Diseño de intercambiadores de calor

Presentación realizada por:
Ing. Tito Nuñez Wayar

Es un equipo de transferencia de calor empleado en procesos químicos con
la finalidad de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso
INTERCAMBIADOR DE CALOR
CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE
TRANSFERENCIA DE CALOR
DEFINICIÓN
 Según el tipo de servicio
 De acuerdo al proceso de transferencia
 De acuerdo a los mecanismos de transferencia
de calor
 De acuerdo al número de fluidos involucrados
 De acuerdo a la disposición de los fluidos
 De acuerdo a la compactación de la superficie
 De acuerdo al tipo de construcción

CLASIFICACIÓN: SEGÚN SERVICIO
SEGÚN SU SERVICIO
Refrigerador
Enfrían una corriente de proceso
con un liquido refrigerante a fin
de obtener temperaturas menores
que las que se obtendrían con un
enfriador
Condensador
Condensan una corriente
de proceso
Enfriador
Enfría una corriente de proceso con
agua o aire
Calentador
Calientan una corriente
de proceso
Rehervidor
Vaporiza una corriente
de proceso
Generador de Vapor
Producen vapor de agua y se conocen como calderas de
recuperación de calor
Vaporizador
Convierte liquido a vapor. Cuando el
liquido es diferente al agua
Sobrecalentador
Calienta un vapor por encima
de condiciones de saturación

CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN
• Es uno de los diseños más simples
• Consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente
circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo
formado entre los tubos.
• Este es un tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y económica,
lo que lo hace muy útil.
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
Multitubular

• Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al
pasar por fuera de un haz de tubos, actúa como medio refrigerante para
condensar y/o enfriar el fluido que va por dentro de los mismos.
• Se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se
hace soplar perpendicularmente al eje de los tubos
ENFRIADORES DE AIRE

INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL
 Estos intercambiadores se originaron en Suecia hace mas de 40 años para
ser utilizados en la industria del papel y son llamados también SHE debido a
sus siglas en inglés: Spiral Heat Exchanger.
 Su diseño consiste en un par de láminas de metal enrolladas alrededor de
un eje formando pasajes paralelos en espiral por entre los cuales fluye cada
sustancia.
 Son muy utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos y líquidos con
sólidos en suspensión, así como también en operaciones de condensación y
vaporización.

INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
Es el más utilizado en las refinerías y plantas químicas en general debido a que:
• Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen.
• Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños.
• Es bastante fácil de limpiar y de reparar.
• Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier
aplicación.
Haz de tubos dentro de una carcaza cilíndrica, con presencia de deflectores para
generar turbulencia y soportar los tubos. El arreglo de tubos es paralelo al eje
longitudinal de la carcaza y puede estar fijo o ser de cabezal flotante. Tubos internos
lisos o aleteados

INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO

INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
Carcaza cilíndrica
Deflectores transversales
(baffles)
Boquilla de la carcaza
Boquilla de la carcaza
Boquilla para los tubos
Tubos
Placa de tubos
flotante
Boquilla para los tubos
Divisor
de paso o
baffles longitudinal
Cabezal flotante

CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
Se diseñan
TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association
Clase R Clase C Clase B
Petróleo y aplicaciones
relacionadas
Procesos químicos
Propósitos generales
Según estándares publicados por
Asociación de Fabricantes de
intercambiadores tubulares
Intercambiadores de
carcaza y tubo
APLICABLE :
Diámetro interno de la carcaza
(DIC) ≤ 1,524 mm (60 in)
Presión ≤ 207 bar (3000Psi)
DIC*Presión ≤ 105000 mm bar
(60000 in psi)

Designación de intercambiadores
X X X
Cabezal
anterior Cabezal
posterior
Tipo de
carcaza

Tienen las dos placas de tubos
soldadas a la carcaza
De Cabezal flotante:
De cabezal fijo:Tubos en forma de U
Tienen solo una placa donde se
insertan los tubos en forma de U
Tiene una sola placa de tubos
sujeta a la carcaza
Según su construcción
mecánica

