Mantenimiento Industrial II Intercambiadores de Calor.

Mantenimiento Industrial II

Intercambiadores Intercambiadores de de

Calor Calor

Intercambiadores Intercambiadores de de

Calor Calor


Introducción

¿Qué es Transferencia de calor ? pasar calor de un lado hacia otro … para determinados procesos o bien por cuestiones de eficiencia energética

Definición: Un intercambiador de calor es un dispositivo que es utilizado para la transferencia de energía térmica interna entre dos o mas fluidos disponibles a diferentes temperaturas. En la mayoría de los intercambiadores de calor los fluidos son separados por la superficie de transferencia, e idealmente no se mezclan.

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALORDE CALORMECANISMOS DE TRANSFERENCIA MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALORDE CALOR

INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE

CUERPOS CALIENTES Y FRIOS


LA MATERIA SE PRESENTA EN TRES ESTADOS:

FASE SÓLIDA FASE LIQUIDA

FASE GASEOSA


CALOR SENSIBLECALOR SENSIBLECALOR SENSIBLECALOR SENSIBLE

CUANDO LA TRASFERENCIA DE CALOR

ENTRE LA FUENTE Y EL RECEPTOR

PROVOCA VARIACION DE TEMPERATURA

CALOR SENSIBLE

QS = M cp ΔTº


CALOR LATENTECALOR LATENTECALOR LATENTECALOR LATENTECUANDO LA TRASFERENCIA DE CALOR

ENTRE LA FUENTE Y EL RECEPTOR

PROVOCA UN CAMBIO DE FASE

CALOR LATENTE

QL = M Lo


EN GENERAL LA TRASFERENCIA DE

CALOR ENTRE LA FUENTE Y EL

RECEPTOR

PROVOCA UN CAMBIO DE FASE Y DE Tº

CALOR TOTAL

QT = QL + QS = M cp ΔTº + M Lo


EXISTEN TRES FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR :

CONDUCCION CONVECCION

RADIACION


CONDUCCION: Transferencia de calor a través de un material sólido (pared).

CONVECCION: Transferencia de calor entre partes calientes y frías de un fluido por mezclas. ( agua que se calienta en un recipiente).

RADIACION: Transferencia de energía radiante

desde una fuente a un receptor (Sol – Tierra).


CONDUCCIÓNCONDUCCIÓNCONDUCCIÓNCONDUCCIÓN

La conducción es el único mecanismode transmisión del calor posible en losmedios sólidos opacos.Cuando en tales medios existe un gradiente detemperatura, el calor se transmite de la región demayor temperatura a la de menor temperaturadebido al contacto directo entre moléculas


Conductividades térmicas de algunos materiales

a temperatura ambiente


Normas constructivasNormas constructivasNormas constructivasNormas constructivas Código ASME para construcción dentro de la

sección VIII (normas generales para el diseño de recipientes a presión).

Normas TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association)

En la Argentina, no hay un código mecánico obligatorio aunque por lo general los diseñadores de equipos ajustan sus diseños a las especificaciones del código ASME.

•


Normas constructivasNormas constructivasNormas constructivasNormas constructivas Clase R: Condiciones de servicio rigurosas.

Máximo de confiabilidad y durabilidad en condiciones de servicios rigurosas.

Clase C: Condiciones de servicio moderadas. Para aplicaciones comerciales y de procesos de propósito general.

Clase B: Para la industria química de procesos Otro código: API 660 (industria petrolera).

requisitos adicionales a las normas TEMA para aplicación de servicio pesado


ECUACIÓN CINÉTICA DEECUACIÓN CINÉTICA DETRANSMISIÓN DE CALORTRANSMISIÓN DE CALORECUACIÓN CINÉTICA DEECUACIÓN CINÉTICA DETRANSMISIÓN DE CALORTRANSMISIÓN DE CALOR

Esta fórmula es válida parageometría simple, en caso del

intercambiador de tubo y carcasa, un

solo paso por los tubos y un solo

paso por la carcasa


CONVECCION:CONVECCION:CONVECCION:CONVECCION: Transferencia de calor entre fluido frío

adyacente que reciben calor de superficies calientes, que transfieren al resto del fluido frió por mezcla, o partes calientes y frías

de un fluido por mezclas. ( agua que se calienta en un recipiente).


Introducción

Requisitos:

1. Alta eficiencia térmica

2. Mínima cáida de presión

3. Confiabilidad y expectativa de vida útil

4. Producto de alta calidad

5. Operación segura


Clasificación / Tipos de Intercambiadores

Se clasifican de distintas maneras:

• Construcción

• Proceso de transporte

• Cuan compacto

• Arreglo de flujo

• Arreglo de pasos

• Fase de los fluidos

• Mecanismo de transferencia de calor


Según el proceso de transferenciaSegún el proceso de transferenciaSegún el proceso de transferenciaSegún el proceso de transferencia

- Contacto directo Gas - Líquido Inmiscibles líquido - líquido Sólido-líquido o sólido - gas La mayoría de los intercambiadores de calor por contacto directo caen bajo la

categoría de gas líquido, donde el calor se transfiere entre un gas y líquidos en forma de gotas, las películas o aerosoles. Tales tipos de intercambiadores de calor se utilizan predominantemente en aire acondicionado, humidificación, enfriamiento por agua y condensación de las plantas.

