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Proveedor Auditado Los intercambiadores de calor de tubos y conchas son uno de los tipos más populares de intercambiadores debido a la flexibilidad que el diseñador tiene para permitir una amplia gama de presiones y temperaturas. Hay dos categorías principales de intercambiador de tubos y conchas:
Los que se utilizan en la industria petroquímica y que suelen estar cubiertos por las normas de la Asociación de Fabricantes de Cambiadores tubulares (ver normas de la TEMA);
los que se utilizan en la industria de la energía, como calentadores de agua de alimentación y condensadores de plantas de energía.
Independientemente del tipo de industria en la que se vaya a utilizar el intercambiador, hay una serie de características comunes (ver condensadores).
Un intercambiador de tubos y conchas consta de varios tubos montados dentro de un armazón cilíndrico. La figura 1 ilustra una unidad típica que puede encontrarse en una planta petroquímica. Dos fluidos pueden intercambiar calor, un fluido fluye por el exterior de los tubos mientras que el segundo fluido fluye a través de los tubos. Los fluidos pueden ser monofásicos o bifásicos y pueden fluir en paralelo o en una disposición de flujo transversal/contador.
El intercambiador de tubos y carcasas consta de cuatro partes principales:
Cabezal delantero: Es el lugar donde el líquido entra en el tubo situado junto al intercambiador. A veces se denomina cabezal fijo.
Cabezal trasero-es donde el fluido de la tromba sale del intercambiador o donde se devuelve al cabezal delantero en intercambiadores con múltiples pasadas de la tromba.
Haz de tubos: Comprende los tubos, las láminas de tubos, los deflectores y las barras de acoplamiento, etc. para mantener el haz juntos.
Shell-esto contiene el haz de tubos.
El resto de esta sección se concentra en intercambiadores cubiertos por la Norma TEMA.
Esencialmente hay tres combinaciones principales
Cambiadores de hojas tubesadas fijas
Intercambiadores de tubos en U.
Intercambiadores de cabezal flotante
En un intercambiador de hojas tubasera fijas, la hoja tubasera se suelda a la concha. Esto resulta en una construcción simple y económica y los orificios de los tubos se pueden limpiar mecánica o químicamente. Sin embargo, las superficies exteriores de los tubos son inaccesibles excepto para la limpieza química.
Si existen grandes diferencias de temperatura entre los materiales de la carcasa y del tubo, puede ser necesario incorporar un fuelle de expansión en la carcasa, para eliminar las tensiones excesivas causadas por la expansión. Estos fuelles son a menudo una fuente de debilidad y fracaso en el funcionamiento. En circunstancias en las que las consecuencias de la avería son particularmente graves U-Tube o unidades de cabezal flotante se utilizan normalmente.
Este es el más barato de todos los diseños de paquetes extraíbles, pero es generalmente ligeramente más caro que un diseño de hoja de tubo fijo a bajas presiones.
En un intercambiador de tubo en U se puede utilizar cualquiera de los tipos de cabezal delanteros y el cabezal trasero es normalmente de tipo M. Los tubos en U permiten una expansión térmica ilimitada, el haz de tubos se puede retirar para la limpieza y se pueden lograr espacios libres entre mazos pequeños y conchas. Sin embargo, dado que la limpieza interna de los tubos por medios mecánicos es difícil, es normal utilizar este tipo de fluidos cuando los fluidos laterales del tubo están limpios.
En este tipo de intercambiador, la hoja de tubo en el extremo trasero del cabezal no está soldada a la carcasa, sino que se puede mover o flotar. La hoja de tubo en el cabezal delantero (extremo de entrada de líquido del lado del tubo) es de un diámetro mayor que la cáscara y está sellada de una manera similar a la utilizada en el diseño de la hoja de tubo fija. La hoja de tubo en el extremo trasero del cabezal de la carcasa tiene un diámetro ligeramente menor que la carcasa, lo que permite que el haz se tire a través de la carcasa. El uso de un cabezal flotante significa que se puede permitir la expansión térmica y el haz de tubos se puede retirar para su limpieza. Hay varios tipos de cabezales traseros que pueden usarse, pero el cabezal trasero S-Type es el más popular. Un intercambiador de cabeza flotante es adecuado para las tareas rigurosas asociadas con altas temperaturas y presiones, pero es más caro (normalmente de orden del 25% para la construcción de acero al carbono) que el intercambiador de hoja tubesera fijo equivalente.
