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7/13/2019 INTERCAMBIADORES DE CALOR - CURSO.pdf

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Curso: Diseo mecnico estructural de

cambiadores de calor

Noviembre 2009Noviembre 2009


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Figura tomada de www.souheat.com

1. Generalidades de diseo mecnico estructural.

Definicin:

Cambiador de calor: Es todo aquel dispositivo cuya funcin principal esrealizar una transferencia de calor desde un fluido a otro a travs de

paredes metlicas y sin que ocurra un contacto directo entre ellos.


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Partes constitutivas:

Envolvente (Shell): Cubierta metlica de seccin circular que en su interior

aloja el haz de tubos permitiendo la circulacin de un fluido que baa a

los tubos de transferencia por el exterior para efectuar la transmisin del

calor.

La envolvente puede tener los extremos bridados para ensamblarse con

los cabezales o con una tapa; o bien los extremos integrados a losespejos mediante soldadura.

Envolvente


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Cabezal estacionario frontal (Front end stationary head): Es el conjunto

de canal y tapa. Cuando el canal esta integrado con soldadura a una tapa

formada se le llama cabezal tipo bonete.

Cabezal estacionario frontal Cabezal tipo bonete


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Canal (Channel): Cmara, metlica, de seccin circular, que va en los

extremos del cambiador de calor con o sin placas de particin, cerrada

con tapa conformada (cabezal tipo bonete) o con tapa plana y sirve para

dirigir el fluido por dentro de los tubos.

El canal puede tener ambos extremos bridados para ensamblarse con la

envolvente y con una tapa plana; o bien tener un extremo bridado y el otro

unido de forma integral con una tapa formada o al espejo mediante

soldadura.

El canal, dependiendo de su localizacin y el nmero de pasos puede o

no tener boquillas que se conectan a las tuberas de proceso.

Placas de particin Boquillas

Extremos bridados


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Cabezal posterior (Rear end head): Es similar al cabezal estacionario

frontal cuando el cambiador de calor es del tipo espejos fijos. Para

cambiadores de calor del tipo haz removible se utiliza un cabezal del tipo

flotante y cuando los tubos de transferencia son en forma de U la funcindel cabezal posterior la realizan los mismos tubos.

Cuando el nmero de pasos lado tubos es par el cabezal posterior es

llamado de retorno y cuando el nmero de pasos es non es llamado de

salida.

Cabezal posterior Tubos en U


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Cabezal flotante (Floating head): Ensamble de tapa y espejo posterior de

un haz de tubos rectos removible.

Tapa de cabezal flotante (Floating head cover): Tapa tipo cachucha,abombada, para atornillarse al espejo flotante, directamente o por medio

de un anillo bipartido.

Cabezal flotante

Tapa de Cabezal

flotante

Anillo bipartido

Espejo flotante


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Haz de tubos (Tube bundle): Conjunto de tubos metlicos unidos en uno o

ambos extremos a espejos, agrupados en un arreglo definido y

soportados por las mamparas.

EspejoTubos

Mamparas


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Tubos de transferencia (Tubes or Tubing): Constituyen las paredes

metlicas donde se efecta la transmisin del calor, estn disponibles en

varios dimetros, que van desde a 2 y espesores de pared desde

0.016 hasta 0.180.


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Espejo (Tubesheet): Placa circular metlica, con barrenos distribuidos

geomtricamente en un arreglo definido, para alojar los tubos de

transferencia.


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Mamparas (Transverse Baffles): Placas metlicas perforadas en un arreglo

uniforme igual al de los espejos, que soportan los tubos de transferencia y

dirigen el fluido que circula por el lado envolvente.


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Mampara Longitudinal (Longitudinal Bafles): Los cambiadores que tienen

dos pasos por el lado envolvente requieren de una mampara a todo lo

largo del haz, formando prcticamente dos compartimentos en la

envolvente.

Entre la mampara y la envolvente debe mantenerse un sello que puede

ser mediante soldadura, cuando el haz es no removible y con laminillas

o empaquetaduras para haces removibles.

