transmisión de calor aproximadamente iguales en el interior y en el exterior de los tubos; si esto no se hace así, una de las resistencias térmicas puede ser grande, lo que provocará una caída de temperatura global también grande para una transferencia de calor por unidad de tiempo determinada, lo que exige un equipo mayor, con el consiguiente perjuicio económico.
FIGURA 20. INTERCAMBIADORES DE FLUJOS CRUZADOS
17
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
INTERCAMBIADORES CON SUPERFICIES EXTENDIDAS Los tubos aletados se usan porque las aletas aumentan el intercambio de calor en alrededor de 10 a 15 veces por unidad de longitud. Las aletas se fabrican de una gran variedad de diseños y formas geométricas. Las aletas longitudinales se usan en intercambiadores de doble tubo, mientras que las aletas transversales circulares cortas (Iowfins) se usan en intercambiadores de haz de tubos y coraza. Esto se debe al hecho de que en los intercambiadores de doble tubo el flujo es paralelo a los tubos, mientras en los de haz de tubos y coraza es normal al banco de tubos. Aletas más altas (highfins) se usan en intercambiadores sin coraza o con flujo normal al eje del banco de tubos. Existe una enorme variedad de diseños de intercambiadores con superficies extendidas, pero los más comunes son los derivados de los diseños básicos de intercambiadores de tubos lisos. Es decir, intercambiadores de doble tubo, de serpentín o de haz de tubos y coraza en los que se usa tubo aletado. Algunos ejemplos de los más comunes son.
Intercambiadores de Doble Tubo Aletado Tanto en el caso de intercambiadores de un solo tubo como multitubo las aletas son longitudinales, continuas y rectas. Otros tipos de aleta son poco usadas, porque la resistencia hidráulica que ofrecen es mayor sin aumento de la eficacia de intercambio, además de ser más caras. Se usan principalmente en el calentamiento de líquidos viscosos, en casos en que los líquidos tienen propiedades de intercambio de calor y de ensuciamiento muy diferentes, y cuando la temperatura del fluido a calentar no puede exceder un máximo. Por lo general la disposición geométrica de las aletas es en el exterior del tubo interno, como se ve en la siguiente figura.
FIGURA 21
El uso de aletas también tiene justificación económica porque reduce significativamente el tamaño y cantidad de unidades de intercambio requerida para un determinado servicio. Otra aplicación de los tubos aletados es el calentamiento de líquidos sensibles al calor, Iodos o pastas. Debido a la mayor área de intercambio, las aletas distribuyen el flujo de calor más uniformemente. Al calentar aceites o asfalto, por ejemplo, la temperatura de las aletas es menor que la de la cara externa del tubo interior. Por lo tanto, la temperatura de la capa de aceite o asfalto en contacto con las aletas es menor, reduciendo en consecuencia el peligro de deterioro o carbonización, producción de coque y dañar
18
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
o eventualmente ocluir parcialmente el intercambiador, reduciendo drásticamente su eficiencia de intercambio. En aplicaciones de enfriamiento, colocando la corriente a enfriar del lado de las aletas (de la coraza) se obtiene un enfriamiento a mayor temperatura, de modo que la solidificación de ceras en hidrocarburos viscosos o la cristalización o depósitos en barros es menor o inexistente.
Intercambiadores de Haz de Tubos Aletados El tipo de aleta más comúnmente usado es la transversal. Los intercambiadores con aletas transversales se usan principalmente para enfriamiento o calentamiento de gases en flujo cruzado. La aleta transversal más común es la tipo disco, es decir de forma continua. Contribuyen a ello razones de robustez estructural y bajo costo, más que la eficiencia de la aleta, que es menor para el tipo disco que para otras formas más complejas. Las aplicaciones actuales más comunes son en los siguientes servicios: enfriamiento de agua con aire, condensación de vapor, economizadores y recalentadores de vapor en hornos de calderas y serpentines de enfriamiento de aire en acondicionadores y otros servicios que involucran calentamiento o enfriamiento de gases. Estas aplicaciones en general no requieren coraza, ya que el haz de tubos no se encuentra confinado sino más bien interpuesto en el canal conductor de gases. El flujo en todos los casos es cruzado. Los intercambiadores de haz de tubos aletados y coraza se emplean en las mismas condiciones que se mencionaron anteriormente, fundamentalmente cuando la temperatura del lado de la coraza no puede exceder un cierto valor relativamente bajo y las condiciones de operación indican este tipo de intercambiador.
Tubos Aletados Helicoidalmente Aleta tipo 'G' (Aleta empotrada) El fleje de aletar es enrollado en una ranura realizada previamente sobre el tubo base y posteriormente, aplicando presión sobre los bordes de la ranura, la aleta queda firmemente sujeta, en su sitio, sobre el tubo base. Esto asegura el máximo intercambio de calor con los tubos a alta temperatura. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 450°C. FIGURA 22
Material de aletas: Aluminio o cobre. Materiales de tubos: Acero carbono, acero Cr.-Mo., acero inoxidable, cobre, aleaciones de cobre, etc.
Aleta tipo 'L' El fleje de aluminio se deforma controladamente bajo presión para optimizar la sección de contacto del pie de la aleta sobre el tubo base. Esto maximiza las propiedades de intercambio de calor. El pie de la aleta aumenta considerablemente la protección anticorrosiva. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 150°C. Material de aletas: Aluminio o cobre. Materiales de tubos: Teóricamente cualquiera.
FIGURA 23
19
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
Aleta tipo 'KL' Se elabora exactamente como la aleta 'L', excepto que la superficie exterior del tubo base es moleteada, antes de la aplicación del pie de la aleta. Después de la aplicación, el pie de la aleta es presionado sobre el moleteado del tubo base, aumentando la adherencia entre aleta y tubo, lo que mejora las características de intercambio de calor. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 260°C. Material de aletas: Aluminio o cobre. Materiales de tubos: Teóricamente cualquiera.
FIGURA 24
Aleta tipo 'LL' Se elabora exactamente como la aleta 'L', excepto que los pies de las aletas van solapándose cubriendo el tubo base totalmente, lo que favorece a una excelente resistencia a la corrosión. Este tipo de tubo se suele usar como alternativa al tipo más caro, el de aleta extruida, en ambientes corrosivos. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 180°C. Material de aletas: Aluminio o cobre. Materiales de tubos: Teóricamente cualquiera.
FIGURA 25
Aleta tipo 'Semi Engarzada' Este tipo de aleta es una aleta no cónica enrollada bajo presión alrededor del tubo base. Este procedimiento produce una ondulación en el pie de la aleta. Los extremos de los flejes enrollados se sueldan al tubo base. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 250°C. Material de aletas: Acero carbono/inoxidable o cobre. Materiales de tubos: Acero carbono/inoxidable o cobre y aleaciones de cobre.
FIGURA 26
Aleta tipo 'Extruida' Este tipo de aletas se elabora a partir de dos tubos de distinto material, y consiste en un tubo exterior de aluminio y un tubo interior de cualquier material. La aleta se conforma presionando mediante rodillo el material desde el exterior del tubo hacia el interior, creando una aleta integral con unas propiedades excelentes de intercambio de calor y durabilidad. Las aletas extruidas ofrecen una excelente protección anticorrosiva en el tubo base. La temperatura máxima de funcionamiento para este tipo de aletas es de 280°C. FIGURA 27
Material de aletas: Aluminio. Materiales de tubos: Teóricamente cualquiera.
