Introducción.
Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor
entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren
en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de calefacción,
refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y
procesamiento químico.
Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el
que el fluido calo-portador, calentado por la acción del motor, se enfría
por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la
temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.
Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor
entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentran
en contacto. Son parte esencial de varios dispositivos.
Transmisión de calor por conducción
La conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a
escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin
desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el
nivel de energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin
que tenga lugar movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor
por conducción no hay movimiento de materia. La conducción es el método más
habitual de transmisión de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento
de materiales sólidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un
cuerpo, tendrá lugar una transmisión de calor desde la zona de alta
temperatura hacia la que está a temperatura más baja. El flujo de calor
será proporcional al gradiente de temperatura.
Transmisión de calor por convección
Cuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el
interior de una tubería, si existe una diferencia de temperatura entre
ambos, tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de
calor se debe al mecanismo de convección. El calentamiento y enfriamiento
de gases y líquidos son los ejemplos más habituales de transmisión de calor
por convección. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado
artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (también
llamada natural). La convección forzada implica el uso de algún medio
mecánico, como una bomba o un ventilador, para provocar el movimiento del
fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento
del fluido
Tipos de intercambiadores de calor según su construcción.
Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable
variedad de formas y tamaños, la construcción de los intercambiadores está
incluida en alguna de las dos siguientes categorías: carcaza y tubo o
plato. Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos presenta
ventajas o desventajas en su aplicación.
a) Carcaza y tubo
La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el
de tipo tubo y carcaza que se muestra en la siguiente figura.
Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un
contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le
denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del
contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los
tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la carcaza por
las placas del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para
proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan
una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se
hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una
presión más baja se circula del lado de la cáscara. Esto es debido a los
costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden
fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con
un costo mucho más bajo. Las placas de soporte (support plates) mostradas
en la figura anterior también actúan como bafles para dirigir el flujo del
líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a través de los
tubos.
b) Plato o placa
El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la siguiente
figura, consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos
caliente y frío Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno
de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas.
Ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, las
placas proveen un área extremadamente grande de transferencia de térmica a
cada uno de los líquidos .Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz
de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de carcaza y
tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan
una mayor área que la de los tubos. El intercambiador de calor de plato,
debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más
pequeño que el de carcaza y tubos para la misma capacidad de intercambio de
calor.
Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza
extensamente debido a la inhabilidad de sellar confiablemente las juntas
entre cada una de las placas. Debido a este problema, el tipo
intercambiador de la placa se ha utilizado solamente para aplicaciones
donde la presión es pequeña o no muy alta, por ejemplo en los
refrigeradores de aceite para máquinas. Actualmente se cuentan importantes
avances que han mejorado el diseño de las juntas y sellos, así como el
diseño total del intercambiador de placa, esto ha permitido algunos usos a
gran escala de este tipo de intercambiador de calor. Así, es más común que
cuando se renuevan viejas instalaciones o se construyen nuevas
instalaciones el intercambiador de la placa está substituyendo
paulatinamente a los intercambiadores de carcaza y tubo
Tipos de intercambiadores de calor según su operación.
Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas,
tamaños, materiales de manufactura y modelos, estos son categorizados de
acuerdo con características comunes. Una de las características comunes que
se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos
de fluido. Las tres categorías son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo
cruzado.
1) Flujo paralelo.
Como se ilustra en la figura, existe un flujo paralelo cuando el flujo
interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en
la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador
por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura
significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura
hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se
aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el
otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.
Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la
temperatura del fluido más caliente.
2) Contraflujo.
Como se ilustra en la figura de abajo, se presenta un contraflujo cuando
los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada
uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que
el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de
calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la
temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido
de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los
otros dos tipos mencionados anteriormente. En contraste con el
intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo
puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja
temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de
calor en el intercambiador.
3) Flujo cruzado.
En la figura se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado
uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es,
uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa
alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90 Los intercambiadores de
flujo cruzado son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio
de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos
fases bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los
sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una
turbina entra como flujo externo a la carcaza del condensador y el agua
fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa
y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de
agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.
En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son
puramente de flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son
comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde
luego, un intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de
intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La
razón de incluir la combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar
la eficacia del intercambiador dentro de las restricciones propias del
diseño, que son: tamaño, costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos,
temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la
complejidad del intercambiador
Norma intercambiador de calor.
La norma más ampliamente utilizada en los intercambiadores de calor es la
norma TEMA.
The Tubular Exchanger Manufacturers Association, Inc. (TEMA) es la
asociación comercial de los principales fabricantes de intercambiador de
calor de carcasa y tubos, que han sido pioneros de la investigación y el
desarrollo de los intercambiadores de calor durante más de sesenta años.
