Introducción al diseño del intercambiador de calor de la carcasa y el tubo

Diseño de intercambiador de tubos y conchas: Un intercambiador de calor de tubos y conchas es uno de los tipos más populares de intercambiadores debido a su flexibilidad. En este tipo, hay dos fluidos con diferentes temperaturas, uno de ellos fluye a través de tubos y otro flujo a través de la concha. El calor se transfiere de un fluido a otro a través de las paredes del tubo, ya sea del lado del tubo al lado del caparazón o viceversa. Este sistema maneja fluidos a diferentes presiones; el fluido a mayor presión se dirige típicamente a través de tubos, y el fluido a menor presión circula a través de un lado de la concha.

 Detalles de la construcción

Vaciado

La concha se construye ya sea desde la tubería hasta 24 pulgadas o laminado y soldado de metal de placa. Por razones de economía, el acero con bajo contenido de carbono es estándar, pero a menudo se especifican otros materiales adecuados para temperaturas extremas o resistencia a la corrosión. El uso de tuberías de vaciado disponibles comúnmente a 24 pulgadas de diámetro reduce el coste y la facilidad de fabricación, en parte porque son generalmente más perfectamente redondas que las conchas laminadas y soldadas. La redondez y el diámetro interior de la carcasa son necesarios para minimizar el espacio entre el borde exterior del deflector y la carcasa, ya que el espacio excesivo permite la derivación de fluidos y reduce el rendimiento.

En aplicaciones donde la velocidad del fluido para el diámetro de la boquilla es alta, se especifica una placa de impacto para distribuir el fluido uniformemente a los tubos y evitar la erosión, cavitación y vibración inducidas por el fluido. Se puede instalar una placa de impacto dentro de la carcasa, eliminando la necesidad de instalar un haz de tubos lleno, lo que proporcionaría una superficie menos disponible. La placa de impacto se puede instalar en un área abovedada (ya sea reduciendo el acoplamiento o una cúpula fabricada) por encima de la carcasa. Este estilo permite un recuento completo de tubos y, por lo tanto, maximiza la utilización del espacio de la concha.

 

Canales (Heads)

El tipo de canal se selecciona según la aplicación.  La mayoría de los canales se pueden retirar para acceder a los tubos. El tipo de canal más utilizado es el capó. Se utiliza para servicios que no requieren la retirada frecuente del canal para inspección o limpieza. El canal de la cubierta desmontable puede ser embridado o soldado a la hoja del tubo. La cubierta desmontable permite acceder al canal y a los tubos para su inspección o limpieza sin retirar la tubería lateral del tubo.

El canal posterior se selecciona a menudo para que coincida con el canal frontal. Por ejemplo, un intercambiador de calor con un capó en la cabeza delantera (canal B) a menudo tendrá un capó en la cabeza trasera (canal M) y se designará como BEM. Las particiones de paso son necesarias en canales de intercambiadores de calor con múltiples pasadas de tubo. Las placas de partición de paso dirigen el fluido lateral del tubo a través de múltiples pasadas.

Tubos

Los tubos generalmente se hacen sin costuras o soldados. El tubo sin costuras se produce en un proceso de extrusión; el tubo soldado se produce al enrollar una tira en un cilindro y soldar la junta. Los tubos están hechos de acero de bajo carbono, acero inoxidable, titanio, Inconel, Cobre, Etc. los diámetros estándar de tubo de 5/8 pulgadas, 3/4 pulgadas y 1 pulgadas se utilizan preferentemente para diseñar intercambiadores de calor compactos. El grosor del tubo debe mantenerse para soportar:

1) presión en el interior y exterior del tubo

2) la temperatura en ambos lados

3) tensión térmica debido a la expansión diferencial de la carcasa y el haz de tubos

4) naturaleza corrosiva del fluido del lado de la concha y del lado del tubo.

El espesor del tubo se expresa en términos de BWG y diámetro exterior verdadero (OD). Longitudes de tubo de 6, 8, 12, 16, 20, y 24 pies son comúnmente utilizados. El tubo más largo reduce el diámetro de la carcasa a expensas de una mayor caída de presión de la carcasa.   Los tubos de mayor diámetro se utilizan a veces para facilitar la limpieza mecánica o para lograr una caída de presión más baja. Un número máximo de tubos en la carcasa aumenta la turbulencia, lo que aumenta la velocidad de transferencia de calor. Los tubos con aletas también se utilizan cuando fluye fluido con bajo coeficiente de transferencia de calor en el lado de la concha.

 

Lámina de tubo

Las láminas de tubo están hechas de un pedazo plano redondo de metal con los agujeros taladrados para los extremos del tubo en la localización exacta y patrón relativo uno al otro. Generalmente, el material de la lámina del tubo es el mismo que el material del tubo. Los tubos están correctamente fijados a la lámina del tubo, de modo que se impide que el líquido del lado de la cáscara se mezcle con el líquido del lado del tubo. Los tubos se insertan a través de los orificios de las láminas de los tubos y se mantienen firmemente en su lugar mediante soldadura o expansión mecánica o hidráulica.  Una junta enrollada es el término común para una junta de tubo a hoja de tubo resultante de una expansión mecánica del tubo contra la hoja de tubo. Los agujeros se perforan en la hoja del tubo generalmente en cualquiera de dos patrones, triangular o cuadrado.