Mampara longitudinal


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Varillas tensoras y tubos separadores (Tie rods and Spacers): Son los

elementos que sirven para mantener las mamparas en una posicin fija

sin que ocurra ningn desplazamiento con respecto a los tubos.

Las varillas estn roscadas en ambos extremos uno va unido al espejo

estacionario frontal y el otro esta sujeto a la ltima mampara o a la placa

soporte mediante tuercas. Entre los espacios que hay entre dos

mamparas adyacentes o entre la primera mampara y el espejo

estacionario frontal se colocan tramos de tubos (separadores) por cuyocentro pasan las varillas.

Varilla tensora

Tubo separador


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Placa soporte (Support Plate): Placa metlica que se coloca en entre la

ltima mampara y el espejo flotante donde se sujetan las varillas

tensoras.

Espejo flotante

Placa soporte

Varillas tensoras


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Placa de choque (Impingement plate): Placa metlica, de seccin circular o

cuadrada, colocada sobre los tubos separadores del haz de tubos a la

altura de la boquilla de entrada.

La funcin de la placa de choque es proteger a los tubos de transferencia

contra la erosin que puede ocurrir por la incidencia del fluido del lado

envolvente.

Placa de choque


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Domos y cinturones de distribucin (Domes o Belt distribution): Cuando

no es conveniente o imposible la colocacin de placas de choque, se

utilizan los domos y cinturones de distribucin, en ambos casos una parte

de la envolvente hace la funcin de placa de choque o distribuidor deflujo.

Cinturn de distribucin


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Junta de expansin (Expansion joint): Los esfuerzos debidos a la

expansin trmica en cambiadores de calor de espejos fijos, deben

analizarse para determinar el uso de junta de expansin en la envolvente.

Este elemento es el que absorbe las expansiones de la envolvente

disminuyendo los esfuerzos originados por la expansin diferencial entre

la envolvente y el haz de tubos.

Junta de expansin

De fuelle De placa (flanged o flanged and flued)


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Fajas de sello (seal plate): Al disear el haz de tubos se deben evitar

espacios excesivos entre los tubos de la periferia y la envolvente, ya que

en estos espacios se producen corrientes que son desfavorables para la

transmisin de calor.

Con la finalidad de eliminarlos dichos espacios, se colocan unas soleras

que interrumpen el paso del fluido obligndolo a pasar a travs del haz,

esto es lo que se conoce como fajas de sello.

Faja de sello


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2. Clasificacin de cambiadores de calor por tipo y servicio.

Los cambiadores de calor pueden clasificarse principalmente bajo dos

consideraciones: por servicio y por tipo de construccin.

Por su servicio los cambiadores pueden ser:

Evaporadores.

Rehervidores.

Precalentadores.

Calentadores.

Condensadores.

Enfriadores.

Postenfriadores.

Etc.


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Por su tipo de construccin los cambiadores pueden ser:

Cambiadores de calor envolvente haz de tubos.

Cambiadores de calor doble tubo. Cambiadores de calor multitubos.

Cambiadores de calor enfriados por aire.

Cambiadores de calor de placas.

Cambiadores de calor compablock.

Cambiadores de calor en espiral.

Etc.


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Los cambiadores de calor envolvente haz de tubos pueden clasificarse en

los siguientes tipos:

Cambiadores de calor tipo espejos fijos.

Cambiadores de calor tipo tubos en U. Cambiadores de calor tipo cabezal flotante.

Las ventajas y desventajas de cada uno de estos tipos de cambiadores son:

Cambiadores de calor t ipo espejos fijos: Son de construccin econmica ytienen un mnimo de juntas empacadas, reduciendo las posibilidades de

fuga, por lo que resultan recomendables para el manejo de fluidos

limpios, letales peligrosos.

la envolvente y el exterior de los tubos no pueden limpiarse por mediosmecnicos ni inspeccionarse fsicamente por lo que no se recomiendan

para fluidos sucios o incrustantes; adems tienen problemas

estructurales originados por la expansin diferencial entre la envolvente y

el haz de tubos, para gradientes de temperatura considerables.


