CAPÍTULO II

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

CAPÍTULO II: ELEMENTOS COSTITUTIVOS DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE HAZ DE TUBOS Y CORAZA.

2.1 Elementos mecánicos de un intercambiador de calor de haz de tubos y coraza.

Figura 2.1.1 Intercambiador de calor tipo AES.



Figura 2.1.2 Intercambiador de calor tipo BEN.

Figura 2.1.3 Intercambiador de calor tipo AEP.



Figura 2.1.4 Intercambiador de calor tipo CFU.

1; Cabezal de entrada: Sirven para que la línea de alimentación que llega a

la boquilla de admisión se distribuya por toda el área de entrada del haz de tubos.

Factores muy importantes para la selección del tipo de cabezal de entrada son: el

tipo de mantenimiento previsto (mecánico o químico y que tan frecuente), costo y

tipo de materiales a utilizar en su construcción, tamaño, etc. Los tipos de

cabezales de entrada se muestran en la tabla 1.5.1.

2; Coraza o envolvente: Es la parte que envuelve al haz de tubos y que

contiene al fluido que circula por el exterior de los tubos, también cuenta con

bridas, boquillas, accesorios para control, soportes, etc. Los tipos de coraza se

muestran en la tabla 1.5.1.

Figura 2.1.5 Corazas para intercambiadores de calor.

3; Cabezal posterior o de retorno: Sirve para recibir el fluido que va por

dentro de los tubos y permitirle la salida del equipo cuando lleva un solo paso por

los tubos; si es de dos o más pasos por tubos tienen la función de retornar el fluido

al cabezal de entrada, dependiendo del número de pasos que se tengan por los

tubos. Los tipos de cabezales de retorno se muestran en la tabla 1.5.1, en donde

los tipos L, M y N son para cambiadores con espejos fijos y los tipos de cabezales



de retorno P, S, T, U y W son para intercambiadores con espejos flotantes, es

decir, que el haz de tubos se puede desmontar.

4; Haz de tubos: conjunto de tubos metálicos unidos en uno o ambos

extremos a los espejos , agrupados en un arreglo definido por la suciedad del

fluido que va por fuera de la coraza. Las longitudes comerciales de los tubos del

haz son: 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 y 24 pies. Los diámetros comerciales de los

tubos para cambiadores de calor son: ½, ¾, 1, 1 ¼, 1 ½ y 2 pulgadas. Una de las

principales características de los tubos para intercambiadores de calor es que el

diámetro exterior es igual al diámetro nominal. Los tubos más comúnmente

utilizados para intercambiadores de calor de haz de tubos y coraza son los de 16

pies de longitud, 1 pulgada de diámetro y BWG o calibre de 16. Se muestra un haz

de tubos en la imagen 2.1.6.

Figura 2.1.6 Haz de tubos.

5; Espejos: Son placas que sirven para separar el fluido que va dentro de

los tubos del que va por fuera de ellos. Comúnmente los espejos tienen espesores

considerablemente grandes, debido a que están barrenados para soportar los

tubos y por la separación que existen entre dichos barrenos, si fueran delgados,

serian muy frágiles.



Figura 2.1.7 Espejos.

6; Mamparas segmentadas o deflectores: Estas tienen un doble propósito;

dirigir al fluido que va por el lado de la coraza perpendicular al haz de tubos para

lograr coeficientes de transferencia de calor mayores y al mismo tiempo funcionan

como soportes de los tubos, evitando que se flexionen o pandeen, manteniendo su

espaciado constante y evitando su vibración. La mínima separación entre

mamparas es de 2 pulgadas. Preferentemente el corte de las mamparas deberá

ser entre 20 y 35% del diámetro interior de la coraza para fluidos sin cambio de

fase (generalmente 25%).

Figura 2.1.8 Mamparas segmentadas.

7; Tirantes o barras espaciadoras: son como su nombre lo indica tirantes o

barras que se utilizan para mantener rígidas y en su posición todas y cada una de

las mamparas, según la cantidad que se especifica por TEMA, la mitad de ellas se

colocan desde el espejo fijo hasta la mampara más cercana al espejo de retorno y

la otra mitad desde el espejo de retorno hasta la mampara más cercana al espejo

fijo. La barra espaciadora es precisamente una varilla con cuerda en sus



extremos, mientras que los espaciadores son tramos de tubo de una longitud igual

al claro entre mamparas por cuyo interior pasa el tirante correspondiente para

apretar y mantener rígido el haz de tubos y las mamparas en su posición.

Figura 2.1.9 Partes de un intercambiador de calor de has de tubos y coraza.

8; Placas de partición: son placas divisoras que se sitúan en los cabezales

de entrada como de retorno, con el propósito de de distribuir el flujo por el interior

de los tubos en cada uno de los pasos que se requieran por los tubos. La

ubicación de las placas de partición generalmente se hace en sectores que

contengan la misma cantidad de tubos en cada uno de los pasos, lo cual permite

que estas se coloquen de manera vertical u horizontal.



Figura 2.1.10 Placa de partición.



9; Boquillas: son las partes del intercambiador de calor que sirven de enlace

con los demás equipos del proceso unidos entre sí por medio de tubería. Las

boquillas se dimensionan de acuerdo a las condiciones de operación de los

distintos fluidos (temperatura máxima de diseño, presión de diseño, etc.) y de

acuerdo a su material de construcción.

Figura 2.1.11 Boquillas.

