Diseño de Intercambiador Gas-gas

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR GAS-GAS U.A.J.M.S

I.

RESUMEN

Conceptos Cambiador de calor: Es un equipo de proceso en el que circulan generalmente dos fluidos en condiciones de temperatura diferentes, uno por el lado tubos y el otro por el lado coraza, con el fin de intercambiar calor a través de las paredes metálicas de los tubos de transferencia, sin que ocurra un contacto directo entre ellos. Lado tubos: Llamamos así a los conductos por donde circula el fluido que pasa por el interior de los tubos de transferencia. Lado coraza o lado envolvente: Se llama así al conducto por donde circula el fluido que baña a los tubos de transferencia. Presión de operación (Po): ambién conocida como presi!n de traba"o. Se define como la presi!n manométrica a la cual está sometido un equipo en condiciones normales de operaci!n. #ebemos tener presente que en el caso de los cambiadores ca mbiadores de calor, se mane"an dos presiones de operaci!n, una por el lado de tubos y la otra por el lado de la coraza. Presión de diseño (PD) Se define como la presi!n que será utilizada en el diseño del cambiador de calor. $ara servicios a %vacío& se debe especificar una presi!n e'terna de diseño de () Lb * Pulg+ vacío total-. $ara una presi!n de operaci!n arriba de la atmosférica, la presi!n de diseño será Pd / Po 0 12 Lb * pulg+ si Po 3 122 Lb * pulg+ ! Pd / (,( Po; si Po 4 122 Lb * pulg+ 5esulta importante mencionar que al 6ablar de presiones, temperaturas, materiales, etc., en cambiadores de calor, debemos siempre especificar si se trata del lado de los tubos o del lado de la coraza, ya que generalmente las condiciones de operaci!n y consecuentemente las de diseño, son diferentes en un lado y en el otro.

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Presiones de prueba (Pp) 7ormalmente conocida como presi!n 6idrostática de prueba, pr ueba, la cual es llevada a cabo una vez que 6a sido fabricado el cambiador de calor, fundamentalmente consiste en el llenado del equipo con agua, al mismo tiempo que se le somete a presi!n, su valor se cuantificará por medio de la siguiente ecuaci!n Pp / (.) Pd  Sta * Std -

#onde Sta / Esfuerzo a la tensi!n del material a la temperatura Std / Esfuerzo a la tensi!n del material a la temperatura de diseño

Presión de trabajo máxima permisible: Es la presi!n má'ima a la que se puede someter un cambiador de calor en condiciones de operaci!n, la evaluaci!n de esta presi!n, será de mayor utilidad cuando el equipo se encuentre en las siguientes condiciones a- En condiciones corroídas b- 8a"o los efectos de la temperatura de diseño c- En posici!n normal de operaci!n Temperatura Temperatura de operación operac ión (To): Es el valor normal de temperatura en las condiciones de operaci!n del proceso, a la cual el cambiador de calor será e'puesto. Temperatura Temperatura de diseño (TD): Se define como la temperatura temperatura que será utilizada utilizada en el diseño del cambiador cambiador de calor, calor, esta temperatura se selecciona como sigue $ara fluidos que operan con una temperatura superior a 1+ 9: 2 9;-, la temperatura de diseño será la que resulte mayor de las siguientes

$ara fluidos que operan a una temperatura de 1+ : 2 ;- o inferior, se deberá especificar simultáneamente la temperatura mínima y la má'ima anticipada, siendo esta
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Presiones de prueba (Pp) 7ormalmente conocida como presi!n 6idrostática de prueba, pr ueba, la cual es llevada a cabo una vez que 6a sido fabricado el cambiador de calor, fundamentalmente consiste en el llenado del equipo con agua, al mismo tiempo que se le somete a presi!n, su valor se cuantificará por medio de la siguiente ecuaci!n Pp / (.) Pd  Sta * Std -

#onde Sta / Esfuerzo a la tensi!n del material a la temperatura Std / Esfuerzo a la tensi!n del material a la temperatura de diseño

Presión de trabajo máxima permisible: Es la presi!n má'ima a la que se puede someter un cambiador de calor en condiciones de operaci!n, la evaluaci!n de esta presi!n, será de mayor utilidad cuando el equipo se encuentre en las siguientes condiciones a- En condiciones corroídas b- 8a"o los efectos de la temperatura de diseño c- En posici!n normal de operaci!n Temperatura Temperatura de operación operac ión (To): Es el valor normal de temperatura en las condiciones de operaci!n del proceso, a la cual el cambiador de calor será e'puesto. Temperatura Temperatura de diseño (TD): Se define como la temperatura temperatura que será utilizada utilizada en el diseño del cambiador cambiador de calor, calor, esta temperatura se selecciona como sigue $ara fluidos que operan con una temperatura superior a 1+ 9: 2 9;-, la temperatura de diseño será la que resulte mayor de las siguientes

$ara fluidos que operan a una temperatura de 1+ : 2 ;- o inferior, se deberá especificar simultáneamente la temperatura mínima y la má'ima anticipada, siendo esta
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menor a ()2 : =).) ;- para el lado de la coraza con el ob"eto de considerar la circulaci!n circulaci!n de aire caliente durante la operaci!n de secado, posterior a la prueba 6idrostática.

s!uerzo de diseño a la tensión ("): Es el valor má'imo al que puede someterse un material que forma parte de un cambiador de calor en condiciones normales de operaci!n. Su valor está basado de secado +)> del esfuerzo
Calor: El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia. Temperatura: La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia. ;uando se agrega calor a una sustancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se eleva, o viceversa. ;uando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. La transferencia de calor se puede realizar por tres mecanismos físicos conducci!n, convecci!n y radiaci!n.

