DISEÑO MECANICO DE INTERCAMBIADORES_004

8/7/2019 DISEO MECANICO DE INTERCAMBIADORES_004

1/202


2/202

Diseo y Clculo Mecnico de Intercambiadores de Calor Tubulares

_________________________________________________________________1


Contenido

Captulo I

Nomenclatura y terminologa

I.1. Cdigos empleadosI.2. Aspectos generalesI.3. Nomenclatura e identificacin de cambiadores de calorI.4. Elementos constitutivos de cambiadores de calor

Captulo II

Materiales de construccin

II.1. Formas de suministroII.2. Aspectos generales de la corrosinII.3. Factores que intervienen para una adecuada seleccin de materialesII.4. Recomendaciones generales

Captulo III

Diseo mecnico de los elementos constitutivos

III.1. Mampara de choqueIII.2. Plantilla de barrenadoIII.3. Cabezal flotanteIII.4. CorazasIII.5. Domos y cinturones de distribucinIII.6. BoquillasIII.7. Elementos de refuerzo para instalacin de boquillasIII.8. Bridas integrales

III.9. TapasIII.10. EspejosIII.11. Anillo de pruebaIII.12. Soportes del equipoIII.13. Dimensionamiento


3/202


_________________________________________________________________2

Captulo IV

Fabricacin

IV.1. Capacidad y/o recursos de fabricacinIV.2. Inventario de materialesIV.3. Doblado de tubosIV.4. PreparacinIV.5. Rolado en fro y rolado en calienteIV.6. MaquinadosIV.7. Ensambles de accesoriosIV.8. SoldaduraIV.9. Esmerilado

IV.10. Tratamientos trmicosIV.11. EnsambleIV.12. Inspeccin

Captulo V

Mantenimiento y reparacin

V.1. Aspectos generalesV.2. Recomendaciones para instalacin, operacin y mantenimiento decambiadores de calores


4/202


_________________________________________________________________3

ndice

Captulo I

Nomenclatura y terminologa

I.1. Cdigos empleadosI.1.1. Cdigo AsmeI.1.2. Normas tema. (Standard of tubular exchangers manufacturesassociation)I.2. Aspectos generalesI.3. Nomenclatura e identificacin de cambiadores de calorI.4. Elementos constitutivos de cambiadores de calor

Captulo II

Materiales de construccin

II.1. Formas de suministroII.2. Aspectos generales de la corrosin

II.2.1. Formas de corrosinII.2.1.1. Corrosin uniformeII.2.1.2. Corrosin galvnicaII.2.1.3. Corrosin por erosinII.2.1.4. Corrosin por picaduraII.2.1.5. Corrosin de fractura por tensin

II.3. Factores que intervienen para una adecuada seleccin de materialesII.3.1. Lista de requisitosII.3.2. Factores adicionales para la seleccin de los materialesII.3.3. Seleccin del material

II.4. Recomendaciones generalesII.4.1. Recomendaciones para los elementos principales de los cambiadoresde calor

Captulo IIIDiseo mecnico de los elementos constitutivos

III.1. Mampara de choqueIII.1.1. Literales utilizadas en este captuloIII.1.2. Criterios para el empleo de mampara de choqueIII.1.3. Procedimientos de clculo y seleccin del dimetro de boquillaIII.1.4. Dimensionamiento y localizacin de la mampara de choque

III.2. Plantilla de barrenado


5/202


_________________________________________________________________4

III.2.1. Datos requeridos para el diseoIII.2.1.1. Tipos de cabezalIII.2.1.2. Arreglo de tubosIII.2.1.3. Nmeros de pasos por los tubosIII.2.1.4. Tipos de flujo en la coraza

III.2.2. Datos finales que deber incluir la plantilla de barrenadoIII.2.2.1. Trazo de la plantilla de barrenadoIII.2.2.2. Mamparas transversalesIII.2.2.3. Varilla tensorasIII.2.2.4. Fajas de selloIII.2.2.5. Tornillos de ojo

III.3. Cabezal flotanteIII.3.1. Geometra del casquete

III.3.2. Espesor del casquete esfricoIII.3.3. Bridas del cabezal flotanteIII.3.4. Contrabrida dividida del cabezal flotante

III.4. CorazasIII.4.1. Coraza sometida a presin interna (UG-27)III.4.2. Coraza sometida a presin externa (UG-28)III.4.3. Espesores mnimos de tema

III.5. Domos y cinturones de distribucinIII.5.1. Domos y distribuciones de vaporIII.5.2. Cinturones de distribucin de vaporIII.5.3. Clculo de espesores en cinturones y domos de vapor (Apndice 9)

III.6. BoquillasIII.6.1. ConexionesIII.6.2. Dimensionado de boquillas

III.7. Elementos de refuerzo para instalacin de boquillasIII.8. Bridas integralesIII.9. Tapas

III.9.1. Tapas toriesfricas ASMEIII.9.2. Tapas semielpticasIII.9.3. Tapas 80:16III.9.4. Espesores mnimos TEMA

III.9.5. Tapas planasIII.9.5.1. Clculo del espesor de la tapa plana segn TEMAIII.9.5.2. Clculo del espesor de la tapa plana segn Cdigo ASME

III.10. EspejosIII.10.1. Diseo de espejos

III.10.1.1. Espejos empacados, flotantes y estacionariosIII.10.1.1.1. Espesor efectivo de espejosIII.10.1.1.2. Recubrimiento aplicado en espejos (forro)III.10.1.1.3. Espejos con recubrimientos integrados


6/202


_________________________________________________________________5

III.10.1.1.4. Espesor mnimo de espejos con uniones de tubosroladosIII.10.1.1.5. Clculo por flexinIII.10.1.1.6. Clculo por cortanteIII.10.1.1.7. Presin de flexin efectiva de diseo paracambiadores con cabezal flotante con empacado exteriorIII.10.1.1.8. Presin de cortante efectiva de diseoIII.10.1.1.9. Espejo flotante empacado con anillo opresor (tipoM)

III.10.1.2. Espejos fijosIII.10.1.2.1. Presin de expansin diferencial equivalenteIII.10.1.2.2. Presin equivalente de pernosIII.10.1.2.3. Presin efectiva de diseo lado coraza

III.10.1.2.4. Presin efectiva de diseo lado tubosIII.10.1.2.5. Presin de diseo diferencial efectivaIII.10.1.2.6. Esfuerzos longitudinales en la coraza y los tubosIII.10.1.2.7. Problemas y soluciones de posibles

III.10.2. Tubos en agujeros ranuradosIII.10.3. Longitud de expansinIII.10.4. EspejosIII.10.5. Recubrimiento

III.11. Anillo de pruebaIII.12. Soportes del equipoIII.13. Dimensionamiento

III.13.1. Factores que intervienen en el dimensionamientoIII.13.1.1. De construccinIII.13.1.2. De operacinIII.13.1.3. De mantenimiento

Captulo IV

Fabricacin

IV.1. Capacidad y/o recursos de fabricacin

IV.2. Inventario de materialesIV.3. Doblado de tubosIV.4. PreparacinIV.5. Rolado en fro y rolado en calienteIV.6. MaquinadosIV.7. Ensambles de accesoriosIV.8. SoldaduraIV.9. EsmeriladoIV.10. Tratamientos trmicosIV.11. Ensamble


7/202


_________________________________________________________________6

IV.12. Inspeccin

Captulo V

Mantenimiento y reparacin

V.1. Aspectos generales V.2. Recomendaciones para instalacin, operacin y mantenimiento decambiadores de calores

V.2.1. Instalacin de cambiadores de calorV.2.2. Operaciones de cambiadores de calorV.2.3. Mantenimiento de cambiadores de calor


8/202


_________________________________________________________________7

Conceptos

Cambiador de calorEs un equipo de proceso en el que circulan generalmente dos fluidos en

condiciones de temperatura diferentes, uno por el lado tubos y el otro por el ladocoraza, con el fin de intercambiar calor a travs de las paredes metlicas de lostubos de transferencia, sin que ocurra un contacto directo entre ellos.

Lado tubosLlamamos as a los conductos por donde circula el fluido que pasa por el

interior de los tubos de transferencia.

Lado coraza o lado envolvente

Se llama as al conducto por donde circula el fluido que baa a los tubos detransferencia.

Presin de operacin (Po)Tambin conocida como presin de trabajo. Se define como la presin

manomtrica a la cual est sometido un equipo en condiciones normales deoperacin. Debemos tener presente que en el caso de los cambiadores de calor, semanejan dos presiones de operacin, una por el lado de tubos y la otra por el ladode la coraza.

Presin de diseo (PD)Se define como la presin que ser utilizada en el diseo del cambiador de

calor. Para servicios a vaco se debe especificar una presin externa de diseo de15 2lg/ PuLb (vaco total). Para una presin de operacin arriba de la atmosfrica,la presin de diseo ser:

2lg/30 puLbPoPd += si 2lg/300 puLbPo

PoPd 1,1= si 2lg/300 puLbPo >

Resulta importante mencionar que al hablar de presiones, temperaturas,materiales, etc., en cambiadores de calor, debemos siempre especificar si se tratadel lado de los tubos o del lado de la coraza, ya que generalmente las condicionesde operacin y consecuentemente las de diseo, son diferentes en un lado y en elotro.

Presiones de prueba (Pp)Normalmente conocida como presin hidrosttica de prueba, la cual es

llevada a cabo una vez que ha sido fabricado el cambiador de calor,fundamentalmente consiste en el llenado del equipo con agua, al mismo tiempo


9/202


_________________________________________________________________8

que se le somete a presin, su valor se cuantificar por medio de la siguienteecuacin:

)/(5.1 StdStaPdPp =

Donde:

Sta = Esfuerzo a la tensin del material a la temperatura ambiente

Std = Esfuerzo a la tensin del material a la temperatura de diseo

Presin de trabajo mxima permisibleEs la presin mxima a la que se puede someter un cambiador de calor en

condiciones de operacin, la evaluacin de esta presin, ser de mayor utilidad

cuando el equipo se encuentre en las siguientes condiciones:

a) En condiciones corrodasb) Bajo los efectos de la temperatura de diseoc) En posicin normal de operacin

Temperatura de operacin (To)Es el valor normal de temperatura en las condiciones de operacin del

proceso, a la cual el cambiador de calor ser expuesto.