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Cambiadores de calor tipo tubos en U: Son de relativa construccin

econmica, tienen amplio uso en la industria petrolera para manejar

fluidos de alta presin y alta temperatura por el interior de los tubos,

absorbe libremente las expansiones trmicas.

Sus desventajas son: la dificultad de limpiar mecnicamente el interior de

los tubos, la limitacin que se tiene para el arreglo de tubos y la dificultad

para el reemplazo de tubos daados.

Cambiadores de calor tipo cabezal flotante: Presentan amplias facilidades

de inspeccin, mantenimiento y reparacin; no presentan problemas de

expansin diferencial entre tubos y envolvente por efectos trmicos

debido al libre desplazamiento del cabezal flotante.

Sus desventajas son: mayor costo de fabricacin y un nmero

considerable de juntas empacadas que lo hacen poco recomendables

para el manejo de fluidos txicos peligrosos.


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Tamao de cambiadores de acuerdo a las Normas TEMA

Las Normas TEMA designan mediante dos nmeros el tamao de los

cambiadores de calor. El primero representa el dimetro nominal y el

segundo la longitud nominal.

El dimetro nominal es el dimetro interior de la envolvente en pulgadas

(mm) redondeado al entero ms prximo. Para envolventes tipo kettle el

dimetro nominal es el dimetro de la reduccin seguido del dimetro de

la envolvente.

La longitud nominal es la longitud recta de los tubos de transferencia en

pulgadas (mm). Para tubos en U la longitud debe tomarse del extremo a

la tangente del doblez.

Ejemplo: Un cambiador con un dimetro interior de envolvente de 23 (591

mm) y tubos de 16 (4877 mm) de longitud; su tamao es:

23 - 192 (591 - 4877)


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Tipos de cambiadores de acuerdo a la nomenclatura TEMA

Las Normas TEMA tienen su propia nomenclatura para asignar el tipo de

cambiador la cual consta de tres literales como su indica en la figura N-

1.2. La primera representa el tipo de cabezal estacionario frontal, lasegunda el tipo de envolvente y la tercera el tipo de cabezal posterior.

Figura N-1.2


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Figura N-1.2

Tipos de cabezal

estacionario frontal


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Figura N-1.2

Tipos de envolvente


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Figura N-1.2

Tipos de cabezal

posterior


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Tipos de cabezales estacionarios frontales

Los tipos de cabezales estacionarios frontales son:

Tipo A Canal y tapa removible

Tipo B Bonete con tapa integral

Tipo C Canal integral con espejo y tapa removible

Tipo N Canal integral con espejo y envolvente y tapa removible

Tipo D Canal especial para alta presin


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Tipos de envolventes

Los tipos de envolventes son:

Tipo E Envolvente de un paso

Tipo F Envolvente de dos pasos con mampara longitudinal

Tipo G Envolvente de flujo dividido con mampara longitudinal

Tipo H Envolvente doble flujo dividido con mamparas

longitudinales

Tipo J Envolvente de flujo dividido

Tipo K Envolvente tipo kettle

Tipo X Envolvente de flujo cruzado


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Tipos de cabezales posteriores

Los tipos de cabezales posteriores frontales son:

Tipo L Espejo fijo y cabezal igual al tipo A frontal

Tipo M Espejo fijo y cabezal igual al tipo B frontal

Tipo N Espejo fijo y cabezal igual al tipo N frontal

Tipo P Cabezal flotante empacado exteriormente

Tipo S Cabezal flotante con anillo de respaldo

Tipo T Cabezal flotante unido directo al espejo

Tipo U Haz de tubos en U

Tipo W Espejo flotante selladoexternamente


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TipoAES

Ejemplos:


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TipoAKT

Ejemplos:


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TipoAJS

Ejemplos:


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Ejemplos:

TipoAEL


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Ejemplos:

Tipo BEM


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Ejemplos:

Tipo NEN

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