De cabezal flotante
Tubos en forma de U
De Cabezal fijo
Tipo BEM
Tipo CFU
Tipo AES

ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
TUBOS
Proporcionan la superficie de transferencia de calor entre un fluido
que fluye dentro de ellos y otro que fluye sobre su superficie externa
 Se encuentran disponibles en varios metales como:
acero de bajo carbono, cobre, aluminio, 70-30 cobre-níquel, acero inoxidable
Arreglo triangular Arreglo triangular rotado
 El fluido de la carcaza debe ser limpio
 El arreglo triangular rotado raramente se usa por las altas caídas de presión
que generan

Arreglo cuadrado Arreglo cuadrado rotado
 El fluido de la carcaza debe ser sucio
 Se prefiere cuando la limpieza mecánica es critica
Espaciado de tubos (Pitch)  1.25*Diámetro externo del tubo
• En las refinerías se prefieren tubos de 20 pie de longitud
• Los haces no removibles usan siempre arreglos triangulares (30°)
Cuanto más largo es un intercambiador, menos
tubos contiene, menor es el diámetro de la carcaza,
su diseño es más simple y menor es su costo.

SELECCIÓN DEL ANGULO DEL PITCH

 Soportar el haz de tubos.
 Restringir la vibración de los tubos debido a los choques con el fluido.
 Canalizar el flujo de fluidos por la carcasa originando turbulencia para lograr mayores
efectos de trasferencia de calor.
DEFLECTORES

Distancia centro a centro entre
deflectores adyacentes
B
1/5 DC < B > DC
Doble Segmentado
Tipos de Deflectores
Segmentado
Para deflectores segmentados el corte está
entre 15-40%
El mejor resultado se obtiene con 25% de corte.
La altura de la ventana expresada como un
porcentaje del diámetro de la carcasa, se de
nomina CORTE DEL DEFLECTOR.

TIPO DE CARCAZA
TIPO F
Un paso por la carcasa Dos paso por la carcasa con bafle longitudinal
TIPO E

LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS
 Cuando se opera con un fluido muy corrosivo debe hacerse circular por el interior
de los tubos para evitar la corrosión de todo el intercambiador
 Para los fluidos con un alto factor de ensuciamiento, es conveniente hacerlo
circular por los tubos donde se puede mantener un mejor control de la velocidad
que puede reducir este efecto.
 En servicios de alta temperatura se fabrican los tubos de aleaciones convenientes
que reduzcan la expansion termica y se hace circular el fluido caliente por el
interior de ellos.

 Los fluidos con mayor presión deben generalmente colocarse por los tubos.
 Los fluidos muy viscosos deben colocarse fuera de los tubos para obtener
altos coeficientes de transferencia de calor, por crearse alli mayor turbulencia.
 El fluido de menor flujo masico se coloca fuera de los tubos, ya que alli se
somete a mayor turbulencia, mejorandose el coeficiente de transferencia de
calor.
LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
Ti > ToETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR
1. Convección desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes del mismo.
2. Conducción del interior al exterior del tubo.
3. Convección desde el exteriordel tubo al fluido.
hi
Ts
ho
To
Ti
Aihi
Ri
.
1

LK
riroLn
Rcond
...2
)/(


Aoho
Ro
.
1

AohoLK
riroLn
Aihi
Rtotal
.
1
...2
)/(
.
1



AohoLK
riroLn
Aihi
Rtotal
.
1
...2
)/(
.
1


RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNA
AohoAo
ro
LK
riroLn
Ai
ri
Aihi
Rtotal
.
1
...2
)/(
.
1


COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL
**
.
1
AU
Rtotal

* Basado en cualquier área

COEFICIENTE LIMPIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Aoho
A
Ao
roA
LK
riroLnA
Ai
riA
Aihi
A
U
.
.
...2
)/(..
.
1
*****
*



Es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se
coloca por primera vez en servicio.
REFERIDA AL ÁREA EXTERNA
ho
ro
LK
riroLnAo
Ai
riAo
Aihi
Ao
Uo
1
...2
)/(..
.
1