Temperatura de diseo(TD)Se define como la temperatura que ser utilizada en el diseo del cambiador

de calor, esta temperatura se selecciona como sigue:Para fluidos que operan con una temperatura superior a 32 F(0 C), la temperaturade diseo ser la que resulte mayor de las siguientes:

F

FT

T

T o

o

D150

25

1.1

+

Para fluidos que operan a una temperatura de 32 F (0 C) o inferior, sedeber especificar simultneamente la temperatura mnima y la mximaanticipada, siendo esta ltima no menor a 150 F (65.5 C) para el lado de la corazacon el objeto de considerar la circulacin de aire caliente durante la operacin desecado, posterior a la prueba hidrosttica.

Esfuerzo de diseo a la tensin (S)Es el valor mximo al que puede someterse un material que forma parte de

un cambiador de calor en condiciones normales de operacin. Su valor est basadode secado 25% del esfuerzo ltimo a la tensin del material en cuestin.


10/202


_________________________________________________________________9

Eficiencia de las soldaduras(E)Se define como el grado de confiabilidad de las juntas soldadas en relacin

al grado de inspeccin y se establece como un porcentaje segn se define acontinuacin para el caso de soldadura a tope con penetracin completa.

RADIOGRAFIADAAL 100%

RADIOGRAFIADAPOR PUNTOS

SINRADIOGRAFIAR

VALORES DE E 1.00 0.85 0.7


11/202


_________________________________________________________________10

CAPTULO I

NOMENCLATURA Y TERMINOLOGA

I.1. CODIGOS EMPLEADOSEl diseo mecnico de recipientes a presin, como el de la gran mayora de

los equipos para procesos industriales, se encuentran regidos por diferentesnormas y cdigos. Para el caso de los cambiadores de calor tubo y coraza, que esel tema del que nos ocuparemos, el cdigo ms empleado es el ASME Boiler andPressure Vessels Code (Cdigo para Calderas y Recipientes a Presin de laSociedad Americana de Ingenieros Mecnicos).

La aplicacin de dicho cdigo, requiere de un amplio criterio para la

interpretacin correcta del mismo en el diseo. Asimismo existen las normasTEMA (Standard of Tubular Exchangers Manufactures Association) cuya finalidades regular los criterios de diseo y fabricacin de los equipos que nos ocupan.

I.1.1. CODIGO ASMEEl cdigo ASME es un conjunto de normas, especificaciones, frmulas de

diseo y criterios basados en muchos aos de experiencia, todo esto aplicado aldiseo, fabricacin, instalacin, inspeccin, y certificacin de recipientes sujetos apresin.

Fue creado en los Estados Unidos de Norteamrica en el ao de 1907, poriniciativa de varias compaas de seguros con el fin de reducir prdidas ysiniestros. El comit que lo forma est constituido por ingenieros de todas lasespecialidades y de todos los sectores, con el fin de mantenerlo siempreactualizado.

El cdigo ASME se encuentra dividido en las siguientes secciones:

SECCION I Calderas de Potencia.

SECCION II Especificacin de Materiales.

SECCION III Recipientes para Plantas Nucleares.SECCION IV Calderas de Calentamiento.

SECCION V Pruebas No Destructivas.

SECCION VI Cuidado y Mantenimiento de Calderas de Calentamiento.

SECCION VII Cuidado y Mantenimiento de Calderas de Potencia.


12/202


_________________________________________________________________11

SECCION VIII Recipientes a Presin (Div. 1 y Div. 2).SECCION IX Procedimientos para Calificar Soldaduras.

SECCION X Recipientes a Presin de Fibra de Vidrio con Plstico.

SECCION XI Reglas para Inspeccin de Sistemas de Enfriamiento de ReactoresNucleares.

Siendo SECCION VIII la que rige los equipos que trataremos en este trabajo, ladescribiremos brevemente.

La SECCION VIII se encuentra constituida por la DIVISIN 1 Y LA DIVISIN 2.

DIVISIN 1

Esta a su vez est dividida en tres subsecciones: La subseccin A quecubre los requisitos generales para todos los recipientes sujetos a presin, lasubseccin B, que cubre los requisitos especficos para los diferentes mtodosutilizados en la fabricacin de dichos recipientes y la subseccin C, que cubre losrequisitos especficos para los materiales empleados en la fabricacin.

En s, la DIVISIN 1 es un compendio de normas de diseo para las partesconstitutivas de los recipientes sometidos a presin, las cuales estn basadas en lateora de membrana. Las frmulas mandatorias que determinan los espesores entodas las partes sujetas a presin, obedecen a los esfuerzos directos permisibles,basados en 1/4 de Ft (Esfuerzo ltimo a la tensin).

Los criterios anteriores, se contemplan para equipos, cuya presin noexceda 3,000 Lb/pulg2.

DIVISIN 2

Esta divisin cubre solamente a los recipientes que son instalados en unalocalizacin determinada y para un servicio especfico, donde exista un estricto

control de los materiales, operacin, construccin y mantenimiento. En relacin ala Divisin 1, sta es ms restrictiva en la seleccin de los materiales y aunque elvalor de la intensidad de los esfuerzos permisibles, se basa en1/3 de Ft, exige unaevaluacin de esfuerzos en todos los elementos que constituyen el equipo, siendoaplicable esta Divisin para aquellos cuya presin es 3,000 Lb/pulg2 o mayor.


13/202


_________________________________________________________________12

I.1.2. NORMAS TEMA. (STANDARD OF TUBULAR EXCHANGERS MANUFACTURERSASSOCIATION)

ORIGEN.- Las causas que motivaron la realizacin de estos estndaresesencialmente fueron, asociar a los fabricantes de cambiadores de calor en losEstados Unidos de Norteamrica, con la finalidad de unificar sus criterios en lasolucin de los problemas presentados por los usuarios de equipos queconstantemente reclamaban por la calidad y tolerancias proporcionadas en eldiseo y fabricacin de los mismos.

CONTENIDO GENERAL

Estas normas se han dividido en las partes siguientes:

* Nomenclatura

* Tolerancias de Fabricacin

* Fabricacin en General, Informacin Necesaria

* Instalacin, Operacin y Mantenimiento

* Normas Mecnicas TEMA CLASE R

* Normas Mecnicas TEMA CLASE C

* Normas Mecnicas TEMA CLASE B

* Especificacin de Materiales

* Normas Trmicas

* Propiedades Fsicas de Fluidos

* Informacin General* Prcticas Recomendadas

Con respecto a las Normas Mecnicas, es importante sealar que lasdiferentes CLASES se desarrollan con las mismas partes; sin embargo, sudiferencia radica principalmente en factores de diseo para cada una de ellas. Porotra parte conviene indicar que siempre se deber especificar la categora (CLASE),que desea emplearse de estas normas. Por ejemplo TEMA R, TEMA B o TEMA

C, pero nunca especificar solamente TEMA, ya que carecera de sentido.


14/202


_________________________________________________________________13

La CLASE R, es parte de las normas donde los requisitos de diseo,fabricacin y materiales son los ms estrictos.

Esta CLASE se especifica generalmente para condiciones severas deoperacin y procesos de petrleo.

La CLASE C, se especifica para procesos y aplicaciones generales, siendolos requisitos menos estrictos que para el caso anterior. Esto ltimo se aplicatambin para la CLASE B con la nica diferencia que los equipos clasificados paraesta categora generalmente se encuentran en procesos qumicos.

1.2. ASPECTOS GENERALES

El equipo de transferencia de calor se define tomando en consideracin lafuncin que desempea dentro de una planta industrial. El cambiador de calortiene como funcin principal, como su nombre lo indica, intercambiar calor entredos o ms corrientes en un proceso determinado. Como parte integrante de unaplanta de proceso industrial, su funcin es determinante en todas las etapas.

El cambiador de calor se clasifica principalmente bajo dos consideraciones;por su funcionamiento trmico y por su tipo de construccin.

Por su funcionamiento trmico, se clasifica de la siguiente manera:

Evaporadores

Rehervidores

Calentadores

Precalentadores

Condensadores

EnfriadoresPostenfriadores

Reactores, Etc.

Por su tipo de construccin, se identifican como sigue:

- Cambiadores de tubo y coraza o envolvente


15/202


_________________________________________________________________14

- Cambiadores de tubos concntricos

- Cambiadores de Multitubos

- Cambiadores enfriados por aire

- Cambiadores de placas, etc.

Para efectos de este curso, estudiaremos el tipo de mayor difusin y uso ennuestra Industria Petrolera, el de tubos y coraza. Este, con su amplio rango deservicio y su alta resistencia a diversas condiciones de operacin, ha propiciado eldesarrollo de una tecnologa bastante amplia para este tipo de construccin.

Con el objeto de visualizar ms a fondo este tipo de construccin, haremosuna clasificacin menos generalizada, en la cual tomaremos en consideracin lasventajas y desventajas que cada uno presenta para determinados servicios.

Cambiador de Calor Tipo Espejos-Fijos

Ventajas: Construccin econmica y un mnimo de juntas empacadas,reduciendo con esto las posibilidades de fuga.

Desventajas: La coraza y el exterior de los tubos del haz, no pueden serlimpiadores por medios mecnicos, ni ser inspeccionados fsicamente. Problemasestructurales originados por la expansin diferencial entre la coraza y el haz detubos para gradientes de temperatura considerables.

Cambiador de Calor de Tubos En U

Ventajas: Maneja fluidos de alta presin y temperatura lado tubos, absorbelibremente las expansiones trmicas y su costo es relativamente bajo.

Desventajas: Dificultad para limpiar mecnicamente el interior de los tubosy limitacin en el nmero de pasos (lado tubos).

Cambiadores de Calor de Cabezal Flotante

Ventajas: Amplias facilidades de inspeccin, mantenimiento y reparacin,elimina problemas de expansin diferencial por efectos trmicos entre tubos ycoraza mediante el libre desplazamiento del cabezal flotante.

Desventajas: Mayor costo de fabricacin que en los casos anteriores y unnmero considerable de juntas empacadas que lo hacen poco recomendable parael manejo de fluidos txicos o peligrosos.