Las Normas y software de TEMA han logrado aceptación en todo el mundo como
la autoridad en el diseño mecánico de carcasa y tubos del intercambiador de
calor.
TEMA es una organización progresista con un ojo hacia el futuro. Miembros
son conscientes de mercado y participar activamente, reunido varias veces
al año para discutir las tendencias actuales en el diseño y la
fabricación. La organización interna incluye varias subdivisiones
comprometidos con la solución de problemas técnicos y mejorar el
rendimiento del equipo. Este esfuerzo de cooperación técnica crea una
extensa red para la resolución de problemas, la adición de valor, desde el
diseño hasta la fabricación.
Si tiene un intercambiador de calor diseñado, fabricado o reparado, puede
contar con miembros de TEMA para proporcionar las soluciones de diseño y
fabricación más actuales y eficientes. TEMA es una forma de pensar -
miembros no sólo están investigando la tecnología más avanzada, lo están
creando.
Durante más de medio siglo nuestro principal objetivo ha sido el de
encontrar continuamente enfoques innovadores para calentar aplicaciones de
intercambiadores. Como resultado, los miembros de TEMA tienen una capacidad
única de entender y anticipar las necesidades técnicas y prácticas del
mercado actual.
Esta norma clasifica a los intercambiadores de calor de tubo y coraza en
tres clases, de acuerdo al proceso y a las condiciones de operación. Las
cuales se mencionan a continuación:
Clase R: incluye a los intercambiadores de calor que se utilizan en la
industria del petróleo y procesos similares.
Clases C: Abarca a los intercambiadores de calor en procesos tales como
comerciales y generales
Clase B: Incluye a los intercambiadores de calor que se utilizan en
procesos químicos
Las tres clases de intercambiadores de calor de tubo y coraza presentan las
siguientes limitaciones, el diámetro interior de la coraza no debe exceder
de 1524 mm y la presión de diseño no debe ser mayor a 207 bars. Estos
puntos tienen la finalidad de limitar el espesor de la coraza a 50.8 mm
(2in) y el diámetro de los pernos a 76.2 mm (3 in)
La siguiente figura muestra las diferentes configuraciones de un
intercambiador de calor del tubo el corazón, las cuales se dividen en tres
columnas; la primera columna define el cabezal de entrada con las letras
A,B,C,N, y D; la segunda columna muestra la coraza con las letras
E,F,G,H,J,K y X; la tercera columna ilustra el cabezal de salida con las
letras L,M,N,P,S,T,U y W.
Por ejemplo, la configuración BEM nos indica que el cabezal de entrada es
de tipo bonete con espejo fijo, con la coraza de un solo paso y un cabezal
salido del tipo bonete.
La norma TEMA recomienda las tolerancias externas permitidas para la
fabricación de los componentes de calor, tales como: espejos, bridas,
tapas, soportes, etc. Al igual que describe brevemente las pruebas de fuga
que se tienen que realizar a los intercambiadores de calor, después de su
fabricación e instalación, para asegurarse de que no presente ninguna fuga
en las uniones de los componentes, tales pruebas son hidrostáticas y
neumáticas.
También recomienda diferentes materiales que se pueden utilizar para la
fabricación de tubos, espejos, bridas, coraza, cabezales (canal y tapa),
mamparas, soporte, empaques tornillos, y tuercas. Los materiales
recomendados son; aceros al carbón, aleaciones de acero, cobre aluminio,
níquel, titanio y zirconio.
En la clase C se recomiendan diámetros y espesores para los tubos
construidos de cobre, acero al carbono, aluminio y aleaciones de aluminio.
Describen los diferentes arreglos de los tubos que se utilizan en los
intercambiadores de calor. Proporcionando el paso del tubo de centro a
centro que es de q.25 a 1.5 veces el diámetro exterior del tubo.
La tolerancia para el diámetro interno de la coraza no debe ser mayor al
obtenido por el diseño en 1.175mm (1/8 in). También recomienda el espesor
mínimo de la coraza para ceros al carbono y aleaciones. El espesor de las
tapas del cabezal debe ser del mismo espesor al de la coraza. Es claro que
hay entre la corona y mamparas se tiene con el diámetro de la coraza.
En esta norma se describen los diferentes tipos de mamparas empleadas tales
como: mamparas segmentadas horizontales, verticales y frotadas; mamparas
segmentadas simples, dobles y triples. Se especifica que el corte de la
mampara es un porcentaje del diámetro interno de la coraza, sin embargo, no
se proporciona un porcentaje para este. También recomienda el claro entre
mamparas-tubos y este es de 0.39 a 0.79 mm, del cual depende del
espaciamiento entre mamparas centrales y del diámetro exterior de los
tubos. El espesor de las mamparas segmentadas se determina con el diámetro
de la coraza y con el espaciamiento entre mamparas centrales. El
espaciamiento mínimo entre mamparas centrales es de 1/5 veces el diámetro
interno de la coraza o 50.8 mm (2 in), el valor que sea mayor.
