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equipos transferencia de calor
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FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
SISTEMAS TERMICOS
Equipos de transferencia de calor
Branco Díaz.
13 De agosto de 2015
TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de
mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo,
un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u
otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como
transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y
su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre
desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado del segundo
principio de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre
dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser
detenida; solo puede hacerse más lenta.
EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
La aplicación de los principios de la transferencia de calor al diseño de un
equipo destinado a cubrir un objeto determinado en ingeniería, es de suma
importancia, porque al aplicar los principios al diseño, se debe trabajar en la
consecución del importante logro que supone el desarrollo de un producto para
obtener provecho económico.
La trasferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que
separe ambos fluidos.
El equipo de transferencia de calor se define por las funciones que desempeña en
un proceso, así:
Los intercambiadores recuperan calor entre dos corrientes en un proceso.
Los calentadores se usan primeramente para calentar fluidos de proceso, y
generalmente se usa vapor con este fin.
Los enfriadores se emplean para enfriar fluidos en un proceso, siendo el agua el
medio enfriador principal.
Los condensadores son enfriadores cuyo propósito principal es eliminar calor
latente en lugar de calor sensible.
Los hervidores tienen el propósito de suplir los requerimientos de calor en los
procesos como calor latente.
Los evaporadores se emplean para la concentración de soluciones por
evaporación de agua u otro fluido.
En general, un cambiador de calor es un aparato recorrido por dos o más medios,
uno de los cuales cede al demás calor o el frío. Si un proceso químico debe
desarrollarse de una forma prevista de antemano, será preciso realizarlo a una
determinada temperatura. Las reacciones ponen en juego, en general,
considerables cantidades de calor.
Casi siempre resulta conveniente enfriar los productos de la reacción en un
enfriador. El calor así recuperado, puede utilizarse para recalentar otros productos
o para pre calentar los empleados en el propio proceso. Incluso es obligado a
veces proceder a este pre calentamiento, a fin de obtener temperaturas bastantes
elevadas para que el proceso de fabricación se desenvuelva normalmente.
Se ha reconocido que el empleo juicioso de los balances térmicos conduce a
resultados interesantes, en lo que respecta a la rentabilidad. Desde este punto de
vista, el cambiador de calor aparece como un órgano particularmente importante
de las instalaciones químicas.
TIPOS DE CAMBIADORES DE CALOR
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar en muchas formas
diferentes. Una forma consiste en basar la clasificación en las direcciones relativas
del flujo de los fluidos calientes y frío, dando lugar a términos como fluidos
paralelos, cuando ambos fluidos se mueven en la misma dirección; flujo
encontrado, cuando los fluidos se mueven en paralelo pero en sentido opuesto; y
flujo cruzado, cuando las direcciones de flujo son mutuamente perpendiculares.
Otra manera de clasificar los intercambiadores de calor, es mediante la estructura
y uso de los mismos, como se muestra a continuación:
Tubos para intercambiadores de calor
Estos se encuentran disponibles en varios metales, los que incluyen acero,
acero inoxidable, cobre, admiralty, etc. Se pueden obtener en diferentes grosores
de pared definidos con el calibrador BWG. El área que poseen estos tubos
representan el área de transferencia de calor que posee el intercambiador.
Cambiadores de calor de tubos concéntricos - Doble tubo
Consiste en dos tuberías metálicas, una dentro de la otra, donde un fluído
fluye a través del tubo interior mientras que el otro fluye por el espacio anular entre
las dos tuberías. Cuando uno de los fluídos está más caliente que el otro, el calor
fluye a través de la pared del tubo interior hacia el otro fluído. Como resultado, el
fluído caliente se enfría y el fluído frío se calienta.
Figura1. Intercambiador de calor doble tubo.
Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tes conectoras,
un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la tubería
exterior mediante estoperas y el fluido entra en el tubo interior a través de una
conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. La tubería
interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y
que no proporciona superficie de transferencia de calor. La unidad que se muestra
en la figura se llama horquilla. La longitud efectiva es la longitud en cada rama
sobre la que ocurre transferencia de calor y excluye la prolongación del tubo
interior después de la sección de intercambio. Los intercambiadores de doble tubo
generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies.
Los cambiadores de calor de tubos concéntricos pueden operar bien en
contracorriente o en corrientes paralelas. Sin embargo cuando se necesitan
grandes áreas de intercambio, el peso de la tubería exterior puede ser demasiado
grande y resultar más facíl y económico utilizar un cambiador de calor de carcasa
y tubos.
Intercambiadores de tubo y coraza
La satisfacción de muchas demandas industriales requiere el uso de un
gran número de horquillas de doble tubo. Estas consumen considerable área
superficial así como presentan un número considerable de puntos en los cuales se
puede hacer fugas.
El sistema de transmisión de calor se divide en dos secciones: un haz de tubos
que contiene la tubería a través de las cuales circula uno de los fluidos y una
carcasa por la que circula el otro fluido. El fluido caliente o frío puede circular por
los tubos o por la carcasa. El calor se intercambia a través de las paredes de los
tubos desde el fluido caliente al fluido frío.
