Unidad Iztapalapa División de Ciencias Básicas e Ingeniería Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica Licenciatura en Ingeniería en Energía
Diseño Termohidráulico de Intercambiadores de calor
Norma Tema
Integrantes: ● Arel Arella lano no Sán Sánch chez ez Seb Sebas astitián án ● Encina Encinass García García Fancy Fancy Stepha Stephania nia ● Lemu Lemuss Palm Palma a Rodr Rodrig igo o Alfr Alfred edo o ● Reye Reyess Baut Bautis ista ta Dul Dulce ce Nay Nayel elyy
Profesor: Alejandro Torres Aldaco. CDMX, 24/09/2018
Norma TEMA Introducción Un intercambiador de calor es un equipo que se utiliza para transferir calor desde un fluido caliente a uno frío. Estos dispositivos tienen un gran número de aplicaciones, desde las domésticas hasta las industriales. La norma utilizada para el diseño y fabricación de un intercambiador de calor de tubo y coraza es la Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association “TEMA”. La norma TEMA clasifica los intercambiadores de calor en tres clases; B, C y R. Además recomienda las tolerancias permitidas para los componentes del intercambiador de calor: soportes, boquillas, tapas,etc.
Contenido Parte N: Nomenclatura Parte F: Tolerancias de fabricación Parte G: Fabricación en general e información de funcionamiento Parte E: Instalación operación y mantenimiento Parte RCB: Normas mecánicas del TEMA para Intercambiadores de calor RCB Parte V: Vibración inducida por flujo Parte T: Relaciones térmicas Parte P: Propiedades físicas de fluidos Parte D: Información general Parte RGP: Recomendaciones Prácticas
Parte N Sección 1. Nomenclatura Nomenclatura del intercambiador de calor El tipo y tamaño del intercambiador de calor se designará de la siguiente forma: Con letras se describe el tipo de cabezal estacionario, tipo de casco y el tipo del cabezal del extremo posterior; posteriormente se indica el diámetro nominal (interior) de la coraza en pulgadas redondeando al entero más cercano (mm), después se indica la longitud nominal del tubo en pulgadas (mm), se agrega el tipo de intercambiador con tres letras según la descripción inicial. TEMA clasifica los intercambiadores de calor con tres letras: Primera letra. Tipo de cabezal estacionario A.Canal y cubierta desmontable B.Casquete C y D.Canal integrado con espejo y cubierta desmontable Segunda letra. Tipo de casco E. Casco de un paso F. Casco de dos pasos G, H y J. Reducir pérdidas de presión en el casco K. Rehervidor de caldera X. Flujo cruzado Tercera letra. Tipo de cabezal del extremo posterior L, M, N. De espejo P. Cabezal flotante con empaque exterior S. Cabezal flotante con dispositivo de apoyo T. Cabezal flotante sin contrabrida U. Haz de tubo U W. Espejo flotante sellado externamente
Nomenclatura de los componentes del intercambiador de calor Terminología estándar de partes y conexiones de los intercambiadores de calor. 1.
Cabezal estacionario, Canal
2.
Cabezal estacionario. Casquete.
3.
Brida de cabezal estacionario: canal o casquete
4.
Cubierta de canal
5.
Boquilla de cabezal estacionario
6.
Lámina estacionaria de tubo
7.
Tubos
8.
Coraza
9.
Cubierta de coraza
10. Brida del casco, cabezal estacionario
11. Brida del casco: cabezal trasero
12. Tobera del casco
13. Brida de la cubierta del casco
14. Junta de expansión
15. Lámina del cierre tubular de flotador
16. Cubierta del cabezal flotador
17. Brida del cabezal flotador
18. Dispositivo de apoyo del cabezal flotador
19. Anillo de corte dividido
20. Brida de respaldo deslizable
21. Cubierta del cabezal flotador exterior
22. Faldón de lámina de cierre tubular del flotador
23. Brida de embalaje
24. Empaque
25. Glándula de embalaje
26. Anillo de cierre hidráulico
27. Bielas y espaciadores
28. Deflectores transversales o placas de soporte
29. Placa de impacto
30. Deflector longitudinal
31. Separación de paso
32. Conexión de ventilación
33. Conexión de drenaje
34. Conexión de instrumento
35. Albardilla de soporte
36. Talón elevador
37. Ménsula de soporte
38. Vertedero
39. Conexión de nivel de líquido
40. Soporte de cabeza
Parte F Sección 2. Tolerancias de fabricación del intercambiador de calor Establece las tolerancias admisibles en la construcción de los intercambiadores de calor. 1. Tolerancia externa para boquillas y ubicación de soportes.
