“Handbook of Chemical Processing Equipment” de Nicholas P. Cheremisinoff, Ph.D.Capítulo 1: Equipos de intercambiado de calor

CONTENIDO

Página1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................1

2. CONCEPTOS GENERALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR......................................................3

3. INTERCAMBIADORES DE CALOR REFRIGERADOS POR AIRE....................................................9

Capítulo 1. Equipos de intercambio de calor.IntroducciónConceptos generales de transferencia de calorIntercambiadores de calor refrigerados por aireTipo de carcasa y tubo de intercambiadores de calorSpiral-Plate Intercambiadores de calorPlaca-y-Frame intercambiadoresRuptura del tubo intercambiador de calorLos condensadoresRefrigeración de absorción Steam-DrivenCierreNomenclaturaLecturas recomendadas

1. INTRODUCCIÓN

Antes del siglo XIX, se creía que el sentido de cómo un objeto caliente o frío se sentía era determinado por cuánto "calor" contenía. El calor fue concebido como un líquido que fluía del objeto más caliente a un objeto más frío; este líquido ingrávido fue llamado "calórico", y hasta los escritos de Joseph Black (1728-1799), no se hizo ninguna distinción entre calor y temperatura. El negro se distinguió entre la cantidad (calorías) y la intensidad (temperatura) de calor. Benjamin Thomson, Conde Rumford, publicó un documento en 1798 titulado "Una investigación acerca de la fuente de calor que está excitado por fricción". Rumford había notado la gran cantidad de calor generado cuando un cañón fue perforado. Él dudaba que una sustancia material estaba fluyendo en el cañón y concluyó "me parece extremadamente difícil, si no imposible, para formar cualquier idea distinta de cualquier cosa capaz de ser excitada y comunicarse de la manera que el calor estaba excitado y comunicado en estos experimentos excepto el movimiento".

Pero no fue hasta que J. P. Joule publicó un artículo definitivo en 1847 que se abandonó la idea de calorías. Joule demostró de forma concluyente que el calor era una forma de energía. Como resultado de los experimentos de Rumford, Joule, y otros, se demostró (explícitamente por Helmholtz en 1847), que las diferentes formas de energía pueden transformarse unas en otras.Cuando el calor es transformado en otra forma de energía, o cuando otras formas de energía son transformadas en calor, la cantidad total de energía en el sistema es constante. Esto es conocido como la primera ley de la termodinámica, la conservación de la energía. Para expresarlo de otra manera: no es de ninguna manera posible, ya sea por medios mecánicos, térmicos, químicos u otros medios, obtener una máquina de movimiento perpetuo, es decir, capaz de crear su propia energía.

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Una segunda declaración también puede hacerse acerca de cómo funcionan las máquinas. Una máquina de vapor utiliza una fuente de calor para producir trabajo. ¿Es posible convertir completamentela energía térmica en trabajo, por lo que es una máquina eficiente al 100%? La respuesta está en la segunda ley de la termodinámica: Ninguna máquina cíclica puede convertirtotalmente la energía calórica en otras formas de energía. No es posible construir unamáquina cíclica que no hace más que retirar la energía de calor y convertirlo enenergía mecánica.

La segunda ley de la termodinámica implica la irreversibilidad de ciertos procesos - que convertir todo el calor en energía mecánica, aunque es posible tener una máquina cíclica que no hace sino convertir energía mecánica en calor.

Sadi Carnot (1796-1832) llevó a cabo estudios teóricos de las eficiencias de máquinas térmicas (una máquina que convierte parte de su calor en trabajo útil). Él intentó modelar la máquina térmica más eficiente posible. Su trabajo teórico sirvió de base para la mejora concreta en la máquina de vapor y también estableció los fundamentos de la termodinámica. El describió una máquinaideal llamada máquina de Carnot, que es la manera más eficiente que una máquina se puede construir. Él mostró que la eficiencia de una máquina tal es dada por:

Eficiencia=1−T' '

T '

Donde las temperaturas, T ' y T ' ', son los reservorios frio y caliente, respectivamente, entre los cuales opera la máquina. En esta escala de temperatura, una máquina térmica cuyo reservorio más frío es cero grados operaría con una eficiencia del 100%. Esta es una definición del cero absoluto. La escala de temperatura es llamada termodinámica absoluta, o escala de Kelvin.

La manera, que la escala de temperatura del gas y la escala de temperatura termodinámica se muestran idénticas, se basa en la interpretación microscópica de temperatura, que postula que la cantidad medida macroscópicamente llamada temperatura, es resultado de los movimientos aleatorios de las partículas microscópicas queconforman un sistema.Casi al mismo tiempo que la termodinámica fue evolucionando, James Maxwell y Ludwig Boltzmann desarrollaron una teoría, describiendo la forma en que las moléculas se movían - dinámica molecular. Las moléculas que componen un gas perfecto se mueven alrededor, chocando unos con otros como bolas de billar y rebotando de la superficie del recipiente que contiene el gas. La energía, asociada con el movimiento, se llama energía cinética y ésta cinética aprovecha el comportamiento de gases ideales que llevaron a una interpretación del concepto de temperatura en una escala microscópica.

La cantidad de energía cinética que cada molécula tiene es una función de su velocidad; para el gran número de moléculas en un gas (incluso a baja presión), debería ser un rango de velocidades en cualquier instante de tiempo. Las magnitudes de la velocidad de diversas partículas deberían variar mucho; no cabe esperar que dos partículas tienen exactamente la misma velocidad. Algunas pueden estar moviéndose muy rápido; otros - con bastante lentitud.

Maxwell descubrió que podía representar la distribución de las velocidades estadísticamente por una función, conocida como la distribución de Maxwell. Las colisiones de las moléculas con sus recipientes dan lugar a la presión del gas. Al considerarse la fuerza media ejercida por las colisiones moleculares en la pared, Boltzmann fue capaz de demostrar que la energía cinética promedio de las moléculas era directamente comparable a la medida de la presión, y cuanto mayor es la energía cinética promedio, mayor será la presión.

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De la Ley de Boyle, se sabe que la presión es directamente proporcional a la temperatura, por lo tanto, se demostró que la energía cinética de las moléculas está relacionada directamente con la temperatura del gas. Una relación termodinámica sencilla que vale para esto:

Energía cinéticamedia de lasmoléculas=3 kT2

Donde k es la constante de Boltzmann. La temperatura es una medida de la energía del movimiento térmico y a una temperatura de cero, la energía alcanza un mínimo (mecánica cuántica, el movimiento del punto cero se mantiene en 0 K).En 1902, Gibbs introdujo la mecánica estadística con la cual demostró cómo los valores medios de las propiedades de un sistema podrían ser predichos a partir de un análisis de los valores más probables de estas propiedades encontradasa partir de un gran número de sistemas idénticos (llamado un conjunto). Una vez más, en la interpretación mecánica estadística de la termodinámica, el parámetro clave esidentificado con una temperatura, que puede estar directamente vinculada a la temperatura termodinámica, con la temperatura de la distribución de Maxwell, y con la leyde los gases perfectos.

La temperatura se convierte en una cantidad definible en términos de cantidades macroscópicas termodinámicas, como el calor y el trabajo, o, con la misma validez e idénticos resultados, en términos de una cantidad, que caracteriza la distribución de energía entre las partículas en un sistema. Con esta comprensión delconcepto de temperatura, es posible explicar cómo fluye calor (energía térmica) de un cuerpo a otro. La energía térmica es transportada por las moléculas en forma de sus movimientos yalgunas de ellas a través de colisiones moleculares, se transfiere a las moléculas de un segundo objeto, cuando se ponga en contacto con él. Este mecanismo de transferencia de energía térmicase llama conducción.

Un segundo mecanismo de transporte de calor es ilustrado por una olla de agua a herviren una estufa - el agua más caliente más cercana a la llama se elevará para mezclarse con el agua más fríacerca de la parte superior de la olla. La convección implica el movimiento corporal de las moléculas más energéticas en un líquido o gas. La tercera manera, que la energía térmica puede sertransferido de un cuerpo a otro, es por la radiación; esta es la forma en que el solcalienta la tierra. La radiación fluye desde el Sol a la Tierra, donde una partese absorbe, calentando la superficie.

Estos conceptos históricos y fundamentales son la base para el diseño, aplicaciones y operaciones de una clase importante de los equipos que se utilizan en las industrias de proceso químico - equipos de intercambio de calor o intercambiadores de calor. Hay muchas variaciones de estos equipos y una multitud de aplicaciones. Sin embargo, las configuraciones de diseño para estos equipos son universales, lo que significa que generalmente no son específicos a un sector industrial en particular. En los Estados Unidos en 1998, las industrias de procesos químicos invirtieron más de $700 millones en bienes de capital relacionados con la transferencia de calor.Gran parte de esa inversión fue impulsado por un creciente cuerpo de legislación medio ambiental, como las modificaciones de la Ley de Aire Limpio de EE.UU. El uso de condensadores de ventilación, por ejemplo, que usan intercambiadores de calor para reducir el volumen deemisiones de la chimenea, va en aumento. Los fabricantes de intercambiadores de calor han respondido a las crecientes preocupaciones ambientales sobre las emisiones fugitivas, así como por el desarrollo de un nuevo tipo de intercambiador de calor hermético, diseñado para mantener el proceso de fugas de líquidos y compuestos orgánicos volátiles se escapen a la atmósfera.

Los intercambiadores con juntas están beneficiando de las mejoras en la calidad ydiversidad de materiales elastómeros y diseños de junta. El uso de intercambiadores con uniones soldadas, en lugar de juntas, también está reduciendo la probabilidad de que el líquido salga del proceso. A lo largo de la década de 1990, el uso de intercambiadores de calor se ha extendidoen aplicaciones no tradicionales. Esto, junto con una variedad de innovaciones de diseño, ha dado los ingenieros

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químicos una variedad más amplia de opciones de intercambiador de calorpara elegir como nunca antes. Las condiciones de funcionamiento, facilidad de acceso parainspección y mantenimiento, y la compatibilidad con los fluidos de proceso son sólo algunos de las variables de los ingenieros de procesos químicos industriales deben tener en cuenta al evaluar opciones de intercambiador de calor. Otros factores incluyen: presión máxima y temperatura,aplicaciones de calentamiento o enfriamiento,requisitos de mantenimiento, compatibilidad de materialescon fluidos de proceso, la compatibilidad de la junta con los fluidos de proceso, la limpieza de las corrientes, y el aprovechamiento de temperatura. En este capítulo se proporciona una visión general de lamayoría de equipos comúnmente empleados. Se hace énfasis en las características prácticas de esos sistemas, y ejemplos típicos de aplicaciones industriales.

2. CONCEPTOS GENERALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR

El término calor en física, se refiere a la transferencia de energía de una parte de una sustancia a otra, o de un objeto a otro, a causa de la diferencia en temperatura. El calor fluye de una sustancia de mayor temperatura a otra de menor temperatura,siempre que los volúmenes de los objetos se mantengan constantes. El calor no fluye de menor a mayor temperatura, a menos que otra forma de transferencia de energía, o trabajo, también esté presente. Hasta principios del siglo XIX, se pensaba que el calor era una invisible sustancia llamada caloría. Un objeto a una temperatura alta se pensaba que contiene más calorías que uno a una temperatura baja. Sin embargo, el físico británico Benjamín Thompson en 1798 y el químico británico Humphry Davy en 1799 presentó la evidencia que el calor, como el trabajo, es una forma de transferencia de energía. En una serie de experimentos entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott Joule proporcionó pruebas concluyentes de que el calor es una forma de energía en tránsito, y que puede causar los mismos cambios como el trabajo.

La sensación de calor o frío es causada por la temperatura. La adición de calor a unasustancia no sólo eleva su temperatura, pero también produce cambios en otras cualidades. La sustancia se expande o se contrae; su resistencia eléctrica cambia; y en la forma gaseosa, su presión cambia. Cinco diferentes escalas de temperatura están en uso hoy en día: Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine, y termodinámica internacional.

El termino resistencia se refiere a la propiedad de un objeto o sustancia para resistir u oponerse al flujo de una corriente eléctrica. La unidad de resistencia es el ohmio. La abreviación para la resistencia eléctrica es R y el símbolo para ohmios es la letra griega omega, Ω. Para ciertos cálculos eléctricos el recíproco de la resistencia esusado, 1/R, que se denomina conductancia, G. La unidad de conductancia es el mho, u ohm escrito al revés, y el símbolo es un omega invertido.

Presión, en mecánica, es la fuerza por unidad de área ejercida por un líquido o gas en un objeto o superficie, la fuerza que actúa en ángulo recto a la superficie y por igual en todas las direcciones. En los Estados Unidos, la presión se mide generalmente en libras por pulgada cuadrada (psi); en el uso internacional, en kilogramos por centímetros cuadrados, o en atmósferas; y en el sistema métrico internacional (SI), en newtons por metro cuadrado (Sistema Internacional de Unidades). La mayoría de los medidores de presión registran la diferencia entre una presión de fluido y la presión atmosférica local. Tipos de medidores de presión comunes incluyen manómetros de tubo en U, para medir pequeñas diferencias de presión; manómetros Bourdon, para la medición de diferencias de presión más altas; medidores que utilizan elementos sensores piezoeléctricos o electrostáticos, para el registro de las presiones que cambian rápidamente; manómetros McLeod, para la medición de gases con presiones muy bajas; y los indicadores que utilizan radiación, ionización o efectos moleculares para medir las presiones bajas de gas (en la tecnología de vacío). En la atmosfera la disminución del peso de la columna de aire con la altura conduce a una reducción en la presión atmosférica local. La presión parcial es la presión efectiva que un solo gas ejerce en una mezcla de gases. En la atmósfera, la presión total es igual a la suma de las presiones parciales.

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El calor se mide en términos de las calorías, que se define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a una presión de 1 atmósfera a partir de 15° a 16°C. Esta unidad es a veces llamada pequeña caloría o gramos de caloría, para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, igual a 1000 calorías pequeñas, que es utilizado en los estudios nutricionales. En la práctica de ingeniería mecánica en los Estados Unidos y el Reino Unido, el calor se mide en unidades térmicas británicas (Btu). Un Btu es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua, 1 °F y es igual a 252 calorías.

El termino calor latente es el proceso del cambio de solido a gas el cual es referido como sublimación; de sólido a líquido, como fusión; y de líquido a vapor, como vaporización. La cantidad de calor requerida para producir un cambio de fase se llama calor latente. Si el agua hirvió en un recipiente abierto a la atmosfera a una presión de 1 atmosfera, su temperatura no alcanza los 100 °C (212 °F), no importa cuánto calor se añade. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura es calor latente; que no se pierde, pero se gasta en cambiar el agua en vapor.

La regla de las fases es una expresión matemática que describe el comportamiento desistemas químicos en equilibrio. Un sistema químico es cualquier combinación desustancias químicas. Existen las sustancias en forma de gas, líquido o fases sólidas. La regla de las fases sólo se aplica a los sistemas, llamados sistemas heterogéneos, en la que doso más fases distintas están en equilibrio. Un sistema no puede contener más deuna fase gas, pero puede contener cualquier número de fases líquidas y sólidas. Una aleaciónde cobre y níquel, por ejemplo, contiene dos fases sólidas. La ley haceposible la correlación simple de grandes cantidades de datos físicos ypredicción limitada del comportamiento de los sistemas químicos. Se utiliza en particular en preparación de aleaciones, en ingeniería química y en geología.

El tema de la transferencia de calor se refiere al proceso por el cual la energía en la forma de calor es intercambiada entre objetos, o partes del mismo objeto, a diferentes temperaturas. El calor se transfiere generalmente por radiación, convección, o conducción, procesos que pueden ocurrir simultáneamente.

La conducción es el único método de transferencia de calor en sólidos opacos. Si la temperatura en un extremo de una barra de metal se eleva, el calor se desplaza al extremo más frío. El mecanismo de conducción en sólidos se cree que es debido en parte al movimiento de los electrones libres en la materia sólida. Esta teoría ayuda a explicar por qué los buenos conductores de la electricidad también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1882 el francés matemático Jean Baptiste Joseph Fourier formuló una ley que la velocidad, a la cual el calor es conducido a través de una superficie de un objeto, es proporcional a la negativa del cambio de temperatura a través del objeto. La conducción se produce también entre dos objetos, si se ponen en contacto. La conducción entre una superficie sólida y un líquido o gas en movimiento se llama convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzada. Si se calienta un líquido o un gas, su masa por unidad de volumen generalmente disminuye. Si la sustancia está en un campo gravitatorio, el fluido más caliente, más ligerose eleva mientras que los sumideros más fríos, más pesados se hunden. Este tipo de movimiento se llamaconvección natural. La convección forzada se consigue poniendo el fluido entrediferentes presiones, y así forzar el movimiento que se produzca de acuerdo con la ley de mecánica de fluidos.

La radiación es un proceso que es diferente de la conducción y la convección, porque las sustancias de intercambio de calor no tienen que ser tocadas y pueden incluso ser separados por un vacío. Una ley formulada por el físico alemán Max Planck en 1900 declara, en parte, que todas las sustancias emiten energía radiante, simplemente porque tienen una temperatura absoluta positiva. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor es lacantidad de energía emitida. Además de emitir, todas las sustancias son capaces de absorber la radiación. Las características de absorción, reflexión y transmitancia depende de la longitud de onda de la radiación.

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Además de procesos de transferencia de calor que resultan en elevar o bajar temperaturas, la transferencia de calor también pueden producir cambios de fase en una sustancia, tal como la fusión del hielo. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor se diseñan generalmente para tomar ventaja de esta capacidad. Por ejemplo, una cápsula espacial que vuelve a entrar en la atmósfera a velocidades muy altas está provisto de un escudo térmico que se funde para evitar el sobrecalentamiento del interior de la cápsula. El calor de fricción, producido por la atmosfera, se utiliza para girar el escudo de sólido a líquido y no elevar la temperatura de la cápsula.

La evaporación es el cambio gradual de un líquido a un gas sin hervir. Las moléculas del líquido se mueven constantemente. La velocidad molecular promedio depende de la temperatura, pero las moléculas individuales pueden moverse mucho más rápido o más lentas que el promedio. A temperaturas por debajo del punto de ebullición, las moléculas más rápidas se acercan a la superficie del líquido que pueden tener suficiente energía para escapar como moléculas de gas. Debido a que sólo las moléculas más rápidas escapan, la velocidad media de las moléculas restantes disminuye, disminuyendo la temperatura del líquido, que depende de la velocidad media de las moléculas.