Figura2. Intercambiador de calor de carcasa y tubos.
Figura3. Partes del intercambiador
1.- Cabezal de retorno
2.- Carcasa
3.- Boquilla
4.- Cabezal de entrada
5.- Soporte
6.- Haz de tubos
El equipo de tubo y coraza comprende la expansión de un tubo en un espejo,
placa ó cabezal, y además la formación de un sello que no fuga bajo condiciones
razonables de operación, como se muestra en la siguiente figura:
Figura4. Tubo rolado y casquillo
También se puede utilizar la soldadura del tubo en el cabezal según sea los
requerimientos de operación y material de construcción del intercambiador.
Espaciados de los tubos
Los orificios de los tubos no pueden taladrarse muy cerca uno del otro, ya
que una franja demasiado estrecha de metal entre los tubos adyacentes, debilita
estructuralmente el cabezal de tubos o espejo. Los tubos se colocan en arreglos
ya sea triangulares o cuadrados, tal como se muestran en la siguiente figura. La
ventaja del espaciado cuadrado es que los tubos son accesibles para limpieza
externa y tienen pequeña caída de presión cuando el fluido fluye en la dirección
indicada en la figura siguiente
Figura5. Arreglos comunes para los tubos de intercambiadores
Intercambiador de cabezal flotante interno (tipo AES).
Es el modelo más común, tiene un casco de un paso, tubos de doble paso
con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo.
Además, tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus características
son:
1.- Permite la expansión térmica de los tubos respecto al casco.
2.- Permite el desmontaje
3.- En lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos.
4.- Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separación
modifican la velocidad en el casco y su pérdida de carga.
5.- El flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos
Figura6. Partes intercambiador de cabezal flotante interno. (Tipo AES)
(Mirar la numeración de las partes al final de la clasificación de los
intercambiadores)
Intercambiador de lámina y tubo fijo (tipo BEM)
1.- Este intercambiador es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la
velocidad dentro de los tubos, además reduce el coeficiente de transmisión de
calor.
2.- Tiene junta de expansión en casco.
3.- Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco
Figura 7. Intercambiador de lámina y tubo fijo (tipo BEM)
Intercambiador de cabezal flotante exterior (tipo aep)
Este intercambiador permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede
desmontarse para limpieza. Tiene el inconveniente de necesitar más
mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.
Figura8. Intercambiador de cabezal flotante exterior (tipo AEP).
Intercambiador de cabezal y tubos integrados (tipo cfu)
Este intercambiador tiene el conjunto de tubos en U lo que permite un fácil
desmontaje del conjunto de tubos. Tiene el inconveniente cuando se quiere
sustituir un tubo dañado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos.
Figura9. Intercambiador de cabezal y tubos integrados (tipo cfu).
Rehervidor de caldera (tipo AKT)
Este intercambiador se caracteriza por la configuración del casco. El conjunto de
tubos puede ser también A-U, dando lugar al AKU. El vertedero a la derecha de
los tubos mantiene el líquido hirviente sobre los tubos. El vapor sale por la tobera
superior y el líquido caliente sale por la tobera inferior.
Figura10. Rehervidor de caldera (tipo AKT).
Condensador de flujo dividido (tipo AJW)
Se utiliza para condensar vapores, pues disminuye la pérdida de carga (en un
factor de 8). Parte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede
utilizarse con enfriador. El desviador central divide el flujo en dos y el resto de
desviadores lo llevan a través de los tubos para enfriarse.
Figura11. Condensador de flujo dividido (tipo AJW)
Intercambiador de tipo evaporativo
Pueden usarse como condensador o enfriador de gases. El fluido de enfriamiento
es el agua que se rocía sobre los tubos donde circula el fluido a condensar o a
enfriar. El calor transmitido produce la evaporación del agua, por lo que necesita
de una reposición permanente.
Figura12. Partes del Intercambiador de tipo evaporativo.
a.- Fluido a enfriar
b.- Bomba de circulación
c.- Alimentación de agua
d.- Válvula de flotador
Intercambiador de placas
Existen intercambiadores de tipo de placa en varias formas: en espiral, de placa (y
armazón) de aleta con placa soldada y de aleta con placa y tubo.
Ventajas:
Muy compacto - poco espacio.
Versátil.
Mantenimiento fácil.
Fácil limpieza.
Coeficientes de trasmisión de calor muy elevados.
Seguridad de operación.
Bajos costos de servicio.
Desventajas:
Presión de operación máxima: 30 bar.
Factor crítico de diseño: material para juntas, resistencia química, temperatura
máxima de operación 250ºC.
Figura13. Intercambiador de placas
Intercambiadores de placa en espiral: Se hace con un par de placas laminadas
para proporcionar dos pasos rectangulares relativamente largos para los fluidos en
flujo en contracorriente. La trayectoria continua elimina la inversión del flujo (y la
caída consiguiente de la presión), las desviaciones y problemas de dilataciones.
