INDICE

CONTENIDO ............................................................................................................................. 1

1.- DEFINICIN ........................................................................................................................ 2

2.- TIPOS DE INTERCAMBIADORES ................................................................................... 2

2.1.- a) Intercambiadores de contacto directo ......................................................................... 2

2.2.- b.a) Regenerativos .......................................................................................................... 4

1.Desarrollo del problema.........Pg. 13

2.Conclusiones....Pg. 17

3.Recomendaciones..........Pg. 18

4.Bibliografa....Pg. 19

5.AnexosPg. 20

Objetivos

1.1.4 OBJETIVO GENERAL

Disear, construir y operar un intercambiador de calor tipo tubo carcasa.

1.1.5 OBJETIVOS ESPECFICOS

Identificar las variables de diseo del intercambiador de calor tipo tubo carcasa.

Dimensionar el intercambiador de calor y seleccionar los materiales para su construccin.

Construir el intercambiador de calor de acuerdo al diseo realizado.

Marco terico

1.- DEFINICIN

Bajo la denominacin general de intercambiadores de calor, o simplemente Cambiadores de calor, se engloba a todos aquellos dispositivos utilizados para transferir Energa de un medio a otro, sin embargo, en lo que sigue se har referencia nica y exclusivamente a la transferencia de energa entre fluidos por conduccin y conveccin, debido a que el intercambio trmico entre fluidos es uno de los procesos ms frecuente e importante en la ingeniera.

Un intercambiador de calor es un dispositivo que facilita la transferencia de calor de una corriente fluida a otra

2.- TIPOS DE INTERCAMBIADORES

a) Intercambiador de contacto directo. b) Intercambiador de contacto indirecto.

b.a) Regenerativos. b.b) Recuperativos.

b.b.a ) Una sola corriente. b.b.b) Dos corrientes en flujo paralelo. b.b.c) Dos corrientes en contracorriente. b.b.d) Dos corrientes en flujo cruzado. b.b.e) Dos corrientes en contra flujo cruzado. b.b.f) Dos corrientes a pasos mltiples

2.1.- a) Intercambiadores de contacto directo

En los intercambiadores de contacto directo sin almacenamiento de calor las corrientes contactan una con otra ntimamente, cediendo la corriente ms caliente directamente su calor a la corriente ms fra. Este tipo de intercambiador se utiliza naturalmente cuando las dos fases en contacto son mutuamente insolubles y no reaccionan una con otra. Por consiguiente, no puede utilizarse con sistemas gas-gas. 3Los intercambiadores de calor de contacto directo son de tres amplios tipos. En primer lugar, se tienen los intercambiadores gas-slido. En la Fig. 2.1 se muestran diversas formas de los mismos.

Figura 2.1: Intercambiadores de contacto directo gas-lquido sin almacenamiento de calor.

Finalmente, no siempre es necesario que los dos fluidos en contacto sean mutuamente insolubles, y la Fig. 2.3 muestra intercambiadores donde uno de los fluidos circulantes se disuelve en el otro. En particular, en los sistemas aire-agua el intercambiador de contacto 4 directo es de gran importancia ya que justo una de las fases (agua) se disuelve, o evapora, en la otra fase (aire). La torre de enfriamiento de agua, mostrada en la Fig. 2.3 es un ejemplo de este tipo, y de hecho representa el tipo ms ampliamente utilizado de intercambiador de calor en la industria.

2.2.- b.a) Regenerativos

En los regenerativos una corriente caliente de un gas transfiere su calor a un cuerpo intermedio, normalmente un slido, que posteriormente cede calor almacenado a una segunda corriente de un gas fro. Existe una serie de diferentes maneras de hacer esto, como muestra la

2.3 b.b) Recuperativos

Existen diversas configuraciones geomtricas de flujo posibles en un intercambiador, las ms Importante son las que se representan en la Fig. 2.7.

Figura 2.7: Esquemas de configuraciones geomtricas de flujo comunes para intercambiadores de calor recuperativos.

b.b.a) Una sola corriente: La configuracin de una sola corriente se define como un intercambiador en el que cambia la temperatura de un solo fluido; en este caso la direccin del flujo carece de importancia. Los condensadores, evaporadores y las calderas de vapor son ejemplos de este tipo de intercambiadores.

b.b.b) Dos corrientes en flujos paralelos: Los dos fluidos fluyen en direcciones paralelas y en el mismo sentido. En su forma ms simple, este tipo de intercambiador consta de dos tubos concntricos, como muestra la Fig 2.7 (b). En la prctica, un gran nmero de tubos se colocan en una coraza para formar lo que se conoce como intercambiador de coraza y tubos,como se Observa en la Fig. 2.8. El intercambiador de coraza y tubos se usa ms frecuentemente para lquidos y para altas presiones. 7

Figura 2.8: Intercambiador de calor de coraza y tubos de dos pasos por tubos y un paso por coraza. El primer paso por tubos se efecta en flujos paralelos y el segundo en flujo a contracorriente.