Un tema adicional para discutir desde un punto de vista de introducción es el aislante térmico de los materiales. Estos materiales se utilizan para reducir el flujo de calor entre las regiones calientes y frías. El revestimiento a menudo se coloca alrededor de vapor y tuberías de agua caliente, por ejemplo, reduce la pérdida de calor a los alrededores, y el aislamiento colocado en las paredes de un refrigerador reduce el flujo de calor en la unidad y permite que permanezca frío.

El aislamiento térmico generalmente tiene que cumplir una o más de tres funciones: reducir la conducción térmica en el material de donde el calor es transferido por acción molecular o electrónica; reducir las corrientes de convección térmica, que pueden configurarseen el aire o espacios líquidos; y reducir la transferencia de calor por radiación en energía térmica que es transportada por las ondas electromagnéticas. La conducción y la convección pueden sersuprimida en el vacío, donde la radiación se convierte en el único método dela transferencia de calor. Si las superficies se hacen altamente reflectantes, la radiación puede ser también reducida. Como ejemplos, papel de aluminio fino se puede utilizar en la construcción de muros, y el metal reflector en los techos minimiza el efecto de calentamiento del sol. Termoso frascos Dewar proporcionan el aislamiento a través de un arreglo de doble pared desalojada en la que las paredes tienen revestimientos de plata o de aluminio reflectantes. El aireofrece resistencia al flujo de calor a una velocidad de aproximadamente 15.000 veces mayor que la de un buen conductor térmico, como la plata, y alrededor de 30 veces mayor que la del vidrio.

Los materiales aislantes típicos, por lo tanto, se hacen generalmente de materiales no metálicos y están llenos de bolsas de aire pequeñas. Ellos incluyen carbonato de magnesio, corcho, fieltro, relleno de algodón, roca o fibra de vidrio, y la tierra de diatomeas. Los asbestos fueron una vez ampliamente utilizados para aislamiento, pero se ha encontrado que es un peligro para la salud y han sido por lo tanto prohibidos en las nuevas construcciones en los EE.UU.

En los materiales de construcción, las bolsas de aire proporcionan un aislamiento adicional en ladrillos de vidrio hueco, vidrio aislante o vidrio térmico (dos o tres hojas de vidrio sellados con un fino espacio de aire entre ellos), y la baldosa de hormigón parcialmente hueco. Las propiedades aislantesse reducen, si el espacio de aire se hace lo suficientemente grande como para permitir la convección térmica,o, si la humedad se filtra y actúa como un conductor. La propiedad de aislamiento de prendas secas, por ejemplo, es el resultado de aire atrapado entre las fibras; estacapacidad de aislamiento térmico se puede reducir de manera significativa por la humedad. La calefacción de la casa y los costos del aire acondicionado se pueden reducir mediante un aislamiento adecuado del edificio. En climas fríos se recomiendan unos 8 cm (aproximadamente 3 pulgadas) de aislamiento de la pared y alrededor de 15 a 23 cm (aproximadamente 6 a 9 pulgadas) de aislamiento del techo. La resistencia efectiva al flujo de calor se expresa convencionalmente por su valor R (valor de

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resistencia), que debeser de aproximadamente 11 para la pared y 19 a 31 para el aislamiento del techo.

El súper aislamiento se ha desarrollado, principalmente para su uso en el espacio, donde es necesaria la proteccióncontra las temperaturas externas cercanas al cero absoluto. El tejido de súper aislamiento consta de varias hojas de mylar aluminizado, cada uno de aproximadamente 0,005 cm de espesor (aproximadamente 0,002 in.) y separadas por delgados separadores con aproximadamente 20 a 40 capas por cm (alrededor de 50 a 100 capas por in.).

Expresiones que gobiernan los intercambiadores de calor

Cuando una corriente de fluido caliente y una corriente de fluido frío, separados por una pared conductora, intercambia calor, el calor que se transfiere a través de un elemento diferencial puede estarrepresentado por la siguiente expresión (consulte la Figura 1):

dq=U ∆t dADónde:dq=Calor transferidoa travésdel elemento diferencial dA(W )U=Coeficiente global de transferencia decalor (W /m. K)∆ t=Diferencia de temperaturaa travésdel elemento dA (K )dA=Áreade transferenciade calor parael elementodiferencial (m2)

Las expresiones pueden ser integradas sobre todo el intercambio de calor utilizando la simplificación que los cambios en U con la temperatura y la posición son despreciables.

Figura 1. Intercambio de calor a través de un elemento diferencial en un intercambiador de calor.

De esta manera, un valor promedio de U puede ser aplicado a todo el intercambiador. Idealmente, el calor perdido por la corriente de fluido caliente es transferido totalmente a la corriente fría, y, por lo tanto, se integran los resultados en la siguiente expresión:

q=U A∆ t lmDónde:A=Área de transferenciatotal decalor (m2)q=Calor total transferido (W )U=Coeficiente global de transferencia decalor ,asumidocte enel intercambiador(W /m2. K)∆ t lm=Diferencia de temperaturamedia logarítmica (K )

∆ t lm=ΘΓ

Dónde:

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Θ=¿Γ=ln ¿

El coeficiente global de transferencia de calor, U, es una medida de la conductividad de todos los materiales entre las corrientes caliente y fría. Para el estado estacionario de transferencia de calor a través de la película por convección en el exterior de la tubería del intercambiador, a través de la pared de la tubería y a través de la película por convección en el interior de la tubería convectiva, el coeficiente global de transferencia de calor podría estar declarado como:

1U

= Ah1 A1

+A Δ xk A lm

+ Ah2 A2

Dónde:A=Área dereferencia (m2)h1=Coeficiente de transferenciade calor enel interior de la tubería(W /m2 .K )A1=Área enel interior de latubería (m

2)Δx=Espesor de la paredde la tuberia(m)k=Conductividad térmica de la tubería(W /m .K )h2=Coeficiente de transferenciade calor enel exterior de latubería¿A2=Área enel exterior de latubería (m

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Alm es el área media logarítmica de la tubería (en m2) definido como:Alm=(A¿¿1−A2)/ ln (A¿¿1/ A2)¿¿

La estimación de coeficientes de transferencia de calor por fuerza de convención de un fluido en tuberías está usualmente basada en expresiones empíricas. La expresión más bien conocida para este propósito es:

Nu=0.023ℜ0.8Pr0.33

Dónde Nu es el número de Nusselt, un grupo adimensional que define la significancia relativa del coeficiente de transferencia de calor de la película a la conductividad de la pared de la tubería, Re es el número de Reynolds, el cual relaciona las fuerzas de inercia con las fuerzas viscosas y de este modo caracterizar el tipo de régimen de flujo, y Pr es el número de Prandtl, el cual relaciona las propiedades térmicas del fluido con la conductividad de la tubería.

Es bien conocido de los estudios de transferencia de calor que el coeficiente de transferencia de calor del fluido, h1, es proporcional a la velocidad, v, del fluido elevado a la potencia 0.8. Si todos los otros parámetros se mantienen constantes, se sigue que una gráfica de 1/v0.8versus 1/U resulta en una línea derecha con un intercepto, que representa la suma de la conductancia de la película de vapor y la conductancia de la pared. Conociendo la conductancia de la pared, la conductancia del vapor de la película puede ser determinada del valor del intercepto. Muchas de las propiedades usadas en la expresión empírica son funciones de temperatura. En general, las propiedades se necesitaron para evaluar la expresión empírica de arriba en la temperatura promedio del seno del fluido, por ejemplo, el promedio entre las temperaturas de entrada y de salida. Sin embargo, para el agua se debe aplicar una corrección de temperatura. La gráfica de temperatura corregida para el agua sería 1/(1+0.011t) v0.8 versus 1/U, donde t es el promedio de la temperatura del fluido medida en °F. El gráfico resultante debería ser lineal para cada presión de vapor por separado, de este modo produciendo una seria de líneas con la misma pendiente, pero teniendo un intercepto diferente, que es una función de presión.

Otra área para considerar es la eficiencia del intercambiador de calor. El concepto de eficiencia es comparar el rendimiento actual de una pieza del equipo con el rendimiento ideal (por ejemplo, el

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máximo potencial de transferencia de calor). La máxima transferencia de calor posible está establecida por la corriente que tiene la mínima capacidad de calor. Ese es el valor mínimo para el producto de la velocidad del flujo másico de la corriente y calor específico. Esta corriente sería, para la transferencia máxima de calor, que deja el intercambiador en la temperatura de entrada de la otra corriente. En términos de la corriente de calor, la eficiencia se puede expresar como:

e=C p ,hmh¿

Y, en términos de la corriente fría:

e=C p ,cmc¿

En las expresiones de arriba:

e=eficienciadelintercambiador decalor.t h ,∈¿=la temperaturade entradade la corrientecaliente (K ) ,¿

t c ,out=la temperatura desalida de lacorriente fría (K ) .t h ,out=latemperaturade salidade lacorriente caliente (K ) ,t c ,∈¿=latemperatura deentradade lacorriente fría (K ). ¿

C p ,hm=el productode lacapacidad caloríficade lacorriente caliente y la velocidad de flujomásico .C p ,hm=el productode lacapacidad caloríficade lacorriente fría y la velocidad de flujo másico .(C pm)min=el productomínimode la capacidad calorificade la corriente y la velocidad de flujo másico .

Conociendo la eficiencia, uno puede usar este valor para predecir el rendimiento del intercambiador de calor para otras corrientes y fluidos. La eficiencia está basada en la cantidad máxima de calor que puede ser transferido:

q=e (Cpm )min¿

3. INTERCAMBIADORES DE CALOR REFRIGERADOS POR AIRE

Los intercambiadores de calor refrigerados por aire son usados para transferir calor de un fluido de proceso al aire ambiente. El fluido de proceso está dentro delos tubos conductores de calor. El aire atmosférico, el cual sirve como el refrigerante, es causado para fluir perpendicularmente a través de los tubos con el propósito de remover calor. En un intercambiador típico refrigerado por aire, el aire ambiente es forzado o inducido por un ventilador o ventiladores para fluir verticalmente a través de una sección horizontal de tubos. Para aplicaciones de condensación, el haz puede estar inclinado o vertical. Del mismo modo, para los intercambiadores de calor refrigerados por aire relativamente pequeños, el flujo de aire puede ser horizontal a través de haces de tubos verticales.

Con el fin de mejorar las características de transferencia de calor de los intercambiadores refrigerados por aire, los tubos están provistos de aletas externas. Estas aletas pueden dar lugar a un sustancial aumento de la superficie de transferencia de calor. Los parámetros tales como la longitud del haz, la anchura y número de filas de tubos varía con la aplicación particular, así como el particular diseño del tubo con aletas.

La elección de si los intercambiadores de calor refrigerados por aire se deben utilizar es esencialmente una cuestión de economía incluyendo primeros gastos o costos de capital, operación y los gastos de mantenimiento, los requisitos de espacio, y las consideraciones ambientales; e implica una decisión de sopesar las ventajas y desventajas de la refrigeración con aire.

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Las ventajas de la refrigeración con aire se pueden ver al comparar la refrigeración por aire con la alternativa de enfriamiento con agua. Las principales ventajas y desventajas de los intercambiadores de calor refrigerados por aire se resumen en la Tabla 1. Estos problemas deben ser examinados en una base de caso por caso para determinar si los sistemas refrigerados por aire son económicos y prácticos para la aplicación prevista. Los sistemas específicos son descritos más adelante en este capítulo. Los principales componentes de los intercambiadores de calor refrigerados por aire incluyen el tubo con aletas, el haz de tubos, el ventilador y el ensamblaje de la unidad, una cámara de distribución de aire, y el montaje general de la estructura. Cada componente se describe brevemente a continuación.

Tubos con aletas

Lo común a todos los intercambiadores de calor refrigerados por aire es el tubo, a través del cual el flujo del proceso fluye. Para compensar las pobres propiedades de transferencia de calor del aire, el cual fluye a través del exterior del tubo, y para reducir las dimensiones globales del intercambiador de calor, se añaden aletas externas al exterior del tubo. Una amplia variedad de tipos de tubos con aletas está disponible para su uso en intercambiadores refrigerados por aire. Estos varían en geometría, materiales y métodos de construcción, que afectan tanto al lado del aire, el rendimiento térmico y la caída de presión lateral del aire. Además, las combinaciones particulares de materiales y/o métodos de unión de las aletas pueden determinar las limitaciones de temperatura máxima de diseño para los entornos de tubos y los limites ambientales, en la que se podría utilizar el tubo. El uso de un tubo de aletas en particular es esencialmente una cuestión de acuerdo entre el fabricante del intercambiador de calor refrigerado por aire y el usuario. Los tubos con aletas pueden diferir en los medios, por lo que las propias aletas están pegadas o unidas al tubo liso.

Tabla 1. Ventajas y desventajas de los dispositivos de intercambio de calor refrigerado por aire.Ventajas

Puesto que el agua no es utilizada como el medio refrigerante, las desventajas del uso del agua son eliminadas.Elimina el alto costo del agua incluyendo el costo de tratamiento del agua.La contaminación térmica o química de los recursos hídricos se evita.La instalación se simplifica debido a la eliminación de tubería de agua refrigerante.La ubicación de los intercambiadores de calor refrigerados por aire es independiente de la ubicación del suministro del agua.El mantenimiento puede ser reducido debido a la eliminación de las características de ensuciamiento de agua que pudieran requerir una limpieza frecuente de los intercambiadores de calor enfriados por agua.Los intercambiadores de calor refrigerados por aire seguirán funcionando (pero a una capacidad reducida) debido a la radiación y la circulación del aire por convección natural debe producirse un fallo de alimentación.El control de temperatura del fluido de proceso puede llevarse a cabo fácilmente mediante el uso de persianas, aspas del ventilador de paso variable, variadores de velocidad, o, en instalaciones de múltiples ventiladores, apagando ventiladores según se requiera.

DesventajasPuesto que el aire tiene relativamente pobres propiedades de transporte térmico en comparación con el agua, el intercambiador de calor refrigerado por aire podría tener mucha más superficie de transferencia de calor. Un requerimiento de espacio grande puede resultar.Las diferencias de temperatura aprovechadas entre la temperatura del fluido del proceso de salida y la temperatura del aire ambiente están generalmente en el intervalo de 10 a 15 K. Normalmente, los intercambiados de calor enfriados por agua pueden ser diseñados para los aprovechamientos más cercanos de 3 a 5 K. Por supuesto, los aprovechamientos más cercanos para los intercambiadores de calor refrigerados por aire pueden ser diseñados, pero por lo general estos no

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se justifican sobre una base económica.El funcionamiento en exteriores en ambientes fríos de invierno puede requerir una consideración especial para evitar congelación del fluido al lado del tubo o la formación de hielo en la superficie exterior.El movimiento de grandes volúmenes de aire enfriado se logra por la rotación de las aspas del ventilador de grandes diámetros que giran a altas velocidades. Como resultado, se genera ruido debido a las turbulencias de aire y a la alta velocidad del ventilador.

Este enlace puede ser mecánico o metalúrgico en la naturaleza. Las uniones metalúrgicas son aquellas en las cuales una soldadura, aleación o galvanización recubre la aleta y el tubo liso o en el que la aleta está soldada al tubo. Las aletas son extruidas o mecanizadas desde la base del tubo y están, por lo tanto, integradas con el tubo, también se puede considerar que tiene un enlace de tipo metalúrgico. Mecánicamente los tubos unidos pueden ser de dos tipos. En primer lugar, los tubos incrustados o ranurados están formados por mecanización de una ranura helicoidal a lo largo de la longitud del tubo. La aleta está ubicada en la ranura y envuelta alrededor del tubo, después de lo cual el material del tubo se deforma en la base de la aleta, Este procedimiento mantiene la aleta en su lugar y en contacto con el tubo.

Mecánicamente los tubos unidos pueden ser obtenidos por esfuerzo mecánico del material de la aleta y/o el material del tubo para mantener la presión de dos elementos en contacto uno con el otro. Las llamadas aletas de tensión embobinadas están formadas por el material de la aleta embobinado bajo tensión en una forma helicoidal a lo largo de la longitud del tubo.

Este método tensiona el material de la aleta para mantener el contacto con el tubo. Los extremos de las aletas deben estar retenidos en su lugar para que las aletas no se aflojen. Esto podría ser realizado por medio de grapado, soldadura, o cualquier otra forma para que las aletas no se desenvuelvan.

Las aletas individuales pueden estar preformadas y se insertan sobre el tubo, después de lo cual la unión mecánica se puede obtener por contracción de las aletas en el tubo o por la expansión del tubo radialmente hacia fuera para hacer contacto por presión con el material de la aleta. Los medios para expandir el tubo pueden ser hidráulico por la presurización del tubo más allá de su punto de rendimiento; o puede ser de naturaleza mecánica, en la que una bola gran tamaño o varilla se empuja a través de la longitud del tubo, forzando el material del tubo hacia fuera contra la aleta.

Los tubos cuyas aletas están integradas con el tubo también pueden estar clasificadas como un tipo de unión mecánica, si un tubo de revestimiento se utiliza en el interior del tubo con aletas. Un tubo de revestimiento de otro material puede ser utilizado para la compatibilidad con el lado del tubo del fluido de proceso. El contacto entre los dos materiales podría estar formado por la expansión del tubo de revestimiento o dibujando el tubo con aletas exteriores hacia abajo a través del revestimiento. Las temperaturas de funcionamiento del intercambiador, incluyen condiciones irregulares o transitorias que pueden afectar el método de unión, el cual puede ser utilizado por los tubos con aletas. Con el propósito de mantener el rendimiento térmico de diseño, la unión entre la aleta y el tubo no debe deteriorarse debido a un aflojamiento de la aleta, que podría ser el resultado de la desigualdad térmica de los materiales del tubo y de la aleta. Con el fin de evitar esta degradación del rendimiento del tubo, los tubos mecánicamente unidos del tipo de tensión están normalmente limitados a temperaturas de 400 a600 K. Mecánicamente los tubos unidos están limitados a temperaturas por debajo del punto de fusión de la unión de aleación o a una temperatura, dependiente de las propiedades físicas de los materiales del tubo y de la aleta.

El ambiente de operación puede influenciar la elección de los materiales usados y la forma de la aleta. El aluminio es frecuentemente muy satisfactorio como un material de la aleta. aunque son también usadas las aletas de cobre, acero y acero inoxidable. La forma de la aleta puede ser de tipo

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de borde, tipo pie-L o diseño de doble pie-L. El tipo de borde se utiliza para los tubos de aletas estriadas, y en casos, donde la base del tubo no está sujeta a la corrosión.