16/202


_________________________________________________________________15

I.3. NOMENCLATURA E IDENTIFICACIN DE CAMBIADORES DE CALOR

La nomenclatura utilizada por TEMA, adopta tres literales querepresentan:

La primera, el tipo de cabezal de distribucin o entrada, la segunda, el tipode coraza y la tercera, el tipo de cabezal de retorno. Ver Fig. I.1.

As por ejemplo, un cambiador de calor del tipo AES, estar constituidopor un cabezal de distribucin A, una coraza E y un cabezal de retorno S.El tamao de un cambiador de calor se indica por dos nmeros: el primerorepresenta el dimetro interior de la coraza y el segundo la longitud recta de lostubos de transferencia.

I.4. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN CAMBIADOR DE CALOR

El nombre que recibe cada uno de los elementos que constituye uncambiador de calor de tubos y coraza, se proporciona en las Figs. I.2. y I.3., de loscuales se describirn los de mayor importancia.

CORAZA

Es un cuerpo cilndrico construido de una sola pieza que puede ser un tubosin costura o una placa rolada que contendr en su interior el haz de tubos y atravs de los cuales circula el fluido que baa el exterior de los tubos de dicho haz.

HAZ DE TUBOS

Es el elemento formado por los tubos de transferencia, situado en el interiorde la coraza y orientado paralelamente a ella.Consta tambin de mamparas, cuya funcin adems de soportar los tubos, escrear turbulencias y dirigir el fluido que circula por el exterior de los tubos mismos.

ESPEJOS

El haz de tubos remata sus extremos en placas perforadas llamadasespejos, que sirven por una parte como elemento divisores entre el flujo del ladocoraza y el flujo del lado tubos y por otra parte como elementos de sujecin de lostubos; estos cruzan el espejo a travs de sus perforaciones y sellan expansionadoscontra los espejos o mediante una soldadura perimetral en los extremos de lostubos para unirlos a los espejos permanentemente.


17/202


_________________________________________________________________16

TUBOS DE TRANSFERENCIA

Son tubos de longitud normalizada por TEMA, cuyo dimetro nominalcorresponde a su dimetro exterior y su espesor vara segn el calibradorBirmingham, que en la prctica se conoce como BWG del tubo.

CABEZAL DE DISTRIBUCIN

Elemento similar a la coraza, cuya funcin es recibir el fluido que ha decircular por el interior de los tubos, distribuirlo y recolectarlo para mandarlo fuerade el.

CABEZAL FLOTANTE

Est constituido por una tapa que se fija al espejo flotante por medio depernos y un anillo dividido, teniendo como funcin retornar el fluido que circula porel interior de los tubos hacia el cabezal de distribucin o bien mandar el fluidofuera del cambiador cuando este cuenta con un solo paso lado tubos.


18/202


_________________________________________________________________1


19/202


_________________________________________________________________18


20/202


_________________________________________________________________19


21/202


_________________________________________________________________20

CAPTULO II

MATERIALES DE CONSTRUCCIN

II.1. FORMAS DE SUMINISTRO

Los materiales se fabrican en formas comerciales que se denominanFormas de Suministro y para ello se han normalizado las de mayor utilidad. Enlos cambiadores de calor se emplean algunas de dichas formas, que son solicitadasmediante las especificaciones de los cdigos, tomando en consideracin la formadel elemento que ha de fabricarse. A continuacin se presentan las formas desuministro y su utilidad en la fabricacin de los cambiadores de calor.

PLACA: Se emplea en la fabricacin de mamparas, silletas, tapas formadas yplanas, placas divisorias, tiras de sello, mamparas de choque, espejos y seccionescilndricas (corazas y cabezales)

FORJA: Se emplea en la fabricacin de bridas, coples y en algunos casoscuando los espejos y tapas planas cuentan con espesores mayores a 2 pulg.(63.5mm.) por limitaciones de disponibilidad en el mercado y por la dificultad quepresenta controlar los defectos en el laminado de placas con espesores mayores a4 pulg (101.6 mm.)

TUBOS: Existen en el mercado tubos de cdula y tubos calibre, ambosfabricados para dimetros normalizados aunque con caractersticas de fabricacindiferentes y utilidad especfica dentro del diseo de los cambiadores de calor.

Los tubos de cdula pueden conseguirse en el mercado desde 1/8 pulg.(3.2mm.) hasta 42pulg. (1067 mm.) (Mercado Nacional hasta 18pulg.) (457mm.)de dimetro nominal, que no corresponde al dimetro interno o externo real, aexcepcin de aquellos mayores a 12pulg. (305 mm.) en los cuales el dimetroexterior es comn al dimetro de identificacin (nominal). La utilidad que puedenofrecer los tubos de cdula para nuestras necesidades de diseo es variada,debido a que los espesores que pudieran requerirse en los elementos por

disearse, se pueden seleccionar en funcin del dimetro nominal y una cdulaque satisfaga el espesor requerido, ya que existen varias cdulas para cadadimetro nominal con un espesor definido (Tabla III.1). Son fabricados concostura o sin ella, estos soldados o estruidos, de los cuales se prefieren lossegundos en el diseo de cuellos de boquillas, espaciadores y secciones cilndricascomo corazas y cabezales cuando no exceden de 18pulg. (457mm.) de dimetronominal.


22/202


_________________________________________________________________21

Los tubos calibre tambin llamados tubos de transferencia, se fabrican endimetros nominales desde 1/4pulg. (6.55mm.) hasta 21/2pulg. (63.5mm.) quecorresponde al dimetro exterior y cada uno de ellos se fabrica con diferentesespesores normalizados, a los cuales se les identifica con un nmero denominado

calibre del tubo, tambin existen en el mercado con o sin costura, prefirindoselos ltimos para la fabricacin de haces de tubos (Tabla III.6).

BARRA: Se utiliza para la fabricacin de varillas tensoras, esprragos ytornillos.

II.2. ASPECTOS GENERALES DE LA CORROSIN

En trminos tcnicos, la corrosin ha sido definida como el deterioro o

destruccin de un material metlico, ocasionado por el ataque electroqumico delmedio que le rodea.

La vida til de los equipos en las industrias petroleras se ve reducidafrecuentemente como resultado de las corrosiones, es por ello que se ha dadoespecial atencin a su estudio, logrndose resultados importantes con respecto ala deteccin y control de las mismas.

Para fines prcticos es casi imposible eliminar la corrosin y es por ello quela labor efectiva de la ingeniera en este campo, radica ms en su control que ensu eliminacin, de ah la importancia del entendimiento de los mecanismos de lacorrosin a fin de tomarlos en cuenta desde el diseo de los equipos.

Todos los metales y aleaciones son susceptibles a la corrosin, no existiendomateriales tiles para todas las aplicaciones, por ejemplo: el oro se corroerpidamente con el mercurio, pero posee una excelente resistencia al ataquecorrosivo del ambiente atmosfrico, por otro lado el acero es muy resistente alataque del mercurio, pero se oxida fcilmente estando expuesto al ambienteatmosfrico.

Afortunadamente se cuenta con una amplia gama de metales que pueden

comportarse satisfactoriamente en medios especficos contndose adems conmtodos de control de la corrosin que reducen considerablemente el problema.Con frecuencia, los paros de produccin en las plantas ocurren como resultado dela corrosin, provocando prdidas directas e indirectas de aspectos econmicos yhumanos.


23/202


_________________________________________________________________22

Dentro de los aspectos que generan prdidas econmicas se tienen:

1) Reposicin del equipo.

2) Coeficientes de seguridad y sobre diseo.

3) Paros de produccin.

4) Contaminacin de productos.

Prdida de la eficiencia del equipo, ya que el sobre diseo reduce lavelocidad de transmisin de calor en cambiadores de calor.

Dentro de los aspectos que generan prdidas humanas y repercusin socialse tienen:

1) Incendios, explosiones y liberacin de productos txicos

2) Contaminacin ambiental

Agotamiento de los recursos naturales no renovables, tanto en metalescomo en combustibles empleados para la fabricacin de los equipos.Naturalmente los aspectos sociales y humanos tienen tambin consecuenciaseconmicas, por lo que resulta difcil nombrar todas las razones que justifican elestudio de la corrosin y su control.

II.2.1. FORMAS DE CORROSIN

Cuando la corrosin se hace presente en los equipos de una planta, esindispensable establecer un criterio de solucin al problema, mismo que dependerdel conocimiento de las diversas formas de corrosin existentes, las cuales seindican en la Figura II.1

A continuacin, se describen los tipos de corrosin, que con mayor

frecuencia se presentan en los cambiadores de calor, ya que este es el tema quenos ocupa.

II.2.1.1. CORROSIN UNIFORME

Se denomina como corrosin uniforme o general aquella que se presentauniformemente sobre una superficie metlica, frecuentemente puede ser previstoun rango de corrosin admisible mediante grficas de corrosin o pruebas delaboratorio para ser considerado en el diseo de equipos. Para este tipo decorrosin, el rango se expresa en pulgadas de penetracin por ao o milsimas de


24/202


25/202


_________________________________________________________________24

corroe, mientras que el metal ms noble acta como ctodo y de esta maneratiende a protegerse.

Este tipo de corrosin puede presentarse por ejemplo; en cambiadores decalor cuyos tubos de transferencia trmica sean de un metal no ferroso y el restode su fabricacin sea de acero al carbono. En estas condiciones la presencia delagua de enfriamiento inicia la corrosin galvnica por ser un buen electrolito,quedando el acero al carbono expuesto al ataque corrosivo por hacer la funcin denodo y el metal no ferroso, cobre o alguna de sus aleaciones que son las mscomunes, la funcin de ctodo, conservndose los tubos de transferencia trmica,un tiempo ms prolongado.

Es importante sealar que el rea de los metales expuesta al ambiente

electroltico, tambin se relaciona directamente con el rango de corrosingalvnica, por lo que deber tenerse presente que a medida que se incrementa elrea catdica en relacin al rea andica, el ataque corrosivo se hace ms severo.

A continuacin, se indican algunas alternativas, que pueden ser tiles enforma aislada o combinada para el control de la corrosin galvnica.

1) Evitar siempre que sea posible el uso de materiales de naturalezadistinta.

2) Evitar exponer a un ambiente electroltico reas andicas pequeas, enrelacin a las reas catdicas.

