ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO

ESCUELA DE INGENIERIA DE MANTENIMIENTO

TERMODINAMICA

INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTEGRANTES:

•EDISON CULLAY•PABLO COQUE•ERICK CORDOVA

ÍNDICE1.- OBJETIVOS2.- INTRODUCCIÓN3.-DEFINICIÓN4.- TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR.

4.1.- ARREGLO DE FLUJO4.1.1.- FLUJO PARALELO4.1.2.-CONTRAFLUJO4.1.3.- FLUJO CRUZADO

4.2.- POR SU CONSTRUCCIÓN4.2.1.- CONCENTRICO4.1.2.- TUBO Y CORAZA4.1.3.- COMPACTOS

5.- APLICACIONES GENERALES6.- SELECCIÓN DE INTERCAMBIADORES.7.- COMO DISEÑAR UN INTERCAMBIADOR.8.- PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO.9.- LIMPIEZA Y MANTENIMIENTO DE LOS INTERCAMBIADORES.10.- CONCLUCIONES.

OBJETIVO PRINCIPAL:

• Estudiar los diferentes tipos de INTERCAMBIADORES DE CALOR y sus diferentes aplicaciones en el mundo industrial.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Mediante una presentación en slideshare determinar el correcto funcionamiento de los intercambiadores de calor.

Sintetizar las diferentes formas de realizar un correcto mantenimiento de los intercambiadores de calor

Resaltar la importancia de los intercambiadores de calor al momento de economizar ahorros en costos energéticos

INTRODUCCION:La transmisión de calor es necesaria en los procesos industriales actuales, mediante esta transmisión se consiguen ahorros de costos energéticos y máximo aprovechamiento de la energía ya disponible en el sistema. Los fluidos, por Tanto, se calientan ó refrigeran para seguir siendo aprovechados dentro del proceso industrial gracias a los intercambiadores.

Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres:• Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos.• Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.• Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.• Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.• Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de reebulición que se necesita para la destilación. (Los hay de termosifón, de circulación forzada, de caldera,...)• Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido

INTERCAMBIADORES DE CALOR

DEFINICIÓN

Los equipos de intercambio de calor son todos los dispositivos que pueden ser utilizados para transferir (recuperar) calor desde una corriente de un fluido caliente a otro constituido por uno mas frio.Ej. En un tipo de intercambiador, los hidrocarburos procesados circulan a través de tubos rodeados por aire o agua fría, de forma similar al radiador de un automóvil.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores generalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo de flujo y el tipo de construcción.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES

Arreglo de flujoPor su

construcción

Flujo paralelo

Contra flujo

Flujo cruzado

Concéntrico

Tubo y coraza

Compactos

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADORES POR ARREGLO DEL FLUJO

FLUJO PARALELO.Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproximan la una a la otra, es decir tratan de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.

CONTRAFLUJO

Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos. Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a al temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros tipos mencionados anteriormente.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADORES POR ARREGLO DEL FLUJO

FLUJO CRUZADOEn la figura se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90.

Un ejemplo son los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADORES POR ARREGLO DEL FLUJO

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADORES POR SU CONSTRUCCIÓN

Es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto a la dirección del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuración en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos.

La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.

INTERCAMBIADORES POR SU CONSTRUCCIÓN

INTERCAMBIADORES CONCENTRICOS( DOBLE TUBO)

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADORES POR SU CONSTRUCCIÓN

INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBO

Es el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales por que demanda de manera significativa alta temperatura y presión. Este tipo de intercambiadores están compuestos por gran cantidad de tubos ( a veces varios cientos ) contenidos en un casco. Los tubos se disponen con sus ejes paralelos al eje del casco. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por el interior de los tubos mientras que el otro se mueve por fuera de éstos, por el casco.

Calentador de fuel oil

Intercambiador de calor de tubo y coraza con un paso coraza y tubos (contraflujo

cruzado)

INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO

Proporciona flujos de calor elevado en relación con su peso y volumen Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños. Es bastante fácil de limpiar y reparar(mantenimiento). Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente en cualquier aplicación

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADORES POR SU CONSTRUCCIÓN

INTERCAMBIADORES COMPACTOS

Son intercambiadores diseñados para lograr una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. Ejemplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de automóviles y el pulmón humano.

-- En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración de flujo recibe el nombre de flujo cruzado. Este a su vez se clasifica en mezclado ( uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones ) y no mezclado ( se disponen una placas para guiar el flujo de uno de los fluidos ).