20
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
INTERCAMBIADORES COMPACTOS DE ESPIRAL Los intercambiadores compactos más frecuentes son del tipo espiral. El intercambiador de placas en espiral se comenzó a usar en Suecia alrededor de 1930 para recuperar calor de efluente contaminado de la industria papelera. En 1965 la empresa que los fabricaba fue comprada por el grupo sueco Alfa-Laval que es el fabricante más grande en la actualidad, aunque no el único. Encuentra aplicación en casos en los que los fluidos no ensucian o ensucian muy poco, porque su construcción no permite la limpieza mecánica. Para poder acceder al interior del equipo habría que desarmarlo y volverlo a soldar, lo que por supuesto está fuera de la cuestión y no debiera siquiera pensarse en encarar semejante tarea. El único en condiciones de hacerla es el fabricante. No obstante algunas marcas producen modelos desarmables en los que se han reemplazado las uniones soldadas por uniones con junta empaquetada. Este tipo de equipo no se puede someter a presiones elevadas, pero permite un acceso algo más fácil aunque siempre limitado al interior para efectuar limpieza mecánica. Tampoco se pueden usar cuando alguna de las corrientes es corrosiva, debido a que no se pueden reemplazar las partes dañadas. En los casos en que ambas corrientes no ensucian o producen un ensuciamiento moderado que se puede eliminar por limpieza química es probablemente el tipo de intercambiador más eficiente por diversos motivos. Entre las ventajas más importantes se pueden citar las siguientes. ¾
¾
¾
¾ ¾
Presentan coeficientes de transferencia globales más elevados que los intercambiadores de casco y tubos, con velocidades lineales menores debido al efecto turbulento producido por el constante cambio de dirección del flujo. No tienen puntos de estancamiento de ninguna de las corrientes (a diferencia de los intercambiadores de casco y tubos, que generalmente los tienen) y no existe la posibilidad de acumulación de suciedad, ni de variaciones importantes de temperatura en esos puntos. Ocupan mucho menos espacio que los intercambiadores de casco y tubos, debido a que la superficie efectiva de intercambio de calor por unidad de volumen es más alta. Además, como se explica más adelante los intercambiadores de casco y tubos de haz extraíble deben tener espacio extra en los extremos para extraer y maniobrar el haz. Los equipos compactos de construcción totalmente soldada son menos propensos a presentar fugas ya sea internas (entre las corrientes) como hacia el exterior. Debido a la velocidad constante que se mantiene en ambas corrientes es improbable el depósito de sólidos en suspensión, siempre que esta velocidad sea suficiente para impedirlo.
Su estructura consiste en un par de placas largas enroscadas formando una espiral, separadas de modo que se obtiene un espacio entre placas por el que circulan los fluidos. El fluido caliente entra por el centro del espiral y sale por la periferia, mientras que el frío entra por la periferia y sale por el centro en el extremo opuesto a la entrada del caliente. Esta disposición se conoce como flujo en espiral y si bien se considera contracorriente, en rigor de verdad no es estrictamente contracorriente pura, tan es así que se requiere una pequeña corrección a la diferencia media logarítmica de temperatura2 (LMTD) para llevar los valores calculados a la realidad. El siguiente croquis muestra la estructura de un intercambiador placa espiral de una conocida marca, con un detalle de la disposición de las corrientes. FIGURA 28
2
Más adelante se hablará de este término.
21
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
FIGURA 30 FIGURA 29
Examinando la figura de la derecha se ve que el equipo está formado por dos espacios en los que las corrientes intercambian calor a contracorriente pura. Esto significa que estos equipos tienen mayor eficiencia térmica que los de casco y tubos, porque a menos que un intercambiador de casco y tubos tenga un solo paso por los tubos y un solo paso por el casco, las corrientes no están en contracorriente. Por eso (además de su construcción más compacta) los intercambiadores de placa espiral ocupan menos espacio que los de casco y tubos capaces de prestar el mismo servicio. La figura 31 muestra el espacio ocupado por ambas clases de equipo.
FIGURA 31
También se pueden encontrar disposiciones físicas más robustas con tapas bridadas que permiten soportar mayores presiones. En la siguiente figura se observa la misma disposición de las corrientes, es decir con flujo en espiral, donde el fluido caliente entra por A y sale por el cabezal superior (que se omite en la figura), mientras que el fluido frío entra por B y sale por C.
FIGURA 32
22
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
Los casos en que no conviene usar intercambiadores de placa en espiral son los siguientes. ¾
¾
¾
Cuando la diferencia de presión entre ambas corrientes es muy grande. Debido a que no se pueden construir con espesores de pared superiores a 1.3 cm (0.5 pulgadas), la diferencia de presión entre corrientes está limitada a unos 28.12 kg/cm2 manométricos (400 psig). En las unidades de pequeño tamaño el espesor generalmente es menor aún, dependiendo del tamaño y del material usado en su construcción. Debido a que las chapas en espiral están soldadas, la temperatura operativa no puede exceder la máxima que puede tolerar la soldadura. Generalmente el costo crece mucho cuando se usan materiales y soldaduras resistentes a las temperaturas elevadas, digamos por caso 700°C. Pero por otro lado esto también es cierto en cualquier otro diseño. El costo por unidad suele ser algo mayor que el de un equipo de casco y tubos, capaz de la misma capacidad, debido a la construcción más complicada. Por supuesto, el hecho de ser compacto hace que su peso por unidad de volumen sea muy superior para capacidades similares que los de casco y tubos. En consecuencia, el costo por unidad de volumen es mucho más elevado. ¾ No se pueden manejar fluidos que circulan con caudales muy altos. El límite suele ser de alrededor de 126 a 158 lph (2000 a 2500 gpm). Esta limitación por lo general no se presenta a menos que los caudales de ambas corrientes sean enormemente distintos, lo que de todas maneras es un problema muy difícil de resolver con cualquier tipo de intercambiador de calor.
Disposiciones de las Corrientes En las distintas aplicaciones de los intercambiadores compactos de espiral, además de la disposición de flujos en espiral que se han visto en el apartado anterior, se pueden usar otras. La más común es en espiral, pero esta se usa principalmente para intercambio de calor sin cambio de fase. Pero con uno de los fluidos condensando esta disposición no es conveniente, ya que el condensado tiende a bajar por la atracción gravitatoria y se acumularía en el fondo del canal, inundando el equipo y disminuyendo la superficie efectiva de intercambio. FIGURA 33
En estos casos se usa una combinación de flujo cruzado y flujo en espiral. El líquido refrigerante fluye en espiral, mientras que el vapor ingresa por la parte superior en flujo cruzado y a medida que se condensa cae hacia el fondo por donde sale. Esta disposición de las corrientes se puede observar en la figura adjunta. Esta combinación de flujo contracorriente-espiral tiene menor eficiencia térmica que el flujo en espiral y no es normal que se use a menos que haya fuertes razones que lo justifiquen. Una de esas causas es, como ya se ha dicho, el cambio de fase de una de las corrientes. En estos casos se usa una disposición de flujo combinado contracorriente-espiral en un diseño especialmente desarrollado para el cambio de fase, como se ve en la figura adjunta. Se puede ver que el vapor sigue un camino más corto, con menor pérdida de presión, porque no fluye en espiral sino que atraviesa el canal abierto de arriba a abajo, lo que permite operar al vacío. Además, el espacio inferior permite una separación nítida del condensado y los gases o vapores incondensables, que se pueden extraer por medio de un orificio adicional (no indicado en la figura) lateral lo que nos ahorra una etapa de separación.