3) Cuando se utilicen metales de distinta naturaleza, emplean materiales deaislamiento (recubrimientos).

4) Instalar nodos de sacrificio para proteger las reas andicas del equipo.

II.2.1.3. CORROSIN POR EROSIN

Cuando el ataque corrosivo se genera sobre una superficie metlica, debido

a la velocidad de flujo del medio corrosivo produciendo un desgaste mecnico,este recibe el nombre de corrosin por erosin.

Generalmente este ataque presenta apariencia de picaduras poco profundasde fondo terso, con distribucin direccional, debido a la trayectoria; seguido por elagente agresivo al fluir sobre la superficie metlica.

La corrosin por erosin se incrementa en condiciones de alta velocidad,turbulencia, choque, etc. y frecuentemente se observa en la boquilla de


26/202


_________________________________________________________________25

alimentacin (Lado Coraza) de los cambiadores de calor, en codos y cambios dedireccin de tuberas, por citar algunos ejemplos:

La corrosin por erosin puede ser controlada con placas de choque o conla seleccin de materiales ms resistentes a este efecto.

II.2.1.4. CORROSIN POR PICADURA

La picadura es una forma de ataque corrosivo extremadamente localizadoque da lugar a agujeros en el metal, en general una picadura puede ser descritacomo una cavidad o agujero con un dimetro superficial aproximadamente igual omenor que su profundidad.

La picadura es una de las formas ms destructivas de corrosin que causafallas por perforacin con slo un pequeo porcentaje de prdida de peso en todoel equipo.

A menudo, es difcil detectar las picaduras debido a su pequeo tamaodebido a que tambin es frecuente que estn cubiertas con productos decorrosin, adems resulta difcil medirlas y evaluar la magnitud del picado debido ala variacin en profundidades y al nmero de picaduras que pueden ocurrir bajocondiciones idnticas.

La mayora de las picaduras se desarrollan y crecen hacia abajo de lassuperficies horizontales, un menor nmero se inicia en superficies verticales y sloen raras ocasiones las picaduras se presentan en superficies horizontalessuperiores.

La picadura generalmente requiere un prolongado periodo de iniciacinantes de que se hagan visibles sus efectos, sin embargo; una vez iniciado elataque, la picadura se incrementa a una velocidad cada vez mayor.

Es importante mencionar que la mayor parte de los problemas de picadurase deben a la presencia de iones halgenos (Cloruros, Bromuros o Hipocloritos), y

que su efecto se puede controlar con el uso de aleaciones resistentes a lapicadura, uso de inhibidores de corrosin, o bien modificando la velocidad delfluido, dado que la picadura esta generalmente asociada con condiciones de flujolaminar o condiciones de flujo estacionario.

II.2.1.5. CORROSIN DE FRACTURA POR TENSIN

La accin conjunta de un esfuerzo de tensin y un medio ambientecorrosivo, dar como resultado, en algunos casos, la fractura de una aleacinmetlica. La mayora de las aleaciones son susceptibles a este ataque, pero


27/202


_________________________________________________________________26

afortunadamente el nmero de combinaciones aleacin-medio corrosivo que causaeste problema son relativamente pocas, sin embargo dado que ciertos equiposfallan bajo este fenmeno se requiere prever que este tipo de corrosin no causedaos considerables.

La fractura por este tipo de corrosin, puede preverse o reducirse por laaplicacin de uno o ms de los siguientes mtodos:

a) Ya que los esfuerzos que causan las fracturas provienen de trabajosmecnicos en fro, soldadura, o bien pueden ser aplicados en forma externadurante la operacin del equipo, es necesario realizar un tratamientotrmico para el relevado de esfuerzos.

b) Seleccionar un material ms resistente a este tipo de corrosin.

c) Agregar inhibidores de corrosin con el fin de neutralizar el fluidocorrosivo.

II.3. FACTORES QUE INTERVIENEN PARA UNA ADECUADA SELECCIN DEMATERIALES.

Los materiales que se deben utilizar en la construccin de cambiadores decalor se realizarn conjuntamente con el Ingeniero Mecnico (Diseador delequipo) y el Ingeniero de Proceso. Los materiales que se elijan, debern resistirlos efectos de la corrosin y debern tener la suficiente resistencia para soportar latemperatura y presin de diseo, teniendo adems que conducir a un diseoprctico. Una buena seleccin de materiales, asegurar bajos costos demantenimiento e iniciales.

A continuacin, se mencionarn las etapas ms convenientes, para efectuaruna seleccin adecuada de materiales para la construccin de cambiador de calor.

II.3.1. LISTA DE REQUISITOS.

II.3.2. FACTORES ADICIONALES PARA SELECCIN DE LOS MATERIALESII.3.3. SELECCIN DEL MATERIAL

II.3.1. LISTA DE REQUISITOS

En esta lista, se deben incluir los materiales que satisfagan las condicionesde servicio, y para que esto suceda, es necesario que los materiales que sesugieran tengan las propiedades adecuadas, siendo ms importantes lassiguientes:


28/202


_________________________________________________________________27

1) Propiedades Mecnicas. Las propiedades del material que msimportancia tienen son:

* Una alta resistencia a la tensin* Un punto de cedencia alto* Una mnima reduccin de rea* Un alto porcentaje de alargamiento

Contando con estas propiedades, establecidos los esfuerzos de diseo parael material en cuestin.

2) Propiedades Fsicas. Siendo ms importante el coeficiente de dilatacintrmico del material, ya que este limitar el valor del esfuerzo a la tensin y

en consecuencia afectar el diseo del cambiador.

3) Resistencia a la Corrosin. Los materiales que se propongan debernsoportar el ataque qumico de las sustancias a las cuales estarn encontacto.

4) Facilidad para su Fabricacin. De acuerdo a los medios disponibles yelegidos para la fabricacin del equipo, los materiales debern contar conlas siguientes caractersticas:

Maquinabilidad. Se hace necesario maquinar ciertas partes del cambiador(como son: las bridas, espejos, tapas Planas, etc.), para darle la forma o acabadoa las superficies para asentamiento del empaque, juntas de ensamble, etc. Paraello, un material difcil de maquinar es ms costoso en su fabricacin, ya querequiere de procedimientos y herramientas costosas.

Soldabilidad. El material que se ha de utilizar para la fabricacin delcambiador, deber tener buenas propiedades de soldabilidad, ya que gran parte desus elementos son de construccin soldable.

En la Tabla II.1 se muestra la soldabilidad y afinidad metalrgica para los

diferentes materiales utilizados en la construccin de cambiadores de calor, dichatabla es una gua que contiene informacin tcnica suficiente para lograr laevaluacin adecuada del concepto.

Facilidad de ser formado. El material ser trabajado mecnicamente paradarle la forma deseada, como el rolado de las placas para la fabricacin deelementos cilndricos, formado de tapas, etc.


29/202


_________________________________________________________________28

Compatibilidad del Equipo Existente. Se deber utilizar por convenienciamateriales de una misma clase, para evitar el tener gran cantidad de materiales dereposicin en el almacn.

II.3.2. FACTORES ADICIONALES PARA LA SELECCIN DE LOS MATERIALES

En esta etapa se tomar en cuenta la vida til de la planta donde sernintegrados los equipos (Cambiadores de Calor) que se estn diseando, para ello,se fijar la atencin en los siguientes puntos:

1) Vida estimativa de la planta. Generalmente, una planta se proyecta paraun determinado tiempo de vida til, partiendo de esta base, se puedeformar un criterio sobre la clase de los posibles materiales a utilizar.

2) Duracin estimada del material. Para conocer la vida estimada delmaterial, ser necesario auxiliarnos de literatura existente sobre elcomportamiento del material en situaciones similares, as como reportes delas experiencias de personas que han operado y conocen los problemas quefrecuentemente se presentan en plantas idnticas.

3) Disponibilidad y tiempo de entrega del material. Hay que tener en cuentala produccin nacional de los materiales para la fabricacin de loscambiadores, debido a que existir la posibilidad de utilizar los materiales delos cuales se dispone sin tener grandes tiempos de entrega y a un costomenor que las importaciones.

4) Costo del material y fabricacin. Frecuentemente a un alto costo dematerial le corresponde un alto costo de fabricacin. En las Tablas II.2. yII.3., se muestran los costos relativos para los diferentes materialesutilizados en la construccin de cambiadores de calor.

5) Informacin necesaria para estimar el comportamiento de los materialesante la corrosin. Para poder efectuar una evaluacin correcta de losmateriales, es necesario disponer de la mayor informacin posible en lo que

se refiere a las condiciones de proceso, dicha informacin, la podemosdesglosar de acuerdo a su procedencia como sigue:

a) Caractersticas del fluido.a.1.) Principalmente compuesto. Se requiere de un anlisis qumicopara poder conocer la composicin del fluido, y as determinar lascaractersticas corrosivas de este.a.2.) Impurezas. Dicho anlisis, nos servir para conocer tantocualitativa como cuantitativamente el grado de impurezas del fluido,y de esta manera determinar si son corrosivas.


30/202


_________________________________________________________________29

a.3.) Temperatura. Dicha condicin es un factor que afectadirectamente la corrosin, ya que con una variacin de temperaturapuede alterarse la velocidad de corrosin en ciertos casos.a.4.) PH (Potencia de Hidrgeno). Una sustancia es ms corrosiva enla medida en que disminuye su PH (Aumento de Acidez).a.5.) Velocidad del fluido. La erosin aumenta con un incremento develocidad, debido a que el fluido tiende a ser ms turbulentoprovocando con esto un desprendimiento de las partculas corrosivasy exponiendo nuevamente el material al contacto del fluido.

b) Funcin de la parte del equipo. La funcin que desempea cada una delas partes que componen el equipo, nos obligan a tomar decisiones conservadorassobre los materiales a elegir.

c) Experiencia.c.1.) Si el material ha sido utilizado en servicios idnticos se deben arevisar los reportes de inspeccin que se hayan efectuado al equipopara conocer los resultados que se tienen, y con esto saber si an elequipo se encuentra en servicio.c.2.) Si el material ha sido utilizado en situaciones similares Qudiferencia existe entre la situacin actual y la posibilidad de hacer unaeleccin idntica?c.3.) Las experiencias vividas en planta, en plantas piloto, datos deprueba de corrosin en plantas y laboratorios as como literaturadisponible, son las fuentes ms confiables para formarse un criterioen la seleccin de los materiales.