II.

INTRODUCCIÓN

En la vida diaria se encuentran muc6as situaciones físicas en las que es necesario transferir calor desde un fluido caliente 6asta uno frío con m
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@n Anterc Antercambi ambiado adorr de ;alor ;alor es un equipo equipo utiliz utilizado ado para enfriar enfriar un fluido fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo esta calor a otro fluido que está frío y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos. Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres #ntercambiador de Calor 5ealiza la funci!n doble de calentar y enfriar dos fluidos. BCondensador ;ondensa un vapor o mezcla de vapores. n!riador Enfría un fluido por medio de agua. Calentador Cplica calor sensible a un fluido. $e%ervidor ;onectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de reeb reebul ulic ici! i!nn que se neces necesit itaa para para la desti destila laci ci!n. !n. Los Los 6ay de termo termosi sif!n f!n,, de circulaci!n forzada, de caldera,...&aporizador @n calentador que vaporiza parte del líquido •

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III.

OBJETIVO

3.1. OBJETIVO GENERAL Cplicar los conocimientos básicos de transferencia de calor para la selecci!n, diseño, mantenimiento y control de equipos de intercambio de calor

3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS •

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IV.

;las ;lasif ific icar ar los los equi equipo poss de inte interc rcam ambi bioo de calo calorr de acue acuerd rdoo a su func funci! i!nn y configuraci!n definiendo los parámetros básicos para su diseño Seleccionar el equipo más adecuado para una aplicaci!n particular. particular.

#escribir los tipos básicos de Antercambiadores de ;alor, indicando sus aplicaciones principales y criterios de selecci!n E'poner el método de cálculo de un intercambiador de calor, identificando la superficie de intercambio, dimensiones y configuraciones de tubos y cascos, y pérdidas de carga. Antroducci!n a la selecci!n de materiales y costes de un intercambiador de calor

JUSTIFICACION

@n intercambiador calor se lo diseña para fines específicos y de muc6a muc6a importancia en la industria petrolera en donde se encuentran muc6as situaciones físicas en las es necesario la transferencia de calor de un fluido caliente 6acia otro fluido frio con m
a6orro de energía combustiblecombustible- lo que disminuye disminuye los costos de operaci!n? operaci!n? ! para llevar al Página 4


fluido a una temperatura !ptima, bien sea para un procesamiento posterior o para alcanzar condiciones de seguridad necesarias en el caso de transporte y*o almacenamiento. #e a6í parte la "ustificaci!n para el diseño de un intercambiador de calor gas*gas.

V. MARCO TEORICO 5.1. DEFINICION @n #ntercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo esta calor a otro fluido que está frío y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos.

5.2. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Los Antercambiadores de ;alor son in6erentes a la utilizaci!n y a la conversi!n de energía. Se utilizan en el intercambio de calor entre dos fluidos separados por un s!lido. Cbarca un amplio espectro de configuraciones de flu"o. 5.2.1. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOS Es la configuraci!n más simple de todas. Los que tienen me"or desempeño son los intercambiadores en contraDflu"o.

5.2.2. INTERCAMBIADORES DE CALOR EN FLUJO CRUZADO $ara el flu"o cruzado sobre los tubos, el movimiento de fluido, y por tanto el el mezclado, en la direcci!n transversal y- no es posible por la presencia de las aletas, en cambio lo anterior si se da para los intercambiadores en flu"o cruzado no aleteados. El desempeño de este tipo de intercambiadores de calor se ve afectado por las características del mezclado. •

•

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5.2.3. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBO (SHELL-ANDTUBE  @n paso por la coraza s6ell- y un paso por los tubos

Los 8C:LES o #E:LE;5ES son utilizados para generar un flu"o cruzado e inducir un mezclado turbulento en el fluido que va por la coraza, lo cual me"ora el intercambio por convecci!n.

El n
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:AF. Antercambiadores de calor de coraza y tubo s6ellDandDtube5.2.!. INTERCAMBIADORES DE CALOR COMPACTOS

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•

Cmpliamente utilizados para lograr altas tasas de transferencia de calor por unidad de volumen, en especial cuando uno o ambos fluidos es un gas. Se caracterizan porque tienen un área de transferencia de calor por unidad de volumen muy grande GH22 m+*m1-, #6 3) mm y un flu"o laminar.

a- ubo aleteado tubos planos, $lacas aleteadas continuas b- ubo aleteado tubos circulares, $lacas aleteadas continuasPágina !


c- ubo aleteado tubos circulares, aletas circularesd- $laca aleteada un solo pasoe- $laca aleteada multiples pasos

5.2.5. INTERCAMBIADORES DE TIPO PLACA. Llamados también intercambiadores compactos. $ueden ser de diferentes tipos B Antercambiadores de tipo placa y armaz!n  plate-and-frame- similares a un filtro prensa. B Antercambiadores de aleta de placa con soldadura  plate fin-. Cdmiten una gran variedad de materiales de construcci!n, tiene una elevada área de intercambio en una disposici!n muy compacta. $or la construcci!n están limitados a presiones pequeñas.