Consiste en un conjunto de placas preformadas con unos canales en disposición paralela por donde circulan los fluidos. Estas placas están montadas sobre un bastidor de acero y dos placas de acero sujetadas por espárragos de apriete que compactan las placas. Cada placa dispone de 4 bocas por donde circulan los fluidos en paralelo mientras que un fluido es conducido por las placas pares y el otro por las impares consiguiendo así el necesario intercambio de calor entre ambos.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADORES POR SU CONSTRUCCIÓN

INTERCAMBIADORES DE PLACAS

APLICACIONES GENERALES

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Comúnmente se util izan en un gran número de instalaciones Industriales, Navales y de Climatización Civil.•Instalaciones Industriales:Calentamiento de producto; refrigeración de producto, recuperación de condensados, plantas de energía y ciclos combinados.•Instalaciones Navales:Motores marinos, generadores de agua dulce, refrigeración camisas de motor principal, motores auxiliares, producción de vapor en salas de máquinas•Instalaciones de Climatización CivilProducción de agua caliente sanitaria (ACS), torres de refrigeración

La selección de un intercambiador de calor depende de factores como el económico, de aplicación, de operación y por supuesto del criterio del ingeniero de proyectos. A continuación se presenta una tabla de las características de cada uno de los intercambiadores.

SELECCIÓN DE INTERCAMBIADORES

¿Cómo diseñar un intercambiador de calor ?

Paso 1: Analizar la aplicación.

El primer paso cosiste en analizar la aplicación. ¿Es una aplicación alimentaria? ¿Es una aplicación industrial? El ingeniero de diseño debe definir correctamente el tipo de intercambiador que se necesita y cumple con los requerimientos de la aplicación.

Paso 2: Identificar las propiedades de los fluidos.

Analizar los fluidos involucrados: el fluido en el lado de producto y en el lado de servicio. Para poder realizar un correcto diseño de unintercambiador de calor, se necesitan conocer cuatro importantes propiedades físicas delos fluidos implicados:· Densidad· Calor específico· Conductividad térmica· Viscosidad

Paso 3: Balance de energía.

Una vez definidas correctamente las propiedades físicas, es momento de comprobar el balance energético. Normalmente el cliente define los caudales de producto y las temperaturas deseadas de entrada y salida de este producto. Necesitará también indicar el tipo de fluido de servicio a usar y definir dos de los siguientes tres parámetros: caudal de servicio, temperatura de entrada del servicio o temperatura de salida del servicio.

Paso 4: Definir la geometría del intercambiador de calor.

Decidirá el diámetro de la camisa y definirá el haz tubular que se colocará en el interior del intercambiador de calor: número de tubos interiores, diámetro interior y grosor de pared de los tubos interiores y longitud de los mismos. En segundo lugar, se definen las dimensiones de las conexiones de la camisa y tubos. En este punto debe decidirse también sobre los materiales con los que debe construirse el intercambiador de calor. De modo estándar.

Paso 5: Cálculos térmicos.

El objetivo de este cálculo es obtener los coeficientes de intercambio en el lado de producto y de servicio ingresando los datos en un software que mostramos en las siguientes diapositivas.Estos coeficientes dependen básicamente de los cuatro parámetros clave de los fluidos (definidos previamente) y de la velocidad del (los) fluido(s). Conocidos los coeficientes de los fluidos de camisa y tubos, se puede calcular el coeficiente de transferencia térmica global. Conocido este valor, es ya posible calcular el área total necesaria para el intercambio térmico requerido en la aplicación.

Area = Duty / [K x LMTD]Area: Área total de intercambio térmico requerida, m2.Duty: Calor total transferido, Kcal/hr (obtenido del balance energético).K: Coeficiente de intercambio térmico general, kcal/[hr.m2.ºC].LMTD: Diferencia de temperatura media logarítmica, ºC (la media logarítmica de las diferencias de temperatura entre los fluidos de camisa y tubos side a lo largo de la longitud del intercambiador de calor).Otro parámetro importante definido es la pérdida de carga que se calcula para los fluidos de camisa y tubos. La pérdida de carga es una función del número de Reynolds, el tipo de flujo (flujo turbulento o laminar) y el valor de rugosidad de la camisa y los tubos interiores.

Paso 6: Interpretación de los cálculos térmicos.