La aleta pie-L cubre el tubo más o menos completamente para proteger la base del tubo contra el ataque corrosivo, pero aun deja un sitio potencial corrosivo en la base dela aleta adyacente a la aleta anterior. El pie doble-L está destinado a proporcionar una cobertura completa del tubo, donde la corrosión de otra forma sería un problema. Donde la corrosión es problemática, soldado o tubos galvanizados pueden ofrecer una solución. Las dimensiones de los tubos con aletas son el resultado de la experiencia adquirida en el diseño de intercambiadores de calor refrigerados por aire. Los rangos de diámetros de tubo van desde aproximadamente 1,905 cm (0,75 pulg.) a 5,08 cm (2,0 pulg.).

Las aletas envueltas helicoidalmente se fabrican de tal manera que la altura de la aleta pueda estar entre3/8 a 3/4 del diámetro del tubo, pero limitada a causa de las necesidades de fabricación a un máximo de alrededor de 2,54 cm (1,0 in.) de altura. Las separaciones de las aletas varían entre aproximadamente 275 y 450 aletas por metro de longitud del tubo, mientras que los espesores de las aletas oscilan desde 0,025 hasta 0,075 cm. Para determinados casos, estos parámetros pueden variar más.

Haz de tubos

Un arreglo típico de haz de tubos se ilustra en la Figura 2. Los tubos con aletas son montados en el haz de tubos. Los rangos de longitudes de los tubos oscilan desde aproximadamente 1,83 m de largohasta12,2 m de largo. El número de filas de tubos de profundidad en el haz es una función del rendimiento requerido y generalmente oscila entre 3 y 30. Los extremos delos tubos no están con aletas. Esto permite que los extremos de los tubos sean insertados en placas de tubos, situados en cada extremo del haz. Las placas de tubos separan el aire de enfriamiento en el lado de la aleta del fluido de proceso en el lado del tubo. Generalmente, los extremos del tubo están expandidos en los agujeros de los tubos en la placa de los tubos para formar la junta, aunque para aplicaciones de alta presión éstos pueden ser soldados juntos.

Las placas de tubos están unidos a los encabezados de los tubos laterales, que contienen el fluido del tubo lateral y lo distribuyen a los tubos. Las cabeceras pueden estar diseñados para permitir cualquier número de pasos por los tubos laterales para el fluido de proceso. Para haces de tubos de pasos múltiple, las cabeceras contienen placas de separación, que dividen el haz en pasos separados. Sin embargo, estos pueden estar limitados por las condiciones de temperatura de funcionamiento. Si hay una gran diferencia de temperatura por paso, a continuación, los tubos más calientes pueden expandirse longitudinalmente a un grado mucho mayor que los tubos en sucesivos pasos. Esto podría resultar en esfuerzo alto en la unión del tubo, dando lugar a fugas en la unión. Si la expansión diferencial entre pasos es excesiva, es necesario dividir los encabezados. El haz de tubos permite normalmente flotar de forma independiente de la estructura de soporte debido a la expansión global del haz.

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Figura 2. Haz de tubos típico (dos pasos) usando cabezales con tapones para tubos opuestos cada extremo del tubo. Clave: (1) tubo; (2) placa de tubos; (3) boquillas de entrada/salida; (4) respiradero (orificio); (5) desagüe; (6) tapones para tubos; (7) bastidor lateral; (8) paso entre costilla.

Las placas finales de los encabezados de los tubos laterales con frecuencia incluyen tapones extraíbles. Estos pueden ser tapones de tubería de derivación o roscas rectas con juntas selladas. El tapón se encuentra en frente de cada extremo del tubo para permitir el acceso de cada tubo para relaminado del tubo a la unión de la placa de tubos, deberían producirse fugas y para la limpieza de los tubos, si esto fuera necesario. Si los tubos están soldados en las placas de los tubos y las condiciones del fluido de proceso no están ensuciados, estos tapones no son necesarios.

Un método alternativo de proporcionar acceso a todos los tubos para la reparación y la limpieza es utilizar encabezados removibles. Estos diseños requieren juntas para evitar que el fluido del proceso se escape a la atmósfera, pero puede ser ventajoso para las altas condiciones de ensuciamiento de los tubos laterales. Los diseños especiales de cabecera se pueden proveer para altas condiciones de presión de los tubos laterales. Estos pueden ser cabeceras circulares con tubos individuales soldadosen el lugar o tipo de moldadura de cabeceras con pasos de flujo mecanizado en secciones gruesas de acero.

El haz de tubos está fabricado como una estructura rígida para ser manejado como un montaje individual. Los miembros estructurales de acero y los soportes de tubos se utilizan para este propósito. Tales soportes se utilizan debajo de la parte inferior de los tubos para evitar que el haz de flacidez; entre filas de tubos para mantener un espacio de tubo y evitar mallado o deformación de las aletas; y a través de la fila superior de los tubos para mantener los tubos en la posición correcta. Los soportes están espaciados uniformemente a lo largo de la longitud del haz a intervalos que no excedan de aproximadamente 1,5 m.

Los conjuntos de transmisión y ventilador

Se emplean ventiladores, que corresponden a las dimensiones del haz de tubos y los requisitos de desempeño para el intercambiador de calor. Normalmente, el diámetro del ventilador es aproximadamente igual a la anchura del haz, aunque diámetros más pequeños pueden ser utilizados. Para haces cuadrados, o casi cuadrados, se utiliza un ventilador. Para haces grandes rectangulares,

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un número de ventiladores que funcionan en paralelo pueden ser utilizados. Los ventiladores son de diseño de flujo axial, que mueven relativamente grandes volúmenes de aire a baja presión. A fin de minimizar la recirculación de aire y mejorar la eficiencia del ventilador, las aspas del ventilador están establecidos dentro del orificio de los anillos que proporcionan la holgura radial entre el anillo y las puntas de las aspas. El anillo tiene a menudo una forma contorneada para proporcionar una condición de entrada suave para el aire. Esto minimiza las turbulencias de aire en este punto, lo que también contribuye a reducir el ruido generado por el ventilador. 

Girar a altas velocidades, las paletas del ventilador deben estar balanceadas para asegurar que las fuerzas centrífugas no sean transmitidas a través del eje del ventilador a la unidad o a la estructura de soporte. Un aspa desbalanceada podría resultar en severas condiciones de vibración. Las aspas son frecuentemente hechas de aluminio, pero otros metales y plásticos también han sido utilizados. La consideración de la temperatura máxima de funcionamiento debe darse cuando se utilicen las aspas de plástico. Donde la corrosión es posible, las aspas pueden ser revestidas con epoxis u otro material protector adecuado. Los ventiladores de menor diámetro, hasta unos 1,5 o 2 metros de diámetro, pueden ser impulsadas por motores eléctricos. Los ventiladores de mayor diámetro suelen ser indirectamente impulsados por motores eléctricos o turbinas de vapor, utilizando cinturones-V o engranajes. Los impulsores de cinturones-V están frecuentemente limitados a diámetros de ventilador de aproximadamente 3 metros y los motores no exceden 30 hp.

Para grandes motores y ventiladores de mayor diámetro, se utilizan unidades de engranaje de ángulo recto. Los ventiladores impulsados indirectamente pueden ofrecer la ventaja de la variación dela velocidad, de tal modo que, como el enfriador de aire de calor varía de sapo, el volumen de aire de enfriamiento también puede ser variada. Las leyes del ventilador, que se refieren a la velocidad del rendimiento del ventilador muestran, que la reducción de velocidad también puede reducir el consumo de energía. El ventilador puede ser diseñado para flujo de aire forzado o inducido. En las instalaciones de flujo forzado, el ventilador sopla el aire ambiente a través del haz de tubos. Los ventiladores de tiro inducido extraen el aire a través del haz. Por lo tanto, las aspas del ventilador están en contacto con el aire caliente que sale del intercambiador de calor. Esta situación da una ventaja de poder para el diseño de tiro forzado.

La presión total del ventilador es la suma de la pérdida de presión estática del aire que fluye a través del haz de tubos, además de la velocidad de la presión de aire, moviéndose a través del ventilador. Las pérdidas de presión estática son del orden de 0,5 cm a 3 cm de medidor de agua, mientras que los ventiladores de velocidad generalmente están diseñados para una presión de aproximadamente 0.25 cm de medidor de agua. El caudal volumétrico del aire, para un determinado caudal de masa, es directamente proporcional a la temperatura absoluta del aire.

Las eficiencias del ventilador son típicamente alrededor del 65%, mientras que las eficiencias impulsadas son del 95% o más. Esta ventaja de potencia para diseños de tiro forzado generalmente provee un resultado más económico del intercambiador de calor. Dado que el ventilador está cerca del suelo, los costos estructurales pueden ser menos con el conjunto de accionamiento, situada a nivel del suelo. Sin embargo, los intercambiadores de calor refrigerados por aire de tiro inducido ofrecen la ventaja de una mejor distribución de aire a través del haz, debido a las bajas velocidades relativas de aire que se acercan a los tubos. Además, las velocidades de salida de aire de los intercambiadores de calor de tiro inducido son mucho mayores que un diseño de tiro forzado. Así, la posibilidad de recirculación de descarga de aire caliente es inferior a la de tiro inducido. Cuando el enfriamiento del fluido de proceso a una temperatura cercana a la temperatura de entrada del aire ambiente, esto puede ser de especial importancia.

En una aplicación típica de refrigeración por aire, el flujo de aire impulsor se utiliza para medios fríos, que fluyen a través de los bancos de los intercambiadores de calor. Como en muchos casos, hay una única fuente de aire, y, por lo tanto, el diseño de un intercambiador de calor afecta el otro banco en el

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intercambiador de calor. Un ejemplo típico es un aceite radiador/enfriador del paquete. Como el flujo de aire tiene que quitarle el calor del radiador y el enfriador de aceite, ambos deben estar diseñados de forma óptima para hacer el paquete más eficiente. Cualquier sobre diseño en cualquiera de las unidades, el radiador o el enfriador de aceite, afectarán negativamente el desempeño de los demás.

Figura 3. Perfil aerodinámico del impulsor axial de alta eficiencia.

Como se señaló anteriormente, el impulsor es un elemento central de cualquier intercambiador de calor refrigerado por aire. Para asegurar que el mejor rendimiento se obtenga y que el consumo de energía y los niveles de ruido sean tan bajos como sea posible, es importante que el impulsor correcto sea seleccionado. La figura 3 muestra un impulsor axial aerodinámico multialeta de alta eficiencia. Los impulsores axiales multialeta pueden usarse en casi cualquier aplicación.

Cámara impulsora de aire

La velocidad del aire, que fluye a través del ventilador puede ser tanto como 3 a 4 veces la velocidad a través de la cara del haz de tubos. Asimismo, el aire proviene de la forma circular del ventilador, que debe ser distribuida a través de la forma cuadrada o rectangular del haz. La cámara impulsora de aire está diseñada para realizar esta transición de velocidad y forma tal que la distribución del aire es uniforme a través del haz. Una práctica común es instalar el ventilador en una cámara, de tal forma que la distancia desde la primera fila del haz de tubos del ventilador es alrededor de la mitad del diámetro del ventilador.

El diseño de la cámara impulsora puede ser una simple forma de caja, formada por caras planas y bajas, o secciones de transición curvadas que pueden ser utilizadas para obtener una suave transición desde el haz rectangular al ventilador circular. Cualquier diseño puede ser utilizado para los intercambiadores de calor refrigerados por aire de tiro forzado o de tiro inducido.

Montaje estructural

El montaje estructural del intercambiador de calor enfriado por aire es fuertemente dependiente de las necesidades particulares del sitio de la planta del usuario. Deben tenerse en cuenta las cargas mecánicas en la estructura del intercambiador de calor, debido a su propio peso, por supuesto, pero otros cargamentos, como cargas de viento, cargas de impacto, boquillas de carga y las fuerzas sísmicas deben ser considerados. La presencia de equipos bajo los intercambiadores de calor refrigerados por aire puede necesitar diseños particulares. Las consideraciones de seguridad pueden ponerse con cercas o protectores del ventilador. Los factores ambientales podrían indicar la necesidad de rejillas, pantallas de granizo, u otros dispositivos de protección. Además, la ubicación física de los intercambiadores de calor puede requerir escaleras, plataformas, barandillas, jaulas de seguridad y otros artículos diversos, que el usuario requerirá.

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Configuraciones generales del intercambiador y aplicaciones

Como se ha descrito anteriormente, en el intercambiador refrigerado por aire un motor y el ensamblaje del ventilador conducen el aire ambiente a través de una serie de tubos para enfriar o condensar adentro los fluidos de proceso. Los tubos están típicamente ensamblados en una configuración en espiral. El aire no es costoso y abundante, pero es un medio de transferencia de calor relativamente pobre. Para aumentar las velocidades de transferencia de calor del sistema, los tubos en los intercambiadores refrigerados por aire tienen generalmente aletas, que extienden el área superficial, aumentan la transferencia de calor y les dan a esos sistemas el apodo de serpentines de tubo de aletas. Los intercambiadores refrigerados por aire se encuentran normalmente en aplicaciones, como calefacción y aire acondicionado, proceso de calentamiento y enfriamiento, equipos de proceso de enfriamiento de aire, energía y recuperación de disolvente, precalentamiento del aire de combustión, y recalentamiento del gas de combustión.

El diámetro y materiales, especificados para los tubos y aletas, dependen de las necesidades del sistema. Las aletas están comúnmente hechas de aluminio o cobre, pero pueden fabricarse de acero inoxidable o acero al carbono. Generalmente son tubos de cobre, pero puede hacerse con cualquier material, y varían en tamaño desde 5/8 a 1 pulg. de diámetro exterior. El diseño del intercambiador refrigerado por aire es tal, que las bobinas individuales pueden extraerse por separado para facilitar su limpieza y mantenimiento. Hay varias configuraciones de diseño comunes que están disponibles comercialmente. Cada una de ellas se describen brevemente a continuación.

Los intercambiadores con aletas soldadas de aluminio constan de placas corrugadas y aletas, que se agregan a un núcleo compuesto soldado para crear variación de aire y pasos de fluido. Este diseño compacto y ligero, es considerado la unidad disponible de enfriamiento con aire más rentable. La turbulencia creada en los canales de fluidos incrementa la eficiencia. Las aplicaciones típicas incluyen enfriamiento con aceite lubricante para equipos de energía, enfriamiento de fluidos para equipos hidráulicos y enfriamiento de caja de cambios de fluidos.

Los intercambiadores de placa-aleta de aluminio están construidas con tubería tradicional del intercambiador de calor. Las placas apiladas de aluminio extienden la superficie para maximizar la transferencia de calor del aire. Como el intercambiador con aleta-soldada, esta unidad se utiliza también para el enfriamiento del petróleo y el glicol, pero su mayor caudal expande sus capacidades. Construido a partir de componentes estándar, los intercambiadores de aletas de aluminio están diseñados con una construcción más sólida que sus homólogos de aletas soldadas. Las aplicaciones típicas incluyen enfriamiento de aceite, aire comprimido, agua con aire.

Los intercambiadores con tubos aletados constan de una aleta continúa envuelta espiralmente alrededor de una serie de tubos individuales. A menudo referido como "bobina de servicio pesado”, este intercambiador de aire tiene adjuntos tubos aletados que pueden construirse con los estándares ASME y API, o según las especificaciones del cliente. Suele utilizarse en aplicaciones de calentamiento de aire, la bobina de servicio pesado está disponible con diferentes variaciones de aleta, incluyendo aleta cónica, aleta pierna “V”, aleta de pierna sobrepuesta y la aleta incrustada, las cuales describen las geometrías en la interface del tubo aletado. El método de unión de la aleta al tubo es crítico, ya que el aflojamiento de esta unión puede impedir el intercambio de calor.

Las aplicaciones típicas incluyen aquellas que calientan el aire a alta presión o de vapor de alta temperatura, aplicaciones de calentamiento o enfriamiento con grandes flujos de líquidos, que no pueden tolerar la congelación de condensado - tales como aplicaciones de vapor y calentamiento de aire con agua caliente.

El intercambiador de calor de alambre fino

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Estos tipos de sistemas de intercambiador de calor son utilizados normalmente para el control de la climatización interior. En una superficie plana, uno tiene un coeficiente de transferencia de calor al aire alrededor de 20 W/m2K. En un alambre fino, digamos un cable de 0,1 mm, uno puede llegar a 300 W/m2K. Los alambres finos tienen el mismo costo por metro cuadrado como las superficies planas. Este tipo de intercambiador de calor enfriado por aire generalmente utiliza un ventilador de techo que puede calentar o enfriar el aire con sólo unos pocos grados °C. El intercambiador de calor de alambre fino consta de una tela tejida en bandas paralelas apiladas alrededor de un ventilador de giro lento tipo Sirocco. Este tipo de ventilador tiene espacio para aplicaciones de calefacción y refrigeración, mejora el coeficiente de rendimiento (COP) de las bombas de calor y hace posible el almacenamiento estacional en pequeña escala.

Vamos a estudiar la física de transferencia de calor con un alambre fino. Al hacerlo, un conjunto práctico de problemas es determinar el diámetro de cable óptima (100 μ) en la cual el costo/rendimiento del cable es mínimo, y vienen en una transferencia de calor del aire a la tela de alambre como una función de la velocidad del aire. El próximo paso sería tratar la caída de presión a través de la tela de alambre, y buscar la mejor velocidad de aire (0,4 m/s), en la cual la suma de las pérdidas de energía de bombeo y transferencia de calor es mínima. Con estos valores encontramos la caída de temperatura óptima (2,4°C) sobre el intercambiador de calor, minimizando el costo anual del intercambiador debido a la inversión y el costo de la pérdida de energía debido a la transferencia de calor. Una correlación ampliamente utilizada para la transferencia de calor a partir de un cilindro en un flujo perpendicular es:

Nu=0.57 xℜ0.5 x Pr0.33∧a=Nux 1/d

Cuando llenamos en h=1.85e-5 Pa x s; p=1,3 kg/m3, C=1010 J/kgK, α=0,025 W/mK para las constantes del material de aire a temperatura ambiente, esta correlación se convierte en a=3,2 x (v/d)0.5

Vemos que el coeficiente de transferencia de calor es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del diámetro del cable, lo cual es la razón para la elaboración de alambre fino de intercambiadores de calor después de todo. Con una velocidad del aire v de 0,5 m/s y un cable de 100 m, tenemos a=226 W/m2K, que es alrededor de diez veces el valor típico de intercambiadores de calor de placas planas al aire.Los alambres finos sólo pueden ser eficientemente incorporado en un dispositivo con la tecnología textil, como el tejido y, en el caso de transferencia de calor del aire al agua, uno tiene que tejer cobre en capilares finos cables de cobre. Esto conduce naturalmente a un paño donde en los capilares, los cables tienen una distancia igual a su diámetro, y en el cruce de cables en el punto intermedio entre los capilares, un cero de espaciado entre los capilares. Este paño, transfiriendo calor a la corriente de aire a través de ella, puede ser representada por dos filas de cilindros, espaciado 2 x d, en serie, perpendicular al flujo. Por metro cuadrado hay luego l/d cables, cada uno con la superficie p x d m2, por lo que el coeficiente de transferencia de calor relacionado con la superficie de la tela es a =p x 3.2 x (v/d) 0.5 = 10 x (v/d)0.5 W/m2 K.