II.3.3. SELECCIN DEL MATERIAL

La decisin final que se tomar para la seleccin del material, se har deacuerdo a lo siguiente:

1) Material ms adecuado. Este ser aqul que cumpla con el mayorporcentaje de requisitos tcnicos, ya que de estos depende el buen

funcionamiento del equipo.2) Requisitos econmicos. El material que implique menores gastos como

son: iniciales, de operacin, de mantenimiento y un mayor reembolso de inversin,sin que por este concepto se tenga que sacrificar el punto anterior.

II.4. RECOMENDACIONES GENERALES

En este captulo, se mostr en forma general los parmetros que se deberntomar en cuenta para una seleccin adecuada de los materiales de construccin.


31/202


_________________________________________________________________30

Resulta difcil establecer recetas que contemplen todos los casos demateriales expuestos a la gran cantidad de fluidos que se manejan en la industriaen general, es por ello que al efectuar la seleccin correspondiente, es necesariohacer un anlisis detallado tomando en cuenta lo establecido en el presentecaptulo.

Sin embargo cuando se asegura que las corrientes (lado coraza y ladotubos) que circulan en un cambiador de calor, no poseen propiedades corrosivas(las cuales generalmente determinan el tipo de material a utilizar), la seleccin delmaterial se facilita, ya que debido a un sinnmero de experiencias se han logradoclasificar los materiales ms utilizados en los cambiadores de calor fabricados conacero al carbono y sus aleaciones. En la Tabla II.4., se muestran estos, limitandosu seleccin a la temperatura de diseo del equipo.

Un segundo servicio que ha sido estudiado detalladamente es el manejo deagua para el enfriamiento por el lado de los tubos, sin embargo se requiereverificar el comportamiento de los materiales propuestos en la Tabla II.5., con lacorriente por el lado de la coraza.

Otro servicio considerado en el estudio de materiales, que se presenta confrecuencia en los procesos industriales es el manejo de servicios de hidrgeno, elcual queda delineado mediante el diagrama de G. A. Nelson presentado en laTabla II.6.

El diagrama antes referido agrupa los materiales apropiados en relacin a latemperatura de diseo y la presin parcial del hidrgeno presente en las corrientesdel servicio en cuestin.

II.4.1. RECOMENDACIONES PARA LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DE LOSCAMBIADORES DE CALOR

a) TUBOS.- En la seleccin del material de los tubos, se deber atender conespecial cuidado el ataque corrosivo a las condiciones de servicio (Presin yTemperatura) de cada fluido, ya que ambos estn en contacto con ellos, uno por

el interior y el otro por su exterior. Adems, se deber tomar en cuenta quecomercialmente no se cuenta con espesores normalizados que proporcionen elmaterial disponible para corrosin, por lo que est deber resultar imperceptible.

b) ESPEJOS.- En la seleccin del material de los espejos, tambin debeatenderse con especial cuidado el ataque corrosivo a las condiciones de servicio(Presin y Temperatura) de ambos fluidos y en especial, para el ms crtico, yaque un fluido ataca una de sus caras y el otro la opuesta. A estos elementos, seles pueden incrementar el espesor para soportar la corrosin (cuando estos sefabrican de acero al carbn), asimismo debido a que los tubos irn insertados en


32/202


_________________________________________________________________31

ellos, quedando expuestas sus uniones a la accin de los fluidos, el material de losespejos deber ser el mismo que el de los tubos u otro de las mismascaractersticas electroqumicas, para evitar que se desarrolle la corrosin galvnica.

Cuando los tubos son de acero al carbono o de acero inoxidable, no existenproblemas en seleccionar los espejos del mismo material, pero cuando los tubosson de cobre o de alguna de sus aleaciones, surgen problemas para seleccionar elmaterial de los espejos, debido a que tienen bajos esfuerzos permisibles y bajanms an al elevarse la temperatura, por lo que se necesitar un espesor mayorque el del acero al carbono, es entonces cuando dichos espejos se proporcionande acero al carbono un recubrimiento integral de cobre o alguna de sus aleaciones,aunque en ciertas ocasiones se proporcione totalmente de estos ltimos materiales(cuando el espesor total del mismo es menor o igual a 2 (51 mm), o cuando por

ambos lados se tiene presente la corrosin galvnica). Como generalmente seutiliza el cobre y sus aleaciones para servicios de agua para enfriamiento, elrecubrimiento integral (con material base de acero al carbono), nicamente ya queel acero al carbono resiste los esfuerzos (Figura II.2.).

c) EMPAQUES. En las juntas desmontables de los cambiadores de calor seutilizan empaques de metal slido o de asbesto comprimido recubierto de un metal(enchaquetado). Los empaques llamados enchaquetados, deben tener buenaplasticidad para que al ser comprimidos, puedan deformarse y fluir hasta llenartodos los huecos existentes en las caras de asentamiento, evitando as cualquierfuga. El metal que recubre el asbesto deber seleccionarse para resistir el ataquecorrosivo del fluido que se maneja, por lo que, generalmente se adopta un metaligual o de las mismas caractersticas electroqumicas que las de los elementos enque se asienta, para evitar que se genere la corrosin galvnica.

d) BRIDAS. Son fabricadas de un acero al carbono, similar al de las partes alas que han de soldarse y nicamente en casos muy especiales se fabricarn deotro material, puesto que se les puede adicionar material disponible para lacorrosin.

Siempre que un espejo y empaque de material diferente al acero al carbono

deban formar junta con una brida, sta podr ser fabricada de acero al carbono,recubrindola en la cara de asentamiento del empaque con material igual o decaractersticas similares a las del empaque de tal forma que ste se apoye en sutotalidad sobre el recubrimiento, para evitar que se produzca la corrosin galvnica(Figura II.2a.). El espesor del material de recubrimiento ser normalmente de1/8pulg. (3mm.) y ser aplicado mediante soldadura.

e) CORAZAS, CABEZALES, TAPAS Y BOQUILLAS. Estos elementoscontendrn a los fluidos de proceso; a diferencia de los tubos de transferencia, enestos elementos si es posible proporcionar material adicional para soportar el


33/202


_________________________________________________________________32

ataque corrosivo, pero cuando se requiere de materiales de aleacin es msadecuado el uso de recubrimientos integrales (con material base de acero alcarbn, recubierto con aleacin).

La construccin de estos elementos se lleva a cabo a partir de diversasformas de suministro, como el caso de las corazas y cabezales que algunas vecesse obtienen de tubos de cdula (cuando el equipo es menor de 18pulg. (457mm.)de dimetro interno, sin que esto sea una limitante, ya que su eleccin dependerde los recursos con los cuales, cuenta el fabricante), por lo que se deberseleccionar la forma de suministro.

f) TAPAS CABEZAL FLOTANTE. Estas tapas no quedan incluidas entre lasanteriores, por la funcin que desempean, ya que adems de separar un fluido

del otro, soportan el ataque corrosivo y las condiciones de servicio de ambosfluidos, por lo que se debern seleccionar sus materiales de construccin parasoportar las condiciones ms crticas son seleccionados comnmente de acero alcarbono, puesto que es posible adicionar material disponible para la corrosin,pero cuando el efecto corrosivo que pueden presentar ambos fluidos es alto,tendrn que adicionar dicho material en las dos caras de la tapa.Esto puede traer como consecuencia una placa demasiado gruesa en ocasiones, loque despus de rolarla para darle la geometra requerida, presentar esfuerzosresiduales que ser necesario eliminar mediante tratamiento trmico y con lo cualse incrementar su costo, por lo que ser necesario en estos casos seleccionar unmaterial ms resistente a la corrosin, adoptando normalmente el mismoseleccionado para los tubos y espejos a fin de evitar la corrosin galvnica.

g) MAMPARAS. Se seleccionan comnmente de acero al carbono por serelementos no sujetos a presin y adems por el material disponible a la corrosinque puede ser incluido en su espesor, aunque algunas veces se construyen delmismo material o de caractersticas similares a las de los tubos, cuando el fluido dela coraza es un buen electrolito para evitar que se desarrollo la corrosin galvnicay con ello, la destruccin de las mamparas que son difciles de reemplazar.

h) PLACAS DIVISORIAS. Se seleccionan del mismo material que los

cabezales y tapas a los cuales habrn de soldarse. Cuando estas placas divisoriasson proporcionadas de acero al carbn y los espejos en las cuales se empacanstas, son de material diferente al de ellas, ser indispensable proporcionar en elextremo (de la placa divisoria) un material igual o similar al del espejo,manteniendo de acero al carbono el resto de la placa divisoria y uniendo ambaspartes mediante soldadura, para posteriormente recubrir la unin con resinaepxica (Figura II.2.b.), para evitar con ello la corrosin bimetlica y la presenciade puentes electrolticos.


34/202


_________________________________________________________________33


35/202


_________________________________________________________________34


36/202


_________________________________________________________________35


37/202


_________________________________________________________________36


38/202


_________________________________________________________________37


39/202


40/202


_________________________________________________________________3


41/202


_________________________________________________________________40


42/202


_________________________________________________________________41


43/202


_________________________________________________________________42

CAPTULO III

DISEO MECNICO DE LOS ELEMENTOS CONSTITUTIVOS

En el presente captulo, se describirn las caractersticas de cada uno de loselementos mecnicos que constituyen los cambiadores de calor de tubo y coraza,as como el procedimiento de diseo para cada uno de ellos.Para iniciar el diseo de un equipo, ser indispensable contar con la Hoja de Datosdel mismo, que es una recopilacin de informacin obtenida durante el estudiotrmico del proceso que deber efectuarse y mediante el cual se habrdeterminado el tipo de cambiador de calor requerido conforme a la identificacindescrita en el Captulo I.3., con lo que ser posible entonces conocer los elementosmecnicos que tendrn que disearse individualmente.