2. Tolerancias de fabricación recomendadas.
3. Tolerancias para placas de tubos, particiones, cubiertas y bridas.
Parte G Sección 3. Información general de fabricación y rendimiento Inspección. El fabricante proporcionará las inspecciones requeridas por el código ASME, las especificaciones del cliente y los códigos estatales y locales, además, el cliente puede realizar inspecciones durante la fabricación del equipo y estar presente en las pruebas de éste. Placas de identificación. Se debe colocar una placa permanente de acero inoxidable con todos los datos requeridos por el código ASME, además, deberá indicar las condiciones restrictivas de operación y/o diseño. Garantías. El comprador debe proporcionar al fabricante la información necesaria para comprender los requisitos de rendimiento, el fabricante debe garantizar el rendimiento térmico y el diseño mecánico de un intercambiador de calor, cuando se opera en las condiciones de diseño, esta garantía se extenderá por doce meses. El fabricante debe reemplazar o reparar las piezas defectuosas dentro del periodo de garantía,el fabricante no se hará responsable del deterioro de ninguna parte o partes del
equipo debido a la corrosión, erosión, vibración del tubo inducida por flujo o por cualquier otra causa.
Características generales de construcción de los intercambiadores de calor. Unidades horizontales: Los soportes deben estar diseñados para acomodar el peso de la unidad y el contenido. Las unidades horizontales se proporcionan normalmente con al menos dos soportes tipo silla, con orificios para los pernos de anclaje.
Unidades verticales :Los soportes pueden ser del tipo de orejeta, anillo anular, pierna o faldón. Dispositivos: Canales, sombreros y cubiertas que pesan más de 60 lbs. (27.2 Kg) deben ser provistos de orejetas de levantamiento, anillos o agujeros roscados para cáncamos.
Sección 4: Instalación, operación y mantenimiento. Algunos ejemplos de fallos ocasionados por una mala instalación, operación o mantenimiento se enlistan de la siguiente manera en la norma TEMA FALLAS DE RENDIMIENTO E-1.1 La falla del intercambiador de calor para funcionar satisfactoriamente puede ser causada por uno o más factores, tales como: (1) Excesivo ensuciamiento. (2) Atascamiento de aire o gas como resultado de una instalación incorrecta de la tubería o la falta de conductos de ventilación adecuados. (3) Condiciones de operación que difieren de las condiciones de diseño. (4) Mala distribución del flujo en la unidad. (5) Espacios excesivos entre los deflectores y la carcasa y / o los tubos, debido a la corrosión. (6) Diseño térmico inapropiado. La mejor garantía del usuario de un rendimiento satisfactorio reside en la dependencia de los fabricantes competente en el diseño y fabricación de equipos de transferencia de calor. La sección cuatro nos habla acerca del correcto manejo de los equipos antes y después de su instalación así como de los mecanismos necesarios y la metodología para operarlos de manera correcta. En la parte de instalación se menciona la metodología a seguir y las medidas de seguridad que se deben tener en cuenta al llevar a cabo dicha tarea, tales como son la nivelación, la extracción de suciedad, los protectores de conexión etc.(E-2.14, E-2.22, E-2.21) En el caso de la parte operativa, toma como punto de partida las condiciones de diseño y operación (E-3.1). Además de incluir los procedimientos operativos, la operación de puesta en marcha y la operación de apagado, entre otros igual de importantes.(E-3.2, E-3.21, E-3.22)
Por último se habla acerca de l mantenimiento del equipo, recordemos que aunque hayamos instalado bien cualquier aparato, el mantenimiento es de vital importancia para poder garantizar su correcto funcionamiento y sobre todo su tiempo de vida util. La TEMA nos da las herramientas necesarias para garantizar estos aspectos, en la parte de mantenimiento contiene apartados como; inspección de la unidad, indicaciones de Foulin, localización de fugas de tubo, etc. (E-4.1,E-4.11,E-4.13)
Sección 5: Normas mecánicas TEMA clase RCB Las normas TEMA rigen a los intercambiadores de calor del tipo “Haz-envolvente” estos a su vez están clasificados en tres clases. Clase R: Las normas mecánicas de TEMA para los cambiadores de calor clase “R” especifican el diseño, fabricación y materiales de los cuerpos y tubos de los intercambiadores de calor no expuestos a fuego directo, para los requerimientos, generalmente severos del petróleo y las aplicaciones relacionados con su proceso. Clase C: Las normas mecánicas de TEMA para los cambiadores de calor clase “C” especifican el diseño, fabricación y materiales de los cuerpos y tubos de los intercambiadores de calor no expuestos a fuego directo, para los requerimientos, generalmente moderados de aplicaciones de procesos comerciales. Clase B: Las normas mecánicas de TEMA para los cambiadores de calor clase “B” especifican el diseño, fabricación y materiales de los cuerpos y tubos de los intercambiadores de calor no expuestos a fuego directo, para servicios de procesos químicos. Los principales arreglos para tubos son mostrados en la norma TEMA en la siguiente sección, es importante saber cómo instalar una unidad, y posteriormente saber cómo está instalada, esto facilitará las labores de mantenimiento. R.2.4 ARREGLO PARA TUBOS Los arreglos estándares para tubos son los mostrados en la figura R-2.4
Dentro de las especificaciones también se incluyen las principales diámetros usado en las tuberías. RCB-2.2 DIÁMETROS Y TÍTULOS DE TUBO RCB-2.21 TUBOS DESNUDOS
La Tabla RCB-2.21 enumera los diámetros y los calibradores de tubo comunes para tubos desnudos de cobre y acero. y aleación Otros diámetros y calibres son aceptables.