El precio del kilogramo de alambre fino de cobre aumenta con la disminución del diámetro del alambre, debido al costo del trazado del alambre. Si Pc es el precio por kg de alambre de cobre, y la densidad del cobre es 8900 kg/m3, luego por metro cuadrado tela hay 1/d x p/4 x d2 x 8900 x Pc o 7e3 x d x Pc cobre florines neerlandeses. Por Unidad de coeficiente de transferencia de calor, 10 X (~/d)".W~ /m2-OK, hay 700 V- Xd1.5X'.~X P, nlg de cobre. Así que tenemos el diámetro de cable óptima económicamente, cuando el producto P e d ~~ ' -es mínima. Este es el caso con un cable de 100 mm de diámetro. Con este diámetro de cable óptima, calculó el coeficiente de transferencia de calor, relacionado con la tela, la superficie es de 1000 XV'.~ W/m*-'K.

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La siguiente correlación describe la caída de presión perpendicular al tubo de flujo de paquetes para re < 25xx-l/(x), donde x es la relación de separación del tubo al tubo de diámetro, v significa el promedio de velocidad de líquido sobre la superficie frontal del paquete, el paquete 1 - tubo de longitud en la dirección del flujo, y d) el diámetro del tubo. En nuestro caso, tenemos dos haces en serie con x=2 y con l/d =1 a una distancia de más de 2xd, y d=d= le-4 m, así que podemos escribir aquí para la caída de presión:

Soplando aire a través de la tela que hemos de utilizar la energía, o la energía eléctrica. Cuando el motor del ventilador de techo tiene una constante eficiencia de 6W,,,,, / 45 nosotros, y la caída de presión total, inclusive la aceleración plazo mediante el ventilador AP=6.6xv+0.5xv2, la superficie del intercambiador de calor es un, entonces necesitamos 45/6 x AP x una energía eléctrica para mover el aire.

Moviendo el aire más rápido, podemos aumentar la transferencia de calor y, por tanto, ahorrar energía mediante la reducción de la caída de la temperatura a través de la cual el calor fluye. Podemos expresar esta energía mediante el cálculo de la energía eléctrica, necesitamos de bomba de calor de aire exterior a una temperatura promedio durante una temporada de calefacción arbitraria de 4,8 "C para calentar el aire interior a una temperatura promedio de 17.3 "C.

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Por cada aumento de la temperatura delta de uno de los intercambiadores de calor por 1 "C, necesitamos un extra F, /(17.3-4.8)/ 8 cantidad de potencia eléctrica cuando el COP de una bomba de calor es 8. Cuando utilizamos la transferencia de calor y caída de presión ecuaciones en estas funciones por un intercambiador de calor de F = lkW, la suma de las pérdidas de energía es:

El valor de v, en la cual esta función tiene su valor mínimo, es de 0,21 m/s. En la práctica, la eficacia de una norma de una fase del motor del ventilador aumenta con su salida, y esto aumenta la velocidad del aire óptima alrededor de v = 0,4 m/s en un caso típico. Esta baja velocidad de aire óptima es la razón de que la superficie del intercambiador de calor debe ser desarrollado en un zigzag de moda para aumentar la velocidad de aire frontal a un valor aceptable de unos 2 nds, a fin de mantener el aparato en una forma compacta. Cuando llevamos a cabo v a ser de 0,4 m/s, nuestra superficie de tela se convierte en 1 kW

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Un ventilador con un diámetro de 60 cm y una velocidad de 100 RPM tendrá una capacidad de transferencia de calor lOOW/"C, necesita una potencia mecánica de 4W, tiene un nivel de ruido de 40 dB(A) y cuesta 180 euros. 

Utilizando este tipo de intercambiador de calor el ventilador, las habitaciones y los espacios de trabajo puede ser enfriado con agua de la tierra, que es sólo de unos 3 a 5 grados más frías que la temperatura deseada. Un fabricante líder europeo de estos tipos de sistemas es Fiwihex intercambiador de calor en los Países Bajos, donde el agua de la tierra es normalmente de unos 12 "C. Por lo tanto, uno de 100 W/"C Ventilador de techo puede enfriar una habitación a 20 C, con una potencia de (23-12) x 100 = 1.100 vatios. Se trata de la potencia (3750 BTU/hr) que un aire acondicionado portátil puede ofrecer. Como un ejemplo, cuando necesitamos este 100 W/"C = 8xDZxn0.8s,elect un ventilador con un D de 60 cm. La velocidad n se convierte entonces (2000/(20-12)/8/0.62)","0.8" = 84 rpm, la energía mecánica se convierte en 3 x lo5~ 0 .x6 84~3 = 2,3 vatios, y el nivel de ruido se convierte en 20 log 2.3 + 28 = 35 dBA. Este es un nivel de ruido que es tan bajo que nunca es alcanzado dentro de un entorno urbano. El ventilador y la bomba de circulación del agua utilizará unos 60W de electricidad, este tiene que ser comparado con 400W para un típico del acondicionador de aire.

Los intercambiadores de calor descritos son tan poderosas que la extracción de calor del aire exterior es ahora una posibilidad económica, cuando no hay tierra o agua superficial disponible. Un coeficiente de rendimiento de 6 es alcanzable como un medio a través de la temporada de calefacción Holandesa (temperatura interior 20 "C fuera 4.8 "C) según Fiwihex, con la siguiente configuración: 2 x 1000 W/"C-propano para los intercambiadores de calor con agua; 2x500 W/"C ventiladores y una tienda estándar mostrar compresor de refrigeración. La bomba de calor se detiene

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durante las horas pico de electricidad cuando el sistema de almacenamiento de calor se ha instalado. Cuando (tierra)el agua como una fuente de calor está disponible, la CP se eleva a 8. 

Tipo de carcasa y tubo de intercambiadores de calor

 Intercambiador tubular ManufacturersAssociation (TEMA)

El intercambiador Tubular ManufacturersAssociation, o tema, es un grupo de fabricantes líderes, quienes han sido pioneros en la investigación y el desarrollo de los intercambiadores de calor de más de cincuenta y cinco años. Fundado en 1939, el tema ha crecido hasta incluir a un grupo selecto de empresas miembros. Aunque puede ser fácil elegir un tema miembro como un proveedor, no es fácil para los fabricantes para convertirse en un miembro de tema. Compañías miembros deben cumplir rigurosos criterios para calificar para la membresía de tema, y son examinadas periódicamente por tema para asegurarse de que el fabricante cumple con los criterios de pertenencia, y diseños y los fabricantes de acuerdo a las normas en tema. Los miembros se adhieren a estrictas especificaciones. TEMA estándares y software han logrado aceptación mundial como la autoridad en materia de shell y un intercambiador de calor de tubo de diseño mecánico. Estas herramientas ofrecen a los ingenieros una valiosa ventaja cuando el diseño y la fabricación de todo tipo de intercambiadores de calor.

Siete ediciones de TEMA normas han sido publicadas, cada una sobre la actualización de la industria sobre las últimas novedades en tecnología. TEMA también ha desarrollado el software de ingeniería que complementa el tema de las normas en materia de Caparazón flexible elementos (juntas de expansión) análisis, análisis de vibraciones inducidas por el flujo y fijo tubesheet diseño y análisis. Este estado del arte software funciona en un PC IBM o compatible, y dispone de un banco de datos de materiales 38 materiales, así como fácil de usar, interactivo pantallas de entrada y salida. Los programas que manejan muchos cálculos complejos, por lo que los usuarios pueden centrarse en los resultados finales. Muchas empresas pueden fabricar equipos de transferencia de calor, pero no todos pueden garantizar su eficaz y segura, diseño y construcción de alta calidad. Es por eso que el tema del intercambiador de calor del sistema de registro fue instituido en 1994. Para el aseguramiento de la calidad, sólo hay que mirar para el tema de Matrícula adjunto al intercambiador de calor.

Cada placa incluye un único tema, número de registro. Incluso antes de que una sociedad pueda convertirse en un miembro del tema y participar en el sistema de registro, debe tener un mínimo de 5 años de servicio continuo en la fabricación, diseño y comercialización de intercambiadores de calor de tubos y coraza.

Todas las empresas deben tener en Tema en casa capacidades de diseño térmico y mecánico, y entender completamente los requisitos de código actual e iniciar estrictos procedimientos de control de calidad. Además, todas las soldaduras deben ser realizadas por personal de la propia empresa, y la empresa debe tener su propio control de calidad de los inspectores. Estos criterios garantizan el máximo nivel de experiencia técnica, lo que le da una ventaja significativa de miembros de tema al diseñar o fabricar intercambiadores de calor. La siguiente es una lista de fabricantes de tema. 

La 8ª edición ampliada considerablemente de las normas de la Asociación de Fabricantes de intercambiador Tubular conserva los datos útiles y características, que se encuentra en la séptima edición, además de muchas aclaraciones e innovaciones. Todas las secciones han sido revisados para incorporar datos nuevos, que no estaban disponibles en el momento de la impresión de 1988, incluidas las sugerencias, lo que dio lugar a la amplia utilización de las normas tanto por parte de los fabricantes y usuarios de intercambiadores de calor de tubos y coraza. Muchas recomendaciones útiles también fueron recibidos a través de la cooperación del Instituto Americano del Petróleo (API) y la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME). Algunas características notables de la octava edición incluyen: (a)

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Metrificación ha sido incluido cuando sea factible y apropiado; b) Métodos para calcular varios tipos de cabeza flotante se han añadido anillos de refuerzo; (c) un método para incorporar pasar partición área costal en la brida diseño ha sido incorporados; (d) La sección de vibración ha sido ampliado y amplitud de vibración para vórtice derramando y resonancia acústica se han agregado; (e) la boquilla de presión/temperatura de brida tablas de clasificación estándar ASME B16.5 - 1996 w/ 1998 adiciones están incluidos; (f) los nuevos materiales han sido incluidos en el coeficiente de expansión térmica, módulo de elasticidad, conductividad térmica y tablas; (g) Diseñar ecuaciones para duplicar las placas han sido añadidas; h) un método para Calcular el promedio de la temperatura de las placas de metal se ha agregado; (i) el estrés multiplicadores se han añadido a la cuenta de la rigidez de articulaciones embridado y flued juntas de expansión; (j) sugiere métodos de cálculo han sido incorporadas para ambos soportes verticales y horizontales; k) los métodos de diseño se han añadido por orejetas para izar; (1) una copia de demostración del software disponible es incluido con la compra de cada estándar.

El intercambiador Tubular Fabricantes ASOC ha establecido normas y nomenclatura del intercambiador de calor. Cada shell-y-tube dispositivo tiene una designación de tres letras; las letras se refieren al tipo específico de cabeza fija en el extremo delantero, el tipo de shell, y el tipo de cabeza trasera, respectivamente (una descripción totalmente ilustrado puede ser encontrada en el tema de estándares). TEMA común de las denominaciones se enumeran con configuraciones específicas descritas a continuación.

Configuraciones de carcasa y tubo

El depósito y el tubo intercambiador de calor consta de un shell, generalmente un cilindro circular, con un gran número de tubos, conectados a una placa de extremo y dispuestos en una moda donde dos fluidos pueden intercambiar calor sin los fluidos, entrar en contacto el uno con el otro. Los tipos más comunes de intercambiadores de calor configuraciones se ilustra en la figura 4.

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Figura 4. Shell común intercambiador de tubo y configuraciones.Hay muchos libros de texto que describen las relaciones fundamentales de transferencia de calor, pero pocos discuten el complicado las características del lado de la shell. En el lado de un shellshell y un intercambiador de calor de tubo, el líquido fluye a través de la parte exterior de los tubos en patrones complejos. Los deflectores se utilizan para dirigir el líquido a través del tubo y el paquete están diseñados y colocados estratégicamente para optimizar la transferencia de calor y minimizar la caída de presión.

Una medida de la complejidad de la predicción de transferencia de calor del lado de shell puede obtenerse teniendo en cuenta la trayectoria de flujo de fluido del lado de shell. El flujo está parcialmente perpendicular y parcialmente paralela a los tubos. Invierte la dirección mientras viaja alrededor de las puntas del deflector y el régimen de flujo está regulado por el tubo, el deflector de espaciado el espaciado y el caudal de fuga rutas. A lo largo de la vía del líquido, hay una serie de obstáculos y configuraciones, las cuales provocan altas velocidades localizada.

Estas altas velocidades se producen en las zonas de entrada y salida del paquete, en el deflector de windows, pase a través de carriles y en las cercanías de tirantes, que fijan los deflectores en la posición adecuada. En relación con esto, el shellside fluid generalmente tomará la ruta de menos resistencia y viajará a una velocidad mayorEn las zonas libres o by-passlanes, que mediante el paquete adecuado, donde los tubos están en un tono poco espaciados. Todos los factores considerados, parece una tarea formidable para predecir con precisión las características de transferencia de calor de una shell y el tubo intercambiador.

El problema se complica aún más por las tolerancias de fabricación o juegos que están especificados para permitir el montaje y desmontaje del intercambiador de calor. Es improbable que estos juegos se

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acumulan para el lado positivo o negativo, por lo que es habitual para calcular la transferencia de calor las relaciones sobre la base del promedio de los juegos.

Las diferentes trayectorias de flujo del fluido a través de la shell lado de un intercambiador de calor Deflector segmentaria se ilustra en la Figura 5, según el cual la carta de designaciones en la figura son las siguientes: a) Fuga corriente a través de los espacios entre los tubos anulares y los agujeros del deflector deflector de uno; (b) la corriente cruzada a través de la superficie de transferencia de calor entre el deflector sucesivos windows. Cabe señalar que esta corriente es de B, (una porción de fluido que pasa a través de la chapa deflectora windows) más porciones de un arroyo; (c) flujo de derivación en un lado del tubo del nido que fluye entre las sucesivas deflector windows; (D) corriente de fuga entre Shell y el borde de un deflector. El by-pass zona C entre el paquete y Shell se puede reducir utilizando tubos ficticia, asientos en tiras o bieletas con banda de sellado de deflectores.

Los tubos ficticia no pasan a través de la las placas, y se encuentra cerca de la parte interior de la concha. Los asientos se extienden desde tiras al deflector deflector en una dirección longitudinal y canalizar eficazmente el líquido a través de los tubos para minimizar la turbulencia y transferencia de calor. En algunos diseños tubesheet fijo, el exterior de los tubos están en estrecha proximidad a la parte interior de la shell para que by-pass es mínima y no eliminación de derivación es necesaria. Hay una serie de técnicas que pueden emplearse para reducir el flujo en las zonas A y E. tolerancias ajustadas a menudo son empleados y algunos fabricantes utilizan un collar perforado los agujeros donde el tubo deflector en el deflector tiene un pequeño collar de precisión que minimiza las holguras entre el tubo y el tubehole con el beneficio añadido de un buen soporte del tubo. A veces los deflectores están soldadas en la periferia del shell para eliminar completamente el by-pass. Cada una de estas técnicas es eficaz, pero se rigen por la compensación del aumento de eficiencia versus el coste añadido.

Intercambiadores de calor de tubos y coraza están diseñados generalmente con un cierto grado de conservadurismo, tanto desde los aspectos de diseño térmico y mecánico. Desde un punto de vista de diseño térmico, el conservadurismo surge de exceso de superficie para acomodar el ensuciamiento en servicio. Desde un punto de vista de diseño mecánico, diseñoLos procedimientos generalmente emplean las tensiones admisibles, que se basan en un factor de seguridad. Pero, aun así, intercambiadores de calor de tubos y coraza experimenta problemas en el servicio. Uno de estos problemas se refiere a la suciedad el tubo lateral o shell lado del intercambiador de calor.

El ensuciamiento es una acumulación de escala o la suciedad de la superficie del tubo, añadiendo así una resistencia a la transferencia de calor. Es muy difícil predecir con exactitud el grado de ensuciamiento durante un determinado período de servicio. Hay pocos resultados de pruebas documentadas sobre este tema y los resultados rara vez son aplicables porque el número de variables en un estudio de incrustaciones. Es, efectivamente, un afortunado usuario, que puede confiar en el rendimiento pasado de la misma o de equipos similares y especificar la cantidad apropiada de exceso de superficie necesaria para compensar la cantidad de suciedad. Para la mayoría de las aplicaciones, el grado de suciedad es estrictamente una estimación y la probabilidad es que el intercambiador de calor es inadecuada o a través de alisado. Una vez que los tubos están sucios, que puede ser mecánica o químicamente limpia.

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Figura 5. Ilustra la vía de fuga de los arroyos.

Generalmente, el lateral del tubo no plantea ningún problema particular y puede ser fácilmente tubos rectos cepillado de alambre. U-tubos son difíciles de limpiar mecánicamente y se utilizan generalmente, donde la suciedad se espera que sea mínimo. El lado de la carcasa del intercambiador de calor es más difícil de limpiar, especialmente para espaciados tipos escalonados de haces de tubos. Muchos usuarios especifican pitch tubo cuadrado o rectangular del arreglo y la construcción del paquete extraíble donde shell excesiva suciedad lateral es esperado.

Otro problema grave en los cambiadores de calor es la corrosión. Corrosión severa puede ocurrir en tubos, y muy a menudo con líquidos tales como agua común. Selección de material adecuado sobre la base de un análisis cabal de los líquidos de funcionamiento, velocidades y temperaturas es obligatoria. Muy a menudo, tubos de calibre más pesado está especificado para compensar los efectos de la corrosión, pero esto es sólo una solución parcial. Esto debe ser seguido por la correcta puesta en marcha, funcionamiento y procedimientos de desconexión. 