El intercambiador tipo placas mostrado en la Fig. 2.9 consiste en varias placas separadas por juntas y resulta ms adecuado para gases a baja presin. Esta configuracin se conoce tambin como intercambiador de corrientes paralelas.

Figura 2.9: Intercambiador de calor tipo placas.

b.b.c) Dos corrientes en contracorriente. Los fluidos se desplazan en direcciones paralelas pero en sentido opuesto.

b.b.d) Dos corrientes en flujo cruzado. Las corrientes fluyen en direcciones perpendiculares, como se muestra en la Fig 2.7 (d). La corriente caliente puede fluir por el interior de los tubos de un haz y la corriente fra puede hacerlo a travs del haz en una direccin generalmente perpendicular a los tubos. Una o ambas corrientes pueden estar sin mezclarse, como se muestra. Esta configuracin tiene una efectividad intermedia entre la de un intercambiador de corriente paralela y la de uno en contracorriente, pero a menudo su construccin es ms sencilla debido a la relativa simplicidad de los conductos de entrada y de salida.

b.b.e) Dos corrientes en contra flujo cruzado. En la prctica, las configuraciones de flujo de los intercambiadores se aproximan a menudo a las idealizaciones de la Fig. 2.7 (e); se muestran los casos de dos pasos y de cuatro pasos, aunque puede usarse un nmero mayor de pasos.(En un intercambiador de dos pasos los tubos pasan dos veces por la coraza). Conforme aumenta el nmero de pasos, la efectividad se aproxima a la de un intercambiador de corriente ideal.

b.b.f) Dos corrientes a pasos mltiples. Cuando los tubos de un intercambiador de coraza y tubos estn dispuestos en uno o ms pasos en el interior de la coraza, como muestra la Fig. 2.7 (f), algunos de los pasos producen un flujo paralelo mientras que otros producen un flujo a contracorriente. El intercambiador de dos pasos de este tipo es comn porque slo es necesario perforar uno de los extremos para permitir la entrada y salida de los tubos, como se muestra de manera esquemtica en la Fig 2.8.

Tipo y caractersticas de las carcazas

Tipo E (1 paso): Es la construccin ms usada en Intercambiadores de carcaza y tubo

Tipo F (2 pasos): Esta construccin requiere del uso de deflectores longitudinales. Las boquillas de entrada y salida se sitan en el lado de placa de tubos fijos.

Tipo J (flujo dividido): Se usa para reducir la cada de presin.

Costos

7.4.- ESTIMACIN DE COSTES Y MATERIALES DE CONSTRUCCIN. 7.4.1.- Materiales de Construccin.

El material de construccin ms comn en los intercambiadores de calor es el acero al carbono. Otros materiales en orden de utilizacin son:

Acero inoxidable de la serie 300 Nquel Monel Aleaciones de cobre , como latn Admiralty Aluminio Inconel Acero inoxidable de la serie 400

Los materiales a utilizar se seleccionan de acuerdo a las indicaciones, por su resistencia a la corrosin. Se utilizan tubos bimetlicos cuando las condiciones de temperatura y requisitos de corrosin no permiten la utilizacin de una aleacin simple. Consisten en dos materiales laminados juntos. Hay que tener cuidado con la accin galvnica. Tambin se encuentran intercambiadores de construccin no metlica como son tubos de vidrio, en casco de vidrio o acero. Tambin se encuentran intercambiadores de calor de grafito, y de tefln.

7.4.2.- Estimacin de Costes.

El coste de un INTERCAMBIADOR DE CALOR de CASCO Y TUBO se obtiene con la ecuacin:

Planteamiento del problema

Una fbrica de bebidas gaseosas pretende disear un intercambiador de coraza y tubos para las condiciones indicadas:

79 545 kg/h de agua destilada entrarn al intercambiador a 34 C y saldrna 29C. El calor debe ser transferido a 127 273kg/h de agua cruda provenientes de una fuente de suministro a 24 C y salida del intercambiador a 27C.

Se requiere para este servicio de tubos de cobre3/4 de plg; DE, tipo L,arreglados en formatriangular y la coraza debe ser de5 m de largo mximo,. El haz de tubos est arreglado en un paso y los deflectores estn espaciados cada 30 cm.