En seguida se presentar el mtodo de diseo para cada elemento quepuede ser necesario en los equipos de transmisin trmica que aqu se estudian,aunque no todos ellos se implicarn en cada equipo diseado, debernseleccionarse conforme a las necesidades y requerimientos especificados en laHoja de Datos. Lo anterior significa por ejemplo, que para un cambiador tipo

NEN, no ser necesario disear un cabezal flotante o una tapa toriesfrica, queson elementos que tambin se describen en este captulo para cuando se requieraun equipo constituido por estos elementos.

III.1. MAMPARA DE CHOQUE

La mampara de choque es una placa que se instala normal a la descarga dela boquilla alimentadora en la coraza, a fin de evitar que la corriente del fluidochoque directamente sobre los tubos del haz y los dae por efectos erosivos.

III.1.1. LITERALES UTILIZADAS EN ESTE CAPTULO

- Densidad del fluido entrante a la coraza Lb/pie3 Kg/m3)

- Densidad del agua Lb/pie3 (Kg/m3)

- Velocidad del fluido a la entrada de la coraza pies/s (m/s)

- Flujo de masa a la coraza Lb/Hr (Kg/Hr)

Q Gasto de entrada a la coraza pie3/s (m3/s)

S.G Gravedad especfica (densidad relativa) del fluido entrante

A rea transversal interna de la boquilla alimentadora


44/202


_________________________________________________________________43

D Dimetro interior de la boquilla alimentadora

III.1.2. CRITERIOS PARA EL EMPLEO DE MAMPARA DE CHOQUE

Cuando alguno de los tres casos siguientes se presente, ser necesarioinstalar mampara de choque (TEMA R-4.61).

1) 2 > 1,500 Lb/pies.2 (2,250 Kg/ms2). Cuando se tienen fluidos nocorrosivos, no abrasivos y de una sola fase.

2) 2 > 500 Lb/pies.2 (750 Kg/m.s2). Cuando se tienen fluidos de dos fases,incluyendo lquidos en punto de ebullicin.

3) Para gases y vapores, incluyendo todos los vapores saturados y mezclasde vapores.

NOTA: Para ningn caso podr aceptarse un valor de 2 > mayor a 4,000 Lb/pies2

(6,000 Kg/ms2), debindose incrementar el dimetro de la boquilla alimentadoraen esos casos, a fin de reducir la velocidad de entrada y con ello el producto.

Deber evitarse en los casos que sea posible la mampara de choque,seleccionando el dimetro de boquilla adecuado que proporcione un producto 2

dentro de los lmites antes establecidos, esto es cuando el dimetro puede elegirsey no es un dato, de lo contrario se tendr que evaluar el producto y sedeterminar si ser necesario o no la mampara, conforme a lo anteriormenteexpuesto.

III.1.3. PROCEDIMIENTO DE CLCULO Y SELECCIN DEL DIMETRO DEBOQUILLA

Datos: Los datos proporcionados por la Hoja de Datos y que sern deutilidad para el clculo de la boquilla que no requerir mampara de choque son: ,SG y .

Se har la conversin del flujo de masa en Lb/Hr a gasto en pie3

/s o (Kg/Hra m3/s).

= SG x H

Q = W/ ( x 3600)

Q = Gastos en pie3/s (m3/s)


45/202


_________________________________________________________________44

Dependiendo del fluido entrante a la coraza, se iguala el producto 2 alvalor correspondiente, conforme lo indica el punto III.1.2

2 = 1,500 Lb/(pie s2) o (2,250 Kg/m s2)

2 = 500 Lb/(pie s2) o (750 Kg/m s2)

De las ecuaciones anteriores, segn corresponda podr despejarse lavariable V para obtener el valor de la velocidad del fluido en la boquillaalimentadora.

Se sabe que Q = V x AA = Q / V

Sabindose que el rea de un crculo es:

A = 0.785 D2

Se despeja finalmente el dimetro interior de la boquilla D requerido paraevitar la necesidad de utilizar mampara de choque.

D = (A / 0.785) pie (m)

Se procede ahora a convertir el dimetro obtenido a pulgadas (mm) paraconsultar cualquier tabla de Caractersticas Mecnicas de Tubos (Tabla III.1) yelegir el tubo con dimetro interno ms prximo al calculado.

Se evaluar ahora el rea transversal interna del tubo seleccionado para lafabricacin de la boquilla, la cual deber ser mayor al rea requerida, en cuyo casose tendr la dimensin de boquilla que no requerir mampara de choque.

En caso de tener la boquilla de un dimetro ya establecido deber calcularsela posicin de la mampara de choque, as como su dimensin, despus de conocerel producto 2 y comprobar que es necesaria (Fig. III.1.b.).

III.1.4. DIMENSIONAMIENTO Y LOCALIZACIN DE LA MAMPARA DE CHOQUE

La mampara deber cubrir un rea mayor a la comprendida por el dimetrointerior de la boquilla, a fin de asegurar la proteccin de los tubos del haz endireccin a la descarga de esta misma boquilla. Por otra parte, es inconvenienteuna mampara demasiado grande, que restar rea en el interior de la coraza,dificultando la distribucin de tubos.


46/202


_________________________________________________________________45

Tomando en cuenta los factores anteriores, se ha considerado suficientetomar 1.25 veces el dimetro interior de la boquilla para el valor diametral de lamampara, que para facilitar su instalacin ser cuadrada, teniendo por lado estevalor diametral calculado.

El rea de flujo limitada por la proyeccin de la boquilla sobre la mampara yla altura Hpp (Fig. III.1.b.) que establece la localizacin de sta, deber ser almenos igual al rea transversal interna de la boquilla, con la finalidad de evitaralteraciones del patrn de flujo presin, velocidad, esto es:

D = (D2) / 4

= ( (D2)/4) /D

= D/4

Es recomendable fabricar estas mamparas con la misma curvatura quepresente la coraza para hacer menos brusco el cambio de direccin en el flujo yevitar prdidas de energa excesivas.

Cuando la boquilla alimentadora es de dimetro grande en relacin aldimetro de la coraza y exista la necesidad de utilizar mampara de choque, estaser tambin de grande dimensiones y por consecuencia ocupar un espaciodentro de la coraza tal, que har muy difcil la distribucin de los tubos querequerir el haz, es entonces cuando se deber recurrir a otras soluciones, como loson el diseo de cinturones de distribucin o domos que se vern ms adelante(Cap. III.5).

III.2. PLANTILLA DE BARRENADO

La Plantilla de Barrenado es el dibujo que muestra la posicin en que irsituado cada uno de los tubos de transferencia con que contar el equipo y servirde base para la perforacin de las placas que han de soportarlos al ensamblar elhaz completo (espejos y mamparas).

III.2.1. DATOS REQUERIDOS PARA EL DISEO

(PROPORCIONADOS EN LA HOJA DE DATOS)

1) Nmero de tubos requeridos.2) Dimetro de los tubos.3) Requiere mampara de choque o no (III.1).4) Dimetro interior de la coraza.5) Tipo de cabezal (III.2.1.1).


47/202


_________________________________________________________________46

6) Arreglo de los tubos (III.2.1.2).7) Nmero de pasos por los tubos (III.2.1.3).8) Tipo de flujo en la coraza (III.2.1.4).

III.2.1.1. TIPOS DE CABEZAL

El nmero de tubos que especfica la hoja de datos para el haz, debe estarcomprendido en un crculo cuyo dimetro se establece en funcin de lastolerancias de fabricacin y montaje que deben considerarse para el tipo decabezal requerido, as como por las dimensiones del empaque, el cual se reduce alancho mnimo permisible (TEMA R-6.3) para obtener el mayor Crculo Lmite deTubos, (CLT) y as contener los tubos necesarios.

El ancho mnimo de los empaques especificados por las normas es 3/8pulg.(9.5mm.) para equipos con 23pulg. (584mm.) de dimetro nominal o menores y1/2pulg (13mm.) para aqullos de mayor dimetro, pero ser necesario comprobarposteriormente que estos empaques cumplan las necesidades de sello al disearlos cabezales flotantes que los incluyen (Cap. III.3).

a) Cabezal Tipo S

Este cabezal ser diseado tenindose presente que ser desmontable y porlo mismo, requerir tolerancias en su dimensionado que le permita al espejoflotante, salir libremente a travs de la coraza al extraerse el haz, despus dedesmontar el bonete y las bridas de este cabezal flotante, que tambin contarncon tolerancias de fabricacin para el fcil acoplamiento y desmontaje.

Clculo del Mximo Crculo Lmite de Tubos.

Considerando la Figura III.2-a, se calcular el CLT de la manera siguiente:

Dimetro del espejo flotante (DE)

DE = DI 3/8 (DI 9.5 mm)

Dimetro exterior del empaque (DEE)

DEE = DE

Dimetro interior del empaque (DIE)

DIE = DEE 2N


48/202


_________________________________________________________________47

Dimetro macho del espejo flotante (DM)

DM = DIE 3/8 (DIE 9.5 mm)

Dimetro del mximo crculo lmite de tubos (CLT)

CLT = DM 1/4 (DM 6.3mm.)

b) Cabezal Tipo T

Deber disearse de tal forma que al ser extrado el haz de tubos para laoperacin de limpieza y mantenimiento, el espejo del cabezal flotante, pueda salirlibremente a travs de la coraza estando acoplado con la brida de la tapa del

cabezal mediante sus esprragos.

La tolerancia de 3/16pulg. (4.8mm.) mnima que se indica en la Figura III.2-a y b entre la cara interna de la coraza y el radio del espejo, es una dimensin quepermitir librar pequeos obstculos que pudieran presentarse en la longitud de lacoraza al extraer el haz, debidos a irregularidades en ella, tales comodeformaciones causadas por golpes, por cambios de temperatura al aplicar lasoldadura o bien defectos en la forma cilndrica de la misma. Las toleranciasindicadas sobre el cabezal flotante permitirn el fcil acoplamiento y desensambledel espejo y la brida, adems de facilitar su fabricacin.

Literales utilizadas en la Figura III.2-b.

B Dimetro del esprrago, que podr tomarse por el momento como3/4pulg. (19mm.) por ser el mnimo permitido en las normas, para evitar el peligrode sobreesfuerzo que existe en esprragos de menor dimetro, adems de poderconseguir as una brida menos alta y con ello un CLT ms amplio, aunque tendrque verificarse al disear la brida del cabezal flotante (Cap. III.3)

E Dimensin correspondiente al dimetro de esprrago seleccionado paraproporcionar apoyo suficiente a las tuercas y dar resistencia a la brida en la

seccin acotada (Figura III.20).