23
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
En total se pueden encontrar cuatro variantes posibles a los distintos arreglos de corrientes, como se ve más abajo. El tipo 1 (Figura 34a) es el clásico de ambas corrientes en espiral. Es prácticamente contracorriente. El tipo 2 (Figura 34b) corresponde al flujo espiral para uno de los fluidos y flujo cruzado para el otro. En este caso se trata de un vapor que condensa, pero si se invierten las flechas que indican los sentidos de las corrientes también se puede usar como hervidor. El tipo 3 (Figura 34c) es un híbrido entre los tipos 1 Y 2 con una cubierta plana en la parte inferior y una entrada amplia para el vapor en la parte superior. Se usa mucho como condensador. Ambos fluidos siguen un camino en espiral. El tipo 4 (Figura 34d) es una modificación del tipo 2 en la que se agranda la entrada axial de vapor (parte inferior) y también se agranda el espacio confinado superior. El canal en espiral por donde circula el vapor está abierto en la parte superior para facilitar el escape de incondensables que se pueden retirar por una boca adicional a la derecha, encima de la salida de condensado.
FIGURA 34
En el tipo de construcción soldada, la presión máxima de trabajo de estos equipos es de 18.6 kg/cm2 (18 atm. manométricas, unos 250 psig), con una temperatura máxima admisible de 400°C (alrededor de 750°F). La máxima superficie de intercambio que se puede obtener con el equipo más grande disponible de serie es de 200 m2 y los caudales máximos admisibles son: 400 m3/h para flujo en espiral de líquido, 4000 m3/h para flujo en espiral de gases o vapores, y 250,000 m3/h para flujo recto de gases o vapores.
Aplicaciones Los intercambiadores compactos de placa en espiral encuentran su principal aplicación en los fluidos que arrastran sólidos en suspensión. Si se intenta llevar a cabo el intercambio de calor con equipos de casco y tubos, se corre el riesgo de que los sólidos se depositen en los puntos de estancamiento que inevitablemente existen en estos equipos, dificultando el flujo por obstrucción parcial y disminuyendo la eficacia del equipo. Si se usan intercambiadores compactos de placa en espiral, en cambio estos problemas no se presentan porque no tienen puntos de estancamiento. La velocidad de los fluidos en estos intercambiadores es la misma en todos los puntos del equipo, y la turbulencia extra asociada con los permanentes cambios de dirección impide la sedimentación. Adicionalmente, como ya se ha dicho se usan intercambiadores compactos de placa en espiral en aplicaciones que involucran cambios de fase, donde encuentran gran aceptación particularmente en operaciones al vacío.
24
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
INTERCAMBIADORES DE PLACA Los intercambiadores de placas son equipos muy difundidos en la Industria de Procesos cubriendo una amplia gama de aplicaciones. Presentan características muy especiales tanto en su diseño como en la operación que los hace motivo de un estudio particular. La mayoría de los textos de transferencia de calor hacen mención a estos equipos aunque presentando generalidades, lo que impide conocer más detalladamente los principios de funcionamiento y el cálculo de los mismos. La mayor parte de la literatura sobre los intercambiadores de placas proviene de los fabricantes de equipos (quienes poseen el know-how) y su difusión está generalmente restringida al ámbito industrial, es decir entre sus usuarios. Como ya se ha explicado anteriormente, los intercambiadores de placa tienen su mayor atractivo en el hecho de que se pueden armar y desarmar con facilidad, y se adaptan bien en servicios con líquidos sensibles a la temperatura. Por eso tienen más aplicación en las industrias farmacéutica y alimentaria. Otro atractivo importante es que, a diferencia de cualquier otro tipo de equipo de intercambio de calor, los intercambiadores de placa se pueden expandir, es decir que se puede aumentar la superficie de intercambio dentro de límites razonables para aumentar su capacidad. Esto no se puede hacer con los tipos convencionales, excepto el intercambiador de doble tubo. Debido al elevado grado de turbulencia que permite alcanzar la disposición del líquido en forma de capa delgada, que además se ve sometida a constantes cambios de dirección, este tipo de intercambiador permite operar con líquidos muy viscosos. Entre sus principales limitaciones se puede citar su rango limitado de presiones y temperaturas operativas y el hecho de que exigen un desarmado y ensamblado muy meticuloso (poniendo especial cuidado en no dañar las juntas) ya que son equipos delicados construidos con chapas delgadas que se tuercen y quiebran fácilmente. Las placas se construyen por estampado en frío usando materiales sumamente resistentes a la corrosión como acero inoxidable, titanio, tantalio, etc. Para que los costos sean competitivos con otras clases de intercambiadores los fabricantes se ven obligados a emplear espesores tan finos como 0.5 mm lo que hace imprescindible un cuidado extremo en su manipulación. Un intercambiador de placa consiste en una sucesión de láminas de metal armadas en un bastidor y conectadas de modo que entre la primera y la segunda circule un fluido, entre la segunda y la tercera otro, y así sucesivamente. Cada fluido está encerrado en el espacio comprendido entre dos placas sucesivas, y se desplaza en forma de capa fina. Esto permite aplicarle temperaturas elevadas durante cortos períodos de tiempo lo que es muy importante en productos sensibles a la temperatura, que pueden sufrir modificaciones indeseables en su composición por efecto del calentamiento prolongado. Existen varios diseños de intercambiadores de placas, pero son dos las construcciones básicas más difundidas, a saber: ¾ ¾
Intercambiador de placas con juntas, designado PHE (Plate heat exchangers) Intercambiador de placas soldadas, designado BHE (Brazed heat exchangers)
Ambos diseños se conocen indistintamente como intercambiadores compactos. Los PHE consisten en un conjunto de placas metálicas corrugadas montadas entre dos placas, una fija (bastidor) y otra móvil (de presión). Este paquete de placas a su vez, es soportado por dos barras guía, una superior y otra inferior que apoyan sobre una columna o pedestal. El sellado entre placas se efectúa mediante juntas elastoméricas quienes a su vez dirigen los fluidos por canales alternos. Las placas contienen orificios que permiten y dirigen el flujo de los fluidos. El conjunto de placas es comprimido mediante espárragos que aseguran el apriete y estanqueidad entre las mismas. Las
25
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
conexiones de entrada y salida se localizan en la placa fija del bastidor salvo en el caso de que haya más de un paso, donde se utilizan ambas placas del bastidor. Los PHE son llamados también intercambiadores de placas y marcos (Plate and Frame) por su similitud constructiva con los filtros prensas. La Figura 35 muestra un esquema típico del equipo.