Notas 1. El espesor de la pared debe especificarse como mínimo o promedio. 2. Las características de los tubos se muestran en los cuadros 0-7 y D-7M.
Así como se muestran los tipos de tuberías que se pueden utilizar, también tenemos que conocer sus capacidades máximas de operación para evitar fallos en el funcionamiento de los sistemas. RCB-4.52 ESPACIAMIENTO MÁXIMO Las placas de soporte del tubo deben estar espaciadas de modo que la longitud del tubo no soportada no exceda el valor indicado en la Tabla RCB-4.52 para el material del tubo utilizado. TABLA RCB-4.52 VALORES MÁXIMOS SOPORTABLES DE TUBOS RECTOS
Sección 6: Vibración inducida por flujo. V-1.1 ALCANCE El flujo de fluido, relacionado con la geometría del intercambiador de calor, puede hacer que los tubos del intercambiador de calor vibren. Este fenómeno es muy complejo y el estado actual de la técnica es tal que la solución a este el problema es difícil de definir. Esta sección define los datos básicos que deben considerarse cuando evaluando los problemas de vibración inducidos por el flujo potencial asociados con los intercambiadores de calor. Cuando se solicitan problemas de vibración inducidos por flujo potencial para ser evaluados, las relaciones presentadas en esta sección y / u otros métodos pueden ser utilizados. V-1.2 GENERALIDADES La vibración del tubo dañino puede ocurrir bajo ciertas condiciones de flujo lateral de la carcasa en relación con la configuración del deflector y span de tubo no soportado. La longitud máxima de tubos sin soporte en la tabla RCB-4.52 no considera problemas potenciales de vibración inducida por el flujo. En esos casos, donde el análisis indica la probabilidad de vibración destructiva, el usuario debe consultar el párrafo V-13.
Sección 7: Relaciones térmicas Esta sección describe las relaciones térmicas básicas comunes a la mayoría de los equipos de transferencia de calor tubular. Se incluyen los procedimientos de cálculo para determinar la diferencia de temperatura media y el coeficiente global de transferencia de calor, así mismo, se discute sobre la causa y el efecto del ensuciamiento, y los procedimientos para determinar las temperaturas medias de metal de la carcasa y los tubos. Las
recomendaciones para el cálculo de los coeficientes de la película de transferencia de calor del lado de la carcasa y del lado del tubo y las pérdidas de presión se consideran fuera del alcance de estas Normas. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que muchos de los detalles y distancias estándar pueden afectar significativamente el rendimiento termohidráulico, especialmente en el lado de la carcasa.