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5.2.". INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBO.

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Son los intercambiadores más ampliamente utilizados en la industria química y con las consideraciones de diseño me"or definidas. ;onsisten en una estructura de tubos pequeños colocados en el interior de un casco de mayor diámetro. Las consideraciones de diseño están estandarizadas por 6e ubular E'c6anger Ianufacturers Cssociation T'-

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DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR GAS-GAS U.A.J.M.S 5.2.".1. INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE INTERNO (#$%& AES

Es el modelo más com
*+*,*+* INTERCAMBIADOR DE LAMINA Y TUBO FIJO (#$%& BEM

(.D Este intercambiador no tiene apenas diferencia entre ambos e'tremos, es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la velocidad dentro de los tubos, lo que reduce el coeficiente de transmisi!n de calor. +.D iene "unta de e'pansi!n en casco. 1.D Amposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco. Página 11

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR GAS-GAS U.A.J.M.S 5.2.".3. INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE E'TERIOR (#$%& AEP Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede desmontarse para limpieza. iene el inconveniente de necesitar más mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.

5.2.".!. INTERCAMBIADOR DE CABEZAL Y TUBOS INTEGRADOS (#$%& CFU Este modelo tiene el con"unto de tubos en @ lo que permite un fácil desmonta"e del con"unto de tubos. iene el inconveniente a la 6ora de sustituir un tubo dañado. iene el desviador central unido a la placa de tubos.

5.2.".5. REHERVIDOR DE CALDERA (#$%& AT Este intercambiador se caracteriza por la configuraci!n del casco. El con"unto de tubos puede ser también CD@, dando lugar al C@. El vertedero a la derec6a de los tubos mantiene el líquido 6irviente sobre los tubos. El vapor sale por la tobera superior y el líquido caliente sale por la tobera inferior.

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5.2.".". CONDENSADOR DE FLUJO DIVIDIDO (#$%& AJ) Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues disminuye la pérdida de carga en un factor de K-. $arte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede utilizarse con enfriador. El desviador central divide el flu"o en dos y el resto de desviadores lo llevan a través de los tubos para enfriarse.

5.2. ASPECTOS GENERALES El equipo de transferencia de calor se define tomando en consideraci!n la funci!n que desempeña dentro de una planta industrial. El cambiador de calor tiene como funci!n principal, como su nombre lo indica, intercambiar calor entre dos o más corrientes en un proceso determinado. ;omo parte integrante de una planta de proceso industrial, su funci!n es determinante en todas las etapas. Página 13


*+*-* CLASIFICACION DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR El cambiador de calor se clasifica principalmente ba"o dos consideraciones? por su funcionamiento térmico y por su tipo de construcci!n. 5.3.1.1. POR SU FUNCIONAMIENTO TÉRMICO

Se clasifica de la siguiente manera Evaporadores 5e6ervidores ;alentadores $recalentadores ;ondensadores Enfriadores $ostenfriadores 5eactores, Etc. • • • • • • • •

5.2.1.2. POR SU TIPO DE CONSTRUCCIÓN

Se identifican como sigue ;ambiadores de tubo y coraza o envolvente ;ambiadores de tubos concéntricos ;ambiadores de Iultitubos ;ambiadores enfriados por aire ;ambiadores de placas, etc. • • • • •

5.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE SEG*N EL TIPOS DE INTERCAMBIADOR $ara efectos de esta materia, estudiaremos el tipo de mayor difusi!n y uso en nuestra Andustria $etrolera, el de tubos y coraza. Este, con su amplio rango de servicio y su alta resistencia a diversas condiciones de operaci!n, 6a propiciado el desarrollo de una tecnología bastante amplia para este tipo de construcci!n. ;on el ob"eto de visualizar más a fondo este tipo de construcci!n, 6aremos una clasificaci!n menos generalizada, en la cual tomaremos en consideraci!n las venta"as y desventa"as que cada uno presenta para determinados servicios.

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5.3.1. CAMBIADOR DE CALOR TIPO ESPEJOS-FIJOS 5.3.1.1. VENTAJAS •

;onstrucci!n econ!mica y un mínimo de "untas empacadas, reduciendo con esto las posibilidades de fuga.

5.3.1.2. DESVENTAJAS •

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La coraza y el e'terior de los tubos del 6az, no pueden ser limpiadores por medios mecánicos, ni ser inspeccionados físicamente. $roblemas estructurales originados por la e'pansi!n diferencial entre la coraza y el 6az de tubos para gradientes de temperatura considerables.

5.3.2. CAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS EN +U, 5.3.2.1. VENTAJAS • •

Iane"a fluidos de alta presi!n y temperatura lado tubos Cbsorbe libremente las e'pansiones térmicas y su costo es relativamente ba"o


#ificultad para limpiar mecánicamente el interior de los tubos y limitaci!n en el n
5.3.3. CAMBIADORES DE CALOR DE CABEZAL FLOTANTE 5.3.3.1. VENTAJAS • •

Cmplias facilidades de inspecci!n Iantenimiento y reparaci!n, elimina problemas de e'pansi!n diferencial por efectos térmicos entre tubos y coraza mediante el libre desplazamiento del cabezal flotante.