FIGURA 35. INTERCAMBIADOR DE PLACAS CON JUNTAS
En el caso de los BHE, las placas están soldadas entre sí y conectadas a dos placas finales de apoyo, no existiendo en ellos las juntas ni los elementos de soporte y apriete. Las placas en estos equipos son soldadas entre sí con cobre o níquel 99% en un horno al vacío y forman una unidad compacta resistente a la presión. Este diseño ha sido concebido para las aplicaciones de alta presión y temperatura de trabajo y presentan la ventaja de poder ser montados directamente sobre las tuberías. La cantidad, tamaño, material y configuración geométrica de las placas dependerá de las características del proceso, esto es, del caudal, propiedades físicoquímicas de los fluidos, temperaturas y pérdida de presión requeridas. La Figura 36 muestra un equipo armado en conjunto.
FIGURA 36. PHE ARMADO
26
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
Construcción de los Intercambiadores La construcción de los intercambiadores está determinada principalmente por las características de las placas y en el caso de los PHE también por las propiedades de sus juntas.
1. Materiales y dimensiones de las placas Las placas constituyen el alma del equipo y tanto la selección de materiales como el diseño, tamaño y cantidad de las mismas dependerá de las condiciones del servicio requerido. Las placas en general presentan un diseño en forma de “tabla de lavar”, que reconoce cinco segmentos funcionales, a saber: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Segmento de ingreso del fluido en la parte superior (Inlet port). Segmento de distribución del fluido. Segmento o área principal de transferencia de calor. Segmento colector de fluido. Segmento de egreso del fluido (outlet port).
Los materiales de construcción de las placas en los PHE pueden ser de los siguientes materiales: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Aceros inoxidables austeníticos, tipo AISI 304, 316, 318, 312 (aplicaciones generales). Titanio, Titanio Paladio. Niquel. Hasteloy. Grafito Diabon F100 / NS1 (servicios muy corrosivos).
En los intercambiadores soldados las placas son únicamente de acero inoxidable AISI 316. Las placas pueden construirse en diferentes medidas y espesores, variando entre las siguientes dimensiones: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Espesores de placas: 0.5 a 1.2 mm. Área de intercambio por placa: 0.032 a 3.4 m2. Área de intercambio por unidad: 0.1 a 2200 m2. En los BHE máximo (70 m2). Espaciado entre canales: 1.6 a 5.5 mm. Dimensiones placas: ancho (0.2 a 1.5 m) y alto (0.5 a 3 m). Dimensiones por unidad: 0.5 a 6 m. Dimensiones de las conexiones: 1” a 18”. En los BHE máximo (4”). Tipo de conexiones: roscadas, socket, bridadas o Victaulic.
2. Diseño de las placas El diseño de estos elementos está directamente relacionado con las características de la aplicación buscada, esto es, su configuración dependerá de: ¾ ¾ ¾
Tipo y propiedades de los fluidos que intercambian calor (líquidos, gases, vapores, emulsiones, viscosidad, presencia de partículas o fibras, corrosivos, fouling, etc). Servicio buscado, calentamiento, enfriamiento, evaporación, condensación, etc. Caudales manejados, tiempos de retención y pérdidas de presión permitidas.
27
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
El diseño corrugado de las placas crea conductos a través de los cuales circulan los fluidos en capas de muy bajo espesor y con gran turbulencia, lo que origina una alta transferencia de calor. Este escurrimiento turbulento a través de las placas hace también que los depósitos causados por fluidos sucios sean continuamente removidos de la superficie de transferencia durante la operación, lo que se traduce en un mayor coeficiente total de transferencia y en un mayor tiempo de trabajo del equipo sin necesidad de pararlo para limpieza. La corrugación de las placas provoca turbulencia aún en flujo laminar con números de Reynolds tan bajos como Re: 10 a 500, hecho que en un intercambiador de casco y tubos sería imposible. El flujo turbulento producido por las corrugaciones rompe la película límite adherida a la superficie de transferencia dando altos coeficientes de convección y un bajo nivel de ensuciamiento. La elevada transferencia térmica en estos equipos no está dada solamente por el escurrimiento turbulento sino también por los bajos espesores de película a través de las cuales se transmite el calor. Así, mientras en los intercambiadores de placas la distancia media entre ellas puede variar entre 1.6 a 5.5 mm; en los intercambiadores de casco y tubos esta distancia media podrá variar entre 12.5 y 38 mm (tubos de 1/2 a 1-1/2 “). Dependiendo de la transferencia de calor requerida y de las pérdidas de presión necesarias para lograrla, la geometría de las placas puede variar ampliamente. De esta forma se encontrarán placas llamadas soft que se caracterizan por tener bajos coeficientes de transferencia y pequeñas pérdidas de carga y las placas llamadas hard que inversamente darán los coeficientes de transmisión más altos con mayores pérdidas por fricción. Estas últimas son de una geometría más compleja pues son más largas y estrechas y tienen corrugaciones más profundas. También tienen una menor separación entre placas. Las placas soft en cambio, son más cortas y anchas. Las placas soft en general tienen un diseño en ángulo agudo (chevrons) que ofrece menor resistencia al flujo de fluidos, en tanto que las placas hard presentan corrugaciones en ángulo obtuso que conducen a mayores pérdidas de carga. Combinando diferentes diseños de canales se podrán cubrir diferentes tipos de servicios. Las placas del tipo hard tienen corrugaciones transversales o diagonales a la dirección del flujo, lo que origina mayor turbulencia y transferencia térmica. Las placas soft inversamente tienen ondulaciones en la dirección del flujo, lo que provocará menos turbulencia y transferencia de calor. Como se verá más adelante, la aptitud o perfomance de las distintas configuraciones geométricas de las placas para transferir calor quedan expresadas por el llamado Número de Unidades de Transferencia de Calor (NTU- Number Transfer Units). Así se verá que las placas antes definidas como soft y hard podrán ser caracterizadas por su correspondiente NTU. El número de unidades de transferencia de calor NTU, para un intercambiador de placas se define como:
NTU =
(T1 − T2 ) LMTD
(2)
Donde: T1 y T2 representan las temperaturas de entrada y salida de la placa en °C LMTD: Es la diferencia logarítmica media de temperaturas entre una placa y su adyacente, °C. Una de las ventajas que ofrecen estos equipos es que en virtud de las diferentes geometrías de placas existentes es posible efectuar combinaciones entre ellas para optimizar el proceso térmico. De esta forma al mezclar placas con distintos ángulos y separaciones se permite satisfacer distintos requerimientos mediante configuraciones de único paso, lo que simplifica las conexiones y el mantenimiento del equipo. La Figura 37 muestra distintas configuraciones de placas indicando aquellas con alto y bajo NTU.
28
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
FIGURA 37. SELECCIÓN PRECISA DE LA PLACA (ALTO Y BAJO NTU)
3. Materiales de Juntas El sellado y estanqueidad entre las placas se consigue mediante juntas que van colocadas entre ellas; las que a su vez tienen también por finalidad dar dirección al flujo de fluidos a través del conjunto de placas. El material de las juntas está directamente ligado a las exigencias del servicio, esto es: presiones y temperaturas de operación y de las características fisicoquímicas de los fluidos manejados (ácidos, álcalis, sólidos abrasivos, etc). Las juntas pueden ir pegadas a las placas o con algún dispositivo de grampa (clip). Las juntas pueden ser de diferentes materiales entre los que se encuentran:
TEMP. MÁXIMAS DE OPERACIÓN (°C)
APLICACIONES
Goma Nitrílica
135
Agua, aceite mineral o vegetal, soluciones azucaradas, mostos
Goma EPDM
160
Agua caliente con vapor, vapor de agua, ácidos minerales
Neopreno
70
Sistemas refriger. R22, R134
MATERIAL DE LAS JUNTAS
Goma Butílica
150 >
Ácidos, alkalis, aceites, aminas
Goma a Base de Fluorelastómeros
180
Ácidos minerales, vapor, aceites
Juntas a Base de Grafito
500
Productos orgánicos y mezclas TABLA 1
En algunos equipos donde la posible pérdida de estanqueidad de las juntas y mezcla de los fluidos puede ser perjudicial (contaminación o reacción peligrosa), se recurre a placas dobles especiales que permiten evacuar la fuga hacia el exterior previniendo el contacto entre ellos. La Figura 38 muestra este tipo de placas y sus juntas.
