ST-10

TECNOLOGIA DEL CALOR

INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA

Intercambiador de Tubo y Coraza Caractersticas Generales



Intercambiador de Tubo y Coraza Caractersticas GeneralesCoraza Fluido de la coraza Cabezal anterior

Cabezal posterior Tubos Fluido de los tubos

Disposicin de las placas de separacin en los cabezales para diferentes intercambiadores 1-n Intercambiador 1-2

Intercambiador 1-4 Cabezal anterior Cabezal posterior

Intercambiador 1-6

Cabezal anterior

Cabezal posterior

Cabezal anterior

Cabezal posterior

Normas TEMATEMA: Tubular Exchangers Manufactures Association

CLASES

R C B

DESIGNACIN

Tamao 33 - 96 Tipo A E MTipo de cabezal de retorno Tipo de coraza Tipo de cabezal anterior Longitud nominal de los tubos (en pulgadas) Dimetro nominal de la coraza (en pulgadas, redondeado)

Normas TEMA Denominacin de: Corazas Cabezales anteriores Cabezales posteriores

Normas TEMA Denominacin de: Corazas Cabezales anteriores Cabezales posteriores

Normas TEMA Tipos de CorazasFlujo separado doble Un paso en la coraza Dos pasos en la coraza (bafle longitudinal)

Flujo dividido

Rehervidor tipo Marmita

Flujo separado Flujo cruzado

Normas TEMA Tipos de Corazas Un aspecto esencial en la diferenciacin entre los distintos tipos de coraza lo constituye la ubicacin de las boquillas de entrada y salida y la disposicin de los deflectores longitudinales. De esta forma se orienta el flujo del fluido de la coraza

Normas TEMA Cabezales anteriores

Tipo A Canal y tapa frontal removible

Tipo B Canal y tapa frontal Integrada (Bonete)

Tipo N Tapa frontal removible Canal y mazo de tubos integrado Tipo D Con cierres especiales de alta presin

Tipo C Tapa frontal y mazo de tubos removible

Normas TEMA Cabezales anterioresTipo B Canal y tapa frontal Integrada (Bonete)

Tipo C Tapa frontal y mazo de tubos removible

Normas TEMA Cabezales posteriores o de retorno Fijos: L, M, N No permiten extraer el mazo de tubos no permiten llevar a cabo la limpieza mecnica del exterior de los tubos No permiten una expansin trmica diferenciada entre tubo y coraza Mxima seguridad respecto a las fugas del fluido de coraza Mnimo dimetro de coraza (para un rea de transferencia y geometra dada) Son econmicos

Normas TEMA Cabezales posteriores o de retorno

Tipo L Mazo de tubos fijos (tipo C anterior)

Tipo M Mazo de tubos fijos (tipo B anterior)

Tipo N Mazo de tubos fijos (tipo A anterior)

Normas TEMA Cabezales posteriores o de retorno Removibles: P, S, T, U, W Permiten extraer el mazo de tubos permiten llevar a cabo la limpieza mecnica del exterior de los tubos Permiten una expansin trmica diferenciada entre tubo y coraza Costos: U (los ms econmicos); T y S (los ms caros) Dimetro de coraza: T, y en menor medida S, conducen a dimetros de coraza mucho mayores que dimetro del mazo Fugas. T y S: difcil deteccin de posibilidad de mezclas de fluidos. P y W: posibilidad de fugas al exterior. P y W tienen limitaciones de presin y temperatura por utilizar empaquetaduras

Normas TEMA Cabezales posteriores o de retornoTipo U

Normas TEMA Cabezales posteriores o de retornoTipo T: Cabezal flotante de arrastre

Dos pasos en los tubos

Un paso en los tubos

Tipo S: Cabezal flotante con dispositivo de respaldo Cabezal flotante con anillo seccionado

Normas TEMA Cabezales posteriores o de retornoTipo P: Cabezal flotante con sello o empaquetadura externa

Tipo W: Placa de tubos flotante con sello o empaquetadura externa Cabezal flotante con empaquetadura externa y anillo tipo linterna