Iayor costo de fabricaci!n que en los casos anteriores y un n
5.!. INOMENCLATURA E IDENTIFICACIÓN DE CAMBIADORES DE CALOR La nomenclatura utilizada por %EIC&, adopta tres literales que representan Página 15


La primera, el tipo de cabezal de distribuci!n o entrada, la segunda, el tipo de coraza y la tercera, el tipo de cabezal de retorno. Csí por e"emplo, un cambiador de calor del tipo %CES&, estará constituido por un cabezal de distribuci!n %C&, una coraza %E& y un cabezal de retorno %S&. El tamaño de un cambiador de calor se indica por dos n
5.5. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN CAMBIADOR DE CALOR El nombre que recibe cada uno de los elementos que constituye un cambiador de calor de tubos y coraza, se proporciona en las :igs. A.+. y A.1., de los cuales se describirán los de mayor importancia.

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C.$/ Es un cuerpo cilíndrico construido de una sola pieza que puede ser un tubo sin costura o una placa rolada que contendrá en su interior el 6az de tubos y a través de los cuales circula el fluido que baña el e'terior de los tubos de dic6o 6az. 0/ D T12." Es el elemento formado por los tubos de transferencia, situado en el interior de la coraza y orientado paralelamente a ella. ;onsta también de mamparas, cuya funci!n además de soportar los tubos, es crear turbulencias y dirigir el fluido que circula por el e'terior de los tubos mismos. "P3." El 6az de tubos remata sus e'tremos en placas perforadas llamadas espe"os, que sirven por una parte como elemento divisores entre el flu"o del lado coraza y el flu"o del lado tubos y por otra parte como elementos de su"eci!n de los tubos? estos cruzan el espe"o a través de sus perforaciones y sellan e'pansionados contra los espe"os o mediante una soldadura perimetral en los e'tremos de los tubos para unirlos a los espe"os permanentemente. #iseño y ;álculo Iecánico de Antercambiadores de ;alor ubulares T12." D T$4"5$4C# Son tubos de longitud normalizada por %EIC&, cuyo diámetro nominal corresponde a su diámetro e'terior y su espesor varía seg
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6acia el cabezal de distribuci!n o bien mandar el fluido fuera del cambiador cuando este cuenta con un solo paso lado tubos.

5.". MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN *,*- 5.$'" D "1'#4#"T$. Los materiales se fabrican en formas comerciales que se denominan %:ormas de Suministro& y para ello se 6an normalizado las de mayor utilidad. En los cambiadores de calor se emplean algunas de dic6as formas, que son solicitadas mediante las especificaciones de los c!digos, tomando en consideraci!n la forma del elemento que 6a de fabricarse. C continuaci!n se presentan las formas de suministro y su utilidad en la fabricaci!n de los cambiadores de calor. PLC: Se emplea en la fabricaci!n de mamparas, silletas, tapas formadas y planas, placas divisorias, tiras de sello, mamparas de c6oque, espe"os y secciones cilíndricas corazas y cabezales5.$3: Se emplea en la fabricaci!n de bridas, coples y en algunos casos cuando los espe"os y tapas planas cuentan con espesores mayores a + N pulg. =1.)mm.- por limitaciones de disponibilidad en el mercado y por la dificultad que presenta controlar los defectos en el laminado de placas con espesores mayores a J pulg (2(.= mm.T12.": E'isten en el mercado tubos de cédula y tubos calibre, ambos fabricados para diámetros normalizados aunque con características de fabricaci!n diferentes y utilidad específica dentro del diseño de los cambiadores de calor. Los tubos de cédula pueden conseguirse en el mercado desde (*K pulg. 1.+mm.- 6asta J+pulg. (2=H mm.- Iercado 7acional 6asta (Kpulg.- J)Hmm.- de diámetro nominal, que no corresponde al diámetro interno o e'terno real, a e'cepci!n de aquellos mayores a (+pulg. 12) mm.- en los cuales el diámetro e'terior es com
En términos técnicos, la corrosi!n 6a sido definida como el deterioro o destrucci!n de un material metálico, ocasionado por el ataque electroquímico del medio que le rodea. La vida

a6í la importancia del entendimiento de los mecanismos de la corrosi!n a fin de tomarlos en cuenta desde el diseño de los equipos. odos los metales y aleaciones son susceptibles a la corrosi!n, no e'istiendo materiales
Se denomina como corrosi!n uniforme o general aquella que se presenta uniformemente sobre una superficie metálica, frecuentemente puede ser previsto un rango de corrosi!n admisible mediante gráficas de corrosi!n o pruebas de laboratorio para ser considerado en el diseño de equipos. $ara este tipo de corrosi!n, el rango se e'presa en pulgadas de penetraci!n por año o milésimas de penetraci!n por año, lo cual puede detectarse en los Página 1#