Se le solicita lo siguiente:

1. Defina todos los parmetros necesarios que se requieren para el diseo del intercambiador de calor.

2. Realice todos los clculos necesarios para determinar el rea de transferencia de calor.

3. Mediante una matriz de decisin justifique la seleccin del intercambiador de coraza tubos comparados con otros tipos de intercambiadores.

4. Determine el nmero de tubos, el dimetro de la coraza, considerando que los tubos deben tener un arreglo triangular.

5. Realice los planos correspondientes utilizando Acad.

6. Realice el informe tcnico incluyendo los planos, anexos, etc.

Conceptos importantes

Cambiador de calor

Es un equipo de proceso en que circulan generalmente dos fluidos en que las condiciones de temperatura diferentes, uno por el lado del tubo y el otro por el lado de la coraza, con el fin de intercambiar calor a travs de las paredes metlicas de los tubos de transferencia, sin que ocurre un contacto directo entre ellos.

Haz de Tubos

Es un conjunto de tubos que se albergan dentro de la coraza y en sus extremos estn soportados en la placa de tubos, la cual puede ser placa fija o con cabeza flotante. El empleo de uno u otro tipo de placa depende de la diferencia de temperatura que se registre en los extremos durante la operacin. Por lo general se usan tubos lisos y de manera especial con superficie extendida.

Los espejos

Los espejos son placas circulares de metal que son barrenados y ranurados para colocar los tubos, los empaques, las varillas separadoras y el crculo de tornillos para acoplarlo con la envolvente. Los tubos son sostenidos en su lugar al ser insertados en orificios practicados a los espejos y posteriormente son expandidos o soldados a ste.

Un espejo puede ser de dos tipos:

- Estacionario o fijo

- Flotante

Envolvente y boquillas

La envolvente es el recipiente que contiene el haz de tubos y el fluido que circula por el exterior de estos, y las boquillas la entrada y salida de l. La envolventes se fabrican de tubera hasta de un dimetro de 584mm (23) y para 33 dimetros mayores de placas que son roladas a las dimensiones requeridas y soldadas longitudinalmente. En cambiadores grandes, la envolvente deber ser cuando sea posible de acero al carbn, lo anterior por razones de economa, aunque se pueden usar aleaciones por demandas debido a la corrosin o a esfuerzos por altas temperaturas.

Placas divisoras de pasos

Estas placas o deflectores, se instalan en el cabezal y en la tapa flotante, se utilizan cuando se tienen dos o ms pasos. Las placas divisoras de pasos se instalan en cantidad y disposicin de acuerdo al diseo, para lograr las condiciones de intercambio de calor requeridas por el proceso .Si los cabezales se hacen de hierro colado, estas placas son integrales para que posteriormente se les d un buen acabado con el fin de que ajusten bien los empaques que sellarn las divisiones. Si los canales son rolados estas placas van soldadas.

Mamparas o deflectores

Las mamparas tienen dos funciones: una de ellas es la de soportar los tubos en la posicin apropiada durante su ensamble y operacin y prevenir la vibracin de los tubos causada por remolinos en el flujo, y otra, mantener el flujo 34en turbulencia por fuera de los tubos (lado de la coraza) esto, para aumentar la velocidad y el coeficiente de transferencia. Las mamparas obligan al flujo a circular a travs del cuerpo formando ngulos rectos con respecto al eje de los tubos. Estos deflectores o mamparas, trabajan conjuntamente con el haz de tubos y el cuerpo, y van colocados transversalmente al haz, distribuidos adecuadamente en toda su longitud.

Los tipos de deflectores ms utilizados son:

- Deflector de un segmento.

- Deflector de dos segmentos.

- Deflector de tres segmentos

Canales o cabezales

Estas partes conocidas como cabezales frontales y cabezales posteriores, generalmente son referidos como carretes y tapas del cuerpo, respectivamente, actan conjuntamente con la carcasa para que el fluido manejado circule por dentro y fuera de los tubos de acuerdo a las necesidades del proceso. Estos cabezales van instalados en los extremos del cuerpo.

Juntas

Los intercambiadores de calor, tienen partes bridadas que se acoplan a otras por medio de esprragos; tales como: tapa del cabezal frontal, cabezal frontal al cuerpo, haz de tubos a cuerpo, tapa flotante al espejo flotante, cabezal posterior al cuerpo, boquillas a tuberas, etc. Para evitar las fugas entre estos elementos se utilizan las juntas.

Anexos

Tabla 3. Dimensiones y caractersticas de tubera rgida de cobre.

Tabla A.1. Caractersticas geomtricas de los intercambiadores de calor de coraza y tubos.

Tabla B.1 Conductividad trmica de lquidos.

K = BTU/hr ft F