Intercambiador de Tubo y Coraza Tipos de Intercambiadores

BEM

CFUCFU


AEP

AES


AKT

AJW

Intercambiador de Tubo y Coraza Placas contra impacto

Intercambiador de Tubo y Coraza Barras espaciadorasBarra espaciadora entre deflectores

Intercambiador de Tubo y Coraza Dispositivos de sellado

Intercambiador de Tubo y Coraza Clculos para Diseo y Verificacin (rating)

Q =

s m c c p c (Tc

-

o Tc )

Q =

o m h c p h (Th

-

s Th )

Q = U AT TmTm = Ft Tml ccTmlcc =o s s o (Th - Tc ) - (Th - Tc )

1 1 1 = + + R fo + R fio U ho h ioEvaluacin de P para Tubos Coraza

ln

o s (Th - Tc ) s (Th

o - Tc )

o s Ft = Ft (Th , Th , Tco , Tcs , configuracin)

Intercambiador de Tubo y Coraza Diseo Seleccin de alternativasTipo de Intercambiador, Ubicacin de los fluidos, Geometra y pasos en los tubos, Geometra y pasos en la coraza. En cada punto se deben analizar

Caractersticas del proceso a llevar a cabo Impacto sobre el comportamientos termohidrulico Facilidades para la construccin y mantenimiento Costos de construccin y mantenimiento

Intercambiador de Tubo y Coraza Diseo Seleccin de alternativas Tipo de IntercambiadorTipo de diseo Costo relativo Forma de lograr la Dilatacin expansin diferencial libre Haz de tubos extrable Tubos reemplazables individualmente Limpieza exterior de los tubos (arreglos triangulares) Limpieza exterior de Mecnica o los tubos (arreglos en qumica cuadro) Nmero de pasos en los tubos Eliminacin de juntas internas Nmero par de pasos S Slo qumica No hay limitacin S S Slo tubos de las filas externas Junta en la coraza No S Cabezal flotante S S Cabezal flotante S S Cabezal flotante S S Cabezal flotante S S Mazo de tubos Tubos en U fijo (tipo U) (tipos L,M,N) Cabezal Cabezal Cabezal flotante flotante de flotante anillo anillo linterna arrastre partido (tipo W) (tipo T) (tipo S) Cabezal flotante con presaestopa (tipo P)

Slo qumica Mecnica o qumica No hay limitacin* No Mecnica o qumica Limitado a 1 o 2 pasos S Mecnica o qumica No hay limitacin* No Mecnica o qumica No hay limitacin S

Intercambiador de Tubo y Coraza Diseo Seleccin de alternativas Ubicacin de los fluidosCriterio de seleccin Limpieza CorrosinPresin Temperatura Fluidos peligrosos (o de mayor costo) Prdida de carga Caudales / Viscosidad

Ubicacin de los fluidosEl fluido ms limpio se ubica en la coraza El fluido ms corrosivo se ubica en los tubos El fluido que se encuentra a mayor presin se ubica en los tubos El fluido que se encuentra a mayor temperatura se ubica en los tubos El fluido ms peligroso se ubica en los tubos Si la prdida de carga calculada es cercana a la admisible, el fluido se ubica en los tubos El fluido de (menor caudal mayor viscosidad) se ubica en la coraza

Intercambiador de Tubo y Coraza Diseo Seleccin de alternativas Geometra y pasos en los tubosDimetro y espesor de los tubos, Largo de los tubos, Nmero de pasos en los tubos, Nmero de tubos. Arreglo y sus dimensiones,

Dimetro y espesor de los tubos / largo de los tubos / nmero de pasos en los tubos / nmero de tubos AT = do L Np nDimetro y espesor de los tubos, Dimetros ms utilizados en sistemas sin cambio de fase:

N = Np n

do = do = 1Los dimetros ms pequeos permiten ubicar ms tubos en el mismo dimetro de coraza, incrementando el rea de transferencia, pero tienen mayor dificultad para su limpieza mecnica en el interior de los tubos. En el caso de tubos en U prcticamente no se utilizan tubos de . Eventualmente podran emplearse dimetros ms pequeos. En sistemas sin cambio de fase pueden emplearse tubos de hasta 2. El espesor se elige para soportar la tensin generada por la diferencia de presiones entre los fluidos, de acuerdo al tipo de material. Se adopta un espesor algo mayor en caso de corrosin significativa y/o cuando la limpieza puede desgastar la pared de los tubos.