equipos mediante una inspecci!n ultras!nica peri!dica a fin de vigilar que el rango de corrosi!n admisible no sea sobrepasado, evitando con ello consecuencias indeseables. El medio corrosivo es el factor más importante que gobierna la corrosi!n. La acidez, temperatura, concentraci!n, movimiento relativo de las superficies metálicas, grado del poder de o'idaci!n, aireaci!n y la presencia o ausencia de in6ibidores o aceleradores son variables que siempre deberán considerarse, mismas que frecuentemente interact
La diversidad de fluidos mane"ados en plantas químicas y petroquímicas, 6ace necesario el empleo de una gran variedad de metales y aleaciones que a menudo están en contacto físico. Este tipo de corrosi!n puede presentarse por e"emplo? en cambiadores de calor cuyos tubos de transferencia térmica sean de un metal no ferroso y el resto de su fabricaci!n sea de acero al carbono. En estas condiciones la presencia del agua de enfriamiento inicia la corrosi!n galvánica por ser un buen electrolito, quedando el acero al carbono e'puesto al ataque corrosivo por 6acer la funci!n de ánodo y el metal no ferroso, cobre o alguna de sus aleaciones que son las más comunes, la funci!n de cátodo, conservándose los tubos de transferencia térmica, un tiempo más prolongado. Es importante señalar que el área de los metales e'puesta al ambiente electrolítico, también se relaciona directamente con el rango de corrosi!n galvánica, por lo que deberá tenerse presente que a medida que se incrementa el área cat!dica en relaci!n al área an!dica, el ataque corrosivo se 6ace más severo. C continuaci!n, se indican algunas alternativas, que pueden ser

+- Evitar e'poner a un ambiente electrolítico áreas an!dicas pequeñas, en relaci!n a las áreas cat!dicas. 1- ;uando se utilicen metales de distinta naturaleza, emplean materiales de aislamiento recubrimientos-. J- Anstalar ánodos de sacrificio para proteger las áreas an!dicas del equipo. 5.6.3.3. CORROSIÓN POR EROSIÓN

;uando el ataque corrosivo se genera sobre una superficie metálica, debido a la velocidad de flu"o del medio corrosivo produciendo un desgaste mecánico, este recibe el nombre de corrosi!n por erosi!n. Feneralmente este ataque presenta apariencia de picaduras poco profundas de fondo terso, con distribuci!n direccional, debido a la trayectoria? seguido por el agente agresivo al fluir sobre la superficie metálica. La corrosi!n por erosi!n se incrementa en condiciones de alta velocidad, turbulencia, c6oque, etc. y frecuentemente se observa en la boquilla de alimentaci!n Lado ;oraza- de los cambiadores de calor, en codos y cambios de direcci!n de tuberías, por citar algunos e"emplos La corrosi!n por erosi!n puede ser controlada con placas de c6oque o con la selecci!n de materiales más resistentes a este efecto. 5.6.3.4. CORROSIÓN POR PICADURA

La picadura es una forma de ataque corrosivo e'tremadamente localizado que da lugar a agu"eros en el metal, en general una picadura puede ser descrita como una cavidad o agu"ero con un diámetro superficial apro'imadamente igual o menor que su profundidad. La picadura es una de las formas más destructivas de corrosi!n que causa fallas por perforaci!n con s!lo un pequeño porcenta"e de pérdida de peso en todo el equipo. La mayoría de las picaduras se desarrollan y crecen 6acia aba"o de las superficies 6orizontales, un menor n
La acci!n con"unta de un esfuerzo de tensi!n y un medio ambiente corrosivo, dará como resultado, en algunos casos, la fractura de una aleaci!n metálica. La mayoría de las Página 21


aleaciones son susceptibles a este ataque, pero afortunadamente el n
5.. FACTORES UE INTERVIENEN PARA UNA ADECUADA SELECCIÓN DE MATERIALES. Los materiales que se deben utilizar en la construcci!n de cambiadores de calor se realizarán con"untamente con el Angeniero Iecánico #iseñador del equipo- y el Angeniero de $roceso. Los materiales que se eli"an, deberán resistir los efectos de la corrosi!n y deberán tener la suficiente resistencia para soportar la temperatura y presi!n de diseño, teniendo además que conducir a un diseño práctico. @na buena selecci!n de materiales, asegurará ba"os costos de mantenimiento e iniciales. C continuaci!n, se mencionarán las etapas más convenientes, para efectuar una selecci!n adecuada de materiales para la construcci!n de cambiador de calor. 5.7.1. LISTA DE REUISITOS

En esta lista, se deben incluir los materiales que satisfagan las condiciones de servicio, y para que esto suceda, es necesario que los materiales que se sugieran tengan las propiedades adecuadas, siendo más importantes las siguientes -) Propiedades 'ecánicas* Las propiedades del material que más importancia tienen son Q @na alta resistencia a la tensi!n Q @n punto de cedencia alto Q @na mínima reducci!n de área Q @n alto porcenta"e de alargamiento ;ontando con estas propiedades, establecidos los esfuerzos de diseño para el material en cuesti!n. +) Propiedades 5;sicas* Siendo más importante el coeficiente de dilataci!n térmico del material, ya que este limitará el valor del esfuerzo a la tensi!n y en consecuencia afectará el diseño del cambiador. <) $esistencia a la Corrosión* Los materiales que se propongan deberán soportar el ataque químico de las sustancias a las cuales estarán en contacto. Página 22