Considerando cada tipo de encabezado y vaciado a su vez:
Este tipo de cabezal es fácil de reparar y reemplazar. También da acceso a los tubos para la limpieza o reparación sin tener que perturbar el trabajo de la tubería. Sin embargo, tiene dos juntas (una entre la hoja del tubo y el cabezal y la otra entre el cabezal y la placa final). Esto aumenta el riesgo de fugas y el coste del cabezal sobre un cabezal frontal de tipo B.
Este es el tipo más barato de encabezado delantero. También es más adecuado que el cabezal delantero tipo A para tareas de alta presión porque el cabezal tiene sólo una junta. Una desventaja es que para acceder a los tubos se requiere una perturbación en el trabajo de tuberías para poder retirar el cabezal.
Este tipo de cabezal es para aplicaciones de alta presión (>100 bares). Permite el acceso al tubo sin alterar el trabajo de la tubería pero es difícil de reparar y reemplazar porque el haz de tubos es una parte integral del cabezal.
Este es el tipo más caro de cabezal delantero. Es para presiones muy altas (> 150 bares). Permite el acceso a los tubos sin alterar el trabajo de tuberías, pero es difícil de reparar y reemplazar porque el haz de tubos es una parte integral del cabezal.
La ventaja de este tipo de cabezal es que los tubos se pueden acceder sin alterar el trabajo de tubería y es más barato que un cabezal frontal tipo A. Sin embargo, son difíciles de mantener y reemplazar, ya que el cabezal y la lámina del tubo son una parte integral de la carcasa.
Estrictamente hablando esto no es un tipo designado por TEMA pero es generalmente reconocido. Puede usarse como cabezal delantero o trasero y se usa cuando el intercambiador se usa en una tubería. Es más barato que otros tipos de cabezales, ya que reduce los costes de tuberías. Se utiliza principalmente con unidades de paso de tubo único, aunque con una partición adecuada se puede permitir cualquier número impar de pasadas.
Este es el tipo de carcasa más utilizado, adecuado para la mayoría de las tareas y aplicaciones. Otros tipos de conchas solo tienden a usarse para tareas o aplicaciones especiales.
Esto se utiliza generalmente cuando se requiere flujo de contracorriente puro en una unidad de paso lateral de dos tubos. Esto se consigue teniendo dos pases laterales de conchas, los dos pases separados por un deflector longitudinal. El problema principal con este tipo de unidad es la fuga térmica e hidráulica a través de este deflector longitudinal a menos que se tomen precauciones especiales.
Se utiliza para calderas termosifónicas horizontales y aplicaciones donde la caída de presión de la parte de la concha debe mantenerse pequeña. Esto se consigue dividiendo el flujo de la orilla del concha.
Se utiliza para aplicaciones similares a la carcasa tipo G, pero tiende a usarse cuando se requieren unidades más grandes.
Esto tiende a usarse cuando se supera la caída de presión máxima permitida en un Shell tipo E incluso cuando se utilizan deflectores de doble segmento. También se utiliza cuando la vibración del tubo es un problema. El flujo dividido en la parte de la concha reduce las velocidades de flujo sobre los tubos y por lo tanto reduce la caída de presión y la probabilidad de vibración del tubo. Cuando hay dos boquillas de entrada y una boquilla de salida, a veces se denomina "Shell de tipo I.".
Esto se utiliza solo para las calderas para proporcionar un gran espacio de desconexión para minimizar el arrastre de líquido en la parte trasera de la concha. Alternativamente, se puede utilizar un Shell de tipo K como enfriador. En este caso, el proceso principal es enfriar el fluido del lado del tubo hirviendo un fluido en el lado del concha.
Esto se utiliza si la caída de presión máxima en el lado de la concha es excedida por todas las otras combinaciones de tipo de cubierta y deflector. Las principales aplicaciones son los condensadores de goma y los refrigeradores de gas.