Caractersticas de los tubos en intercambiadores S & TSe eligen por: Material Dimetro externo (do) Espesor (BWG Gage)

Caractersticas de los tubos en intercambiadores S & T

Caractersticas de los tubos en intercambiadores S & TAumento de la transferencia de calor (enhancement heat transfer)

Tube inserts a) wire coil, b) wire mesh c) twisted tape



Dimetro y espesor de los tubos / largo de los tubos / nmero de pasos en los tubos / nmero de tubos AT = do L Np n N = Np n

El producto L Np n suele tratarse en conjunto. Se tiende a elegir la mayor longitud L posible, porque conduce a los menores dimetros de coraza. No obstante se recomiendan longitudes menores a 6 m. Excepcionalmente puede haber longitudes de hasta 12 m. Valores ms tpicos: entre 3 y 6 m. Se deben seleccionar longitudes estndar. El nmero total de tubos N se calcula para satisfacer un AT estimada El nmero de pasos en los tubos tpicamente es 1 par. Incremento en el nmero de pasos en los tubos Disminuye seccin de flujo Aumenta la velocidad lineal Aumenta el coeficiente de transferencia de calor hio Evaluacin de Ft

Aumenta la prdida de carga del lado de los tubos

Tipos de arreglos de los tubos en el mazoFlujo Flujo

En cuadro o cuadrado

En cuadro rotado

Flujo

Flujo

En tringulo o triangular

En tringulo rotado

Pitch o paso (Pt): distancia entre centros de tubos adyacentes Ligament (L): distancia entre bordes de tubos adyacentes

Tipos de arreglos de los tubos en el mazoArreglo triangular: Mayor nmero de tubos en el espejo (para igual dimetro) Mayor prdida de carga y mayor coeficiente de transferencia de calor en la coraza Dificultad para la limpieza del lado de la coraza Arreglo cuadrado: Menor nmero de tubos en el espejo (para igual dimetro) Menor prdida de carga y menor coeficiente de transferencia de calor en la coraza La mejor opcin para la limpieza del lado de la coraza, especialmente con separacin alta Se define: Paso: Pt - Relacin de paso: RP=(Pt / do) De acuerdo a las Normas TEMA se recomienda: Relacin de paso: entre 1.25 1.5 Distancia entre tubos (ligament)(L): 1/8 ; Para facilitar la limpieza se elige

Intercambiador de Tubo y Coraza Diseo Seleccin de alternativas Geometra y pasos en la corazaEvaluacin de la fuerza impulsora Nmero de pasos en la coraza Tipo de coraza, Seleccin de baffles o deflectores, Dimensiones y espaciado de los baffles, Tamao de coraza, Ubicacin de boquillas de entrada y salida.

Geometra y pasos en la coraza Flujo en la Coraza

Coraza Fluido de la coraza Cabezal anterior

Cabezal posterior Tubos Fluido de los tubos

Geometra y pasos en la coraza Flujo en la Coraza

Tho Tc2 Tc3 1 Th1 2 Th2 Th3 Tc1 3 Tco

Geometra y pasos en la coraza Flujo en la Coraza30 D(%) 25DifMi-Un(RP=0,5) DifMi-Un(RP=0,95) DifMi-Un(RP=0,05)

20

15

10

5

0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 NB 10

Diferencia entre la eficiencia en contracorriente y la evaluada para NT etapas en funcin del nmero de baffles de cada etapa corresponde a un sistema mixed-unmixed. NTU = 5

Geometra y pasos en la coraza Evaluacin de la fuerza impulsorao s s o (Th - Tc ) - (Th - Tc )

Tm = Ft Tml cco s Ft = Ft (Th , Th , Tco , Tcs , configuracin)1,05 Ft 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 R=1.5 0,55 0,5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 R=1.3 R=6 R=4 R=3 R=2.5 R=2 R=1.8