29
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
FIGURA 38. PLACAS DOBLES PARA PREVENCIÓN DE MEZCLAS DE FLUIDOS
Operación de los Intercambiadores de Placas 1. Distribución y Características del Flujo de Fluidos Mientras que en los intercambiadores de calor de cascos y tubos (THE - Tubular heat exchangers) es posible manejar solamente una corriente fría y otra caliente en un determinado arreglo, en los intercambiadores de placas el flujo de fluidos no solamente puede ser dispuesto de diferentes formas sino también efectuar transferencia de calor en múltiples corrientes. La disposición en corrientes múltiples es generalmente aplicada en aquellos casos donde es necesario efectuar recuperación de calor entre corrientes que deben ser calentadas y luego enfriadas como sucede en algunos tratamientos térmicos de productos en la industria alimenticia, tal es el caso del proceso de pasteurización. En estos casos la distribución y recombinación de flujos de procesos es implementada en el interior del equipo, lo que trae aparejado además un importante ahorro en los costos de cañerías. Muchos fluidos viscosos que en un intercambiador de casco y tubos tendrían un flujo laminar, en los equipos compactos presentan flujos decididamente turbulentos. La distribución del flujo a través de las placas en el caso de fluidos viscosos es en general compleja, más aún cuando el paquete de placas es largo y estará de alguna forma definida por la caída de presión a través del equipo. La Figura 39 muestra una disposición típica para el caso de transferencia en corrientes múltiples donde es posible efectuar distintas operaciones entre los fluidos (calentamiento, enfriamiento, etc.)
30
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
FIGURA 39. DISPOSICIÓN MULTIFLUJO
2. Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor Las velocidades de escurrimiento promedio en los PHE son menores que en los THE. Así, se encuentra en ellos un rango de velocidades entre 0.5 a 0.8 m/s contra los 1.2 a 2 m/s que se presentan en los intercambiadores de casco y tubos. Sin embargo, como ya se dijo anteriormente, pese a estas bajas velocidades se obtienen coeficientes totales de transferencia de calor muy superiores a los de casco y tubos. Con relación a las condiciones de termo-transferencia y fluidodinámicas en estos equipos, es posible manejarse dentro de los siguientes valores: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Flujo másico por unidad: 0.13 a 800 kg/s (flujo de agua). Presión de trabajo: Vacío a 30.5 kg/cm2 (30 bar) (máximo). Temperatura de trabajo (PHE): - 40 a 180°C. Temperatura de trabajo (BHE): - 195 a 225°C. Coeficiente total de transferencia de calor (U): 3500 a 7000 kcal/h m2°C (agua -agua). Coeficiente total U: 800 a 2800 kcal/h m2°C (soluciones acuosas – agua). Coeficiente total U: 300 a 800 kcal/h m2°C (agua – aceite).
La caída de presión en los PHE es uno de los más importantes parámetros a definir en el proyecto de estos equipos, ya que ella puede estar restringida por aspectos económicos (costos de bombeo) o por consideraciones de procesos o una combinación de ambos. Como ya se dijo anteriormente, esta caída de presión ocasionada por el flujo de los fluidos a través de la superficie de calefacción y de las conexiones de entrada/salida del equipo, es utilizada para generar elevados coeficientes de convección y por ende altas transferencias de calor. Con el fin de relacionar la pérdida de carga con la aptitud del equipo para transferir calor, se introduce el concepto de caída específica de presión, también llamada Número de Jensen (Je). Este concepto permite relacionar diferentes superficies intercambiadoras de calor y representa la pérdida de carga experimentada por el fluido durante su pasaje a través del equipo con relación al número de unidades de transferencia NTU obtenido, esto es:
Número de Jensen (Je) =
31
ΔP ⎡ kg ⎤ = NTU ⎢⎣ m 2 ⎥⎦
(3)
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
La pérdida de carga en los intercambiadores de placas puede ser calculada por la ecuación de Cooper, que establece
ΔP =
2 f G2 L g D ρe
(4)
Ecuación en la que:
f = ΔP: G: L: D: ρ: g: Re: f:
2.5 Re 0.3
(5)
Pérdida de carga en el equipo en kg/m2. Flujo másico en kg/h m2. Longitud del canal de pasaje en m. Diámetro equivalente del canal de flujo en m. Densidad del fluido en kg/m3. Constante gravitacional en m/h2. Número de Reynolds. Factor de fricción.
La elevada transmisión de calor en los equipos está también asociada a las diferentes disposiciones en las que los flujos pueden ser dispuestos. Esto posibilita aprovechar las diferencias de temperaturas de manera eficiente y optimizar el proceso. Como se vio las disposiciones posibles de flujos en estos equipos pueden ser diversas, a saber: ¾ ¾ ¾ ¾
Flujo en serie, en el cual la corriente cambia de dirección verticalmente. Flujo paralelo, donde la corriente se divide y luego converge sobre un mismo colector. Sistema Loop, en el que ambos fluidos circulan en flujo paralelo. Sistema complejo, que presenta una combinación de los anteriores (serie – paralelo).
En la Figura 40 se pueden ver las diferentes combinaciones de flujo que pueden ser establecidas en estos equipos.
FIGURA 40. ARREGLOS DE FLUJO EN PHE
32
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
3. Ensuciamiento en los Equipos (Fouling) Como en cualquier otro equipo de transferencia de calor, el problema del ensuciamiento de la superficie de calefacción está aquí también presente, dado que es muy difícil encontrar productos que puedan ser considerados totalmente limpios. Sin embargo este problema en virtud de la elevada turbulencia producida (que mantiene los sólidos en suspensión) y la ausencia de zonas de bajas velocidades, hace que el mismo se encuentre restringido. Este problema es también limitado por las características anticorrosivas de las placas que restringen la adherencia de las incrustaciones a las paredes. De la misma forma que se define y recomienda en las Normas TEMA la utilización de un factor de ensuciamiento (fouling factors) en el proyecto de los intercambiadores de casco y tubos para tener en cuenta este fenómeno, en los PHE también se deberá considerar esta situación aunque su impacto será menos importante en relación a los equipos THE. Esto también se hace evidente en función de la facilidad con que los PHE pueden ser limpiados tanto química como mecánicamente. Los factores de ensuciamiento recomendados para intercambiadores de placas están dados por la tabla 5. Se asume en ellos que la caída de presión en los equipos puede ser del orden de los 0.35 kg/cm2. Analizando cada caso en particular se podrá asumir de dicha Tabla un valor del factor de ensuciamiento para el cálculo del coeficiente de diseño del equipo y por ende de la superficie de calefacción requerida. Más adelante se hablará de cómo se obtiene dicho factor, para el cálculo de la superficie de intercambio.