=) 5acilidad para su 5abricación* #e acuerdo a los medios disponibles y elegidos para la fabricaci!n del equipo, los materiales deberán contar con las siguientes características 'a7uinabilidad. Se 6ace necesario maquinar ciertas partes del cambiador como son las bridas, espe"os, tapas $lanas, etc.-, para darle la forma o acabado a las superficies para asentamiento del empaque, "untas de ensamble, etc. $ara ello, un material difícil de maquinar es más costoso en su fabricaci!n, ya que requiere de procedimientos y 6erramientas costosas. "oldabilidad. El material que se 6a de utilizar para la fabricaci!n del cambiador, deberá tener buenas propiedades de soldabilidad, ya que gran parte de sus elementos son de construcci!n soldable. 5acilidad de ser !ormado* El material será traba"ado mecánicamente para darle la forma deseada, como el rolado de las placas para la fabricaci!n de elementos cilíndricos, formado de tapas, etc. Compatibilidad del 7uipo xistente* Se deberá utilizar por conveniencia materiales de una misma clase, para evitar el tener gran cantidad de materiales de reposici!n en el almacén. 5.7.2. FACTORES ADICIONALES PARA LA SELECCIÓN DE LOS MATERIALES

En esta etapa se tomará en cuenta la vida
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a*+*) #mpurezas. #ic6o análisis, nos servirá para conocer tanto cualitativa como cuantitativamente el grado de impurezas del fluido, y de esta manera determinar si son corrosivas. a*<*) Temperatura* #ic6a condici!n es un factor que afecta directamente la corrosi!n, ya que con una variaci!n de temperatura puede alterarse la velocidad de corrosi!n en ciertos casos. a*=*) P0 (Potencia de 0idró8eno)* @na sustancia es más corrosiva en la medida en que disminuye su $O Cumento de Ccidez-. a**) &elocidad del !luido* La erosi!n aumenta con un incremento de velocidad, debido a que el fluido tiende a ser más turbulento provocando con esto un desprendimiento de las partículas corrosivas y e'poniendo nuevamente el material al contacto del fluido. b) 5unción de la parte del e7uipo* La funci!n que desempeña cada una de las partes que componen el equipo, nos obligan a tomar decisiones conservadoras sobre los materiales a elegir. c) xperiencia* c.(.- Si el material 6a sido utilizado en servicios idénticos se deben a revisar los reportes de inspecci!n que se 6ayan efectuado al equipo para conocer los resultados que se tienen, y con esto saber si a
La decisi!n final que se tomará para la selecci!n del material, se 6ará de acuerdo a lo siguiente -) 'aterial más adecuado* Este será aquél que cumpla con el mayor porcenta"e de requisitos técnicos, ya que de estos depende el buen funcionamiento del equipo. +) $e7uisitos económicos* El material que implique menores gastos como son iniciales, de operaci!n, de mantenimiento y un mayor reembolso de inversi!n, sin que por este concepto se tenga que sacrificar el punto anterior.

". DIMENSIONES DEL EUIPO ".1. DISE/O DE INTERCAMBIADORES Las !ases a seguir en el diseño de un intercambiador de calor de casco  tubo son

(.D ;omprobar el 2L4C D 4$>?, 6emos de conocer las condiciones del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones, propiedades físicas de los fluidos. +.D Csignar las corrientes al tubo y casco. 1.D #ibu"ar los dia8ramas t9rmicos. J.D #eterminar el n@mero de intercambiadores en serie. Página 24


).D ;alcular los valores corregidos de la diferencia media de temperaturas 'TD-. =.D Seleccionar el diámetroA espesorA materialA lon8itud  con!i8uración de los tubos* H.D Estimar los coe!icientes de pel;cula  de suciedad. ;alcular los coe!icientes 8lobales

de transmisión de calor K.D ;alcular la super!icie de intercambio estimada. U.D Seleccionar el tamaño del casco utilizando dos pasos en tubo-. (2.D ;alcular las p9rdidas de presión en el lado del tubo y recalcular el n
presión en casco admisible. (+.D $ecalcular los coe!icientes de película en el lado del tubo y del casco utilizando las velocidades másicas disponibles. (1.D $ecalcular los coe!icientes 8lobales de transmisi!n de calor y comprobar si tenemos suficiente superficie de intercambio. (J.D Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequeña revisar los estimados de tamaño de carcasa y repetir las etapas UD(1. ".1.1. BALANCE DE ENERG0A.

La ecuaci!n del balance de energía para un intercambiador de calor es  aporte de calor al !luido !r;o B aporte de calor al !luido caliente  perdidas de calor  E Los problemas del balance de energía pueden ser (.D Se conocen los caudales de las dos corrientes, F- y F+ -, el calor transferido (7) y las temperaturas de entrada y salida de ambas corrientes T-A T+A t-A t+-, en este caso solo se comprueban los calores específicos y latentes de ambas corrientes y el calor transferido por ambas. +.D Se conocen los caudales de las dos corrientes, F-  F+ - y las temperaturas de entrada y salida de una corriente así como la entrada de la otra T-A T+A t--, en este caso solo se calcula el calor cedido en una corriente 7- y se utiliza este para determinar la temperatura de salida de la otra t+-* 1.D Se conocen el caudal de una corriente, F-) y las temperaturas de entrada y salida de ambas T-, T+, t-, t+-, en este caso solo se calcula el calor cedido en una corriente  7- y se utiliza este para determinar el caudal de la otra F+-. J.D Se conocen los caudales de las dos corrientes, F- y F+ - y las temperaturas de entrada de ambas corrientes T-A t--, en este caso 6ay que calcular las temperaturas de salida de ambas T+A t+-, y el calor transferido 7-. Este cálculo introduce el concepto de Temperatura de cercamiento. El punto de acercamiento es aquel en que la temperatura Página 25


de las dos corrientes es más pr!'ima. Los valores típicos de las temperaturas de acercamiento son