Sección 8: Propiedades físicas de los fluidos Esta sección nos habla sobre las propiedades físicas de los fluidos con los que los intercambiadores de calor operan: gases líquidos y vapores. ● P-1 Densidad de los fluidos P-1.1 Gravedad específica de las fracciones de petróleo líquidas P-1.2 Densidad de los gases orgánicos. P-1.3 Factores de compresibilidad para gases y vapores ● P-2 Calor específico P-2.1 Fracciones de petróleo líquido P-2.2Vapores de petróleo P-2.3 Gases de hidrocarburos puros P-2.4 Variedad de líquidos y gases P-2.5 Gases y vapores a altas temperaturas ● P-3 Contenido calorífico ● P4 Conductividad térmica P-4.1Conversión de unidades P-4.2 Líquido de hidrocarburos P-4.3 Variedad de líquidos y gases P-4.4 Gases y líquidos a elevadas presiones ● P-5 Viscosidad P-5.1 Conversiones de viscosidad P-5.2 Aceites de petróleo P-5.3 Fracciones líquidas de petróleo P-5.4 Variedad de líquidos y gases P-5.5 Efecto de la presión en la viscosidad del gas ● Propiedades críticas P-6.1 Sustancias puras. P-6.2 Mezcla de gases y vapores ● Propiedades de los gases y de los vapores P-7.1 Calor específico P-7.2 Calor específico P-7.3 Viscosidad
Sección 9: Información general La sección 9 nos habla sobre información general. Nos muestra tablas sobre las características y especificaciones de los materiales, dimensiones, factores de forma, entre otros.
Sección 10: Consideraciones. Se deben hacer consideraciones tanto físicas como económicas. Consideraciones físicas: Propiedades de los fluidos y propensión habitual a la contaminación La consideración más importante es el fluido y las condiciones cuando se produce abordaje. En ocasiones, una modificación del proceso puede dar como resultado condiciones que son menos propensas a causar incrustaciones. B) Temperaturas a granel y superficiales. Para muchos tipos de incrustaciones, a medida que aumentan las temperaturas, la cantidad de incrustaciones aumentan las temperaturas más bajas producen una acumulación de incrustaciones más lenta y depósitos que a menudo son más fáciles de eliminar C) Velocidades locales: Normalmente, mantener las velocidades altas reduce la tendencia a cometer falta. Velocidades en el lado del tubo está limitado por la erosión, y en el lado de la carcasa por la vibración inducida por el flujo. Las regiones estancadas y de recirculación en el lado de la carcasa provocan fuertes incrustaciones. D) Material del tubo, configuración y acabado superficial: La selección del material del tubo es importante cuando se trata de corrosión. Puede haber diferencias entre tubos con aletas y lisos. Se ha demostrado que el acabado superficial influye la tasa de incrustaciones y la facilidad de limpieza. E) Geometría del intercambiador de calor y orientación: La geometría de un intercambiador de calor en particular puede influir en la uniformidad de los flujos en el lado del tubo y el lado de la carcasa. La facilidad de limpieza puede verse muy influenciada por la orientación del intercambiador de calor F) Proceso de transferencia de calor: Las resistencias de incrustación para el mismo fluido pueden ser considerablemente diferentes dependiendo de si el calor se transfiere mediante calentamiento o enfriamiento sensible, ebullición o condensando Consideraciones económicas: La prevención, el mantenimiento y la limpieza de las incrustaciones planificadas permiten menores deducciones para incrustaciones, pero implican un compromiso con los costos continuos. La cantidad y frecuencia de la limpieza varía considerablemente con el usuario y la operación. Los parámetros más importantes implicados en la decisión sobre la cantidad de subsidio de contaminación lo que debería proporcionarse son los factores operativos y económicos que cambian con el tiempo. Las empresas preocupadas por las incrustaciones controlan continuamente el rendimiento de sus intercambiadores de calor para establecer la experiencia de incrustación y desarrollar sus propias pautas para determinar la resistencia a la incrustación adecuada para especificar al comprar nuevo equipo.
Apéndice A: HOJA DE TUBO Fórmula para
Debe calcularse para el lado de la carcasa o el tubo presión lateral, cualquiera que sea el control. Fórmula para cortar
Debe calcularse para el lado de la carcasa o presión lateral del tubo, cualquiera que sea el control. Fórmula para la extensión de la brida
Es aplicable solo cuando se transmiten cargas de los medios, en el círculo de los medios, la porción extendida de una placa de La porción periférica extendida para formar una brida para atornillar a las cabezas o conchas con juntas tipo anillo puede diferir en espesor de las porción dentro de la caparazón. Fórmula presión de expansión diferencial equivalente
Fórmulas de presión pivotante equivalente. Cuando las placas de tubos fijas se extienden para atornillarlas a las cabezas con empaquetaduras de tipo anillo, la extensión y la parte de las placas de tubos dentro del armazón pueden diferir en grosor. El efecto del momento que actúa sobre la extensión de la placa de tubos se tendrá en cuenta en los párrafos siguientes en términos de presiones de atornillado laterales del lado del tubo y de la carcasa equivalentes que se definen como:
Referencias: Byrne, R. (2007). Standards of the tubular exchanger manufacturers association. 9th ed. New York: TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION, INC