4. Aplicaciones principales Los intercambiadores compactos cubren una amplia gama de aplicaciones dentro de los rangos de presiones y temperaturas antes mencionados y compiten en esos segmentos con notables ventajas respecto a los de casco y tubos. Con estos equipos es posible atender diferentes operaciones de calentamiento, enfriamiento, evaporación, condensación y recuperación de calor en muchas industrias y están resumidos en una tabla posterior. Estas aplicaciones comprenden las siguientes actividades industriales y comerciales: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Procesos químicos. Producción de pulpa y papel. Alimentación. Industria azucarera. Metalurgia y siderurgia. Refrigeración industrial y comercial. Calefacción y aire acondicionado. Producción de energía. Instalaciones óleo hidráulicas.
Una de las aplicaciones de mayor interés son las que se presentan en la industria de alimentos que cubre amplios sectores entre los que se encuentran: ¾ ¾ ¾ ¾
Industria láctea: Enfriamiento de leche, yogurt y leche cultivada, pasteurización de leche, cremas de leche y helados. Industria cervecera: Enfriamiento de mosto-cerveza y pasteurización. Industria de bebidas varias: Enfriamiento, calentamiento y pasteurización de jugos de frutas, frutas concentradas, café, te, bebidas carbonatadas, vinos. Alimentos varios: Pasteurización de margarinas, aceites vegetales.
33
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
Todos estos equipos cuentan además con la aprobación de las más estrictas normas y códigos internacionales de construcción vigentes tales como: ASME, Sec.VIII, AD-Merkblätter, BS 5500 Bureau Veritas, TÜV, UL, etc. Los fabricantes cuentan en general también con sistema de aseguramiento de calidad tales como las ISO 9001/9002. Para conocer más profundamente el campo de acción de estos equipos se presenta a continuación dos tablas tomadas de publicaciones de Alfa Laval. La primera tabla muestra las distintas aplicaciones posibles de sus diferentes diseños, indicando la conveniencia o no de los mismos en cada servicio. Esta tabla es de gran utilidad para el ingeniero de proyecto que debe seleccionar equipos y servirá de base para optar por un determinado diseño con la asistencia del proveedor, quien de última dispone de la habilidad para llegar a la mejor adopción. La tabla siguiente muestra las ventajas comparativas del intercambiador de placas respecto del de casco y tubos. Esta segunda tabla resume de manera muy completa todos los aspectos que hacen a las ventajas competitivas que ofrecen los PHE versus los de casco y tubos. En estos equipos como se verá, las ventajas no están dadas solamente por la menor superficie de calefacción sino por la versatilidad que el mismo posee tanto desde el punto de vista térmico como de la operación y mantenimiento de la unidad. Así es posible modificar el tamaño de la superficie de calefacción adicionando placas como la disposición de los fluidos en el equipo, acciones inexistentes en los de casco y tubos. Idéntico criterio respecto al procedimiento de limpieza química o mecánica de la superficie de calefacción que presenta una simpleza operativa muy grande. Este conjunto de ventajas fueron las que permitieron posicionar a los PHE como equipos líderes dentro de su segmento de aplicación.
34
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
Guía de Selección de Intercambiadores de Placas DISEÑOS Y SERVICIOS POSIBLES PHE Estándar
FlowFlex PHE
Widegap PHE
Doblewall PHE
Twinplate PHE
Diabon F Grafito PHE
Soldado PHE
CONDICIONES DE UTILZACIÓN Presiones desde vacío hasta kg/cm2 (psi) Temperaturas C F
25.5 (355)
20.4 (285)
9.2 (130)
25.5 (355)
25.5 (355)
6.1 (85)
30.6 (427)
← -30 ← -22
a a
+200 +392
→ →
-30 a +200 -22 a +392
0 a +140 +32 a +284
-195 a 225 -319 a +437
1 1-3* 1-3* 1-3* 1-3*
1 1-3* 1-3* 1-3* 1-3*
1 1-3* 1-3* 1-3* 1-3*
1 1-3* 1-3* 1-3* 1-3*
1 1-3* 1-3* 1-3* 1-3*
1 1-3* 1-3* 1-3* 1-3*
1 1 1-3* 1 1
1 3 1 1 3 4 3 3
1 3 1 1 3 3 2 2
1 3 1 1 3 1 2 2
1 3 1 1 1 4 3 3
1 1 1 1 2 4 3 3
1 1 1 1 3 4 3 3
3 4 3 1 4 4 4 3
A A A
A A A
A A A
A A A
B A B
A A A
C C C
A A A
A A A
A A A
A A A
A A A
B A A
C C C
SERVICIO Líquido/Líquido Gas/Líquido Gas/Gas Condensación Evaporación
NATURALEZA DEL FLUIDO Corrosivo Agresivo Viscosidad Sensible al calor Reacción peligrosa Fibras Pastas y suspensiones Sucios
INSPECCIÓN Corrosión Fugas Ensuciamiento
MANTENIMIENTO Limpieza Mecánica Modificaciones Reparaciones
1. Generalmente la mejor elección 2. A menudo la mejor elección 3. A veces la mejor elección 4. Raramente la mejor elección
A. Ambos lados B. Un lado C. Ningún lado
* Dependiendo de la presión de operación gas/vapor, densidad, etc.
TABLA 2
35
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
Tabla Comparativa PHE TRADICIONAL
CARCASA Y TUBOS
Cruce de temperaturas
Posible
Imposible
Aproximación
1°C (1.8°F)
5°C (9°F)
Servicios Múltiples
Posible
Imposible
Conexión de Tuberías
En una dirección (en la placa bastidor)
Desde varias direcciones
Relación de Transferencia de Calor
3-5
1
Relación de Peso en Operación
1
3-10
Volumen Contenido
Bajo
Alto
Relación de Espacio
1
2-5
Soldaduras
Ninguna
Soldado
Sensibilidad a Vibraciones
Insensible
Sensible
Juntas
En todas las placas
En cada bonete
Detección de Fugas
Fácil de detectar en el exterior
Difícil de detectar
Acceso para Inspección
En cada lado de la placa
Limitado
Tiempo para Apertura
15 minutos (con pistola neumática)
60-90 minutos
Reparaciones
Fácil reposición de placas y/o juntas
Requiere anular los tubos = menor capacidad
Modificaciones
Fácil, añadiendo o retirando placas
Imposible
TABLA 3
Hasta aquí se ha hablado de los tipos de Intercambiadores de Calor más comúnmente usados, de sus materiales de fabricación, técnicas de construcción, diseño, dimensiones, de sus ventajas y desventajas, pero hay mucho más por decir. En la búsqueda por elegir el intercambiador de Calor ideal para nuestro proceso, también existen otros tantos factores a considerar como son los siguientes a saber.