N Ancho del empaque

DI Dimetro interior de la unidad

C Tolerancia en el dimetro de las perforaciones del espejo y la bridapara el libre cruce de los esprragos, que ser de 1/16pulg. (1.6mm.) endimetros menores o iguales a 1pulg, (25.4mm.) y 1/8pulg. (3mm.) paradimetros de esprragos mayores.


49/202


_________________________________________________________________48

Clculo del Mximo Crculo Lmite de Tubos.

Considerando la Figura III.2-b se calcula el CLT de la siguiente manera:

CLT = DI-3/8 2E (B + c) -1/8 2N-1/4 1/8

CLT = DI 2E - B c 2N 1 3/8pulg.

c) Cabezales Tipo L, M, N.

Siendo estos cabezales de espejos fijos, slo tendr que considerarse unatolerancia para el clculo del CLT, entre la cara interna de la coraza y la caraexterna de los tubos ms prximos a ella (Figura III. 1-a) con el fin de evitar que

al aplicarse la soldadura de unin entre el espejo y la coraza, afecte portemperatura las uniones tubos espejo o bien para facilitar la soldadura y/o roladode los tubos al espejo, adems de no permitir que las perforaciones para los tubosde transferencia en las mamparas lleguen a su permetro.

CLT = DI 2 (3/8) = DI 3/4

III.2.1.2. ARREGLO DE TUBOS

El arreglo corresponde a la forma que presenta la lnea de unin entre loscentros de tubos ms prximos entre s, en su corte transversal y est en funcinde la direccin del fluido que circula por la coraza. En la Figura III.1.-c, semuestran los diferentes arreglos de tubos, denominado como Paso a la distanciacomprendida de centro a centro de cada tubo.

III.2.1.3. NMERO DE PASOS POR LOS TUBOS

El arreglo de las placas divisorias en los cabezales de distribucin y deretorno (o cabezal flotante), determinan el nmero de veces que el fluido ladotubos cambia de direccin al circular por el interior de ellos, a lo que se llamarnmero de pasos. En la Figura III.3., se ilustran los arreglos ms usuales de

placas divisorias para diferente nmero de pasos por los tubos.

III.2.1.4. TIPOS DE FLUJO EN LA CORAZA

En la Figura III.4. se presentan varios dibujos ilustrativos que muestranarreglos diferentes de las mamparas para lograr el tipo de flujo deseado en lacoraza, el cual se indica en cada esquema.


50/202


_________________________________________________________________49

III.2.2. DATOS FINALES QUE DEBER INCLUIR LA PLANTILLA DE BARRENADO

1) Nmero, calibre y dimetro de tubos de transferencia.

2) Localizacin y dimensiones de la mampara de choque si se requiere(III.1.2.).

3) Arreglo de los tubos (III.2.1.2.).

4) Paso de los tubos en su arreglo (III.2.1.2.).

5) Nmero de pasos por los tubos (III.2.1.3.).

6) Dimetro y lnea de corte de las mamparas transversales, indicando enellos el CLT real (III.2.2.2.).

7) Nmero, dimetro y localizacin de las varillas tensoras (III.2.2.3.).

8) Dimensiones y localizacin de fajas de sello (III.2.2.4.).

9) Dimetro y localizacin de barrenos para tornillos de ojo (III.2.2.5.).

III.2.2.1. TRAZO DE LA PLANTILLA DE BARRENADO

Conociendo los datos indispensables para el diseo de la plantilla debarrenado (III.2.1.) y habiendo calculado el dimetro del mximo Crculo Lmitede Tubos (CLT) correspondiente al cabezal de retorno (o flotante) requerido, seestar en posibilidad de trazar la plantilla.

Cuando el nmero de pasos por los tubos es la unidad y el haz no involucramampara de choque ni mampara longitudinal (Fig. III.4.d y e), la plantilla seobtiene siguiendo los pasos indicados a continuacin:

1) Trazar un sistema de ejes cartesianos x, y.

2) Dibujar el contorno del mximo "CLT" con centro en la interseccin delos ejes indicados en el punto anterior.

3) Trazar familias de rectas conforme el arreglo de tubos; hasta llenar elrea comprendida por el mximo "CLT".

4) Dibujar el contorno de tubos calibre en su seccin transversal haciendocentro para su radio exterior en la interseccin de las rectas que


51/202


_________________________________________________________________50

establecen el arreglo de tubos (punto 3), cuidando que ninguno de ellossobrepase el permetro marcado por el mximo "CLT".

La cantidad de tubos comprendidos del "CLT", ser el mximo nmero deellos con el que podr contar el equipo, por lo que debern buscarse alternativasque convengan a las necesidades que se tengan.

En la Figura III.5 se presentan dos alternativas (c y d) para la distribucinde tubos con el mismo arreglo y crculo lmite de tubos, en las que se obtienen unnmero diferente de tubos como consecuencia de la posicin relativa del eje "y"respecto a la lnea de centros de la columna de tubos ms prximos a este.

Cuando el nmero de pasos por los tubos sea diferente de la unidad, se

distribuir el nmero de tubos solicitado en la Hoja de Datos, de tal forma que setenga la misma cantidad de stos en cada paso, aunque no siempre ser posible yentonces podr aceptarse una diferencia del 3% mximo entre el nmero de tubosde un paso y otro.

Para el trazado de la plantilla en estos casos, tendrn que ser localizadosprimeramente las lneas de centro de las placas divisorias, para a continuacindibujar el arreglo de tubos conforme a su paso, tenindose presente que ladistancia "W4" de la lnea de centros de cualquier placa divisoria a la lnea decentros de la hilera de tubos ms prximos a ella, deber incluir losespaciamientos y claros mnimos recomendados para lograr el ensamble de lasplacas divisorias con el espejo (Fig. III.6).

El espesor mnimo admisible para las placas divisorias en cabezales ybonetes de cabezal flotante "W1" (TEMA R.8.131) no deber ser menor al indicadopor la tabla III.2.

TABLA III.2.DIMETRO NOMINAL DEL

CABEZALACERO AL

CARBNMATERIALES DE

ALEACINHasta 23pulg. (584mm.) 3/8pulg. (9.5mm.) pulg. (6.3mm.)

24 a 60(610 a 1524 mm) (13 mm) 3/8pulg. (9.5mm.)

61 a 100(1549 a 2540 mm)

5/8 (16 mm) (13 mm)

El ancho mnimo permisible en la vena del empaque Npp (Figura III.6)para la placa de particin (TEMA R.6.4), no podr ser menor al indicado en la tablaIII.3.


52/202


_________________________________________________________________51

En la Figura III.5 se incluyen dos ejemplos de plantilla de barrenado donde(b) presenta un desafamiento de la lnea central de la placa divisoria, respecto a lalnea de centros horizontal del haz de tubos, a fin de obtener una altura Hppmayor que en la Figura (a), donde ser posible colocar una mampara de choque(Fig. III.1-b)

Obsrvese tambin que se ha eliminado cuatro tubos del paso inferior y dosdel superior, debido a que los primeros interfieren con el CLT y los segundos sehan evitado para cumplir con la descompensacin mxima permisible del 3% deun paso a otro.

TABLA III.3.DIMETRO NOMINAL DEL

CABEZAL

ANCHO MNIMO DEL

EMPAQUE NppHasta 23 (584 mm) (6.3 mm)24 a 60

(610 a 1524 mm)3/8 (9.5 mm)

61 a 100(1549 a 2540 mm)

1/2 (13 mm)

Tenindose en cuenta que el trazado de una plantilla se ha limitado alestudio de los tubos comprendidos en el mximo Crculo Lmite de Tubo Real, quees menor al anterior y por lo tanto ser necesario su evaluacin.

Mediante un clculo matemtico simple (Teorema de Pitgoras) podrconocerse la distancia radial desde el centro del haz de tubos hasta el centro deltubo ms prximo al CLT mximo, la cual habr de multiplicarse por dos ysumrsele el dimetro del tubo de transferencia, resultando as el dimetro delCrculo Lmite de Tubos Real (Figura III.7-a).

III.2.2.2. MAMPARAS TRANSVERSALES

El rea de ventana, es el rea del segmento o seccin libre de la mamparamenos el rea transversal de los tubos comprendidos en ella y se indica en

porcentaje de corte del dimetro interior de la coraza. Este porcentaje estespecificado en la Hoja de Datos, aunque por dificultad geomtricas ser necesariolocalizar el corte, sobre la lnea de centros de la fila o columna de tubos msprxima al porciento especificado, o bien sobre los puntos centrales de losespacios libres comprendidos entre ellas, todo esto con la finalidad de evitarsecciones aguadas y problemas de ensamble ocasionados por la tangencia oproximidad a ella de la lnea de corte de la mampara con las perforaciones delmismo (Figura III.7-b).


53/202


_________________________________________________________________52

La siguiente expresin proporciona la altura de corte en mamparassegmentadas (Figura III.8.-a).

H = D/2 - % de D

El reducir o aumentar el rea de ventana como resultado de la modificacindel corte terico (Hoja de Datos) en la mampara, hace necesaria la revisin de lasreas de ventana y de flujo cruzado, las cuales debern ser equivalentes a fin deevitar las contracciones y expansiones del fluido que provocaran cadas de presiny problemas de vibracin en el haz de tubos.

A continuacin se expondr el procedimiento de clculo para ambas reas(Figura III.9.), donde las literales empleadas son:

D Dimetro interior de la coraza.

Hc Altura de corte real en la mampara.

Dt Dimetro exterior de los tubos de transferencia.

Nt Nmero de tubos de transferencia localizados en el rea de la ventana.

NtFC Nmero de tubos de transferencia localizados sobre el rea de flujocruzado.

Espaciamiento de las mamparas (incluido en Hoja de Datos).