 

Paso de tubo

La distancia entre los centros del orificio del tubo se denomina paso del tubo; se suele tomar como 1,25 veces el diámetro exterior de los tubos. El valor mínimo se limita a 1,25 porque el ligamento tubo-lámina (un ligamento es la porción de material entre dos orificios de tubo vecinos) puede volverse demasiado débil para el enrollado adecuado de los tubos en la hoja de tubo. Otros pasos de tubo se utilizan para reducir la caída de presión del lado de la concha y controlar la velocidad del fluido del lado de la concha a medida que fluye a través del haz de tubos. El paso triangular proporciona una mayor transferencia de calor y una mayor compactación. El paso cuadrado facilita la limpieza mecánica del exterior de los tubos.

Deflectores

Los deflectores sirven las siguientes funciones:

1) apoye los tubos durante el montaje y la operación

2) evitar la vibración de los eddies inducidos por el flujo y mantener el espaciamiento del tubo

3) dirigir el flujo de fluido en el patrón deseado a través del lado de la concha.

Un segmento, llamado corte del deflector, se corta para permitir que el fluido fluya paralelo al eje del tubo a medida que fluye de un espacio del deflector a otro. El espacio entre deflectores se denomina paso del deflector. El paso del deflector y el corte del deflector determinan la velocidad del flujo transversal, y así la velocidad de transferencia de calor y la caída de presión.

La orientación del corte del deflector es esencial para el intercambiador de calor instalado horizontalmente. Cuando la transferencia de calor del lado de la carcasa es sensible a la calefacción o refrigeración sin cambio de fase, el corte del deflector debe ser horizontal. Esto hace que el fluido siga una trayectoria ascendente y descendente y evita la estratificación con fluido más caliente en la parte superior de la concha y fluido más fresco en la parte inferior de la concha. Para la condensación del lado de la carcasa, el corte del deflector para deflectores segmentados es vertical para permitir que el condensado fluya hacia la salida sin un importante acubado de líquido por el deflector. Para la ebullición del lado de la cáscara, el corte del deflector puede ser vertical u horizontal, dependiendo del servicio.

Barras de amarre y espaciadores

Las barras de acoplamiento se utilizan para mantener el deflector en su lugar con espaciadores, que son piezas de tubería o tubería colocadas para mantener el espacio del deflector seleccionado. Las barras de acoplamiento están atornilladas en la hoja del tubo estacionario y extienden la longitud del haz hasta el último deflector. Las barras de acoplamiento y los espaciadores también pueden usarse como dispositivo de sellado para bloquear las rutas de derivación debido a las vías de separación de paso o la separación entre la carcasa y el haz de tubos. El número mínimo de barras de acoplamiento y espaciadores depende del diámetro de la carcasa y del tamaño de la biela y los separadores.


Diseño de intercambiador de calor de tubos y conchas: Códigos y normas

 

Los objetivos de las normas y normas de código son lograr los requisitos mínimos para la construcción segura y proporcionar protección pública mediante la definición de dichos materiales, diseño, fabricación e inspección; ignorar esto puede aumentar los riesgos de operación. A continuación se enumeran algunos estándares de diseño mecánico y códigos de diseño de presión utilizados en el diseño del intercambiador de calor:

1) normas TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer Association, 1998)

2) normas HEI (Instituto del intercambiador de calor, 1980)

3) API (Instituto Americano del Petróleo)

4) ASME (Sociedad Americana de Ingenieros mecánicos)

Designaciones DE TEMA

Para entender el diseño y funcionamiento del intercambiador de calor de la carcasa y el tubo, es importante conocer el vocabulario y la terminología utilizados para describirlos. Este vocabulario se define en términos de letras y diagramas. La primera letra describe el tipo de encabezado delantero, la segunda letra el tipo de shell y la tercera letra el tipo de encabezado trasero. Por ejemplo, BEM, CFU y AES.

Consideraciones generales de diseño

Asignación de líquidos

• Alta presión el flujo debe estar ubicado en el lado del tubo.
• El líquido corrosivo se coloca en el lado del tubo.
• El flujo que exhibe la suciedad más alta debe ser localizado en el lado del tubo.
• Se debe ubicar más fluido viscoso en el lado de la concha.
• Bajar el flujo de flujo debe colocarse en el lado de la concha.
• Considere los tubos con aletas cuando el coeficiente del lado de la cáscara sea menor que 30% del coeficiente del lado del tubo.
• No utilice tubos con aletas cuando la suciedad del lado de la concha sea alta.
• El flujo con un coeficiente de transferencia de calor más bajo va en el lado de la cáscara.
• El líquido tóxico debe colocarse en el lado del tubo.

Velocidad de vaciado y tubo

 Temperatura de flujo

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