;onocido el valor de la temperatura de acercamiento, conocemos una temperatura más y se puede realizar el cálculo como en +. ".1.2. ASIGNACIÓN DE FLUJOS. Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son (.D El fluido a mayor presi!n va en los tubos. +.D El fluido más corrosivo va en los tubos. 1.D Los fluidos más sucios van en los tubos J.D El fluido con menor pérdida de presi!n va en el casco. ).D El fluido a condensar en el casco. ".1.3. DIAGRAMAS TRMICOS. @n diagrama térmico es la representaci!n de la temperatura de las corrientes en funci!n del calor transferido o de la longitud. Si e'iste cruce de temperaturas será necesario utilizar varios intercambiadores en serie. ".1.!. N*MERO DE CELDAS EN SERIE. El n
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DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR GAS-GAS U.A.J.M.S ".1.5. DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA CORREGIDA. La diferencia media de temperaturas 'TD- en un intercambiador de calor de casco y tubo es la diferencia media logarítmica de temperaturas L'TD- multiplicado por un factor 5-

'TD  5 x L'TD #!nde

Siendo  temperatura fluido caliente? t temperatura fluido frío ( entrada? + salida. Si tenemos varias zonas de transici!n p.e., condensaci!n más enfriamiento-, 6ay que aplicar la ecuaci!n de LI# a cada tramo.

El factor : se obtiene de las siguientes gráficas. @n valor de : V 2,K no es admisible por diseño, 6ay que calcular $ y 5 seg
".1.". CLCULO DEL DIMETRO DEL TUBO ESPESOR Y LONGITUD. El tamaño nominal de los tubos de un intercambiador de calor es el diámetro exterior en pulgadas, los valores típicos son )*K, W y ( in. ;on lon8itudes de K, (2,(+, (= y +2 pies. Siendo la típica de (= pies. Los espesores de tubos está dados seg
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@na primera apro'imaci!n de tubos a utilizar es Diámetro G inA "eparación trian8ular a - in con -, !t de lar8o  espesor -= 2H>* ".1..COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

La ecuaci!n básica de transferencia de calor es q/ @o Co I# #!nde q / ;alor transmitido por unidad de tiempo @o / ;oeficiente global de transmisi!n de calor Co / Crea de intercambio I#/ #iferencia media de temperaturas corregida. El problema consiste en determinar el valor de @o. Este coeficiente depende de la configuraci!n del intercambiador el cual es funci!n del area de intercambio. $or lo tanto el proceso es iterativo. Se comienza con una estimaci!n preliminar de @o basada en reglas generales, con este valor podemos despe"ar el area de intercambio, con lo queconoceremos el n
#!nde rio / 5esistencia de película interna / (*6io rdio / 5esistencia de suciedad interna rmo / 5esistencia de la pared metálica rdo / 5esistencia de suciedad e'terna ro / 5esistencia de película e'terna / (*6o 6 / ;oeficiente de pelicula de transmisi!n de calor di / #iámetro interno do / #iámetro e'terno Xm / ;onductividad térmica del material.

Oay que conocer las resistencias por suciedad y los coeficientes de película. Página 2"


Los coeficientes de resistencias por suciedad están tabulados y dependen de la suciedad del fluido o de su capacidad corrosiva. Los coeficientes de película se pueden obtener de tablas o calcular si conocemos la configuraci!n del intercambiador.

C.5#C#4T D PL?C1LA LD. DL T12. (%io)* El sistema más rápido es estimar 6io utilizando la siguiente tabla, donde se obtiene 6io en funci!n de la temperatura agua-, viscosidad petr!leos-, o calores específicos gases- y de la velocidad másica lb*sDft+-, donde 6io está en 8tu*6rDft+D9:. @tilizar los rangos de velocidad recomendados. Página 2#


Página 3$


Las ecuaciones aplicables son

#!nde  6io / coeficiente de película interior  8tu*6rDft+ D9:5e / 7
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DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR GAS-GAS U.A.J.M.S ".1.4. SUPERFICIE NECESARIA. La superficie de intercambio o- se obtiene de la siguiente f!rmula

Si tenemos diferentes condiciones de intercambio, como enfriamiento y condensado, secalcula el área de intercambio necesaria para cada condici!n siendo el total la suma de ambas. El n
#onde 7s / 7
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$ara otras configuraciones y diámetro de tubos 6ay que multiplicar por el siguiente factor

".1.16.PERDIDA DE PRESIÓN EN EL TUBO. El número de tubos de un intercambiador se ha calculado pensando en dos pasos en tubo, con este número se calcula la perdida de presión en el tubo. Si esta pérdida de presión lo permite se puede aumentar el número de pasos.

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Página 3


#e la tabla se obtienen dos factores P / Las pérdidas de presi!n por el flu"o a través de los tubos. 8 / Las pérdidas de presi!n por las contracciones y e'pansiones a la entrada y salida de los tubos

".1.11.PERDIDA DE PRESIÓN EN EL CASCO. El fluido que fluye a través del casco debe cruzar el casco guiado por los desviadores y pasar a través de la ventana o abertura que estos le de"en. Los desviadores deben separarse en una distancia entre (*) del diámetro del casco y 12 pulgadas. El valor característico es de (+ in. El valor en porcenta"e de paso ventana- va desde el (2 > al J) > , utilizándose valores de () > normalmente y del J2 > en condensadores.