Tmlcc =

ln

o s (Th - Tc )

s o (Th - Tc )

Int. 1-1 Ft =1 Int. 1-n Ft =? Evaluar P y R

Ft > 0.8

0,4

0,45

P

0,5

Ft < 0.8

Geometra y pasos en la coraza Nmero de pasos en la coraza La primera seleccin es elegir un nico paso para el fluido de la coraza. La evaluacin del Ft puede conducir a tener que modificar esa primera eleccin.1,05 Ft 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 P 0,5

P = 0.4R=1.8 (1)

R = 1.8 Ft = 0.5754 Ft = 0.9272

Ns = 1 Ns = 2

R=1.8 (2)

Existen dos alternativas para lograr que el fluido de la coraza tenga dos pasos por la misma:

Geometra y pasos en la coraza Nmero de pasos en la coraza Tipo de corazaFluido de la coraza Coraza tipo F: dos pasos en la coraza Fluido de tubos Cuatro pasos en los tubos Fluido de la coraza

Dos coraza tipo E en serie: dos pasos en la coraza

Cuatro pasos en los tubos Fluido de tubos

Geometra y pasos en la coraza Nmero de pasos en la coraza Tipo de coraza

Baffles o deflectoresFUNCIONES Soporte de los tubos Orientan el flujo del fluido de la coraza

Existen diversos tipos de baffles o deflectores, que incluyen variantes dentro de cada tipo, se pueden clasificar en: SEGMENTADOS Simple segmentados Doble segmentados Triple segmentados de corte horizontal de corte vertical de corte oblicuo o rotado DE ORIFICIO DE DISCO Y CORONA (DOUGHNUT AND DISC) DE VARILLA (ROD BAFFLE)

SEGMENTADOS Los baffles segmentados son los ms comunes; Consisten en una placa delgada, perforada para que pasen los tubos del mazo, y con un dimetro cercano al de la coraza, que posee uno o ms cortes. Con un solo corte se denominan Simple segmentado. segmentado La orientacin del corte define tres alternativas. La ms comn es la horizontal, aunque la vertical , o horizontal eventualmente rotado rotado se debe emplear en ciertas condiciones de trabajo. ventana corte Dos bafles ubicados en posiciones contiguas a lo largo del mazo de tubos tienen los cortes mostrados en la figura, para cortes horizontales o verticales

baffle Horizontal

SEGMENTADOS Los cortes alternados de dos bafles contiguos orientan el flujo del fluido que pasa por la coraza, como se aprecia en la figura, para un corte vertical:

En la zona ubicada en la ventana del baffles el fluido atraviesa el mazo prcticamente en forma paralela a los tubos

En la zona ubicada entre dos baffles contiguos el fluido atraviesa el mazo prcticamente en forma cruzada a los tubos

SEGMENTADOS Algunas variantes de los baffles segmentados consisten en que se practique ms de un corte, de esta manera se pueden tener baffles Doble segmentado o Triple segmentado. segmentado Dos baffles sucesivos Simple segmentado se ven idnticos pero en posicin invertida, en cambio las caractersticas de baffles sucesivos Doble segmentado o Triple segmentado son marcadamente diferentes. En la Figura se muestran ejemplos con corte vertical, pero tambin existen con corte horizontal. Doble segmentado vertical

Triple segmentado vertical En la figura se muestra el camino del fluido de la coraza para cada tipo de baffle segmentado. Al aumentar el nmero de cortes se logra una disminucin de la prdida de carga, pero con el costo de la disminucin del coeficiente pelicular del lado de la coraza

SEGMENTADOS o casos particulares Corazas tipo F Se deben emplear bafles con corte vertical para cada paso del fluido de la coraza

Sin tubos en las ventanas Pueden eliminarse los tubos que pasan por las ventanas de los bafles. Se fuerza a que el fluido de la coraza sea prcticamente siempre cruzado con la posicin del mazo de tubos. El corte de los bafles no debe ser alto para evitar una coraza muy grande.