El material de las barras de soporte y espacial horas de decepción material
similar al de las mamparas. El diámetro y la cantidad de estas barras a
utilizar en el ensamble de las mamparas dependen del diámetro de la coraza.
Los empaques de asbesto se deben utilizar en uniones externas compresiones
de diseño de 2.07 MPa. (300 psi) o menores, siempre y cuando la temperatura
y la corrosión del fluido no sean tan severas. Los empaques de camisa
metálica o metálica se deben utilizar en uniones internas en los cabezales
flotantes. El ancho mínimo para los empaques es de 9.525 mm en uniones
externas con corazas de diámetros de 584.2 mm y de 12.7 mm, para corazas de
diámetros mayores.
Para el espejo fijo se tienen ecuación para calcular el espesor del espejo
que depende del esfuerzo de tensión permisible del material del espejo y de
la presión de diseño del acorazado tubos. También proporciona ecuaciones
para determinar los esfuerzos que pueden soportar la unión espejo-tubos.
Para obtener la tolerancia de los barrenos en los espejos sólo se necesita
conocer el diámetro exterior de los tubos.
Se recomienda que las boquillas que son unidas a la coraza no deben
sobresalir en el interior de la coraza en tanto, las boquillas que son
unidas al canal deben sobresalir en el interior del canal para proporcionar
venteo. También se recomienda que las boquillas se utilicen para las
conexiones de medición de presión y temperatura.
El diámetro mínimo para los tornillos es de 12.7 mm y diámetros menores se
debe tener cuidado para evitar sobre esfuerzos en los tornillos.Para
determinar las dimensiones y distancias de separación entre los tornillos
se debe consultar la tabla D-5.
El código ASME (American Society of Mechanical Engineers) especifica los
materiales y normas para la construcción de recipientes a presión, en
donde, el intercambiador de calor detuvo el coraza es considerado como un
recipiente de baja presión interna. El código ASME sección VIII división I,
se observan las siguientes recomendaciones para la fabricación de algunos
componentes del intercambiador de calor detuvo el coraza.
Para el espesor de los espejos, coraza, cabezal, bridas, etc. se debe
considerar el espesor del recubrimiento. Los materiales para los
recubrimientos son láminas de acero cromo, SA-263, acero-níquel-cromo,
SA264, acero baleado con níquel, SA-265, aceros inolvidables otros
materiales resistentes a la corrosión de los fluidos de operación del
equipo. Estos recubrimientos se deben aplicar al material base por medio de
soldadura de arco, y el material del metal de aporte debe ser de la misma
composición del material de recubrimiento.
También específica diferentes espesores, factores de empaques y esfuerzos
permitidos de los diferentes materiales de los empaques tales como,
asbestos, fibras de asbesto o vegetales, cobre, cromo, níquel, etc. los
cuales dependen del fluido de los tubos y de la coraza al igual que la
temperatura y de la presión de operación del equipo.
También, especifica el diseño de algunos componentes del intercambiador de
aceros al carbono y aceros de baja aleación, proporcionando ecuaciones para
determinar el espesor o presión interna de la coraza cilíndrica, cabezales,
boquillas y espejos dependiendo de las condiciones iniciales que se tenga.
Para determinar el espesor de las boquillas y coraza cilíndricas,
fabricadas de tubos, se emplean las mismas ecuaciones y la resistencia a la
corrosión permitida.
En la sección II parte D, se proporciona los valores de las principales
propiedades de metales ferrosos y no ferrosos para los diferentes
componentes de un intercambiador de calor, tales propiedades son: esfuerzos
permitidos, coeficientes de expansión térmica, coeficiente de conductividad
térmica. Todas estas propiedades se encuentran a diferentes rangos de
temperatura de operación de los fluidos de trabajo.
La norma American National Standard Institute "ANSI" B!6.21, recomienda las
dimensiones para los diferentes tipos de empaques planos no metálicos
utilizados para las diferentes clases de bridas atornilladas. Tales
dimensiones en el diámetro interior y exterior del empate, número y
diámetro de los barrenos.
Conclusiones.
El diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienen
numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor en diversas
áreas de una empresa.
El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más
complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la
selección del diseño final juegan un papel muy importante los costos, el
peso, el tamaño y las condiciones económicas, aunque en la parte del diseño
es una gran ayuda el contar con normas las cuales se podría decir que nos
marcan límites para así poder lograr un diseño más eficiente.
Referencias.
http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/node4.html
http://es.slideshare.net/mahulig/tema-4-intercambiadores-de-calor-
mejorado
http://eprints.uanl.mx/4681/1/1020145448.PDF