El área calculada es comparada con el área definida en el paso 4 (geometría delintercambiador de calor) y se realizan comprobaciones para ver si las pérdidas de cargaestán dentro de los límites de diseño. La interpretación de los resultadosobtenidos y la adaptación del diseño puede causar que deban repetirse los pasos 4 a 6,hasta que se obtienen unos resultados satisfactorios.

Paso 7: Cálculos de diseño mecánico.

Definida la geometría del intercambiador de calor, se deben realizar los cálculos dediseño mecánico que aseguren que el diseño del intercambiador de calor es válido paralas presión y condiciones de diseño. Los cálculos típicos son:· Cálculos del grosor de la pared de la camisa.· Cálculos del grosor de las conexiones de entrada y salida.· Cálculos del grosor de pared de los tubos interiores.· Cálculos de las dimensiones de las juntas de expansión (para compensar a lacamisa y a los tubos de las diferentes expansiones que sufren debido a lasdiferentes temperaturas que soportan).· Cálculos del grosor de los tubos del haz tubular.

Paso 8: Preparación de los planos de fabricación.

Conocidas todas las dimensiones del intercambiador de calor, que ya se encuentra definido, se pueden preparar los planos de fabricación. Este paquete de planos contiene detalles de los componentes del intercambiador de calor:

· Camisa.· Tubos interiores.· Junta de expansión.· Conexiones.· Peana.· Baffles.· etc.

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO

• Calcular la cantidad de calor intercambiado(Q).• Calcular la diferencia de temperatura media efectiva

MTD=Ft*LMTD• Asumir el coeficiente global de transferencia de

calor Uo.• Calcular el área basada en Uo supuesto.

• Determinar las dimensiones físicas del intercambiador a partir del area calculada

• Calcular el coeficiente global de transferencia de calor Uo.

• Calcular la caída de presión a través del intercambiador .

• Calcular el área de transferencia basada en Uo calculado y MTD.

• Comparación del área de transferencia calculada con el paso anterior

• Repetir cálculos hasta igualar las aéreas de transferencia.

BALANCE DE CALOR Y EFICIENCIA DE LOS INTERCAMBIADORES

Como en un sistema térmico la cantidad de calor perdida por el fluido caliente es igual a la absorbida por el fluido frío, el balance total del calor en un intercambiador será:

Donde:

Q = Flujo de Calor (Kcal/h)W = Masa de Fluido caliente en circulación (Kg/h)w = Masa de fluido frío en circulación ( Kg/h)C = Calor especifico del fluido caliente (Kcal/Kg. ºC)c= Calor especifico del fluido frío (Kcal/Kg. ºC)T1= Temperatura de entrada del fluido caliente (ºC) T2= Temperatura de entrada del fluido frio (ºC) t1 = Temperatura de entrada del fluido frio (ºC) t1 = Temperatura de entrada del fluido caliente (ºC)

Las relaciones de temperatura de en un intercambiador de tubo coraza están representadas en la siguiente figura.

La eficiencia de un intercambiador esta determinada por su rendimiento, y se define como la razón de la cantidad de calor intercam-biado entre dos fluidos respecto a la máxima que puede ser intercambiada.

Q = W. C.(T1 – T2) w.c(t2 – t1)

Cuando se producen incrustaciones en los intercambiadores se hace muy notable la caída de presión y la reducción de transferencia de calor. Por este motivo todo intercambiador debe ser limpiado periódicamente.Para la limpieza exterior de los tubos se usan varios métodos:1. Se pueden taladrar mecánicamente los interiores de los tubos y limpiar el exterior conaire de presión y por lavado.2. Se puede calentar el haz de tubos en un baño de gasolina caliente de sosa caústica.3. Haciendo circular por él ácido inhibido.4. Se puede limpiar el haz de tubos por chorreado de arena seca.

Para la limpieza interior:5. Quitar las tapas sin la extracción el haz tubular y la suciedad se elimina con la ayudade un latiguillo que expulsa el agua a una presión 80- 100 kg/cm2.

LIMPIEZA Y MANTENIMIENTO DE LOS INTERCAMBIADORES

A través de nuestros revestimientos podemos detener y/o eliminar los procesos de ataque químico, corrosión galvánica (entre tubos y equipos) y corrosión tanto interna como externa, así como eliminar la necesidad de consumir ánodos de zinc.