DE ORIFICIO

orificio tubo

Camino que sigue el fluido de la coraza

seccin AA

En los bafles de orificio la placa que conforma el bafle tiene un tamao equivalente al de la coraza, sin ningn tipo de corte especfico. Todos los bafles son iguales. El fluido avanza en la coraza a travs del espacio entre el tubo y el agujero del bafle. No existe una orientacin particular del camino del fluido como se encuentra al emplear otro tipo de bafle.

DISCO Y CORONA En los bafles de disco y corona dos bafles sucesivos estn conformados por un disco (sin cortes) de un dimetro apreciablemente menor que el dimetro de la coraza, seguido por una corona, con dimetro externo similar a la coraza y un agujero central de un dimetro corona apreciable. El camino que sigue el fluido que pasa por la coraza es como se indica en las Figuras

corona

disco

El camino es similar a un bafle doble segmentado y, en consecuencia, el comportamiento es equivalente

DE VARILLA (rod baffle) Todos los bafles mencionados previamente se trataban de diferentes variantes de placas, cortadas y perforadas de diferentes formas, en cambio los bafles de varilla estn basados en una idea diferente, porque no estn conformados por placas sino por varillas.

Las varillas (a una dada posicin axial) estn unidas en un aro. Se disponen varillas verticales y varillas horizontales, pero las varillas verticales (u horizontales) de dos aros sucesivos estn desplazadas en una distancia del orden del dimetro de tubo

Se generan cuatro puntos de contacto que mantienen los tubos en posiciones definidas sin permitirles desplazamientos verticales u horizontales

DE VARILLA (rod baffle) Esquema de un intercambiador con bafles de varilla

El flujo del fluido de la coraza es prcticamente coaxial con los tubos en los intercambiadores con bafles de varillas, constituyendo una clara diferencia con lo que sucede al utilizar bafles segmentados. Esta diferencia conduce a que haya una menor prdida de carga, menor coeficiente de transferencia de calor y no haya problemas de vibraciones

DE VARILLA (rod baffle)

Construccin de intercambiadores con bafles de varilla. Tubos rectos.

DE VARILLA (rod baffle) Construccin de intercambiadores con bafles de varilla. Tubos en U.

SEGMENTADOS - DIMENSIONAMIENTO Seleccionado el tipo de bafle a utilizar, se deben definir algunas dimensiones que influirn en el comportamiento del equipo. Tomando como base un bafle simple segmentado, las dimensiones que se deben especificar son: Corte del bafle Distancia entre bafles consecutivos

Distancia entre bafles no consecutivos

corte

ventana

baffle

Distancia entre bafles consecutivos

SEGMENTADOS - DIMENSIONAMIENTO Los criterios que se utilizan para definir estas dimensiones estn dados por las funciones que tienen los bafles: orientacin del flujo del fluido en la coraza y soporte de los tubos

Si el corte es muy grande se pueden generar bypass y quedan zonas entre deflectores sin flujo de fluido. Si el corte es muy pequeo en la ventana la velocidad del fluido ser muy alta, con una apreciable prdida de carga y sin demasiado beneficio para la transferencia de calor, ya que all no se ubicarn demasiados tubos (cuando el corte es pequeo).

SEGMENTADOS - DIMENSIONAMIENTO Corte ventana La flecha recomendada es del 20 al 33 % del dimetro de la coraza Valor frecuentemente (una buena primera opcin): 25% del dimetro de la coraza .

corte

baffle Distancia entre bafles no consecutivos

TEMA recomienda adoptar como mnimo un espaciado igual a 0.2 ds, pero siempre que este valor sea mayor a 2". Si resulta menor a este lmite se toma directamente 2" como lmite inferior. En general no se emplean separaciones mayores a ds. Adems, las normas establecen la mxima longitud no soportada que pueden tener los tubos en los intercambiadores. Dependen del dimetro de tubo y del material. Esta mxima longitud debe ser el doble que la separacin entre deflectores,

Distancia entre bafles consecutivos

Geometra y pasos en la coraza Seleccin del dimetro de coraza

Geometra y pasos en la coraza Seleccin del dimetro de coraza Nmero de pasos en los tubos

Dimetro de la coraza

Nmero estimado de tubos (se toma el ms cercano)