Muchos intercambiadores de calor utilizan el agua en el lado del tubo como medio de refrigeración y tubos de aleación de cobre compatible y aún experimenta problemas de corrosión. Invariablemente, esto puede deberse a alguna parte del ciclo, donde el agua se estancó o distribuido a muy baja velocidad. La mayoría de los problemas con intercambiadores de calor ocurren durante o poco después de la instalación inicial. Instalación incorrecta o desajuste puede crear tensiones excesivas en los soportes o las boquillas o causar daños en las juntas de expansión o empaquetadas juntas.

En el arranque inicial y apagar el intercambiador de calor puede ser sometido a daños de choque térmico, sobrepresión o martillo hidráulico. Esto puede llevar a escapes tubo a tubesheet juntas, juntas de expansión o embalaje dañado debido al exceso de las glándulas, expansión térmica axial de los tubos o shell. ExcesivoLado shell caudales durante el "shakedown" puede causar vibraciones en el tubo y fallos catastróficos, la Tabla 3 proporciona recomendó el arranque y parada de los procedimientos. Debe hacerse un esfuerzo para evitar someter a las unidades de choque térmico, sobrepresión, y/o martillo hidráulico, ya que estas condiciones pueden imponer subraya, que superen la resistencia mecánica de la unidad o el sistema en el que está instalado, lo que puede provocar fugas y/o daños en la unidad o el sistema entero.

Algunas consideraciones generales a tener en cuenta son: (1) en el arranque y el cierre de las operaciones, el fluido fluye debe regularse para  evitar thermal escandalosa la unidad, independientemente de si la unidad es de un medio extraíble o no extraíble tipo de construcción; (2) Para fijo tubesheet (i-e. no extraíble) unidades tipo paquete, donde el lado del tubo de líquido no se puede apagar, se recomienda que tanto el acuerdo de derivación se incorporarán en el sistema, y el

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lado del tubo de líquido debe ser neutralizadas antes de que el shellside fluid se apaga; (3) se debe extremar la precaución en unidades aisladas donde el fluido fluye están terminados y luego se reinició.

Ya que las piezas metálicas pueden permanecer en altas temperaturas durante largos períodos de tiempo, podría producirse un choque térmico severo. 

Tabla 3. General recomendada de inicio y apagado de los procedimientos.

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El shell y el diseño flexible del intercambiador de tubo de alta presión y alta temperatura, capacidades, y su capacidad para manejar altos niveles de material particulado que el intercambiador de calor más comunes utilizados en el IPC. Mecánicamente simple en diseño y relativamente inalterada durante más de 60 años, shell-y-tube ofrece un método de bajo costo de intercambio de calor para muchas operaciones de procesos. La mayoría de configuraciones de tubo shelland comunes se describen brevemente.

 Intercambiadores Fixed-Tubesheet Straight-Tube,

El intercambiador tubesheet fijo es el más común y generalmente tiene el menor coste por m2 de superficie de transferencia de calor. Intercambiadores tubesheet fijo constan de una serie de tubos rectos sellado entre planos, las placas de metal perforado.

Porque no hay ni bridas, ni comidas o  juntas selladas en el interior de la concha, los potenciales puntos de fuga se eliminan, con lo que el diseño adecuado para higherpressure/tóxicos potencialmente letales o servicio. Sin embargo, debido a que el haz de tubos no puede ser eliminado, la shellside del intercambiador (fuera de los tubos) sólo pueden ser limpiados por medios químicos.

Las superficies interiores de los tubos individuales pueden limpiarse mecánicamente, después de que el canal se han extraído las cubiertas. Fijo tubesheet intercambiador está limitado a las aplicaciones donde el líquido shellside es no-incrustantes; ensuciamiento líquidos deben ser canalizados a través de los tubos. TEMA común de las denominaciones para el tubo recto, intercambiadores furedtubesheet son BEM, AEM, NEN. Las aplicaciones comunes incluyen condensadores de vapor, intercambiadores líquido-líquido, reboilers y refrigeradores de gas.

Removable-Bundle sellados externamente, Intercambiador Floating-Head

Intercambiadores de cabeza flotante se llaman así porque tienen una tubesheet que es fija con respecto a la concha, y otro que está conectado a los tubos, pero no a la shell, por lo que se permite "flotar" dentro de la concha. A diferencia de fijo tubesheet diseños, cuyas dimensiones son fijos en una dimensión determinada con relación a la pared del depósito, intercambiadores de cabeza flotante

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son capaces de compensar la expansión y contracción del diferencial entre el depósito y los tubos. Desde todo el haz de tubos puede extraerse, el mantenimiento es fácil y relativamente barato. La superficie shellside pueden ser limpiados por el vapor o medios mecánicos. Además de dar cabida a la expansión diferencial entre los tubos y coraza, la flotación tubesheet mantiene   proceso tubesideshellside y líquidos de la mezcla. Aunque los sellados externamente, diseño de cabezal flotante es menos costoso que el pleno, interna- intercambiador de cabeza flotante, tiene algunas limitaciones de diseño: ambos líquidos tubesideshellside y debe ser no-volátil o no-tóxicos y los arreglos tubeside están limitadas a uno o dos pasos. Además, el embalaje utilizado en este intercambiador límites de temperatura y presión de diseño a 300 psig y 300 "F. TEMA común de las denominaciones son AEW y BEW. Las aplicaciones incluyen manejo de intercambiadores de inter- y refrigeradores posteriores, enfriadores de aceite y chaqueta de enfriadores de agua.

- Paquete extraíble, Internal-Clamp-Ring, Intercambiador Floating-Head

Este diseño es útil para aplicaciones donde la alta-incrustantes fluidos requieren inspección y limpieza frecuente. Porque el intercambiador permite la expansión térmica diferencial entre los tubos y coraza, que se ajusta fácilmente a grandes diferencias de temperatura entre el tubesideshellside y los líquidos. Este diseño tiene mayor versatilidad, sin embargo, desde multi-pass arreglos son posibles. Sin embargo, desde la cubierta, el anillo de la abrazadera, flotante y cabeza cubierta debe retirarse antes de que el haz de tubos puede extraerse, costes de servicio y mantenimiento son más elevados que en "tirar a través de diseños" (véase más adelante). TEMA común de las denominaciones son AES y BES. Las aplicaciones típicas incluyen condensadores de planta de proceso; inter- y diseños de postenfriador, enfriadores y calentadores de gas, y de propósito general intercambiadores de calor industrial.

Removable-Bundle, Outside-Packed, Intercambiador Floating-Head

Este diseño es muy adecuado para aplicaciones donde los líquidos corrosivos, gases o vapores son distribuidos a través de las trompas de Falopio, y por aire, gases o vapores en el shell. Su diseño también permite una fácil inspección, limpieza y sustitución de tubo, y dispone de grandes zonas de entrada del paquete sin necesidad de cúpulas o vapor de las correas. Sólo están expuestos a fluidos shellside embalaje, permitiendo a alta presión, volátiles, o líquidos tóxicos para ser utilizados en el interior de los tubos. El embalaje en la cabeza, sin embargo, limitar la presión de diseño y las temperaturas. TEMA común de las denominaciones son de BEP Y AEP. Las aplicaciones comunes incluyen refrigeradores de oxígeno líquidos tóxicos o volátiles, manipulación y procesamiento de gas.

Removable-Bundle, Pull-Through, intercambiadores Floating-Head

En el pull-through, diseño de cabezal flotante, la tapa de cabeza flotante está atornillado directamente al tubesheet flotantes. Esto permite que el paquete para ser quitado de la concha sin quitar la cáscara o cubiertas de la cabeza flotante, que facilita las tareas de inspección y mantenimiento. Esto es ideal para aplicaciones que requieren limpieza frecuente. Sin embargo, es uno de los diseños más caros. El diseño de pull-through acomoda un número menor de tubos en un determinado diámetro de shell, lo que ofrece una menor superficie de otro paquete de Intercambiadores extraíbles.

 TEMA común de las denominaciones son AET y apuesta, y las aplicaciones típicas incluyen manipulación intercambiadores de fluidos químicos, hidrocarburo fluido condensadores, compresores de aire o gas, e inter-y refrigeradores posteriores.

Removable-Bundle, intercambiadores de tubo en U

En el intercambiador de tubo en U, un haz de tubos anidados, cada doblada en una serie de forma concéntrica ESTRICTA U-formas, está conectado a una sola tubesheet, tal como se ilustra en la

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figura 7. Cada tubo se mueva libremente en relación a la shell, y uno en relación con el otro, así que el diseño es ideal para situaciones que alojar un gran diferencial entre las temperaturas y los  fluidostubesideshellside durante el servicio. Esa flexibilidad hace que el intercambiador de tubo en U es ideal para aplicaciones que son propensos a choques térmicos o servicio intermitente. Como con otros removable-bundle intercambiadores, el interior de la concha, y en el exterior de los tubos. Sin embargo, a diferencia del intercambiador de tubo recto, cuyo tubo interior puede limpiarse mecánicamente, no hay forma de acceder físicamente a la región Ubend dentro de cada tubo, de manera que los métodos químicos son necesarios para tubeside mantenimiento.

Figura 7. Diseño de tubo en U.

Como regla general, no ensuciando los líquidos deben enrutarse a través de las trompas de falopio, mientras que la suciedad los líquidos deben estar reservados para shellside deber. Este intercambiador barato permite pasar de tubos múltiples arreglos. Sin embargo, debido a que el tubo en U no puede hacerse sola pasada sobre la tubeside, verdadero flujo contracorriente no es posible. TEMA común de las denominaciones son BEU y AEU y las aplicaciones típicas incluyen el aceite de refrigeración, condensación, química y aplicaciones de calefacción a vapor.

Diseños especiales

Para aplicaciones con un alto flujo de vapor de alta presión y condiciones, un espacio especialmente diseñado shell-y-intercambiador de tubo a menudo deben ser empleadas. Los diseños especiales pueden también ser llamados cuando las aplicaciones tienen estrechos cruces de temperatura, lo que significa que la temperatura de salida del fluido calentado supera la del líquido refrigerado. 

Los siguientes son algunos ejemplos: TEMA proyectiles tipo K, que permiten obtener una adecuada separación de líquidos para reboilers; TEMA J-tipo conchas, que alojar flujos de vapor elevada permitiendo divide el flujo en el shellside; dos pass TEMA F-tipo conchas, que puede utilizarse para aplicaciones de temperatura existe cuando una cruz (abajo); TEMA D-tipo de cabeza delantero diseños, que a menudo son la respuesta para aplicaciones tubeside de alta presión.

Si bien estos intercambiadores especialmente diseñada puede ser la solución a un problema con el proceso, los costos de construcción tienden a ser más altos que los de la "norma" diseñado ella~l-y- equipos de tubo. TEMA común de las denominaciones incluyen BKU, BJM, BFM y DED. Intercambiadores especialmente diseñado se denominan a menudo en aplicaciones como  reboilers, calentadores de vapor, condensadores de vapor y  calentadores de agua.

Off-the-shelf intercambiadores

Tubesheet fijo y el tubo en U de shell e intercambiadores de tubo son los tipos más comunes de off-the-shelf intercambiadores de calor disponible. Tales modelos de stock son normalmente utilizados como componentes de condensadores de vapor, intercambiadores, líquido-líquido y gas reboilers refrigeradores. Estándar fijo tubesheet de unidades, el más común de shell y los intercambiadores de

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calor de tubo y varían en tamaño desde 2 a 8 mm de diám. Los materiales de construcción son de latón o cobre, acero al carbono y acero inoxidable. Aunque este intercambiador es uno de los menos costosos disponibles, todavía se construyen generalmente a las normas especificadas por el fabricante. Intercambiadores de stock puede ser construido en la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) códigos.

Intercambiadores de calor de tubo en U se usan comúnmente en aplicaciones de calefacción a vapor, o aplicaciones de calefacción y refrigeración que manejan fluidos químicos frente al agua. Mientras el tubo en U es generalmente el más bajo precio disponible intercambiador de calor, mayores costes de servicio y mantenimiento tienden a ser más altos que otros intercambiadores, desde los anidados, U-bend diseño hace difícil sustitución tubo individual. Intercambiadores de calor de diseño personalizado, aunque más caros que sus "off-the-shelf homólogos, son generalmente superiores a los estándares de diseño de intercambiadores de stock.Muchos fabricantes siguen el tema de las normas para el diseño, la fabricación y la selección de materiales. TEMA B es el tema más común denominación, y proporciona especificaciones de diseño para intercambiadores de servicio de proceso químico. 

TEMA C directrices proporcionan especificaciones para las unidades usadas en aplicaciones comerciales y del proceso general. TEMA R directrices proporcionan especificaciones de intercambiadores en el refinado de petróleo y las operaciones de proceso. Cada una de estas clases son aplicables a shell-e intercambiadores de calor de tubo con las siguientes limitaciones: (1) el diámetro de Shell no exceda de 60 in.; (2) la presión no supere los 3.000 psi; (3) El producto del diámetro (shell) veces la presión (psi) no supere los 60.000. Las normas establecidas por el American Petroleum Institute (API); Washington, DC; también son generalmente aceptados en toda la industria del intercambiador de calor. Estas normas API (614,660 y 661) especificar el diseño mecánico del intercambiador y lista de materiales específicos que pueden ser utilizados en la construcción de ambos agua y refrigerado por aire Intercambiadores. Mientras que hay ventajas significativas para la compra de un intercambiador de diseño personalizado que cumpla cualquiera de Tema o API pautas de fabricación, estas especificaciones añadir al coste del cambiador y puede ralentizar el tiempo de entrega.

Intercambiadores de calor de placas en espiral

Un intercambiador de placas en espiral está fabricado a partir de dos bandas relativamente largo de placa, que están separados y se enrollan alrededor de un centro abierto, dividido para formar un par de conductos en espiral concéntrica. Se mantiene la separación de forma uniforme a lo largo de la longitud de la espiral por espárragos de separador soldada a la placa.

En la mayoría de los servicios, tanto de los canales de flujo de líquido se cierran por soldadura canales alternos a ambos lados de la espiral de la placa (Figura 8). En algunas aplicaciones, uno de los canales se deja completamente abierto en ambos extremos y otra cerrada en ambos lados de la placa (Figura 9). Estos dos tipos de construcción evitar los líquidos de la mezcla.

Intercambiadores de placa en espiral son fabricados a partir de cualquier material que pueda ser trabajado en frío y soldada. Materiales utilizados habitualmente incluyen: carbo, acero, acero inoxidable, níquel y aleaciones de níquel, titanio, Hastelloys y aleaciones de cobre. Los recubrimientos de resina fenólica horneados se aplican a veces. Los electrodos pueden ser también la herida en la asamblea anodically proteger superficies contra la corrosión.

Intercambiadores de placa en espiral normalmente están diseñados para la máxima presión de cada pasaje. La máxima presión de diseño es de 150 psi, porque las vueltas de la espiral son de diámetro relativamente grande, cada vez debe contener la presión de diseño, y espesores de chapa son algo

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limitados. Para diámetros más pequeños, sin embargo, la presión de diseño, a veces puede ser mayor. Limitaciones de los materiales de construcción que rigen el diseño de las temperaturas.

Figura 8. Ambos son de flujo axial y en espiral.

Figura 9. Flujo en espiral en ambos canales.

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Figura 10. Flujo de combinación utiliza para condensar los vapores.

La espiral general puede estar equipado con cubiertas que proporcionan tres patrones de flujo: (1) ambos líquidos en espiral, (2) el flujo de un fluido en la espiral de flujo axial y el otro en el flujo a través de la espiral, y (3) un fluido en flujo en espiral y el otro en una combinación de flujo axial y espiral.

Para flujo en espiral en ambos canales, el espiral plano general incluye cubiertas en ambos lados (Figura 10). En este arreglo, el contador de flujo de fluidos generalmente en la actualidad, con el líquido frío entrando en la periferia y que fluye hacia el centro, y el líquido caliente entrando en el núcleo y que fluye hacia la periferia. Por este arreglo, el intercambiador puede montarse con el eje de la espiral horizontal o vertical. Esta disposición encuentra amplia aplicación en líquido-líquido, de servicio y de gases o vapores de condensación si los volúmenes no son demasiado grandes para el área de flujo máximo de 72 pulgadas cuadradas.

Espiral de flujo en un canal de flujo axial y en el otro, la espiral conjunto incluye cubiertas cónicas, cóncavas, cabezas o extensiones con cubiertas planas. En este arreglo, el pasaje de flujo axial está abierto en ambos lados y el canal de flujo en espiral está sellado por soldadura en ambos lados de la placa. Con este arreglo intercambiadores son adecuados para los servicios en los que existe una gran diferencia en los volúmenes de los dos fluidos. Esto incluye servicio de líquido-líquido, la calefacción o refrigeración de gases, la condensación de vapores o líquidos hirviendo. La fabricación puede brindar para pasada única o multipass en el lado de flujo axial. Este acuerdo puede ser montado con el eje de la espiral horizontal o vertical. Es usualmente verticales para la condensación o la ebullición. Combinación de flujo, una cubierta cónica distribuye el líquido axial a su paso (Figura 11). Parte de la Espiral abierto está cerrado en la parte superior, y al entrar en el fluido fluye sólo a través de la parte central de la Asamblea. Una cubierta plana en la parte inferior empuja el fluido espiralmente antes de salir del intercambiador. EsteTipo es el más utilizado a menudo para la condensación de vapores y se monta verticalmente. Flujo de vapores primer axialmente, hasta que el caudal se reduce suficientemente por condensación y subcooling final en una espiral de flujo.

Una modificación de la combinación de flujo es el condensador montado en la columna. Una extensión inferior está embridado a mate la brida de la columna. Vapor fluye hacia arriba a través de un tubo central de gran tamaño y luego axialmente a través de la espiral, donde se condensa. Subcooling puede conseguirse por caída de película o de refrigeración controlando el nivel de condensado en el canal. En este último caso, el flujo de ventilación hojas en espiral y el flujo sigue

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enfriándose. Condensador montado en la columna también pueden ser diseñados para funcionamiento corriente ascendente y permite la condensación caigan en un acumulador con una mínima cantidad de subcooling. 

Figura 11. Modificado el flujo de una combinación de diseño montado en la columna de dirección.

El siguiente cuadro resume algunas de las ventajas de estos diseños han a través de la shell-y-intercambiador de tubo, junto con el general desventajas:

Ventajas a través de intercambiadores de carcasa y tubo

1. Los conductos de flujo único lo hacen ideal para la refrigeración o calefacción fangos o lodos. Lechadas pueden ser procesados en la placa en espiral a velocidades tan bajas como 2 pies por segundo. Para algunos tamaños y presiones de diseño, la eliminación o minimización de los espárragos de separador habilitar este intercambiador para manejar los líquidos con un alto contenido de materiales fibrosos.