Este tipo de cabezal es para usar con hojas de tubo fijas solamente, ya que la hoja de tubo está soldada a la carcasa y no es posible acceder al exterior de los tubos. Las principales ventajas de este tipo de cabezal son que se puede acceder al interior de los tubos sin tener que retirar ninguna tubería y las holguras del haz a la concha son pequeñas. La principal desventaja es que se requiere un fuelle o un rodillo de expansión para permitir grandes expansiones térmicas y esto limita la temperatura y presión de funcionamiento permitidas.
Este tipo de cabezal es similar al cabezal trasero tipo L, pero es ligeramente más barato. Sin embargo, el cabezal debe ser retirado para poder acceder al interior de los tubos. De nuevo, se deben tomar medidas especiales para hacer frente a las grandes expansiones térmicas y esto limita la temperatura y presión de funcionamiento permitidas.
La ventaja de este tipo de cabezal es que se puede acceder a los tubos sin alterar el trabajo de tuberías. Sin embargo, son difíciles de mantener y reemplazar ya que el cabezal y la hoja de tubo son una parte integral de la carcasa.
Este es un cabezal trasero flotante embalado en el exterior. Es, en teoría, un diseño de cabeza flotante de bajo costo que permite el acceso al interior de los tubos para la limpieza y también permite que el haz se retire para la limpieza. Los principales problemas con este tipo de cabezal son:
grandes holguras de haz a vaciado necesarias para tirar del haz;
se limita a los fluidos no peligrosos a baja presión, porque es posible que el líquido de la parte trasera del borde del concha se escape a través de los anillos de embalaje;
solo se permiten pequeñas expansiones térmicas.
En la práctica no es un diseño de bajo costo, porque la concha tiene que ser enrollada a pequeñas tolerancias para que el empaque sea efectivo.
Este es un cabezal trasero flotante con dispositivo de respaldo. Es el más caro de los tipos de cabezal flotante, pero permite que el paquete se elimine y la expansión térmica ilimitada es posible. También tiene espacios libres más pequeños de la concha para el haz que los otros tipos de cabeza flotante. Sin embargo, es difícil desmontar para el arrastre de haces y el diámetro de la carcasa y las holguras de haz a armazón son mayores que para los intercambiadores de tipo cabezal fijo.
Esto es un tirón a través de la cabeza flotante. Es más barato y más fácil de quitar el paquete que con el cabezal trasero S-Type, pero aún permite una expansión térmica ilimitada. Sin embargo, tiene el mayor paquete para la separación de la concha de todos los tipos de cabeza flotante y es más caro que los tipos de cabezal fijo y tubo en U.
Este es el más barato de todos los diseños de paquetes extraíbles, pero es generalmente ligeramente más caro que un diseño de hoja de tubo fijo a bajas presiones. Sin embargo, permite la expansión térmica ilimitada, permite que el haz sea retirado para limpiar el exterior de los tubos, tiene el haz más apretado a las holguras de la concha y es el diseño más simple. Una desventaja del diseño del tubo en U es que normalmente no puede tener un contraflujo puro a menos que se utilice un Shell de tipo F. Además, los diseños de tubos en U están limitados a un número par de pases de tubos.
Esta es una tubesheet flotante con anillo de linterna. Es el más barato de los diseños de cabeza flotante, permite la expansión térmica ilimitada y permite que el haz de tubos se retire para la limpieza. Los principales problemas con este tipo de cabeza son:
las grandes holguras de haz a vaciado necesarias para tirar del haz y;
la limitación a los fluidos no peligrosos a baja presión (porque es posible que ambos fluidos goteen a través de los anillos de embalaje).
También es posible que los fluidos laterales de la concha y del tubo se mezclen si se produce una fuga.
Los deflectores se instalan en el lado de la carcasa para proporcionar una mayor velocidad de transferencia de calor debido a la turbulencia aumentada y para apoyar los tubos, reduciendo así la posibilidad de daños debido a la vibración. Hay varios tipos de bafles diferentes, que soportan los tubos y promueven el flujo a través de los tubos. La figura 5 muestra las siguientes disposiciones del deflector:
Solo Segmental (este es el más común),
Doble segmento (se utiliza para obtener una velocidad de lado de concha y una caída de presión más baja),
Disco y Donut.