10; Placas de choque: es una placa que se coloca a la entrada del fluido de

la coraza para proteger del deterioro por erosión al haz de tubos, debido al

impacto del fluido con los tubos en esa zona. El dimensionamiento y colocación de

la placa dependen tanto de la velocidad de entrada del fluido como de la densidad

del mismo, ya que ambos parámetros determinan si esta es necesaria o no en el

equipo.



Figura 2.1.12 Placa de choque.

2.2 Ensamblado espejo – tubo.

Para el ensamblado entre el tubo y el espejo, en el espejo se perfora un

orificio cuyo diámetro es apenas mayor que el diámetro exterior del tubo, además

se cortan dos o más hendeduras en la pared de este orificio. Se coloca el tubo

dentro del orificio, y se inserta un rolador en el final del tubo. El rolador es un

mandril rotatorio que tiene conicidad pequeña. Es capaz de exceder el límite

elástico del metal del tubo y transformarlo a una condición semiplástica, de

manera que se escurra hasta las hendeduras y forme así un sello perfecto. El

rolado de los tubos es un arte, ya que el tubo puede dañarse si se rola hasta

adelgazarlo demasiado, de manera que el sello tiene poca resistencia estructural.

En algunos usos industriales es deseable instalar tubos en el espejo, de

manera que puedan ser fácilmente removidos, como se muestra en la Fig. 2.3.1.

En la práctica, los tubos se empacan en el espejo mediante casquillos, y usando

anillos de metal suave como empaques.



Figura 2.2.1 Tubo rolado y casquillo para el ensamble de espejo-tubo.



2.3 Ensamblado del cabezal flotante.

Al espejo en el cabezal de retorno se atornilla un casquete de cabezal

flotante y todo el haz de tubos puede extraerse por el otro extremo del carrete. La

coraza se cierra mediante un bonete. Los cabezales flotantes ilustrados en la tabla

1.5.1, eliminan los problemas de expansión diferencial en muchos casos y se

llama cabezal flotante de arrastre.

La desventaja de usar un cabezal flotante de arrastre es de simple

geometría. Para asegurar la tapa del cabezal flotante tipo T es necesario

atornillarla dentro de la coraza de los tubos, y los tornillos requieren el uso de

espacio donde sería posible insertar gran número de tubos. El atornillador no

únicamente reduce el número de tubos que pueden ser colocados en el haz de

tubos y aumenta el diámetro de la coraza, sino que también provee de una

canalización de flujo no deseable entre el banco de tubos y la coraza.

Estas objeciones se superan con el cabezal flotante más convencional que

es el tipo S de anillo seccionado, mostrado en la Fig. 2.3.1. Aun cuando es

relativamente cara su manufactura, tiene un gran número de ventajas mecánicas.

Difiere del tipo T por el uso de un arreglo de anillo seccionado en el cabezal

flotante de tubos y una coraza más pequeña que lo cubre y lo acomoda. Los

detalles del anillo seccionado se muestran en la Fig. 2.3.1.

El espejo flotante se sujeta mediante una abrazadera a la tapa de la cabeza

flotante y un anillo abrazadera que se coloca detrás del espejo, el cual está

dividido por la mitad para permitir desmantelarse. Diferentes fabricantes tienen

también diferentes modificaciones del diseño que aquí se muestra, pero todas

ellas llenan el propósito de proveer un aumento de superficie en comparación con

el cabezal de tipo T considerando un mismo tamaño de coraza.



Figura 2.3.1 Ensamble del cabezal flotante.

2.4 Arreglo de tubos.

El diámetro exterior de los tubos para intercambiador de calor, es el

diámetro exterior real en pulgadas dentro de tolerancias muy estrictas. Estos tubos

para intercambiador se encuentran disponibles en varios metales, los que incluyen

acero, cobre, admiralty, metal Muntz, latón, 70-30 cobre-níquel, aluminio-bronce,

aluminio y aceros inoxidables. Se pueden obtener en diferentes gruesos de pared,

definidos por el calibrador Birmingham para alambre, que en la práctica se refiere

como el calibrador BWG del tubo. Los tamaños de tubo que generalmente se

usan para el diseño de intercambiadores de calor son los de 3/4 y 1 plg de

diámetro.

Para la colocación y espaciado de los tubos, los orificios de estos no

pueden taladrarse muy cerca uno de otro, ya que una franja demasiado estrecha

de metal entre los tubos adyacentes, debilita estructuralmente el espejo. La

distancia más corta entre dos orificios adyacentes es el claro o ligadura, y éstos a

la fecha, son casi estándar. El espaciado de los tubos PT (Pitch) es la distancia

menor de centro a centro en tubos adyacentes.



Figura 2.4.1 Espaciado de los tubos.

Los tubos se colocan en arreglos ya sea triangular o cuadrado, todo

depende de la suciedad del fluido que va por fuera de tubos.

Tabla 2.4.1 Selección del arreglo de tubosSuciedad del fluido Arreglo

Muy sucio (derivados de petróleo) CuadroSucio Cuadro rotado

Ligeramente sucio Triángulo rotadoLimpio (alcohol, cetona, etc.) Triángulo

La ventaja del espaciado cuadrado es que los tubos son accesibles para

limpieza externa y tienen menor caída de presión que cualquier otro arreglo, y es

por eso que se deja para los fluidos más sucios.

Figura 2.4.2 Arreglo de tubos.

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