2. Distribución de fluidos es bueno porque el único conducto de flujo.

3. La espiral del intercambiador de placas se ensucian generalmente a tasas mucho más bajas que el shell-y-intercambiador de tubo debido al pasaje de flujo único y la curva de la ruta de flujo. Si el ensuciamiento ocurre, la espiral de la placa puede ser efectivamente limpiar químicamente por la única vía de flujo. Porque la espiral pueden fabricarse con idénticos para los dos conductos de flujo de fluidos, es utilizado por los servicios en los que el cambio de líquidos permite un líquido para eliminar la suciedad depositada por el otro. El ancho máximo de placa de seis pies yAlineación de espárragos de separador permite la espiral-placa para limpiarse fácilmente con agua a alta presión o de vapor.4. La espiral-placa está bien adaptada para el calentamiento o enfriamiento de fluidos viscosos porque su longitud a diámetro (L/D), la relación es menor que el de los tubos rectos o canales. En consecuencia, la transferencia de calor de flujo laminar es mucho mayor para las placas en espiral. Cuando la calefacción o refrigeración de un fluido viscoso, la espiral debe estar orientado con el eje horizontal. Con el eje en posición vertical, el fluido viscoso stratifies y la transferencia de calor se reduce tanto como 50 por ciento.

5. Con ambos líquidos fluyendo espiralmente, flujo contracorriente y largo pasaje longitudes permiten cerrar la temperatura se aproxima y un control preciso de la temperatura. Placas en espiral con

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frecuencia puede lograr la recuperación de calor en una sola unidad que requeriría varios Intercambiadores Tubulares en serie.

6. Placas en espiral evitar problemas asociados con la expansión térmica diferencial en noncyclic servicios.

7. En flujo axial, una gran zona de flujo ofrece una baja caída de presión y puede ser una especial ventaja a la hora de condensación bajo vacío o cuando se utiliza como un termossifão reboiler.

8. El intercambiador de placa en espiral es compacto: 2000 metros cuadrados de superficie de transferencia de calor puede ser obtenido en una unidad de 58 pulgadas de diámetro, con una placa de 72 pulgadas de ancho.

Inconvenientes

1. La máxima presión de diseño es de 150 psi, salvo para algunos tamaños limitados.

2. Reparaciones en el campo es difícil. Una fuga no debe ser conectado como en una concha y intercambiador de tubo. Sin embargo, la posibilidad de fuga es mucho menor en la placa en espiral porque está fabricada a partir de la placa que es generalmente mucho más gruesas que las paredes del tubo y subraya asociados con la expansión térmica son virtualmente eliminado. Si una placa en espiral necesita reparación, desmontaje de las cubiertas expone la mayoría de las soldaduras de la espiral general. Reparaciones en el interior de las placas son complicadas, sin embargo.

3. El intercambiador de placa en espiral a veces está impedido de servicio en el cual el ciclo térmico es frecuente. Cuando se utiliza en servicios de ciclismo, el diseño mecánico debe ser modificado para proporcionar las mayores tensiones vinculadas con servicios cíclica. Full-enfrentan las empaquetaduras de amianto comprimido no son aceptables en generalPara cíclica de servicios debido al crecimiento de la espiral de recortes de las placas de la Junta, lo que resulta en un exceso de líquido evitando y, en algunos casos, la erosión de la cubierta. Metal a metal juntas son generalmente necesario cuando se producen frecuentes ciclos térmicos es esperado.

4. La espiral del intercambiador de placas por lo general no deben utilizarse cuando un depósito duro se forma durante el funcionamiento, porque los espárragos de separador prevenir tales depósitos de ser fácilmente removido por limpieza mecánica. Cuando, como en el caso de algunas presiones, espárragos de separador puede omitirse, esta limitación no está presente.

Placa-y-frame intercambiadores

La placa y el bastidor del intercambiador de calor ha surgido como una alternativa viable a shelland intercambiadores de tubo para muchas aplicaciones a lo largo de las industrias de proceso químico. Dichas unidades están compuestas de una serie de placas, montado en un bastidor y sujetan juntos. El espacio entre las placas adyacentes de caudal en forma de canales, y el sistema está organizado de tal manera que los líquidos calientes y fríos entrar y salir a través de los canales de flujo en las cuatro esquinas, tal como se ilustra en la figura 12. Dentro del intercambiador, alternando el acuerdo de junta desvía los líquidos calientes y fríos de cada entrada en una secuencia alterna de los canales de flujo.

En este modelo, cada celda de medios de transferencia de calor está separado por una pared de metal fino, permitiendo que el calor para transferir fácilmente de un medio a otro. La placa-andframe altamente eficiente flujo contracorriente coeficientes de transferencia de calor se genera normalmente de tres a cinco veces mayor que la de otros tipos de intercambiadores de calor. Como resultado, un

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diseño más compacto, es posible para una determinada capacidad de intercambio de calor, en comparación con el de otras configuraciones del intercambiador. 

Figura 12. Placa-y-frame intercambiador.

En este diseño, un chevron o corrugado diseño espigado está presionado en cada placa por varias razones. En primer lugar, el patrón proporciona toda la resistencia y rigidez del intercambiador. También se extiende la superficie efectiva de placas y aumentar la turbulencia en el flujo de los canales. Juntos, estos efectos aumentar la transferencia de calor. En función de las aplicaciones, la selección de placas está optimizado para producir el menor número total de placas de canal. Porque las placas pueden ser fácilmente eliminados, costes de servicio y mantenimiento son generalmente más bajo que el de shell-e intercambiadores de tubo. 

Aunque la matrícula y bastidor en el intercambiador de calor puede utilizarse en casi cualquier aplicación, los criterios de selección siguientes deben conciliarse: (a) o presión de trabajo máxima está limitada a 300 psi; (b) los límites de temperatura y los líquidos deben ser compatibles con los materiales de junta (consulte la Tabla 4); c) los materiales de la placa debe ser compatible con el proceso de comunicación; d) los estrechos pasajes en el bastidor plateand puede causar altas caídas de presión, haciendo que el intercambiador incompatible con baja presión y alto volumen de aplicaciones de gas; e) las rápidas fluctuaciones en la presión de vapor y las temperaturas pueden ser perjudiciales para la vida de empaquetadura. Por esta razón, las aplicaciones que utilizan vapor favor shell-e intercambiadores de tubo; (f) en aplicaciones donde la media de proceso contienen partículas, o cuando las cantidades grandes de escala pueden ocurrir, debe prestarse cuidadosa atención al canal libre el espacio entre las placas adyacentes; (8) la placa y el diseño del bastidor es más adecuado para las aplicaciones con una gran cruz de temperatura o de temperatura pequeño enfoque. El enfoque es la diferencia de temperatura entre la temperatura de entrada del fluido frío y la temperatura de salida del fluido caliente. Ciertos diseños intercambiador funcionan mejor con temperaturas diferentes enfoques. Placa-y- bastidor intercambiadores, por ejemplo, funcionan bien en un enfoque muy cerca de la temperatura, del orden de la AF. Shell intercambiadores de tubo y, sin embargo, la temperatura más baja posible enfoque es 10-ME. En cuanto a la limpieza de los fluidos de proceso, shell e intercambiadores de tubo tienen diámetros de tubo que puede acomodar a una cierta cantidad de materia particulada sin obstrucción o suciedad. Placa-y-frame intercambiadores, sin

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embargo, han de estrechos callejones, haciéndolos más susceptibles a daños por precipitación de partículas o suciedad.

Hasta hace poco, una de las principales limitaciones de la placa y del intercambiador del bastidor era el método de encolado utilizado para fijar las juntas de las placas durante la construcción. El pegamento con frecuencia se aplica de manera desigual, lo que aumenta enormemente la probabilidad de fugas de fluido de proceso a través de la empaquetadura ranura de la placa y se mezcla con otros líquidos o escapen a la atmósfera. Con diseños más modernos, intercambiador de fabricantes ofrecen un nuevo sistema de empaquetadura sin pegar. La placa construction utiliza grapas y clavos para fijar las juntas para las placas. Este método elimina las irregularidades en la ranura de la junta y se traduce en un mejor sellado de la placa pack.

El nuevo  sistema sin pegar también reduce los costes de mantenimiento, ya que las placas se pueden limpiar o regasketed sin quitarlos de la trama. Sin embargo, para aplicaciones de alta suciedad, donde las placas se deben abrir, quitar y limpiar con frecuencia, el sistema de la junta pegada puede ser una mejor elección.

Tabla 4. Los materiales de junta de común.

Otros tipos de placa y bastidor intercambiadores de calor son de doble pared de intercambiadores de placas soldadas, intercambiadores de placas, una amplia brecha de intercambiadores de placa, y soldó la placa de intercambiadores. Cada tipo se describen brevemente a continuación.

Intercambiadores de placas Double-Wall

Otro avance reciente en la placa y el diseño del bastidor es la placa de pared doble intercambiador de calor, lo cual ofrece una mayor protección contra fallas de la junta. En tradicional de placa y bastidor intercambiadores, el proceso líquidos están contenidas por las juntas y las placas de metal delgado. En doble pared, dos intercambiadores de placas estándar se sueldan juntos en el puerto de los agujeros para formar un conjunto con un espacio de aire entre las placas. Cualquier líquido que gotea es, por lo tanto, permitió reunir en este espacio intersticial, en lugar de introducir un fluido adyacente pasadizo y contaminar los otros flujos de proceso. Las aplicaciones típicas incluyen calentadores de agua para uso doméstico, la refrigeración del aceite hidráulico, cualquier servicio donde la contaminación cruzada de fluidos de procesos no pueden ser toleradas.

Intercambiadores Welded-Plate

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En este diseño, el campo empaquetadura que normalmente contiene el fluido de proceso es sustituido por una junta soldada. Cuando las placas se sueldan juntos en la periferia, las fugas a la atmósfera está impedido, por lo que este diseño es adecuado para líquidos agresivos o peligrosos. Las Chapas Soldadas forman un compartimento cerrado o "cassette". Similar a gasketed diseños, alternando los canales de flujo son creados para desviar el flujo de fluidos calientes y fríos en los canales adyacentes. Líquidos agresivos pasan de una cinta a la siguiente mediante un elastómero o junta del anillo de teflón, mientras de fluidos no agresivos son contenidos por las juntas de elastómero estándar. El uso de las juntas soldadas puede reducir el total del área de la junta por el 90% sobre el agresivo-parte del fluido. Las aplicaciones típicas incluyen manipulación intercambiadores de vaporización y condensación refrigerantes corrosivos, disolventes y soluciones de aminas.Intercambiadores de placas Wide-Gap

En comparación con el tradicional de placa y bastidor intercambiadores, este diseño se basa en un patrón de chevron corrugado más libremente, lo que proporciona una excepcional resistencia a la suciedad. Las placas están diseñadas con pocos, si alguno, los puntos de contacto entre las placas adyacentes para atrapar fibras o sólidos. Algunos estilos de este intercambiador utilicewidegap placas en el proceso convencional y chevron patrones en el lado de agua, para mejorar la transferencia de calor. Las aplicaciones típicas incluyen los intercambiadores de agua blanca de manipulación en la fábrica de pulpa y papel, y diversas operaciones de lechadas.

Suelda- intercambiadores PIate

Esto representa uno de los últimos adelantos tecnológicos en intercambiadores de calor de placas - las juntas de elastómero que encontramos en la mayoría de los intercambiadores de placa son reemplazados con un conjunto soldado, que reduce la posibilidad de fugas. Las placas de transferencia de calor, que sólo están disponibles en acero inoxidable tipo 316, se soldó juntos utilizando un material de soldadura de cobre o níquel. Estos intercambiadores son construidos para fabricantes y estándares no son a menudo se ofrecen como elementos de existencias. Los Intercambiadores de placas soldadas son típicamente ASME calificaron a 450 psi. Temperaturas nominales varían de 375°F para la soldadura de cobre a 500°F para la soldadura de níquel. Como con otros intercambiadores de placa y bastidor, altos índices de transferencia de calor se traducen en diseños compactos.

Las aplicaciones típicas incluyen las unidades que se vaporizan y condensan los refrigerantes, procesar aplicaciones que requieren altas aleaciones, aplicaciones de recuperación de calor, intercambiadores de salmuera, las aplicaciones que implican el amoníaco líquido, soluciones de cloro, alcoholes o ácidos.

Ruptura del tubo intercambiador de calor

 La ruptura de un tubo en una shell y un intercambiador de calor de tubo es una preocupación de seguridad cuando existe una importante diferencia de presión entre el depósito y el tubo lados, especialmente cuando el lado de baja presión está llena de líquido. En el caso de rotura de un tubo en un intercambiador, el líquido a alta presión fluye a través de la ruptura del tubo y puede rápidamente la sobrepresión del lado de baja presión del intercambiador. Un típico ejemplo de la refinería se encuentra en una unidad de hydroprocessing donde puede haber efluente del reactor en el lado de alta presión y agua de refrigeración o de hidrocarburos líquidos en el lado de baja presión. Mediante la simulación dinámica para incluir la inercia del fluido y la ampliación del intercambiador de shell, picos de presión asociados con diferentes diseños de intercambiadorPuede ser determinada. 

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La simulación dinámica se convierta en una valiosa herramienta para determinar el tamaño y la ubicación del dispositivo de alivio o en configuración de diseño mecánico del intercambiador de calor que minimiza estos efectos. Simulación dinámica también puede guardar una cara sustitución durante una modernización si un diseño de intercambiador de calor existente puede ser demostrado ser adecuada para el caso de ruptura del tubo, aunque es posible que no cumpla la regla de los dos tercios. La simulación dinámica es una herramienta de diseño de ingeniería de procesos que predice cómo un proceso y sus controles responden a diversos trastornos como una función de tiempo. Simulación dinámica pueden ser utilizados para evaluar las configuraciones de equipos y sistemas de control y determinar la fiabilidad y seguridad de un diseño antes de capital está comprometido con el proyecto. De organizaciones populares y replantear proyectos, simulación dinámica puede utilizarse para evaluar con exactitud las condiciones transitorias que determinan el diseño del proceso de temperaturas y presiones. En muchos casos, los gastos de capital innecesarios pueden evitarse mediante la simulación dinámica.

Durante el diseño del proceso de simulación dinámica conduce a beneficios durante la instalación. Campo costosos cambios de impacto que programar a menudo puede ser minimizado si el equipo y el sistema de control es validado mediante la simulación dinámica. Las secuencias de inicio y apagado puede probarse usando simulación dinámica. Simulación dinámica también proporciona los parámetros de ajuste del controlador para su uso durante el inicio. En muchos casos, precisa la configuración de la controladora puede evitar costosas paradas y acelerar el inicio de la planta.

Modelos de simulación dinámica para el diseño de proceso no se basan en las funciones de transferencia que se encuentran normalmente en los simuladores de entrenamiento de operador, sino sobre los principios de la ingeniería física real y las ecuaciones que gobiernan el proceso. Cuando se utiliza para el diseño de procesos, modelos de simulación dinámica incluyen: a) equipo de modelos que incluyen la masa y la energía de los saldos de inventario diferencial; (b) la termodinámica riguroso basado en correlaciones de propiedad, las ecuaciones de estado y tablas de vapor; real de tuberías, válvulas, bandeja de destilación y equipos hidráulicos, incompresible compresible y flujo crítico; (c) los modelos de controlador detallado para duplicar modernos sistemas de control distribuido (DCS) .Estos modelos son tan detalladas que los resultados pueden influir en las decisiones de diseño de ingeniería y garantizar una predicción realista del proceso y el sistema de control para evaluar la interacción del sistema de control de estabilidad.

Cuando la simulación dinámica se utiliza para equipos de proceso y seguridad del proceso de diseño, es necesario asegurar que los supuestos del modelo son conservadoras. Por ejemplo, si la simulación dinámica se utiliza para calcular el aumento de presión en un intercambiador de calor después de una rotura de tubo, la mayor presión calculada puede ser utilizada como la presión de diseño. Si todos los supuestos son conservadores, el intercambiador de calor realLa presión no exceda la presión de diseño durante la ruptura de un tubo. A pesar de este enfoque conservador, diseño de equipos condiciones calculadas mediante la simulación dinámica suelen ser mucho menos severas que las condiciones determinadas por métodos de cálculo convencionales. Esto conduce a menudo a un considerable ahorro de costes.

Software de simulación dinámica debe admitir la adición de código escrito por el usuario de equipo especializado y el sistema de control de los modelos. Por ejemplo, un diseño de bandeja fractionator inusual o una correlación de un coeficiente de transferencia de calor de diseño pueden tener que ser programado en un modelo escrito por el usuario. La simulación dinámica de la "primera de una especie" de plantas, a menudo requiere el desarrollo de un modelo dinámico para un nuevo equipo. Un sistema de control DCS del proveedor del algoritmo puede también deben programarse en un modelo de controlador PID personalizados. Los usuarios pueden necesitar para agregar sus propios sistemas de propiedad líquido para aumentar la eficiencia computacional y manejar sistemas inusuales. Los modelos de "caja negra" son demasiado restrictivas para proporcionar modelos realistas para la mayoría de problemas de simulación dinámica.

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Durante el proceso de diseño, la mayor oportunidad para beneficiarse de la simulación dinámica es después de una adecuada información de diseño está disponible para desarrollar el modelo, pero lo suficientemente temprano como para los resultados de la simulación pueden ser incorporados en el diseño. Simulación dinámica requiere información de diseño detallada como los volúmenes del sistema, la válvula de control de CVS, y áreas de superficie de transferencia de calor. Sin embargo, una vez que se dispone de datos de este diseño, a menudo poco tiempo existe para completar el modelo dinámico antes del diseño del proceso es fijo y el equipo debe adquirirse. Por esta razón, la simulación dinámica se realiza bajo los requisitos de tiempo muy exigente. Es esencial que los objetivos de modelado sea clara y comprensible y que el modelo contiene sólo aquellas características que son necesarias para responder a las preguntas clave del diseño.

Simulaciones eficaz debe ser desarrollada y ejecutada por los ingenieros de proceso de simulación que son conscientes de los objetivos, las capacidades, las limitaciones y las necesidades de los ingenieros de diseño responsable de diseño detallado del sistema. La simulación dinámica debe realizarse en la misma ubicación física como el proceso de trabajo de diseño para proporcionar un mejor acceso a los datos de diseño y el diario de la oportunidad para discutir problemas y soluciones con los ingenieros de diseño. Esta sinergia produce un modelo que aborda cuestiones fundamentales de diseño y proporciona resultados que pueden ser incorporadas en el diseño temprano en la programación del proyecto.