La distancia de centro a centro entre deflectores se denomina paso de deflector y esto puede ajustarse para variar la velocidad de flujo cruzado. En la práctica, el paso del deflector no es normalmente mayor que una distancia igual al diámetro interior de la carcasa o más cercano que una distancia igual a un quinto del diámetro o 50,8 mm (2 pulg), lo que sea mayor. Para permitir que el fluido fluya hacia atrás y hacia adelante a través de los tubos, se corta la parte del deflector. La altura de esta pieza se denomina corte del deflector y se mide como un porcentaje del diámetro de la carcasa, por ejemplo, un 25% de corte del deflector. El tamaño del corte del deflector (o ventana del deflector) debe considerarse junto con el paso del deflector. Es normal ajustar el tamaño del corte del deflector y el paso del deflector para igualar aproximadamente las velocidades a través de la ventana y en flujo cruzado, respectivamente.
Hay dos tipos principales de deflector que dan flujo longitudinal:
Deflector de orificio,
Deflector de varilla.
En estos tipos de bafle la turbulencia se genera a medida que el flujo cruza el bafle.
Hay tres tipos principales.
Estos tienden a ser utilizados para promover la ebullición del nucleato cuando la fuerza impulsora de la temperatura es pequeña.
Normalmente se trata de inserciones de hilo o cintas trenzadas. Normalmente se utilizan con fluidos de viscosidad media a alta para mejorar la transferencia de calor aumentando la turbulencia. También hay algunas pruebas de que reducen la contaminación. Para poder utilizarlos de la manera más eficaz, el intercambiador debe diseñarse para su uso. Esto implica generalmente el aumento del diámetro de la cáscara, reduciendo la longitud del tubo y el número de pasos del tuallado para permitir las características crecientes de la pérdida de presión de los dispositivos.
Estos se utilizan para aumentar el área de transferencia de calor cuando un flujo tiene un coeficiente de transferencia de calor bajo. El tipo más común es "tubo de aleta baja" donde normalmente las aletas son de 1,5 mm de altura a 19 aletas por pulgada. (Véase también aumento de la transferencia de calor).
En muchos casos, la única forma de garantizar una selección óptima es realizar un diseño completo basado en varias geometrías alternativas. Sin embargo, en primer lugar, hay que tomar varias decisiones importantes relativas a:
asignación de líquidos a la orilla y al tuside;
selección del tipo de vaciado;
selección del tipo de cabezal frontal;
selección del tipo de cabezal del extremo trasero;
selección de la geometría del intercambiador.
En gran medida, estos dependen unos de otros. Por ejemplo, la asignación de un fluido sucio al lado de la concha afecta directamente a la selección de la disposición del tubo del intercambiador.
Al decidir qué lado asignar los fluidos calientes y fríos se debe tener en cuenta, por orden de prioridad, lo siguiente:
Considere cualquier aspecto de seguridad y fiabilidad y asigne los líquidos en consecuencia. Nunca asigne líquidos peligrosos tales que estén contenidos por cualquier otra cosa que no sea convencional empernado y juntas-o-soldadas.
Asegúrese de que la asignación de líquidos cumple con las prácticas de ingeniería establecidas, en particular las establecidas en las especificaciones del cliente.
Una vez cumplido lo anterior, asigne el líquido que pueda causar los problemas mecánicos de limpieza más graves (si los hubiera) al tuallado.
Si no se aplica ninguno de los anteriores, la asignación de los fluidos debe decidirse solo después de ejecutar dos diseños alternativos y seleccionar el más barato (Esto es tiempo que consume si se usan cálculos manuales pero programas como TASC del Servicio de transferencia de calor y flujo de fluidos (HTFS) hacen que esta sea una tarea trivial).
Los shells tipo E son los más comunes. Si se utiliza un solo paso de tubo y se proporciona que hay más de tres deflectores, entonces se consigue un flujo cercano a la contracorriente. Si se utilizan dos o más pasadas de tubo, no es posible obtener flujo de contracorriente puro y la diferencia de temperatura media log debe corregirse para permitir el flujo combinado de cofurrent y contracorriente utilizando un factor F.