CORROSIÓN Y ATAQUE QUÍMICO

MANTENIMIENTO “INTERCAMBIADORES DE CALOR”

MANTENIMIENTO

• CONDENSADORES: La limpieza interna deberá ser periódicamente (de 90 a 120 días) o anterior si lo requiere el sistema, el tiempo esta basado en la experiencia

• TUBOS: Utilizar solo cepillos especiales adecuados, estos deben ser de dureza y diámetro apropiado y son fabricados con cerda de acero inoxidable, no utilizar varillas de metal sin protección ya que pueden dañar las paredes de titanio, si es posible cúbralas y sin filos, no utilizar ácidos no conocidos, de preferencia solo agua. el titanio reacciona en ambientes hidrogenados. en caso de usarlo mantener la observancia de la reacción y no exceder las recomendaciones sin supervisión

• TOMAS DE AGUA: No instale ánodos de zinc en las tomas de agua ni las perfore, una toma alterada afecta la durabilidad y garantía de las mismas. Actualmente estas son de acero inoxidable y son para alta duración

• EMPAQUES: Revise que las empaquetaduras estén en buen estado antes de su instalación y aplique un poco de aceite a las mismas por ambos lados, son de hule neopreno común sólido de 1/8” de espesor dureza media valor aproximad #90-100 sin refuerzo interno se recomienda hacer empaques nuevos en caso de que se aprecie deformado, dañado o roto. El empaque de la tapa ciega de servicio es de cara completa y asegúrese que este bien sellada ya que esta tapa es de acero al carbón, no utiliza protección interna anticorrosiva y no deberá tener contacto con agua de mar.

• CUERPO: Es necesario revisarlos cada 4 a 6 meses por presencia de puntos de oxidación, si esto ocurre deberán limpiarse profundamente, aplicar algún removedor de oxido aquí es lo mas recomendable, algunos equipos desarrollan oxidación por la parte de las caras de los espejos.

• CHILLERS INUNDADOS: Revisión interna de los tubos es recomendada cada 90-120 días

• CHILLER DE EXPANSION DIRECTA “DX”: Estos equipos son de bajo mantenimiento

• TUBOS DE REFRIGERACION: El mantenimiento y cuidado de los tubos en este diseño es por la parte exterior que es por el lado del cuerpo y no requieren mantenimiento interno ya que aquí solo fluye refrigerante y no hay reacción

• EXTREMOS: el mantenimiento aquí es externo por algún posible problema de corrosión ya que son de acero al carbón, en caso de detectar oxidación aplicar tratamiento de limpieza con cepillo de alambre, no olvide que es tapa de refrigerante y tenga cuidado por la presión

• EMPAQUES: revisar estas por rastros de fuga de refrigerante que es marca de aceite y prosiga con un ajuste de presión de tornillos según se sugiere en anexo 5 sin exceder de la presión recomendada, si la fuga no cede el empaque deberá ser reemplazado siguiendo plan de atención de contingencias, algunas veces doble empaque o empaque mas grueso de 1/8” podría ser necesario en estos sellos

• TORNILLERIA: Por lo general LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR están

ensamblados con tornillos sa-320, serie 8 en acero inoxidable t304 y es necesario seguir las recomendaciones para una secuencia que se muestra en la parte inferior para el ajuste y torque cuando este sea requerido en los tornillos como es el caso de las tapas de refrigerante, cuando no utilice torquimetro mantener cuidado de no sobre comprimir el empaque aplicando demasiada presión, este tornillo no requiere aditamento extra como el antibloqueo solo se recomienda que este limpio y revisar las roscas por daños

PATRON DE AJUSTE RECOMENDADO PARA LOS TORNILLOS DE LAS BRIDAS Y LOS EMPAQUES EN LAS TAPAS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR SIRSA-TITANIO®

CONCLUSIONES:

En un intercambiador de calor se debe realizar paulatinamente un mantenimiento ya que esto puede ocasionar problemas para su funcionamiento.

Al conocer los tipos de intercambiadores de calor podemos seleccionar el intercambiador apropiado, este depende de su aplicación en la industria y por su economía para su elaboración.

La utilización de los intercambiadores de calor en la industria se puede ahorrar energía lo cual implica costos y mantener las propiedades de tratamiento de los fluidos los mismos que coadyuvan el optimo desempeño de las maquinas y equipos.

Existen diferentes tipos de intercambiadores (flujo y por construcción), aplicados en instalaciones industriales, instalaciones navales, instalaciones de climatización civil que nos han a ayudado para los ahorros de costos energéticos.

LINKOGRAFÍA•http://www.intercambiadoresdecalor.com•http://www.termotratamiento.com•http://www.termodinamica.com