Las aplicaciones incluyen la simulación dinámica típica galleta hydrohydrotreaterdepressuring análisis, destilación Columna de fraccionamiento de alivio, reducción de la carga de rotura del tubo intercambiador de calor análisis transitorio, la producción de vapor de la refinería y de análisis para el control del sistema de distribución, análisis de control de bombeo del compresor, diseños de línea de transferencia de la unidad de vacío en estado estacionario, criogénicos depressuring estudios y destilación/análisis de control de la columna de fraccionamiento. Además de estas aplicaciones típicas, la simulación dinámica se puede aplicar a "primera de una especie" de las plantas. Estas plantas son especialmente propensos a imprevistos del sistema de control de procesos y las interacciones durante las condiciones transitorias. Simulación dinámica puede resaltar estos problemas temprano en la fase de diseño para evitar costosas modificaciones post-inicio.

La ruptura de un tubo análisis transitorio es una simulación dinámica de una cáscara-y-tubo intercambiador de calor cuando existe una diferencia significativa entre el depósito y el tubo lateral sidedesign presiones, especialmente cuando el lado de baja presión está llena de líquido. 

Cuando un tubo se rompe, el fluido a alta presión fluye a través de la ruptura del tubo y puede rápidamente la sobrepresión del intercambiador en el lado de presión baja. Muchos intercambiadores de calor en refinería hydroprocessing unidades tienen 100 a 200 bar (1500 a 3000 psig) del efluente del reactor o reciclaje de gas en el tubo lateral con 3.5 barg (50 psig).En el depósito de agua de refrigeración. Para estos intercambiadores de calor como estos, API recomienda la simulación dinámica de la rotura del tubo. Es obligatorio en muchos refinadores de prácticas de diseño".

Si un tubo se rompe, la presión sobre el intercambiador en el lado de presión baja puede llegar a un nivel que excede la presión pronosticó un análisis en estado estable. Este incremento se debe a la acumulación de presión antes de que el fluido se acelera de la shell y/o antes de que el dispositivo de alivio se abre completamente.

Los modelos de simulación dinámica incluir líquidos de inercia y de compresibilidad y intercambiador de expansión de shell para determinar los picos de presión asociados con diferentes diseños de intercambiador. Por lo tanto, la simulación dinámica se convierta en una valiosa herramienta para

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determinar el tamaño y la ubicación de los dispositivos de alivio, o el intercambiador de calor del diseño mecánico necesario para impedir el exceso de presurización durante una rotura de tubo. En muchos casos, la simulación dinámica puede guardar una cara del intercambiador de calor de repuesto durante una modernización si el intercambiador existente puede ser rerated para el caso de rotura del tubo.

La práctica recomendada API (por API RP-521), observa que el fallo del tubo debe ser considerado como un posible escenario de socorro. La ruptura de un tubo análisis transitorio se recomienda para intercambiadores de calor donde el lado de baja presión no está diseñado para dos tercios de la presión de diseño del lado de alta presión o en el lado de alta presión, la presión de funcionamiento es superior a 69 bar (1000 psig). Intercambiadores de calor cuyo el lado de baja presión está diseñado para dos tercios del lado de alta presión no requieren análisis de ruptura del tubo a menos que la presión de funcionamiento es superior a 69 barg. La asunción subyacente de esta práctica es que un intercambiador diseñado por dos tercios del lado de alta presión pueden ser bloqueados en después de la ruptura de un tubo y la presión no exceda la presión de prueba hidrostática del intercambiador (buques y los intercambiadores de calor están hydro probado en un mínimo del 150% de la presión de diseño).

Los siguientes deben ser consideradas con la regla de los dos tercios: La ruptura de un tubo análisis transitorio se recomienda si el lado de alta presión de funcionamiento es superior a 1000 psig (69 barg), incluso si el intercambiador está diseñado para la regla de los dos tercios.

Si un intercambiador de calor diseñado para la regla de los dos tercios se bloquea después de la ruptura de un tubo, la presión en el lado de baja presión puede elevarse hasta que el líquido a alta presión y todavía no exceda la presión de prueba hidrostática del lado de baja presión. Sin embargo, tuberías de entrada y salida hasta e incluyendo las válvulas de aislamiento también debe ser diseñado para la regla de los dos tercios si el intercambiador será bloqueado.

Diseño de intercambiadores de calor para la regla de los dos tercios se hizo común a principios de la década de 1980. Antes de entonces, intercambiadores de calor rara vez fueron diseñados para que el tubo se rompe. Por consiguiente, muchas unidades de la refinería de más de 15 años de edad contienen los intercambiadores de calor y tuberías que no cumplan la regla de los dos tercios. Muchas refinerías están ahora evaluando sistemáticamente estos viejos intercambiadores de tubo para roturas debido al mandato de OSHA HAZOP Análisis.

Una ruptura del tubo del intercambiador de calor se produce en dos fases: Fase 1: El tubo se rompe y el fluido a alta presión desplaza el líquido de baja presión en el lado de baja presión del intercambiador. El fluido a alta presión no fluye a través de la conexión de la tubería de baja presión. Etapa 2: El fluido a alta presión fluye a través de la tubería de baja presión. La etapa 2 consta de plenamente desarrollados, a menudo dos fases de flujo de baja presión y de alta presión de líquido a través del intercambiador de calor de tuberías de aguas abajo. Etapa 1 puede durar menos de un segundo a varios segundos. Se caracteriza por una muy rápida transitoria y un pico de presión inmediatamente después de la ruptura del tubo. Después de que el lado de baja presión se llena con fluido a alta presión, la transición a la fase 2 ocurre y el fluido a alta presión comienza a fluir hacia abajo. La fase 2 dura indefinidamente el fluido a alta presión es suspendido. Cambiador generalmente disminuye la presión en la etapa 2, ya que la densidad del líquido de salida normalmente es sustancialmente menor. La simulación dinámica generalmente sólo intenta modelar la etapa 1. La transición a la etapa 2 y la etapa 2 en sí, generalmente no son simulados en el análisis transitorio.

Consideraciones de diseño de proceso deben ser examinados por los ingenieros de diseño cuando el diseño de intercambiadores de calor para la etapa 1 la ruptura del tubo efectos transitorios, que incluye lo siguiente:

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Para revamps, intercambiadores con el líquido de baja presión en el lado del tubo puede a veces ser re-clasificado para la regla de los dos tercios sin ningún equipo rediseño. Sin embargo, las tuberías de entrada y salida hasta e incluyendo las válvulas de aislamiento también pueden necesitar ser re-clasificado o rediseñado para la regla de los dos tercios.

La presión de diseño de un intercambiador de calor y otros equipos y tubería puede ser excedido durante una ruptura de un tubo intercambiador adyacentes si funciona a alta presión.

Cuando el líquido de baja presión se encuentra en el lado de shell, es posible proteger el intercambiador con un dispositivo de alivio en las tuberías de entrada o de salida. Sin embargo, cuando el líquido a baja presión es un lateral del tubo de líquido, evitando un significativo aumento de presión en el intercambiador de calor de volúmenes de canal es muy difícil. Un dispositivo de alivio en las tuberías de entrada y salida no pueden proteger el intercambiador porque el dispositivo de descarga no se abre antes de que la presión de diseño de canales' se ha superado.

Un bolsillo de vapor del intercambiador en el lado de baja presión puede crear un cojín que puede disminuir enormemente la intensidad de la presión transitoria. Un análisis transitorio puede no ser necesaria si un número suficiente de lado de baja presión de vapor (aunque existe la ruptura del tubo aún debe ser considerado como un posible escenario de socorro). Sin embargo, si el líquido de baja presión es líquido de un separador que tiene una pequeña cantidad de vapor de parpadeo a través de una válvula de control de nivel de bolsillo, el vapor puede colapsar después de la presión del líquido ha superado el punto de burbujas. La burbuja punto estará en la presión del separador. Análisis transitorio pueda predecir un aumento gradual de la presión hasta que la presión alcance el punto de burbujas, entonces, la presión aumentará rápidamente. En este caso, un análisis transitorio debe ser considerado.

En un modelo de ruptura del tubo (ver API RP-521), el líquido de baja presión  en el lado de shell. Una instantánea de la ruptura de un solo tubo se supone que ocurren en la hoja del tubo. Un modelo de API calcula el caudal a través del tubo y el orificio de la hoja a través de un tubo largo del tubo opuesto channel. Si el lado de baja presión en el lado del tubo, entonces el modelo debe calcular el caudal a través del tubo corto irrumpir en un tubo de canal, y a lo largo de la longitud del tubo al tubo opuesto channel. El modelo debe ser capaz de calcular fundamental o flujo subcrítico y la transición de uno a otro.

El fluido a alta presión fluye a la shell de baja presión (tubo o canal si el líquido es de baja presión en el lado del tubo). El volumen de baja presión está representado por las ecuaciones diferenciales que determinan la acumulación de fluidos a alta presión dentro del canal o tubo de shell. El modelo determina la presión dentro del tubo de shell (o canal) basado en la acumulación de líquido a alta presión y baja presión restante de líquido. Los alrededores del sistema de baja presión modelo simula la relación presión/flujo de la misma manera usada en el análisis de un martillo de agua, baja presión acumulación de líquido, el líquido del tubo de compresibilidad y expansión son representados por símbolos de segmento del tubo. Si una válvula de alivio está presente, el modelo debe incluir la fuerza del resorte y el disco inercia.

Para resumir, la ruptura de un tubo en una shell y un intercambiador de calor de tubo es una preocupación de seguridad cuando existe una importante diferencia de presión entre el depósito y el tubo lados, especialmente cuando el lado de baja presión está llena de líquido. En el caso de rotura de un tubo en un intercambiador, el líquido a alta presión fluye a través de la ruptura del tubo y puede rápidamente la sobrepresión del lado de baja presión del intercambiador. La guía de la API y sistemas Depressuring Pressure-Relieving (RP-521, cuarta edición, marzo de 1997) establece las siguientes pautas:

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Alivio de presión no es necesaria cuando el intercambiador de calor, aguas arriba y aguas abajo las tuberías y equipos, está diseñado para dos tercios de la presión de diseño del lado de alta presión (sección 3.18.2).

Análisis transitorio (simulación dinámica) se recomienda cuando existe una gran diferencia en la presión entre los dos lados del intercambiador, especialmente en el lado de baja presión está llena de líquido (sección 3.18.3).

La primera orientación se refiere a menudo como la "norma de dos tercios". La base de esta regla es que si el lado de baja presión está diseñado para dos tercios de la presión de diseño del lado de alta presión, la presión hydrotest intercambiador no será superado debido a una rotura de tubo.

La edición 1997 de la API RP 521 extiende la regla de los dos tercios para incluir el sistema anterior y posterior. Como mínimo, las tuberías de entrada y salida hasta e incluyendo las válvulas de aislamiento deberá estar diseñado para la regla de los dos tercios para poder bloquear en el intercambiador. Si el equipo anterior y posterior no está diseñado para la regla de los dos tercios, dispositivos de alivio puede ser requerida tanto en las tuberías de entrada y salida para proteger las tuberías y los equipos contiguos.

API RP-521 recomienda análisis transitorio para intercambiadores con amplia diferencia en presión de diseño (como los casos en que la regla de los dos tercios no fue aplicada) porque la presión en el lado de baja presión del intercambiador pueden aumentar a un nivel que excede la presión predicha por el análisis de un estado estable cuando está lleno de líquido. Este aumento de presión es debido a la acumulación de presión antes de que el líquido es acelerado del lado de baja presión y/o antes de que el dispositivo de alivio se abre completamente. API RP-521 recomienda que la base de la ruptura del tubo sería una abrupta interrupción de un único tubo. La experiencia ha demostrado que la refinería fallos del tubo puede oscilar de escapes lentos para los casos en que se han roto varios tubos simultáneamente.

Por el 1997 API RP-521, ruptura del tubo ya no debe ser considerada para intercambiadores diseñados para la regla de los dos tercios cuando el lado de presión alta presión de diseño es de más de 1000 psi (69 bar). En la anterior API RP-521 edition, ruptura del tubo debe ser considerado para todos los intercambiadores donde el lado de alta presiónPresión de diseño fue más de 1000 psig incluso si el intercambiador fue diseñado para la regla de los dos tercios. Muchos grandes refinadores tienen prácticas de diseño (ej. Gemas de Texaco y Exxon) que siga de cerca la API directrices y requieren análisis transitorio para determinados casos de ruptura del tubo.

Fluor Daniel tiene la capacidad de realizar una ruptura del tubo intercambiador de calor análisis transitorio coherente con el método mencionado en la RP-521 ("transitoria modelo para predecir las consecuencias de una ruptura del tubo del intercambiador de calor, " por sumaria et al.). Esta metodología supone efectos tales como la inercia del líquido de baja presión, la compresibilidad de los líquidos, la expansión de la shell o tubo intercambiador de canales, y la dinámica de la válvula de alivio. Simulación dinámica puede utilizarse para cumplir los siguientes objetivos:

Determinar las condiciones de diseño de intercambiador de calor para evitar un exceso de presurización durante la ruptura del tubo. Muchas refinerías contienen unidades con intercambiadores de calor que no fueron diseñados para la regla de los dos tercios. Estos intercambiadores son a menudo víctimas de sustitución tras un HAZOP (Hazard operabilidad) examen o durante una modernización. En estas circunstancias, la simulación dinámica a menudo puede salvar un costoso reemplazo si el intercambiador de calor intercambiador existente puede ser rerated para el caso de rotura del tubo.

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Determinar el tamaño y la ubicación de los dispositivos de alivio requerido para proteger un intercambiador de sobrepresión durante una rotura de tubo.

Investigar el efecto de un aumento de presión en los equipos contiguos por la edición 1997 de la API RP-521. La presión de diseño de tuberías y equipos adyacentes pueden ser excedido durante la ruptura de un tubo. Esto es de especial preocupación en las redes de suministro de agua de refrigeración. Simulación dinámica puede evaluar el impacto de la ruptura de un tubo en el equipo adyacente e identificar medidas correctivas.

Fluor Daniel informó del siguiente análisis de ruptura del tubo para un hidrotreater efluentes de alimentación/intercambiador de calor para una refinería del sur de California. El análisis se inició como una unidad modernizar resultó en el lado de baja presión del intercambiador está completamente lleno de líquido. En el diseño original, el lado de baja presión del intercambiador se llenó con una mezcla de vapor y líquido. La ruptura de un tubo podría ser mucho más grave para el replantear el diseño. El tubo lateral para la presión de funcionamiento y replantear el diseño original fue de 100 bar (1500 psig). Las presiones de funcionamiento del lado de shell fue aproximadamente de 10 bar (150 psig) para el diseño original y 4 barg (60 psig) para modernizar el caso. En el diseño original, una ruptura del tubo análisis transitorio establece la presión de diseño del depósito y tuberías y equipos adyacentes a aproximadamente 20 bar (300 psig). La dinámica de la simulación mostró que la presión en el intercambiador shell alcanzó un máximo de 45 bar (650 psig) 0.12 segundos después de la ruptura se produjo. La simulación dinámica también predijo una presión máxima de 43 bar (625 cerdos) en un filtro posterior de este intercambiador. Un análisis mecánico del intercambiador shell indicó que el intercambiador podría ser rerated con un diseño de presión igual a la presión máxima predicha por el análisis transitorio si el sobreespesor de corrosión se redujo por debajo del valor del diseño original. Toda la tubería fue diseñado para 300 libras de clase de línea y no requieren modificación. Por lo tanto, como resultado de la simulación dinámica, el cambiador y tuberías existentes pudieron ser salvados. Sin embargo, un análisis mecánico del filtro indica que el alojamiento del filtro tendría que ser reemplazada para soportar el aumento de presión.

Los condensadores

La condensación es el proceso de reducción de la materia en una forma más densa, como ocurre en la licuefacción del vapor o vapor. La condensación es el resultado de la reducción de la temperatura en la eliminación del calor latente de evaporación. La extracción de calor reduce el volumen del vapor y disminuye la velocidad y la distancia entre las moléculas. El proceso también puede considerarse como una reacción que implica la unión de átomos de las moléculas. El proceso a menudo conduce a la eliminación de una molécula simple para formar un nuevo y más complejo compuesto.

Transferencia de calor de condensación es un proceso fundamental en el proceso de generación de energía y las industrias. Los modos de condensación son Wmwise y gota a gota. Filmwise está actualmente utilizados por la industria, mientras que la gota a gota es una alternativa que está actualmente bajo desarrollo, porque ofrece atractivos mayores tasas de transferencia de calor por prevenir la acumulación del líquido aislante capa encontrados en filmwise condensación. Todos menos unos pocos metales preciosos en un estado no tratada tiende a condensarse filmwise: esta es la razón por la cual operar filmwise condensadores industriales. El tipo de comportamiento de condensación que una muestra de metal está relacionada a la energía de superficie. Materiales con una alta energía superficial condensar filmwise mientras que aquellos con una baja energía de superficie condensar gota a gota. Con promotores adecuados o tratamientos de superficie, la mayoría de los metales, incluyendo aquellos con altas energías de superficie gota a gota, puede promover la condensación.

No azeotrópica mezclas han sido utilizados en sistemas de refrigeración por varias ventajas directas e indirectas, como el coeficiente de rendimiento mejorado, menor consumo de energía, reducción de

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irreversibilidad térmica, mayor estabilidad química, aceite mejorado miscibilidad, variando la temperatura de condensación y sistemas de refrigeración de capacidad variable. Todas estas ventajas ofrecen brillantes perspectivas para el uso de líquidos para trabajar el componente mixto en bombas de calor, los ciclos de alimentación y sistemas de refrigeración.

A mediados de los años ochenta, un nuevo ciclo de energía termodinámica utilizando un fluido de trabajo multicomponente como amoníaco-agua con una composición distinta en la caldera y el condensador se propuso (conocido como el " ciclo de Kalina"). El uso de una mezcla nonazeotropic disminuye la pérdida de disponibilidad en una caldera de recuperación de calor cuando la fuente de calor es una fuente de calor sensible, y en un condensador cuando la temperatura disminuye con el intercambio de calor. La mayoría de la entrada de calor a un fluido de trabajo es la planta de temperatura variable de fuentes de calor. Debido a la variable de la temperatura de ebullición, el aumento de la temperatura en una mezcla de agua y amoniaco en un intercambiador de calor de contraflujo sigue de cerca la línea recta, descenso de la temperatura de la fuente de calor. Aunque esto es una ventaja sobre las convencionales de un solo componente, ciclo Rankine dado iguales temperaturas de refrigeración del condensador, la mezcla de agua y amoniaco tendrá mucha mayor presión y temperatura que el vapor a la salida de la turbina de condensación. El resultado es una mayor presión de amoniaco es más volátil que el agua. El aumento de temperatura es el resultado de la temperatura de condensación variable de la mezcla de agua y amoniaco. En el ciclo Rankine mucho del calor (casi 65%) a partir de un tubo de escape de la turbina no se pueden recuperar porque no hay diferencia de temperatura entre el vapor en la turbina de escape y el agua a la salida del condensador. Sin embargo, en el ciclo Kalina, gran parte de este calor latente puede ser extraído por la mayor temperatura de escape de la turbina a través de la temperatura ambiente.