Página 3!


Página 3"


".2. ESTIMACIÓN DE COSTES Y MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. ".2.1. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. El material de construcci!n más com
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Página 4$


. CONCLUSIONES @n intercambiador calor se lo diseña para fines específicos y de muc6a importancia en la industria petrolera en donde se encuentran muc6as situaciones físicas en las es necesario la transferencia de calor de un fluido caliente 6acia otro fluido frio con m
a6orro de energía combustible- lo que disminuye los costos de operaci!n? ! para llevar al fluido a una temperatura !ptima, bien sea para un procesamiento posterior o para alcanzar condiciones de seguridad necesarias en el caso de transporte y*o almacenamiento.

4. BIBLIOGRAFIA -) P$.C"" C.'P.44T D"#>4* $. 8ut6od \ all, ;apítulo K %Oeat E'c6angers #esign&. @niversidad de ulsa .Xla6oma +) C0'#CL P$.C"" F1#P'4TA "LCT#.4 4D D"#>4 Stanley I. Malas. Section K %Oeat ransfer and Oeat E'c6angers&. 8utter[ort6DOeinemann <) '41L DL #4>4#$. F1?'#C.* $erry \ ;6ilton. Página 41


Secci!n (2. %ransferencia de ;alor&. Secci!n ((. %Equipos de ransferencia de ;alor&. Ic Fra[ Oill

I.

RESUMEN......................................................................................................1

II. INTRODUCCI%N............................................................................................. 3 III.

OBJETI&O...................................................................................................4

3.1. OBJETI&O GENERAL................................................................................... 4 3.2. OBJETI&OS ESPECI'ICOS........................................................................... 4 I&.

JUSTI'ICACION...........................................................................................4

&. MARCO TEORICO............................................................................................. 5 5.1. DE'INICION............................................................................................... 5 5.2. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR................................................5 5.2.1. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOS..............5 5.2.2. INTERCAMBIADORES DE CALOR EN 'LUJO CRU(ADO.........................5 5.2.3. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORA(A ) TUBO *S+ELL-AND TUBE ,...........................................................................................................  5.2.4. INTERCAMBIADORES DE CALOR COMPACTOS..................................... ! 5.2.5. INTERCAMBIADORES DE TIPO PLACA.................................................." 5.2.. INTERCAMBIADORES DE CASCO ) TUBO...........................................1$ 5.2..1. INTERCAMBIADOR DE CABE(AL 'LOTANTE INTERNO *i/ AES,....11 Página 42

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR GAS-GAS U.A.J.M.S ).+.=.+. INTERCAMBIADOR DE LAMINA ) TUBO 'IJO *i/ BEM,..................... 11

5.2..3. INTERCAMBIADOR DE CABE(AL 'LOTANTE E0TERIOR *i/ AEP,...12 5.2..4. INTERCAMBIADOR DE CABE(AL ) TUBOS INTEGRADOS *i/ C'U, ................................................................................................................... 12 5.2..5. RE+ER&IDOR DE CALDERA *i/ AT,........................................... 12 5.2... CONDENSADOR DE 'LUJO DI&IDIDO *i/ AJ,.............................13 5.2. ASPECTOS GENERALES........................................................................... 13 ).+.(. CLASI'ICACION DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR....................14

5.3. &ENTAJAS ) DES&ENTAJAS DE SEGN EL TIPOS DE INTERCAMBIADOR...14 5.3.1. CAMBIADOR DE CALOR TIPO ESPEJOS-'IJOS.....................................15 5.3.2. CAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS EN U........................................15 5.3.3. CAMBIADORES DE CALOR DE CABE(AL 'LOTANTE...........................15 5.4. INOMENCLATURA E IDENTI'ICACI%N DE CAMBIADORES DE CALOR........15 5.5. ELEMENTOS CONSTITUTI&OS DE UN CAMBIADOR DE CALOR.................1 ;5C]C......................................................................................................1! OC] #E @8S.............................................................................................1! ES$E^S.......................................................................................................1! @8S #E 5C7S:E5E7;AC..........................................................................1! ;C8E]CL #E #AS5A8@;A_7.........................................................................1! ;C8E]CL :LC7E....................................................................................1"

5.. MATERIALES DE CONSTRUCCI%N............................................................ 1" ).=.( :5ICS #E S@IA7AS5......................................................................1"

5..2. ASPECTOS GENERALES DE LA CORROSI%N......................................1" 5..3. 'ORMAS DE CORROSI%N..................................................................1# 5.!. 'ACTORES 6UE INTER&IENEN PARA UNA ADECUADA SELECCI%N DE. .22 MATERIALES................................................................................................ 22 . DIMENSIONES DEL E6UIPO........................................................................ 24 .1. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES.........................................................24 .1.1. BALANCE DE ENERG7A......................................................................25 .1.2. ASIGNACI%N DE 'LUJOS.................................................................... 2 .1.3. DIAGRAMAS T8RMICOS.....................................................................2 .1.4. NMERO DE CELDAS EN SERIE.........................................................2 .1.5. DI'ERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA CORREGIDA..........................2! Página 43

Diseño de Intercambiador Gas-gas

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