CLCULO DEL REA DE VENTANA

El rea total de medio crculo es:(D2 / 4 )/ 2 = D2 / 8

El rea de los tringulos superiores es:

Hc ((D/2)2

- Hc2

)

= (Hc(D2

- 4Hc2

)

)/2

El rea de los dos arcos del crculo es:

(D2/4)(2/360) = (D2/4) (2 sen 1 (2 Hc/D))/360 =

(D2/4) (Sen 1 (2 Hc/D))/360

El rea de los tubos de transferencia localizados en la ventana ser:


54/202


_________________________________________________________________53

( dt2 Nt) /4

Sumando algebraicamente estas reas se obtendr el rea de ventana:

Av = (D2 /8) - (Hc(D2 - 4 Hc2) ) /2(D2 /2) (Sen1 (2Hc/D)) /360)

(dt2Nt) /4

CLCULO DEL REA DE FLUJO CRUZADO

AFC = L (D -dt NtFC)

Para definir el dimetro de las mamparas transversales (Dm) y la placasoporte, se tendr presente que la holgura que stos presenten con el dimetrointerior de la coraza no deber exceder los valores indicados en la Tabla III.4, a finde evitar prdidas de flujo por desajustes mayores:

TABLA III.4.DIAMETRO DE LA

CORAZAD-Dm DIMETRO DE LA

CORAZAD-Dm

8 13(203 330mm)

0.100(2.5 mm)

24 39(610 991 mm)

0.175(4.4 mm)

14 17(356-432 mm) 0.125(3.2 mm) 40 54(1016 1372 mm) 0.225(5.7 mm)18 23

(457 584 mm)0.150

(3.8 mm)55 (1397 mm)

y mayores0.300

(7.6 mm)

III.2.2.3. VARILLAS TENSORAS

La funcin de estas varillas es lograr un armazn rgido entre mamparas,placa soporte y uno de los espejos, haciendo posible el manejo del haz de tuboscomo un slo elemento.

El nmero de varillas requeridas as como su dimetro estn en funcin deldimetro de la coraza (Tabla III.5) y debern ser distribuidas en toda la periferiade la plantilla de barrenado, teniendo cuidado en localizarlas tambin prximas alcorte de las mamparas para evitar problemas de vibracin.

Uno de los extremos de estas varillas irn empotrados al espejo fijoempacado, cuando se trata de un haz de tubos removible y este empotramiento sehar en el espejo prximo a la boquilla alimentadora de la coraza cuando se tratade un equipo de espejos fijos.


55/202


_________________________________________________________________54

Solamente cuando el equipo en diseo sea de cabezal flotante, se estar enposibilidad de localizar estas varillas fuera del Crculo Lmite de Tubos si fueranecesario por condiciones de espacio, cuidando nicamente que no sobresalgandel permetro de las mamparas los tubos espaciadores que cubren estas varillas,as como las tuercas de sus extremos no empotrados.TABLA III.5.DIMETRO DE LA CORAZA DIMETRO DE VARILLAS NMERO MNIMO DE

VARILLAS8 15 3/8 (9.5 mm) 416 27 3/8 (9.5 mm) 628 33 1/2 (13 mm) 634 48 1/2 (13 mm) 849 60 1/2 (13 mm) 10

61 100 5/8 (16 mm) 12

III.2.2.4. FAJAS DE SELLO

Son elementos mecnicos alargados que se instalan longitudinalmente alhaz, soportadas por las mamparas mediante ranuras efectuadas en ellas, sufuncin consiste en obligar cruzar a travs del haz a los fluidos que circulan por losespacios libres comprendidos entre los tubos exteriores del haz y la pared internade la coraza, minimizada as los flujos intiles (Figura III.10).

Normalmente contarn con un espesor de 3/8" (9.5 mm), su ancho dependedel espacio libre disponible (1 1/2" mayor) y su longitud comprender ladistancia existente entre la primera y ltima mampara (o placa soporte conun excedente en cada extremo de 1/2" (13 mm) normalmente.

III.2.2.5. TORNILLOS DE OJO

En todo cambiador de calor con haz de tubos removible es necesario contarcon accesorios que faciliten la extraccin del haz de su coraza, para lasoperaciones de limpieza y mantenimiento.

Los tornillos de ojo (Figura III.11). se emplean como un medio de sujecin,instalados sobre el espejo fijo empacado del haz de tubos por el lado del cabezal,a fin de poder aplicar una fuerza de tensin sobre ellos y as lograr la extraccin.

Los agujeros roscados que se efectan para la instalacin de estos tornillos,debern contar con una profundidad mnima igual a su dimetro en espejos deacero al carbono y de 1.25 veces su dimetro en espejos de material no ferroso.

Al establecer sobre la plantilla de barrenado la localizacin de estos barrenos, sernecesario conseguir el mayor espaciamiento entre ellos (Figura III.10).


56/202


_________________________________________________________________55

III.3. CABEZAL FLOTANTE

Se denominan como flotantes, aquellos cabezales diseados de tal formaque permiten la libre expansin y contraccin que sufre el haz de tubos aconsecuencia de los gradientes de temperatura existentes entre el fluido ladotubos y lado coraza.

Los cabezales flotantes, segn las normas TEMA, estn clasificados deacuerdo a los siguientes tipos: S, T, W y P.

El cabezal flotante tipo "S" est constituido generalmente por un casqueteesfrico unido a una brida tipo anillo y stos, ya como un solo elemento, vanensamblados a un espejo flotante, auxiliados por una contrabrida dividida (Ver

Figura III. 12-b).

El cabezal flotante tipo "T" se forma con los mismos elementos que elanterior, con la diferencia de que este es ensamblado directamente al espejo pormedio de esprragos (Ver Figura III.12.a).

El cabezal flotante tipo "W", no es ms que un espejo flotante empacadomediante un anillo de cierre hidrulico, logrndose el sello con el apriete de losesprragos que ensamblan la brida de la coraza y la del cabezal, (Ver FiguraIII.12-c).

El cabezal flotante tipo "p" es parecido al "W", solamente que el sello en lacoraza se logra exteriormente con la ayuda de una contrabrida y el sello en elcabezal, con una brida deslizable y un empaque tipo anillo slido dividido (VerFigura III.12-d).

Para efectos de ordenamiento, se tratarn en este tema los dos primeroscabezales descritos, considerando que los dems cuentan con elementos que seestudiarn separadamente en subcaptulos posteriores.

III.3.1. GEOMETRA DEL CASQUETE

La geometra del casquete ms utilizada en cabezales flotantes, es la de unsegmento esfrico donde la flecha "c", resulta ser una cuarta parte del dimetrointerior de la brida a la cual va unida. Esto se deriva del hecho de que desde elpunto de vista estructural, el casquete esfrico presenta mejor resistencia a lascargas actuantes.

Tomando como punto de referencia la Figura III.13., se puede encontrar ladimensin del radio de abombado "L" para el casquete esfrico.


57/202


_________________________________________________________________56

22

2

2

8

4

8

+

= LL

4

8

162

2222 ++=

BBLLL

41620

22 BBBL++=

22 480 BBBL ++=

BLLB 8

5

85

2

== Para cabezales flotantes con pasos mltiples (que involucran placas

divisorias), la profundidad interior del mismo deber ser tal que el rea transversalmnima entre pasos adyacentes, sea al menos 1.3 veces el rea transversal internade los tubos de un solo paso. Para cabezales flotantes de un solo paso, laprofundidad medida sobre la lnea de centros de la boquilla, deber ser comomnimo 1/3 del dimetro interior de la misma boquilla (TEMA R-5.11).

III.3.2. ESPESOR DEL CASQUETE ESFRICO

Por Presin Interna.El Cdigo ASME VIII, Div. 1, establece las siguientes ecuaciones para el

clculo del espesor de un cascarn esfrico sujeto a presin interna (ASME UG-27(d)).

PSE

PRt

2.02 =

S

PLt

6

5=

t - Espesor mnimo requerido sin tolerancia a la corrosin, eligiendo elmayor de los resultados obtenidos, pulg.

P - Presin de diseo en el interior de tubos, Lb/pulg2.

R = L Radio interior del casquete en condiciones corrodas, pulg.

S - Esfuerzo mximo permitido del material empleado a la temperatura dediseo (ASME VIII, Subseccin C), Lb/pulg2.


58/202


_________________________________________________________________57

E - Eficiencia de la junta soldada (ASME, U-12) en %.C - Corrosin permisible (frecuentemente se considera 1/8" (3.2 mm) enacero al carbono) pulg.

Por Presin Externa.

El espesor mnimo requerido de un cascarn esfrico bajo presin externa,ya sea sin costura o de construccin armada con juntas o tope, debe determinarsemediante el siguiente procedimiento:

PASO 1. Suponga un valor inicial de t y calcule el valor del factor Aempleando la ecuacin siguiente:

tRA

o /125.0=

Donde:

Ro Radio exterior del cascarn en condiciones corrodas.

t Espesor supuesto

PASO 2. Utilizando el valor de A calculado en el paso 1, entre a la grfica

correspondiente en el apndice y del Cdigo ASME SECCIN VIII, Divisin 1 parael material bajo consideracin (ver ejemplo Fig. III.15 para acero al carbono y bajaaleacin). Trace una lnea imaginaria verticalmente hacia arriba hasta intersectar ala curva material / temperatura (utilice la temperatura de diseo).

En casos donde el valor de A se localice a la izquierda de la curvamaterial/temperatura, ver el paso 5.

PASO 3. De la interseccin obtenida en el paso 2, trace una lnea horizontalimaginaria hacia la derecha y lea el valor del factor B.

PASO 4. Utilizando el factor B, calcule el valor de la presin externamxima permisible Pa (Lb/pulg). mediante la siguiente ecuacin:

tR

BPa

/0=

PASO 5. Para valores de A localizados a la izquierda de la curva material/temperatura, el valor de Pa (Lb/pulg), puede calcularse por:


59/202


_________________________________________________________________58

2

0 )/(

0625.0

tR

EPa =

Donde:E = Mdulo de elasticidad del material a la temperatura de diseo.

PASO 6. Compare Pa obtenida en los paso 4 y 5 con p (presin dediseo lado coraza). Si Pa


60/202


_________________________________________________________________59

3) La seleccin de los materiales para la brida y los esprragos dependerde los fluidos manejados tanto del lado coraza como del lado tubos,generalmente se utilizan materiales de acero al carbono, para su seleccin

Ver Tabla II.4

4) En la Figura III.19 se muestra

Documents

DISEÑO MECANICO DE INTERCAMBIADORES_004