Las conchas de tipo G y las conchas de tipo H normalmente se especifican solo para las calderas de termosifón horizontales. Los vaciados J y los vaciados de tipo X deben seleccionarse si el DP permitido no puede acomodarse en un diseño razonable de tipo E. Para los servicios que requieren múltiples carcasas con paquetes extraíbles, las carcasas del tipo F pueden ofrecer ahorros significativos y siempre deben considerarse siempre que no estén prohibidas por las especificaciones del cliente
El cabezal frontal tipo A es el estándar para fluidos de tutúa sucios y el tipo B es el estándar para fluidos de tutúa limpios. El tipo A también es preferido por muchos operadores, independientemente de la limpieza del fluido de tuba en caso de que se requiera el acceso a los tubos. No utilice otros tipos a menos que se apliquen las siguientes consideraciones.
Una cabeza tipo C con cubierta extraíble debe considerarse para fluidos de tualside peligrosos, bultos pesados o servicios que requieran una limpieza frecuente de la parte de la concha. La cabeza tipo N se utiliza cuando hay líquidos peligrosos en el tulado. Para aplicaciones de alta presión se utiliza una cabeza tipo D o una cabeza tipo B soldada a la hoja de tubo. Las cabezas tipo y se utilizan normalmente para intercambiadores de paso de tubo único cuando se instalan en línea con una tubería.
Para el servicio normal, se puede utilizar un cabezal fijo (tipos L, M, N) siempre que no haya sobrecarga debido a la expansión diferencial y que la parte de la carcasa no requiera limpieza mecánica. Si la expansión térmica es probable que se pueda utilizar un cabezal fijo con fuelle siempre que el líquido de la parte trasera no sea peligroso, la presión de la parte trasera no exceda los 35 bares (500 psia) y la parte trasera no requerirá limpieza mecánica.
Se puede utilizar una unidad de tubo en U para solucionar problemas de expansión térmica y permitir que el haz se retire para su limpieza. Sin embargo, el flujo de contracorriente solo puede lograrse utilizando una carcasa del tipo F y la limpieza mecánica del tulado puede ser difícil.
Se debe utilizar un cabezal flotante tipo S cuando sea necesario permitir la expansión térmica y se requiera el acceso a ambos lados del intercambiador durante la limpieza. Otros tipos de cabezas traseras no se considerarían normalmente excepto para los casos especiales.
Para la industria de procesos, 19,05 mm (3/4") tiende a ser el más común.
Para decidir esto, se debe hacer referencia a un código reconocido del depósito de presión.
Para una superficie determinada, cuanto más larga sea la longitud del tubo, más barato será el intercambiador, aunque puede que no sea factible un intercambiador largo y delgado.
se eligen diseños de 45 o 90 grados si se requiere una limpieza mecánica, de lo contrario se suele seleccionar un diseño de 30 grados, porque proporciona una mayor transferencia de calor y, por lo tanto, un intercambiador más pequeño.
El paso más pequeño permitido de 1,25 veces el diámetro exterior del tubo se utiliza normalmente a menos que haya un requisito de utilizar un paso más grande debido a la limpieza mecánica o a la soldadura del extremo del tubo.
Normalmente se trata de un número o un número par (normalmente no mayor que 16). Si se aumenta el número de pasadas, se aumenta el coeficiente de transferencia de calor, pero debe tenerse cuidado de que el ρv2 del tubo no sea superior a unos 10.000 kg/m·s2.
El tubo estándar se utiliza normalmente para diámetros de carcasa de hasta 610 mm (24"). Sobre esto el armazón está hecho de la placa enrollada. Los diámetros de la carcasa suelen oscilar entre 152 mm y 3000 mm (6" y 120").
Los deflectores de un solo segmento se utilizan por defecto, pero otros tipos se consideran si las restricciones de caída de presión o la vibración son un problema.
Esto se decide después de intentar equilibrar el deseo de aumentar la velocidad de flujo transversal y el soporte del tubo (menor paso del deflector) y las restricciones de caída de presión (mayor paso del deflector). TEMA proporciona orientación sobre el paso máximo y mínimo del deflector.