1
1
FrwRoRio
Uc

BTU
Fpieh
F


..
0001.0
2
1
donde
Relación Uo y Uc
1
1
11
1
Frorio
UcUo
FrwRoRio
Uc


Uc > Uo siempre
Resistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosión
TAUQ  ..
Relación básica que sirve para
calcular los intercambiadores de calor

Diferencia de temperatura media logarítmica
Disposición de fluidos
Contracorriente
Los fluidos fluyen en dirección opuestas el
uno del otro
Flujo en Paralelo o Cocorriente
Ambos fluidos entran al equipo por el mismo
extremo, fluyen en la misma dirección y salen
por el otro extremo
La diferencia de temperaturas en cada punto del intercambiador constituye la
fuerza impulsora mediante la cual se transfiere el calor. En el intercambiador los
fluidos pueden viajar en contracorriente, paralelo, flujo cruzado o una
combinación de ellas, experimentado variaciones de temperatura que no son
lineales a lo largo de su recorrido en el intercambiador. Así, la diferencia de
temperatura entre los fluidos diferirá punto a punto en el intercambiador.

To
w Ti
w
to
w ti
w
T
Ti
to
To
ti
0 L
Intercambiador de doble tubo en contracorriente
LMTD =
(T - t ) - (T - t )
ln
T - t
T - t
i o o i
i o
o i






Termodinámicamente es una disposición superior a cualquier otra .

Intercambiador de doble tubo en paralelo o corriente
to
W Ti
w
ti
W To
w
Ti
ti
To
to
0 L
T
LMTD =
(T - t ) - (T - t )
T - t
T - t
i i o o
i i
o o
ln







Para las diferentes configuraciones de flujo mostradas a continuación, calcule la
diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)
A. Contracorriente
Fluido caliente Fluido frío
Ti= 300 °F entra to=150 °F sale
To= 200 °F sale ti=100 °F entra
LMTD =
(300 - 150) - (200 - 100)
300 - 150
200 - 100
ln






LMTD =
(T - t ) - (T - t )
ln
T - t
T - t
i o o i
i o
o i






LMTD = 123.32 °F

Para las diferentes configuraciones de flujo mostradas a continuación, calcule la
diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)
B. Paralelo
Fluido caliente Fluido frío
Ti= 300 °F entra to=150 °F sale
To= 200 °F sale ti=100 °F entra
LMTD =
(300 - 100) - (200 - 150)
300 - 100
200 - 150
ln






LMTD =
(T - t ) - (T - t )
T - t
T - t
i i o o
i i
o o
ln






LMTD = 108.2 °F

Cuando hay combinados de flujos, como en un intercambiador distinto de 1:1
LMTD
MTD
Ft 
Ft =1 Flujo equivalente a contracorriente Para cualquier arreglo, FT < 0.75 Inaceptable
Fluido por la carcaza
Ti Entrada
Fluido por los tubos
t o Salida
Entrada
To Salida
t*
t i
Intercambiador 1-2 carcaza y tubo

Intercambiador 2-2 carcaza y tubo
(salida)
(entrada)
(entrada)
(salida)

Intercambiador 1-2 en serie
to
Ti
To
ti

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 1-2)

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 2-4)

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO
 Calcular la cantidad de calor intercambiado (Q)
)(**)(** totiCptmToTiCpsmQ 
LMTDFtMTD *
 Calcular la diferencia de temperatura media efectiva
 Asumir el coeficiente global de transferencia de calor Uo
 Calcular el área basada en Uo supuesto
A =
Q
Uo * MTDtc

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO
 Determinar las dimensiones físicas del intercambiador a partir del área calculada
 Calcular el coeficiente global de transferencia de calor Uo
 Calcular la caída de presión a través del intercambiador
 Calcular el área de transferencia basada en Uo calculado y MTD
ho
ro
LK
riroLnAo
Ai
riAo
Aihi
Ao
Uo
1
...2
)/(..
.
1



 Comparación del área de transferencia calculada con el paso anterior
 Repetir los cálculos hasta igualar las área de transferencia

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