Técnicas de diseño de intercambiadores de calor (1ª PARTE)

El diseño térmico de intercambiadores de calor de tubo y carcasa (STHEs)  se realiza hoy en día por sofisticado software. Sin embargo, una buena comprensión de los principios de diseño del intercambiador de calor es necesaria para usar este software de forma efectiva.

En este artículo explicamos lo básico del diseño térmico del intercambiador de calor, cubriendo tópicos tales como: componentes de STHE; clasificación de STHEs de acuerdo con  la construcción y de acuerdo con el servicio; datos necesarios para el diseño térmico; diseño del lado del tubo;  diseño del lado de la carcasa, incluyendo disposición de los tubos.

Componentes de STHEs

Es esencial para el diseñador tener un buen conocimiento de las características mecánicas de STHEs y cómo influye en ellos el diseño térmico. Los componentes principales de un STHE son:

• Carcasa.
• Cobertura de tubos.
• Tubos.
• Canal.
• Cobertura de canal.
• Placa de tubos.
• Deflectores.
• Boquillas.

Otros componentes incluyen tirantes y espaciadores, placas de partición, placas de choque, deflectores longitudinales, tiras de sellado, soportes y cimentaciones.

Clasificación basada en la construcción

Placa de tubos fijos

Un intercambiador de calor de placa de tubo tiene tubos rectos que están asegurados en ambos extremos a las placas del tubo soldadas a la carcasa.

La principal ventaja de la construcción de placa de tubos fijas es su bajo coste debido a una construcción simple. De hecho, la placa de tubos fijos es el tipo de construcción menos caro, siempre que no se requieran juntas de expansión.

Otra ventaja de este diseño es que es que los tubos pueden limpiarse mecánicamente después de retirar la tapa, y que las pérdidas de fluido se minimizan ya que no hay uniones con bridas.

Una desventaja de este diseño es que el haz de tubos fijado a la carcasa no puede quitarse, por lo que el exterior de los tubos no puede limpiarse mecánicamente.

Tubos en U

 Como el nombre implica, los tubos de un intercambiador de calor de tubos se doblan en forma de U.  En este diseño hay solamente un tubo en forma de U por lo que en este sentido el coste es menor. Sin embargo, los menores costes del tubo único se compensan por los costes adicionales del doblado y la necesidad de usar un diámetro mayor.

La ventaja de un intercambiador de calor de tubo en U e que debido a que un extremo está libre.

La desventaja de la construcción del tubo en U es que no puede limpiarse de forma efectiva, ya que las curvas en U requieren perforaciones y elementos flexibles para la limpieza. Así, los intercambiadores de calor de tubos en U no se usarán para fluidos sucios en el interior de los tubos.

Cabezal flotante

El intercambiador de calor de cabezal flotante es el tipo más versátil de STHE, y también el más costoso. En este diseño, una placa de tubo se fija a la carcasa, y la otra flota libremente dentro de la carcasa. Esto permite la libre expansión del haz de tubos,   además de la limpieza tanto en el exterior como en el interior del tubo. Así, los SHTEs de cabezal flotante pueden ser usados para servicios en los que los fluidos en el exterior e interior de los tubos están sucios, siendo éste el estándar de construcción usado en servicios sucios, tales como las refinerías de petróleo.

Clasificación basada en el servicio

Básicamente, un servicio puede ser de una sola fase (tal como el enfriamiento o calentamiento de un líquido o gas) o dos fases (tales como condensación o vaporización). Ya que hay dos lados en un STHE, esto puede llevar a varias combinaciones de servicios.

Los servicios pueden clasificarse de la siguiente forma:

• Fase simple (tanto en el lado de la envolvente como en el lado del tubo).
• Condensación (condensación en un lado y una sola fase en el otro).
• Condensación/vaporización (un lado condensado y otro vapor).

Datos de diseño

Antes de discutir el diseño térmico actual debemos obtener los siguientes datos:

• Caudal de ambos flujos.
• Temperaturas de entrada y salida de ambos flujos.
• Presión de operación en ambos flujos. Esto se requiere para gases, especialmente si la densidad del gas no se facilita. No es necesario para los líquidos ya que sus propiedades no varían con la presión.
• Caída de presión permitida para ambos flujos. Es un parámetro muy importante para el diseño de un intercambiador de calor. Generalmente para los líquidos, se permite un valor de 0,5 – 0,7 kg/cm2. En líquidos es previsible una caída de presión mayor, especialmente en el lado del tubo. Para gases, el valor permitido está generalmente entre 0,05 – 0,2 kg/cm2, con 0,1 kg/cm2.
• Resistencia al fouling para ambos flujos.
• Propiedades físicas de ambos flujos. Estas incluyen viscosidad, conductividad térmica, densidad, y calor específico, preferiblemente a la temperatura de entrada y de salida.
• Deberes de calor: El deber especificado sería consistente tanto en el lado de la envolvente como de los tubos.
• Tipo de intercambiador de calor: Si no está disponible, el diseñador puede elegirlo basándose en las características de varias configuraciones disponibles.
• Tamaño de las líneas. Es deseable acoplar el tamaño de las boquillas con los tamaños de la línea para evitar expansores o reductores. Sin embargo, los criterios de dimensionado indican que el tamaño de las boquillas debe ser más grande que el de las líneas correspondientes.
• Tamaño de tubo preferido. El tamaño de tubo se diseña como Diámetro Exterior x espesor x longitud.
•  Diámetro de envolvente máximo. Se basa en los requerimientos para la retirada del haz de tubos. Los intercambiadores de calor de cabezal flotante a menudo limitan a un diámetro de 1,4 – 1,5 m y longitudes de tubos de 6 a 9 m, mientras que los intercambiadores de calor con placa de tubos fija pueden tener envolventes tan grandes como de 3 m y longitudes de tubo de hasta 12 m o más.
• Materiales y construcción. Si los tubos y envolvente se hacen de materiales idénticos, todos los componentes serán de este material. Si envolvente y carcasa son de diferente metalurgia, los materiales de todos los componentes principales deben ser especificados para eludir cualquier ambigüedad. 

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