¿Cómo diseñar un intercambiador de calor tubular?

En HRS Heat Exchangers, el diseño de intercambiadores de calor tubulares es nuestro trabajo diario. En este texto nos gustaría describir los pasos seguidos en el proceso de diseño.

Paso 1: Analizar la aplicación.

Cuando recibimos una solicitud de oferta para un intercambiador de calor, 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. Como puede verse en nuestro catálogo de productos, existe un amplio abanico de tipos de intercambiadores de calor.

La temperatura de diseño, la presión de diseño y pérdida de carga máxima admisible deben definirse para los fluidos de producto y servicio.

Paso 2: Identificar las propiedades de los fluidos.

El siguiente paso consiste en analizar los fluidos involucrados: el fluido en el lado de producto y en el lado de servicio. Para poder realizar un correcto diseño de un intercambiador de calor, se necesitan conocer cuatro importantes propiedades físicas de los fluidos implicados:

Densidad Calor específico Conductividad térmica Viscosidad

El modo correcto de proceder es obtener los valores para estos cuatro parámetros para varias temperaturas en la curva de calentamiento o enfriamiento de la aplicación. Cuanto mejor se entiendan las propiedades físicas de los fluidos implicados, más afinado será el diseño del intercambiador. Cualquier error en las propiedades físicas puede encaminar directamente a un diseño erróneo del intercambiador.

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 servico a usar y definir dos de los siguientes tres parámetros: cadudal de servicio, temperatura de entrada del servicio o temperatura de salida del servicio. Conocidos dos de esos tres valores, podremos resolver la ecuación de balance energético calculando el tercer valor. El poder completar el paso 3 fija los caudales de entrada y salida tanto del producto como del servicio.

Paso 4: Definir la geometría del intercambiador de calor.

En este paso el ingeniero diseñador define 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 standard, en HRS Heat Exchangers construimos los intercambiadores de acero inoxidable en ambos lados (camisa y tubos), pero también fabricamos con otras aleaciones.

Paso 5: Cálculos térmicos.

En este punto el ingeniero de diseño realiza el cálculo térmico. El objetivo de este cálculo es obtener los coeficientes de intercambio en el lado de producto y de servicio. Estos coeficientes dependen básicamente de los cuatro parámetros clave de los fluidos (definidos previamente) y de la velocidad del (los) fluido(s). La relación entre los parámetros y los coeficientes de intercambio térmico está definida en una fórmula matemática que es específica para la geometría aplicada (intercambiador de calor tubular, de placas, de tubos corrugados). En HRS Heat Exchangers hemos diseñado nuestro propio software de cálculo matemático para el diseño de intercambiadores de calor de tubo corrugado.

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 del intercambiador de calor) y se realizan comprobaciones para ver si las pérdidas de carga están dentro de los límites de diseño. En caso de que el área calculada exceda el área definida previamente, la geometría del intercambiador necesita ser redefinida (más longitud o más tubos interiores). Igual ocurre para la pérdida de carga: si el valor calculado excede del máximo permitido definido, una nueva geometría diferente debe asegurar la reducción de la pérdida de carga. La interpretación de los resultados obtenidos 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 de diseño mecánico que aseguren que el diseño del intercambiador de calor es válido para las 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 la camisa y a los tubos de

las diferentes expansiones que sufren debido a las diferentes temperaturas que soportan). Cálculos del grosor de los tubos del haz tubular.

Los cálculos de diseño mecánico pueden resultar en la necesidad de un grosor de pared u otros parámetros que no se ajusten con el diseño geométrico definido en el paso 4. En este caso debe realizarse una nueva propuesta para la geometría y repetir los pasos del 4 al 7.

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.