36
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL Una de las primeras cuestiones a realizar en el análisis térmico de un intercambiador de calor de carcasa y tubos consiste en evaluar el coeficiente de transferencia térmica global entre las dos corrientes fluidas. Se sabe que el coeficiente de transferencia térmica global entre un fluido caliente a temperatura TC y otro frío a temperatura TF separados por una pared plana se define mediante la ecuación: •
Q = UA (TC − TF )
(6)
Donde •
Q = Transferencia de Calor por unidad de tiempo UA =
1
=
i =3
∑R i =1
i
1 1 1 1 + + h C A kA h F A
(7)
En el caso de un intercambiador de calor formado por dos tubos concéntricos, Figura 4, el área de la superficie de intercambio térmico es:
⎧ Interior : A i = 2π ri L ⎨ ⎩Exterior : A e = 2π re L De forma que, en general:
UA =
1 ln (re /ri ) 1 1 + + h Ci A i 2π k L h Fe A e
(8)
Donde: U = coeficiente total [kcal/h m2 °C]. hCi = coeficiente pelicular de convección del lado interno de la superficie [kcal/h m2 °C]. hFe = coeficiente pelicular de convección del lado externo de la superficie [kcal/h m2 °C]. Si el coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie exterior Ae el valor de Ue será:
Ue =
1 ⎛r Ae Ae + ln⎜⎜ e h Ci A i 2π kL ⎝ ri
⎞ 1 ⎟⎟ + ⎠ h Fe
=
1 re r ⎛r + e ln⎜⎜ e h Ci ri k ⎝ ri
⎞ 1 ⎟⎟ + ⎠ h Fe
(9)
Mientras que si viene referido a la superficie interior Ai será:
Ui =
1 ⎛r Ai 1 + ln⎜⎜ e h Ci 2π kL ⎝ ri
⎞ Ai ⎟⎟ + ⎠ A e h Fe
=
1 1 ri ⎛ re + ln⎜ h Ci k ⎜⎝ ri
⎞ r ⎟⎟ + i ⎠ re h Fe
(10)
En un proyecto es necesario calcular los coeficientes de transferencia de calor individuales, pero suele ser útil en las estimaciones preliminares el tener un valor aproximado de U, típico de las condiciones que han de encontrarse en la práctica; hay que tener en cuenta que, en muchos casos, el valor de U viene determinado casi completamente por la resistencia térmica en una de las películas fluido/sólido, como sucede, por ejemplo, cuando uno de los fluidos es un gas y el otro un líquido o si uno de los fluidos es un líquido en ebullición con un coeficiente de transferencia térmica muy grande.
37
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
FACTOR DE SUCIEDAD Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de transferencia de calor global de un intercambiador de calor al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento, teniendo sólo en cuenta el análisis térmico; durante el funcionamiento con la mayoría de los líquidos y con algunos gases, se van produciendo gradualmente unas películas de suciedad sobre la superficie en la que se realiza la transferencia térmica, que pueden ser de óxidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados. En la Figura 41, se muestra el efecto que ésta suciedad origina, la cual se conoce con el nombre de incrustaciones, y provoca un aumento de la resistencia térmica del sistema; normalmente el fabricante no puede predecir la naturaleza del depósito de suciedad o la velocidad de crecimiento de las incrustaciones, limitándose únicamente a garantizar la eficiencia de los intercambiadores limpios. La resistencia térmica del depósito se puede determinar, generalmente, a partir de ensayos reales o de la experiencia.
FIGURA 41. TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN Y EL AGUA DE UNA CALDERA CON INCRUSTACIONES CALCÁREAS
Si se realizan ensayos de rendimiento en un intercambiador limpio y se repiten después de que el aparato haya estado en servicio durante algún tiempo, se puede determinar la resistencia térmica del depósito (o factor de incrustación) RSuc mediante la relación:
R Sucio = R Func − R Limpio =
1 U Func
−
1 U Limpio
⇒ U Func =
1 R Sucio +
1
(11)
U Limpio
Siendo:
R Sucio = R e + R i
Ae ; Ai
U Limpio =
1 1 Ae 1 + R equiv + h ce h ci A i
(12 a, b)
La expresión del coeficiente global de transmisión de calor UFunc en funcionamiento al cabo de un tiempo, referida a la sección exterior Ae es:
U Func =
1 RA Ae 1 + R e + R equiv + i e + h ce Ai h ci A i
En la que:
38
(13)
Manual de Consulta Ulimpio Usuc hce hci Re Ri Requiv Ae/Ai
Intercambiadores de Calor
Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador limpio, respecto a la sección exterior. Coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador después de producirse el depósito. Coeficiente de convección medio del fluido en el exterior del tubo. Coeficiente de convección medio del fluido en el interior del tubo. Resistencia unitaria del depósito de suciedad en el exterior del tubo. Resistencia unitaria del depósito de suciedad en el interior del tubo. Resistencia unitaria del tubo, en la que no se han considerado los depósitos de suciedad interior y exterior, y el material del tubo, en m2 °C h/kcal, basada en el área de la superficie exterior del tubo. Relación entre la superficie exterior y la interior del tubo.
En la Tabla 4 se dan algunos ejemplos de factores de resistencia por ensuciamiento que se aplican en la ecuación anterior.
FACTORES DE RESISTENCIA POR ENSUCIAMIENTO Requiv (m2 K/W)
Requiv (m2 °C h/kcal)
Agua de mar por debajo de 325 K
0.0009
1.046E-04
Agua de mar por encima de 325 K
0.0003
3.486E-05
Agua de alimentación de calderas por encima de 325 K
0.0005
5.810E-05
0.001 – 0.004
1.162E-04 – 4.648E-04
TIPO DE FLUIDO
Agua de río Agua condensada en un ciclo cerrado
0.0005
5.810E-05
Agua de torre de refrigeración tratada
0.001 – 0.002
1.162E-04 – 2.324E-04
0.0020
2.324E-04
Gasóleo pesado
0.0030
3.486E-04
Asfalto
0.0050
5.810E-04
Gasolina
0.0010
1.162E-04
Queroseno
0.0010
1.162E-04
Soluciones cáusticas
0.0020
2.324E-04
Fluido hidráulico
0.0010
1.162E-04
Sales fundidas
0.0005
5.810E-05
Aceite para temple
0.0007
8.134E-05
Gases de escape de un motor
0.0100
1.162E-03
Aceite combustible
0.0050
5.810E-04
Aceite para transformadores
0.0010
1.162E-04
Aceites vegetales
0.0030