Tipo de arreglo y dimetro externo del tubo

Tipo de intercambiador



CL 1/ 2 A T (Pt / d o ) 2 d o 1/ 2 ds = 0.637 ( ) ( ) CTP LCL = 1.00 para arreglo cuadrado o cuadro rotado CL = 0.87 para arreglo triangular o tringulo rotado CTP = 0.93 para n = 1 CTP = 0.90 para n = 2

Geometra y pasos en la coraza Ubicacin de las boquillas de entrada y salida

Intercambiador de Tubo y Coraza Clculos para Diseo y Verificacin (rating)

Q = Q =

s m c c p c (Tc o m h c p h (Th

-

o Tc ) s Th )

Q = U AT TmTm = Ft Tml ccTmlcc =o s s o (Th - Tc ) - (Th - Tc )

1 1 1 = + + R fo + R fio U ho h ioEvaluacin de P para Tubos Coraza

ln

o s (Th - Tc ) s (Th

o - Tc )

o s Ft = Ft (Th , Th , Tco , Tcs , configuracin)

Elementos para Clculos para Diseo y Verificacin (rating) Clculo de la fuerza impulsora

Intercambiador de Tubo y Coraza Elementos para Clculos para Diseo y Verificacin (rating)

Q = U AT Tm1 1 1 = + + R fo + R fio U ho h ioEvaluacin de P para Tubos Coraza Anlisis de velocidades de los fluidos Problemas de vibracin

Intercambiador de Tubo y Coraza Fouling o ensuciamiento

Fouling debido a la precipitacin o cristalizacin


Fouling debido a la corrosin


Fouling debido a depsitos biolgicos o biofouling


Elementos para Clculos para Diseo y Verificacin (rating) Coeficiente de transferencia de calor del lado de los tubos

Re=(di GT) / GT =mT / aT

aT = (( di2) / 4)* Np aT = (( di2) / 4)* (N/n)

Elementos para Clculos para Diseo y Verificacin (rating) Evaluacin de prdida de carga del lado de los tubos

Elementos para Clculos para Diseo y Verificacin (rating) Evaluacin en la coraza: Mtodo de Kern Clculo del rea de flujo (permite evaluar la velocidad lineal): se toma como base de clculo una fila de tubos imaginaria en el dimetro de la coraza as = (ds / Pt ) C B Clculo del dimetro equivalente: depende del tipo de arreglo

Arreglo en cuadro

Pt

d ec = [4 ( Pt2 - d 2 / 4)] / d o o

do Arreglo triangular do Pt

d ec = [4 (( Pt2 / 2) sen (60o) - d 2 / (4 * 2))] / ( d o / 2) o

Evaluacin del coeficiente pelicular del lado de la coraza y la prdida de carga: vlidos para deflectores simple segmentados con un corte del 25%

0,55 Nu = (ho dec / k s ) = 0,36 Res Pr1/3 (/w )0,14Siendo

Res = s vs dec / s

vs = ms / (s as )

2 (N B + 1) ds G s Pc = f (s /sw )0.14 dec 2 s

Se considera que el fluido recorre (NB + 1) veces el dimetro de la coraza Res 500

-0.188 f = 1,728 ResRes < 500

f = exp [5,1858 -1,7645 ln Res + 0,1336 (ln Res )2 ]

Intercambiadores de tubo y coraza Evaluacin en la coraza

A: fugas baffle-tubo B: flujo cruzado C: bypass del flujo cruzado E: fugas baffle-coraza F: bypass en zonas de particin (ubicacin de placas en cabezales)

Identificacin del Problema y Definicin de Objetivos Seleccin del tipo de intercambiador y Ubicacin de los fluidos Seleccin de un conjunto tentativo de parmetros de diseo

Intercambiadores de tubo y coraza Esquema de diseo

En esta instancia se posee un intercambiador virtual o sea la misma informacin que se tendra si el intercambiador existiese realmente y puede llevarse a cabo un rating o verificacin

Modificacin de los parmetros de diseo Aceptacin termohidrulica ( y de vibracin y velocidades aceptables) Si Diseo mecnico y costos No

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