La necesidad de que efectivamente la extracción de calor latente desde el tubo de escape de la turbina en el ciclo Kalina es la motivación detrás de numerosos estudios de condensación convectivo de no azeotrópica mezclas de vapor. En funcionamiento con condensadores de vapores puros, la presión de vapor generalmente permanece constante durante el proceso de cambio de fase. Por lo tanto, implica que la diferencia de temperatura entre el vapor y el agua aumenta a lo largo de la dirección del flujo de vapor en un contraflujo tipo de intercambiador de calor. Así, se crea una situación en la que el exceso de energía es máxima a la salida del condensado y mínimo a la entrada de la entrada de vapor. Como resultado, toda la energía disponible no se utiliza en la condensación del vapor puro. La utilización de disponibilidad puede ser mejorada por mantener constante la diferencia de temperatura entre el vapor y refrigerante, todo a lo largo del intercambiador de calor. Esto puede lograrse mediante una cierta no- mezcla azeotrópica de vapor que pueda mantener una temperatura constanteDiferencia debido a su variable características de temperatura de ebullición. La introducción de otro de vapores condensables, pueden alterar la composición del vapor y disminuir el transporte de calor y masa en el condensador. Además, la orientación del condensador puede afectar el régimen de flujo en el condensador y, por lo tanto, altera el rendimiento del condensador.

Aunque probablemente condensadores merecen un capítulo aparte, los equipos convencionales, a menudo se utiliza junto con el intercambiador de calor se describen aquí. En la superficie de contacto y los condensadores, los vapores pueden ser condensados o bien por el aumento de la presión o la extracción de calor. En la práctica, condensadores operan a través de la extracción de calor del vapor. Los condensadores se diferencian principalmente en el medio de refrigeración. En los condensadores de superficie, el refrigerante no entra en contacto con los vapores o condensado. En contacto condensadores, refrigerante condensado, vapores y están íntimamente mezclados. La mayoría de los condensadores de superficie son del tubo y tipo de shell que se muestra en la figura 13.

El agua fluye dentro de los tubos, y los vapores se condensan en el shell. El agua de refrigeración está normalmente refrigeradas, como en una torre de refrigeración, y reutilizados. Refrigerado por

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aire condensadores de superficie y algunas unidades refrigeradas por agua condensarse dentro de los tubos. Condensadores refrigerados por aire son generalmente construidos con superficie extensa de las aletas.

La mayoría de los vapores se condensan en tubos refrigerados por la caída de la cortina de agua. El agua es enfriado por el aire que circula a través del haz de tubos. Los paquetes pueden ser montados directamente en una torre de enfriamiento o sumergidos en el agua. Contacto emplean condensadores refrigerantes líquidos, generalmente agua, que entran en contacto directo con la condensación de vapores. Estos dispositivos son relativamente sencillos, con configuraciones típicas que se ilustra en la figura 14. Algunos condensadores de contacto son simples cámaras de pulverización, generalmente con deflectores para garantizar un contacto adecuado. Otros, incorporar surtidores de alta velocidad diseñado para producir un vacío.

En comparación con los condensadores de superficie, condensadores de contacto son más flexibles, son más sencillos, y considerablemente menos costoso de instalar. Por otro lado, los condensadores de superficie requieren mucho menos agua y produce de 10 a 20 veces menos que el condensado tipo contacto condensadores.

Figura 13. Shell y el tubo del condensador.

Figura 14. Configuraciones comunes de condensador.

El condensado del contacto con unidades no se pueden reutilizar y puede constituir un problema de eliminación de desechos. Los condensadores de superficie puede ser usada para recuperar valiosos condensado. Los condensadores de superficie debe estar equipada con más equipos auxiliares y generalmente requieren un mayor grado de mantenimiento.

En general, subcooling requisitos son más rigurosos para unidades de superficie de contacto para condensadores, donde la dilución es mucho mayor. No obstante, muchos diseños de condensador de

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superficie no permiten una adecuada refrigeración de condensado. En el típico, refrigerado por agua, tubo horizontal-y-shell, condensador (Figura 15), el lado de shell la temperatura es la misma en todo el buque. Los vapores se condensan y condensado se retira a la temperatura de condensación, que se rige por la presión. En una unidad de tubos horizontales de este tipo, el condensado de temperatura puede reducirse por medio de: (1) reduce la presión en el lado de shell, (2) añadiendo un subcooler separadas, o (3) usando los tubos inferiores para subcooling. Condensadores de tubo vertical proporcionan algunosGrado de subcooling incluso con la condensación en el depósito lateral. Con la condensación en el interior de los tubos, subcooling ocurre en mucho la misma manera si los tubos están dispuestas verticalmente u horizontalmente. Con el interior del tubo de la condensación, el condensado y sin condensar los vapores pasan a través de toda la longitud del tubo. Otro caliente generalmente se presta bien para separar los gases antes de que se descarga el condensado.Requisitos del agua para condensadores de contacto puede calcularse directamente a partir de la tasa de condensación, asumiendo las condiciones de equilibrio.

Figura 15.  Acuerdo Subcooling en un tubo horizontal y shell condensador.

El agua de refrigeración (u otro medio) debe absorber una cantidad de calor suficiente como para equilibrar el calor de vaporización y condensación subcooling. Tuberías y hotwells debe estar dimensionado según el condensador de máxima exigencia. En el siguiente ejemplo se muestra el método de cálculo de la cantidad de agua de refrigeración para un servicio específico.Ejemplo: Los vapores de escape de una operación de proceso contienen el 95 por ciento de vapor a 200 de a 11.5 psia. La máxima tasa de evaporación en el fogón es de 2.000 libras por hora. El vapor se condensa en 200 y enfriado a 140 en un condensador de contacto. Una bomba de vacío elimina uncondensable vapores en el condensador y mantiene un ligero vacío en el fogón. Determinar el volumen de 60 "F agua dulce requerida y el consiguiente volumen de condensado. La solución a este problema es como sigue:

Como se señaló anteriormente, la condensación se produce a través de dos mecanismos físicos distintos, a saber, gota a gota y filmwise condensación. Cuando un vapor puro saturado entra en contacto con una superficie horizontal lo suficientemente frío, el vapor se condensa y forma las gotas de líquido sobre la superficie. Estas gotas caen desde la superficie, dejando expuesta en bare-metal que sucesivas pueden formar gotas de condensado.

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Esto se conoce como condensación gota a gota. Normalmente, se produce una película y recubre la superficie de condensación. Vapores adicionales deben condensarse en esta película, más que en la superficie de metal desnudo. Esto se llama film-wise condensación y ocurre en la mayoría de procesos de condensación. Los coeficientes de transferencia de calor de un cuarto a la transferencia oneeighth unidades asociadas con condensación gota a gota. El vapor es el único conocido de vapor puro para condensar en una forma gota a gota. Gota a gota se ha encontrado que la condensación tienen lugar en diferentes momentos en una mezcla de gases y vapores está presente. Algún grado de condensación gota a gota puede ser alcanzado mediante el uso de algunos promotores. Promotores como el ácido oleico en níquel o cromo, placa y bencilo mercaptano en cobre o latón ser absorbidos en la superficie como una capa muy delgada para evitar que la superficie metálica de ser el wetted por cualquier condensado.

Superficies de acero y aluminio son difíciles de tratar de adquirir la condensación gota a gota. El uso de estos promotores aumenta el coeficiente de transferencia de calor de 6 a 10 veces la cantidad de película-wise coeficientes. Casi todos los cálculos de diseño de condensador se basan en la transferencia de calor que se ve afectada por una transferencia globalCoeficiente, temperaturas y de superficie. Una solución matemática al problema se consigue normalmente mediante la expresión:

Diseño de condensador es a menudo más difícil que el indicado por la expresión anterior, y una simplificación general o coeficiente de transferencia de calor no se usa. Esto es especialmente cierto cuando el vapor se condensa en presencia de un gas noncondensable. Se desarrollaron relaciones Nusselt para agilizar el flujo de vapor de todos entrando en vertical o horizontal intercambiadores de tubo. Estas ecuaciones representan la variación del espesor de la película (más delgado en la parte superior del tubo y haz de tubos de intercambiadores verticales y horizontales) expresando el lado de vapor significa coeficiente de transferencia de calor en términos de carga de condensado. En los casos de flujo optimizado de condensado, el coeficiente de transferencia de calor se ha establecido como inversamente proporcional al espesor de la película. Las observaciones han demostrado, sin embargo, un descenso hasta un cierto punto, y entonces un efecto inverso cuando el coeficiente aumentó. Este cambio se produce en un número de Reynolds de aproximadamente 1.600, indicando que las turbulencias en la película líquida aumenta el coeficiente de transferencia de calor.

Un perfil de temperatura de condensación de vapor en presencia de un gas noncondensable sobre una pared de tubo, como se muestra en la Figura 16 indica la resistencia al flujo de calor. El calor se transfiere de dos maneras del vapor a la interfaz. La sensata se extrae el calor de refrigeración del vapor del T, t, en la tasa de refrigeración de los gases de convección. El calor latente se retira sólo después de que el vapor condensable ha podido difundirse a través de la parte noncondensable para llegar a la pared del tubo. Esto significa que la transferencia de calor latente se rige por las leyes de transferencia de masa. Algunos datos generales sobre las operaciones del condensador debe tener en cuenta:

Cualquier vapor saturado puede ser condensada por dirigir el chorro de agua fría bajo presión y temperatura correcta. Si se proporciona suficiente contacto, refrigerante y vapor alcanzará una temperatura de equilibrio. El condensado creada por el agua no debería ser objetable en su forma líquida.

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Vapor puro o sustancialmente puro puede considerarse de vapor condensado de manera isotérmica, y durante el intervalo de condensado el calor latente de condensación es uniforme.

Figura 16. Perfil de temperatura muestra los efectos de la condensación del vapor en una pared del tubo en la presencia de un  gasnoncondensable.

Si el rango de temperatura de una mezcla no exceda de 10" a 20"F, condensación de esta mezcla puede ser tratada como un componente puro. En la condensación de los arroyos compuesta principalmente de vapor, el condensador tamaño varía de 10, 000 a 60,000 pies cuadrados por shell (paquete), los tubos de un promedio de 26 pies de largo.

En refrigerado por agua tubo-y-shellshell condensadores con condensación lateral, en general coeficientes de transferencia de calor de vapor esencialmente puras van desde 200 a 800 Btu por hora por pie cuadrado por °F. Con tubo de condensación lateral, coeficientes son generalmente inferiores a los de los condensadores de lado shell comparables. Este fenómeno se atribuye a: (1) velocidades de refrigerante inferior fuera de los tubos que son posibles con la lateral del tubo de refrigeración, y (2) mayores grosores, es decir, resistencia de película dentro de los tubos.

Noncondensable gases a temperatura del condensador cobija el condensador de superficie y reducir la capacidad del condensador. Reduce el volumen de condensación del vapor presente y puede suponerse que ocurren en una caída de presión constante. Una caída de presión equilibrada tal vez asumidas en el condensador horizontal donde se produce condensación parcial.

Dentro de los rangos de funcionamiento de baja presión, la ligera pérdida de presión por fricción en tuberías de vapor puede significar una pérdida apreciable del total disponible de la diferencia de temperatura. Baja densidad de vapor bajo condiciones de vacío puede causar una velocidad lineal a ser superior a la permitida con tuberías de vapor.

Vapores deben recorrer el paquete tan rápido como sea posible. Aire o inertes pueden causar hasta el 50 por ciento de reducción en los coeficientes de condensación. Fuentes de aire o inertes incluyen: gas disuelto en el agua de refrigeración en el caso de jet condensadores, arrastre con vapor, arrastre con vapor, fugas y noncondensable gases.

En condensadores de tubo vertical, el 60 por ciento de la condensación se produce en la mitad superior. La posición horizontal de un condensador distribuye el vapor mejor y facilita la extracción del

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condensado. En el condensador horizontal, es necesario para evitar la formación de condensado enfriado por líquido piscinas y obstaculizar el flujo de vapores.

Selección del material que debe pasar a través de los tubos no puede ser decidido por reglas fijas, debido a factores en una varianza el uno con el otro. Cuando se encuentra condensado corrosivo, la condensación dentro de los tubos en lugar de la concha es generalmente deseable.

La siguiente es una lista parcial de las aplicaciones comunes para los condensadores: En las aplicaciones de petróleo y petroquímica - fabricación de detergentes; una unidad de alquilación de respiraderos del acumulador; fabricación de insecticidas; unidades separadoras de amina; fabricación de látex; butadieno respiraderos del acumulador; la fabricación de ácido nítrico; Cetonas respiraderos del acumulador; fabricación de anhídrido ftálico; aceite de lubricación; resina rerefining reactores; preparación de gas de polietileno acumuladores; acondicionador de suelos formuladores; residium unidad extractora respiraderos del acumulador; recuperación de disolvente; equipos de almacenamiento; Adelgazamiento tanques; unidades de procesamiento de estireno; aluminio fluxing; recuperación de tolueno respiraderos del acumulador; fabricación de asfalto. En la fabricación de productos químicos, las aplicaciones incluyen: Desengrasantes; fabricación y almacenamiento de amoníaco; unidades de limpieza en seco; fabricación de cobre; naphthenates esterificación procesos; preparación de la solución de cloro; vitamina formulación; fabricación de etileno dibromide; operaciones de acabado de goma.

Impulsado por vapor de refrigeración de absorción

Las preocupaciones acerca de la eficiencia energética y el uso de clorofluorocarbonos han conducido a un mayor uso de las máquinas de absorción para las aplicaciones de refrigeración. Estas máquinas, que recupere el condensador o el calor de los gases de escape, son utilizados en avanzados sistemas de cogeneración. Las máquinas de absorción son cada vez más utilizado para la refrigeración del espacio por dos razones principales: en primer lugar, las máquinas, que utilizan una batería de litio-metilo salmuera mientras trabajaLíquido, se utiliza el agua como refrigerante, que es ecológicamente seguro que otros refrigerantes. Segundo, son impulsados por la energía térmica, que reduce los picos de demanda de energía eléctrica.

Refrigeración de absorción pueden ser activados por energía a baja temperatura (como  vapor a baja presión, geotérmica o solar) o por alta temperatura, energía (como una llama de gas). Un sistema de absorción impulsada por vapor es equivalente a una planta de energía y vapor de compresión del ciclo de refrigeración porque recibe energía térmica y rechaza el calor al ambiente, mientras que la refrigeración. La temporada de coeficiente de rendimiento (COP) de un buen gas máquina de absorción de doble efecto es comparable al de una combinación de una planta eléctrica y un buen compresor centrífugo y superior al proporcionado por un compresor de baja eficiencia.

Refrigeración convencional se basa en la evaporación de un refrigerante. El evaporador, el compresor de refrigeración produce genera energía de alta presión y el condensador rechaza el calor al medio ambiente. Máquina de absorción difiere de un compresor de vapor sólo en la forma en que se comprime el refrigerante del evaporador al condensador.

En la máquina de compresión, la presión del refrigerante es planteada por una entrada de energía mecánica, que acciona el compresor. En la máquina de absorción, el fluido es absorbido en el absorbedor en la presión del evaporador por una solución acuosa de bromuro de litio. La solución líquida se bombea al generador a través de un recuperador. La entrada de calor en el generador impulsa el fluido fuera de la solución en la presión del condensador. El calor es rechazado en el absorbedor y el condensador. En comparación con el compresor, la bomba requiere una pequeña cantidad de energía mecánica. Ciclo de simple efecto COPs caen en el rango de 0.5 a 0.7. Cuando la

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separación de refrigerante se realiza mediante un doble efecto, la destilación, el ciclo se llama un doble efecto. El doble efecto ciclo exige temperaturas más altas que el simple efecto pero devuelve un ciclo mayor COP, que van desde 1 a 1,3, dependiendo de la máquina. Triple efecto y otras técnicas avanzadas de ciclos bajo promesa de desarrollo aún mayor rendimiento. Porque el único efecto de las máquinas requieren energía a baja temperatura (alrededor de 104 "C) para producir refrigeración, pueden usar bajo grado de rechazar la energía de otros ciclos. Máquinas de absorción, que utilizan rechazó el calor de una turbina que acciona un generador o un compresor, están siendo cada vez más utilizados en aplicaciones de cogeneración. En los más avanzados sistemas de cogeneración en uso hoy en día, alto policías (de aproximadamente 3,5) son posibles por la energía térmica en cascada de Brayton a ciclos Rankine para máquinas de absorción, con dos ciclos compresores de conducción.

Cierre

Este capítulo sólo ha proporcionado la descripción más básica de equipos del intercambiador de calor. Para la mayoría de aplicaciones y tipos de intercambiadores de calor, hay una multitud de opciones para elegir. Independientemente de la aplicación, el último foco del equipo está limpio, eficiente recuperación de calor. Dada la magnitud de las inversiones por parte de la IPC en equipos de transferencia de calor, y los incentivos para la conservación de la energía a través de las operaciones de recuperación de calor, el intercambiador de calor, el equipo seguirá estando entre los componentes más críticos en muchos procesos de fabricación. Se sugieren las siguientes referencias para obtener información más detallada.

NomenclaturaUn  áreaUn parámetro de transferencia de calor  Capacidad calorífica cpD, D el diámetro o tamañoE eficienciaCoeficiente de transferencia de calor local h Constante de Boltzmann k1 La duraciónMasa mVelocidad de rotación nNu número NusseltPresión PP, precio o índice de costoPr Prandlt númeroVolver número ReynoldsTemperatura tT la temperatura absoluta La cantidad de transferencia de calor QCoeficiente global de transferencia de calor UVelocidad vX espesor

Símbolos griegos

 Coeficiente de expansión de CI Densidad pLa temperatura en el parámetro log-significa definiciónLa temperatura en el parámetro log-significa definición

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