3.486E-04
Vapores de alcohol
0.0001
1.162E-05
Vapor, cojines sin aceite
0.0005
5.810E-05
Vapor, con aceite
0.0010
1.162E-04
Vapores refrigerantes, con aceite
0.0020
2.324E-04
Aire comprimido
0.0010
1.162E-04
Líquido refrigerante
0.0010
1.162E-04
Gasóleo ligero
TABLA 4
39
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
FACTORES DE ENSUCIAMIENTO PARA PHE (FOULING FACTORS) Fouling Factors en h m2 °C/kcal x 105
Fluido Agua desmineralizada o destilada
0.2
Agua blanda
0.4
Agua dura
1.0
Agua de enfriamiento tratada
0.8
Agua de río
1.0
Agua salada
1.0
Aceite mineral
0.4 a 1.0
Aceite vegetal
0.4 a 1.2
Solvente orgánico
0.2 a 0.6
Vapor
0.2
Fluidos de Procesos en general
0.2 a 1.2 TABLA 5
TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO, A TEMPERATURAS VARIABLES, A TRAVÉS DE UNA PARED Este método se emplea cuando son conocidas las temperaturas de entrada y salida de los fluidos frío y caliente, para el cálculo de la transferencia de calor, el coeficiente global, y el área de transferencia necesaria de un intercambiador de calor. Éste es válido para todos los tipos de intercambiadores de calor. Para determinar la transferencia de calor por unidad de tiempo, y admitiendo que el calor cedido por un fluido es totalmente absorbido por el otro, (no hay pérdidas térmicas), se puede hacer el siguiente balance de energía:
Q = m C C PC (TC1 − TC2 ) = m F C PF (TF2 − TF1 )
(14)
Si se toma a ambos lados de la pared un elemento de superficie dA, Figura 42, en una misma sección transversal se puede suponer que ambos fluidos toman las temperaturas TC y TF en estos elementos diferenciales. Haciendo ΔT = TC – TF es evidente que la cantidad de calor que pasará del fluido caliente al fluido frío, por unidad de tiempo es:
dQ = U dA ΔT = m C C PC dTC = m F C PF dTF
(15)
Se define un parámetro ϕ adimensional de la forma:
φ=
m C C PC dTF = m F C PF dTC
(16)
que va a intervenir directamente a lo largo del proceso, y teniendo en cuenta que:
d (ΔT ) = dTC − dTF ;
dT d (ΔT ) = 1 − F = 1 − φ; dTC dTC
40
dTC =
d (ΔT ) 1− φ
(17 a,b,c)
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
FIGURA 42. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN INTERCAMBIADORES DE CALOR CON FLUJOS EN CONTRACORRIENTE Y DE UN SOLO PASO DE TUBOS
Se obtiene:
U dA ΔT = m C C PC dTC = m C C PC m C C PC ∫
d (ΔT ) ; 1− φ
ΔT2
ΔT1
m C C PC
d (ΔT ) = U dA(1 − φ ) ΔT
d (ΔT ) = U (1 − φ ) A ΔT
(18 a,b)
(19)
Integrándola:
ΔT2 = TC1 − TF2 ; ΔT1 = TC2 − TF1 m C C PC ln
ΔT2 = U (1 − φ ) A = ΔT1
d(Δ T) ΔT2 − ΔT1 = 1− φ = dTC TC1 − TC2
Q = m C C PC (TC1 − TC2 ) = UA
41
= UA
ΔT2 − ΔT1 TC1 − TC2
ΔT2 − ΔT1 = UA (LMTD ) ΔT2 ln ΔT1
(20)
(21)
Intercambiadores de Calor
Manual de Consulta
En la que la expresión
ΔT2 − ΔT1 ΔT ln 2 ΔT1 Se denomina diferencia media logarítmica de temperatura, o LMTD por sus siglas en inglés (Logarithmic mean temperature difference). La ecuación anterior se podía haber demostrado también, considerando que la diferencia de temperaturas del fluido ΔT es función de q y varía entre ΔT2 y ΔT1 por lo que:
∫
d (ΔT ) ΔT2 − ΔT1 d (ΔT ) = = dq = U dA ΔT = ∫ dq Q U dA ΔT
∫
ΔT2
ΔT1
(22)
ΔT − ΔT1 ΔT − ΔT1 d (ΔT ) = UA 2 ⇒ Q = UA 2 ΔT Q dq ln 2 ΔT1
(23)
Cuando el coeficiente global de transmisión de calor U varía mucho de uno a otro extremo del intercambiador, no es posible representarle por este valor; si se admite que U varía linealmente con la diferencia de temperaturas ΔT se puede poner:
U = a + b ΔT
∫
(24)
d (ΔT ) d (ΔT ) d (ΔT ) ΔT2 − ΔT1 = = U = a + b ΔT = ∫ =∫ = ... (a + b ΔT ) dA ΔT U dA ΔT dq Q ΔT
1 ⎛1 ΔT ⎞ 2 ... = ⎜ ln ⎟ A ⎝ a a + b ΔT ⎠ ΔT1
(25)
ΔT2 ΔT1 ⎛ ⎞ U1 = a + b ΔT1 ⎜ ⎟ a b ΔT + a 1 ⎟ = A (ΔT2 - ΔT1 )a ln Q = A(ΔT2 - ΔT1 )⎜ U 2 = a + b ΔT2 = = ΔT2 ⎜ ln ΔT ⎟ − ΔT ΔT 1 1 2 ⎜ ⎟ = a + b ΔT2 ⎝ a + b ΔT ⎠ ΔT1 a U 2 ΔT1 − U1 ΔT1
= A (ΔT2 - ΔT1 ) a ln
Donde:
ΔT2 = T1C – T2F ΔT1 = T2C – T1F Contracorriente
U 2 ΔT1 U ΔT − U 2 ΔT1 = ... = Α 1 2 U ΔT U1 ΔT2 ln 1 2 U 2 ΔT1
ΔT2 = T1C – T1F ΔT1 = T2C – T2F Equicorriente
42
(26)
Manual de Consulta
Intercambiadores de Calor
¿Flujo Paralelo o Contracorriente? El flujo en contracorriente es más efectivo que el flujo en corrientes paralelas a igualdad de todos los otros factores.
Ejemplo 1.
Cálculo de la diferencia media logarítmica de temperatura
Calcular la LMTD para las siguientes condiciones: temperatura de entrada del fluido caliente: T1C = 148.9°C (300°F); temperatura de salida del fluido caliente: T2C = 93.3°C (200°F); temperatura de entrada del fluido frío: T1F = 37.8°C (100°F); temperatura de salida del fluido frío: T2F = 65.6°C (150°F). Solución a)
Equicorrientes ΔT2 = T1C – T1F = 148.9 – 37.8 = 111.1°C ΔT1 = T2C – T2F = 93.3 – 65.6 = 27.7°C
LMTD =
b)
Δ T2 − Δ T1 111.1 − 27.7 = = 60.04°C Δ T2 111.1 ln ln 27.7 Δ T1
Contracorrientes ΔT2 = T1C – T2F = 148.9 – 65.6 = 83.3°C ΔT1 = T2C – T1F = 93.3 – 37.8 = 55.5°C
LMTD =
Δ T2 − Δ T1 83.3 − 55.5 = = 68.46°C Δ T2 83.3 ln ln 55.5 Δ T1
Al ser mayor la fuerza impulsora, se debe preferir siempre contracorrientes. Cuando se tienen intercambiadores muy complejos, como los montajes en carcasa y tubos, con varios pasos de tubos por cada carcasa, o varias carcasas, y en el caso de intercambiadores de flujo cruzado, la deducción analítica de una expresión para la diferencia media de temperaturas resulta muy compleja por lo que es necesario introducir un factor de corrección FLMTD.
FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD Si las capacidades caloríficas de los fluidos son iguales, las diferencias de temperaturas en contracorriente resultan iguales y ΔT= ΔT1 = ΔT2 por lo que para salvar la indeterminación 0/0 en el valor de la LMTD, hay que aplicar la regla de L´Hôpital.
Q = UA
ΔT2 − ΔT1 0 x −1 = = ΔT2 = x ΔT1 = U A ΔT1 = L' Hôpital = U A ΔT2 ΔT2 0 ln x ln ΔT1
Si la diferencia de temperaturas ΔT1 no es mayor que un 50% de ΔT2, es decir:
ΔT1