- Contacto indirecto– - Transferencia directa

- Con almacenamiento- Lecho fluido


Según su construcciónSegún su construcciónSegún su construcciónSegún su construcción Tubular

– - Doble tubo

– - Carcasa y Tubos

- Flujo cruzado - Espiral - Placas - Superficie aleteada (tubular o de placas) - Regenerativo

– - Estático

– - Dinámico


Según la compacidad:Según la compacidad:Según la compacidad:Según la compacidad:

- Compactos (β ≥ 700 m2 / m3 ) - No compactos (β < 700 m2 /m3) Beta ,densidad de área

Según la disposición de flujos: - Paso único - Cocorriente - Contracorriente - Cruzado - Paso múltiple


Según el mecanismo de transferenciaSegún el mecanismo de transferenciaSegún el mecanismo de transferenciaSegún el mecanismo de transferencia

- Convección / Convección - Convección / Cambio de fase - Cambio de fase / Cambio de fase - Convección / Radiación


Según la aplicaciónSegún la aplicaciónSegún la aplicaciónSegún la aplicación - Economizadores, precalentadores,

recuperadores - Hornos - Generador de vapor - Evaporadores, condensadores, torre de

refrigerigeración. - Colector solar - Heat-pipe


AplicacionesAplicacionesAplicacionesAplicaciones Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y

enfriar dos fluidos • Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. • Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua. • Calentador: Aplica calor sensible a un fluido. • Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora

proporciona el calor de reebulición que se necesita para la destilación. (Los hay de termosifón, de circulación forzada, de caldera,...)

• Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido


••INTERCAMBIADOR DE CABEZAL INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE INTERNO (tipo AES)FLOTANTE INTERNO (tipo AES)••INTERCAMBIADOR DE CABEZAL INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE INTERNO (tipo AES)FLOTANTE INTERNO (tipo AES)


Componentes


BafflesBafflesBafflesBaffles


Barras separadorasBarras separadorasBarras separadorasBarras separadoras


TubosTubosTubosTubos Normas dimensionales BWG (Birmingham

Wire Gage).Normaliza los tubos por su diámetro exterior y por un número de serie que es el que define el espesor del tubo.

Diámetros que van desde ¼” hasta 1,5”.Casi todos los intercambiadores se construyen utilizando tubos de ¾” o de 1”.

El largo de los tubos es definido por el diseñador. La utilización de tubos excesivamente largos

dificulta las operaciones de limpieza.


TubosTubos- - Materiales: Materiales: TubosTubos- - Materiales: Materiales:

Se selecciona de acuerdo a las características de los fluidos desde el punto de vista de la corrosión.

El espesor del tubo se selecciona de acuerdo al cálculo mecánico en función de la presión y la temperatura de trabajo del equipo. El espesor de cálculo deberá incrementarse con un sobreespesor por corrosión que dependerá de los fluidos manejados y del material de los tubos.

Los materiales mas comúnmente empleados en los tubos de los intercambiadores de calor son los aceros al carbono, aceros aleados; aceros inoxidables; cobres; níquel y sus aleaciones.


Distribución de los tubosDistribución de los tubosDistribución de los tubosDistribución de los tubos


Arreglo de tubosArreglo de tubosArreglo de tubosArreglo de tubos

Triangular o tresbolilloNormal (fig 2 a)Con espacios de limpieza (fig 2 b)CuadradoNormal (fig 2 c)Rotado (fig 2 d)


Métodos de fijación de los tubos a las Métodos de fijación de los tubos a las placas tubulares:placas tubulares:

Métodos de fijación de los tubos a las Métodos de fijación de los tubos a las placas tubulares:placas tubulares: – Por expansión del tubo contra el agujero de la placa


Métodos de fijación de los tubos a las Métodos de fijación de los tubos a las placas tubulares:placas tubulares:

Métodos de fijación de los tubos a las Métodos de fijación de los tubos a las placas tubulares:placas tubulares: – Por soldadura


Causas de deterioro y averías:Causas de deterioro y averías: Causas de deterioro y averías:Causas de deterioro y averías:

Principalmente los daños ocurren en las superficies de los materiales del intercambiador de calor en contacto con hidrocarburos, sustancias químicas, agua y vapor. Los daños son influenciados por factores tales como: temperatura, fatiga mecánica, turbulencia, concentración y velocidad de escurrimiento de los fluidos.

La corrosión en diferentes formas, de uno o en ambos lados de los tubos del mazo, puede causar pinchaduras con consecuentes pérdidas o mezcla de fluidos.



Corrosión

Puede ocurrir en cualquiera de los componentes del intercambiador en contacto con los fluidos o en las áreas donde ocurran cambios de estados (liquido-vapor). Este es el principal mecanismo de falla en los intercambiadores de calor, especialmente en los tubos, y dependerá de los materiales y de los fluidos que circulan por esto


CorrosiónCorrosiónCorrosiónCorrosión Hidrocarburos

– Agentes corrosivos:

– Compuestos de azufre

– Acido clorhídrico (resultante de la hidrólisis de clorato de calcio o de magnesio)

Agua Este es el modo de corrosión mas visto en este

tipo de equipos, y hay que tener especial cuidado porque el agua es muy corrosiva frente al acero,


Averías mecánicasAverías mecánicasAverías mecánicasAverías mecánicas

Grietas. Vibraciones en los tubos (ocasionando desgaste

al rozar el tubo con los baffles). Aflojamiento de tubos en el cabezal. Los principales agentes de corrosión son:

Estrangulamiento por colapso de los tubos (debido a gran presión diferencial entre el lado interno y externo de los tubos, por ejemplo).

Alabeo y deformación de los tubos. Montaje inadecuado.

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