Esto depende del tipo de deflector, pero es típicamente 45% para los deflectores de un solo segmento y 25% para los deflectores de dos segmentos.
Para boquillas de lado de concha, la ρv2 no debe ser superior a 9000 en kg/m·s2. Para las boquillas de tuallado, el ρv2 máximo no debe exceder de 2230 kg/m·s2 para los fluidos monofásicos no corrosivos y no abrasivos y de 740 kg/m·s2 para los demás fluidos. Siempre se requiere protección contra el impacto para gases corrosivos o abrasivos, vapores saturados y mezclas bifásicas. Las zonas de entrada o salida de la concha o del haz deben diseñarse de manera que no · se supere un ρv2 de 5950 kg/m s2.
En general, los intercambiadores de tubos y conchas están fabricados de metal, pero para aplicaciones especializadas (por ejemplo, con ácidos fuertes o productos farmacéuticos), pueden utilizarse otros materiales como grafito, plástico y vidrio.
El diseño térmico de un intercambiador de tubos y conchas es un proceso iterativo que normalmente se lleva a cabo utilizando programas informáticos de organizaciones como el Servicio de transferencia de calor y flujo de fluidos (HTFS) o el Heat Transfer Research Incorporated (HTRI). Sin embargo, es importante que el ingeniero entienda la lógica detrás del cálculo. Para calcular los coeficientes de transferencia de calor y las caídas de presión, se deben tomar las decisiones iniciales en los lados que se asignan los fluidos, el tipo de cabezal delantero y trasero, el tipo de carcasa, el tipo de deflector, el diámetro del tubo y la disposición del tubo. También se seleccionan la longitud del tubo, el diámetro de la carcasa, el paso del deflector y el número de pasos del tubo, y estos son normalmente los elementos principales que se alteran durante cada iteración para maximizar la transferencia de calor total dentro de las caídas de presión permitidas especificadas.
Los principales pasos del cálculo se indican a continuación junto con los métodos de cálculo de la literatura abierta:
Calcule la distribución del flujo de la concha [use el método Bell-Delaware, vea Hewitt, Shires, and Bott (1994)].
Calcular el coeficiente de transferencia de calor de la parte de la concha (utilizar el método Bell- Delaware)
Calcule el coeficiente de transferencia de calor de la zona de la trompa (consulte, por ejemplo , tubos: Transferencia de calor monofásica en).
Calcule la caída de presión de la parte de tubo (consulte, por ejemplo , caída de presión, fase única).
Calcule la resistencia de la pared y el coeficiente de transferencia de calor total (consulte Coeficiente y suciedad de transferencia de calor total).
Calcule la diferencia de temperatura media (consulte diferencia de temperatura media).
Calcular el área requerida.
Compare el área requerida con el área de geometría asumida y la caída de presión permitida de los tubos y de la goma con los valores calculados.
Ajuste la geometría asumida y repita los cálculos hasta que el área requerida se alcance dentro de las caídas de presión permitidas.
Libros de E. A. D. Saunders [Saunders (1988)] y G. F. Hewitt, G. L. Shires y T. R. Bott [Hewitt et al (1994)] ofrece una buena visión general de los métodos de diseño térmico tubular y cálculos de ejemplo.
El diseño mecánico de un intercambiador de calor de tubo y carcasa proporciona información sobre elementos como el grosor de la carcasa, el grosor de la brida, etc. estos se calculan utilizando un código de diseño de recipiente a presión como el código de caldera y recipiente a presión de ASME (American Society of Mechanical Engineers) Y el British Master Pressure Vessel Standard, BS 5500. ASME es el código más utilizado para intercambiadores de calor y está en 11 secciones. La sección VIII (recipientes a presión confinados) del código es la más aplicable a los intercambiadores de calor, pero también son pertinentes las secciones II-materiales y la sección V-ensayos no destructivos.
Tanto la ASME como la BS5500 son ampliamente utilizadas y aceptadas en todo el mundo, pero algunos países insisten en que se utilizan sus propios códigos nacionales. Para tratar de simplificar esto, la Organización Internacional de normas está tratando de desarrollar un nuevo código internacionalmente reconocido, pero es probable que sea un tiempo antes de que se acepte.
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