Los sólidos se pueden mantener en suspensión. Se produce turbulencia con una
velocidad de flujo más baja que en el caso de los tubos rectos.
Figura14. Intercambiador de placa de espiral.
El diseño en espiral puede proporcionar 167 m de superficie de transferencia de
calor en una unidad de 1.4 m (56 plg) de diámetro (es decir, compacto). La espiral
tiene una altura de 1.5 m (60 plg). Estos intercambiadores se pueden diseñar para
presiones de hasta 150 psi (10.2 atm). Los materiales de construcción incluyen el
acero al carbono, acero inoxidable (tipos 304, 316 y 430F), aleación 20, Inconel,
metal monel, níquel y titanio.
Intercambiadores de placa y armazón: Consiste en placas estándares, que
sirven como superficies de transferencia de calor y un armazón para su apoyo. La
caída de presión es baja y resulta imposible que haya fugas de fluidos. Estas
placas de transferencia de calor, comprimidas en una pieza simple de material de
1.3 a 6.4 mm, tiene estrías para recibir empaques de goma (elastómero). El diseño
corrugado de las placas les da rigidez, fomenta la turbulencia de los fluidos y
asegura la distribución completa del flujo.
Figura15. Intercambiadores de placa y armazón.
Los miembros de soporte y armazón existen en acero inoxidable recubiertos o
acero dulce esmaltados. Las placas se pueden limpiar y reemplazar con facilidad.
El área se ajusta con facilidad mediante la adición o eliminación de placas.
El fluido caliente fluye hacia abajo, entre placas alternadas y el fluido frío fluye
hacia arriba, entre placas alternadas.
Intercambiadores de calor de aleta con soldadura fuerte: Los intercambiadores
de aleta y placa de aluminio se emplean en la industria de elaboración, sobre todo
en servicios por debajo de –45.6 °C (-50 °F) y en los procesos de separación de
gas que funcionan entre 204 y –268 °C (400 y –450 °F). La superficie de
transferencia de calor de aleta y placa se compone de una pila de placas, cada
una de las cuales consiste en una aleta corrugada entre láminas metálicas planas,
selladas en los dos lados mediante canales o barras, para forma un paso para el
flujo de fluido.
Figura16. Intercambiador de aletas (Vista separada de una configuración típica de
placas y aletas)
Intercambiador de serpentín
Consiste en un serpentín colocado en un recipiente por el que circula agua de
enfriamiento. Sus principales aplicaciones se hacen en el enfriamiento de gases a
alta presión, y cuando el interés es detectar una fuga en forma sencilla.
Figura17. Partes de un Intercambiador de serpentín
a.- Entrada de gas
b.- Salida de gas
c.- Entrada de agua
d.- Salida de agua
Intercambiador espiral
Los intercambiadores de calor en espiral consisten en un grupo de serpentines
concéntricos en espiral, por lo general conectados por múltiples (manifolds),
sumergidos en un tanque o una coraza. Se emplean tubos con aletas para
incrementar la superficie de transferencia de calor.
Figura 18. Intercambiador espiral
Intercambiadores enfriados por aire
Están compuestos por un haz de tubos aletados externamente, montados sobre
dos cabezales que hacen las funciones de distribuidor y colector de fluido.
Además contienen ventiladores que forzan la circulación del aire a través de tubos
aletados.
Se conocen dos tipos de intercambiadores enfriados por aire: de tiro forzado y de
tiro inducido.
Intercambiador enfriado por aire de tiro forzado: Los ventiladores se encuentran
colocados antes del paso del aire por los tubos.
Figura19. Partes del intercambiador
1.- Entrada de fluido caliente
2.- Cabezal fijo
3.- Salida de fluido caliente
4.- Tubos aletados
5.- Soporte de tubos
6.- Soporte de canales
7.- Cabezal flotante
8.- Soporte
9.- Motor
10.- Reductor de velocidad
11.- Ventilador
12.- Tiro
Intercambiador enfriado por aire de tiro inducido: Los ventiladores se
encuentran colocados después del paso del aire por los tubos. Una de las ventajas
de este intercambiador es que se puede usar en lugares en donde el agua es
escasa o su tratamiento químico resulta muy costoso. También tiene una
desventaja y es el alto costo de adquisición.
Figura 20. Partes del intercambiador.
1.- Entrada de fluido caliente
2.- Cabezal fijo
3.- Salida de fluido caliente
4.- Tubos aletados
5.- Soporte de tubos
6.- Soporte de canales
7.- Cabezal flotante
8.- Soporte
9.- Motor
10.- Reductor de velocidad
11.- Ventilador
12.- Tiro
Intercambiadores rotatorios
La matriz metálica entra en contacto de manera alterada, con las corrientes de
gases calientes y fríos, intercambiando el calor de esta manera.
Ventajas:
Compactos
Superficie de trasmisión de calor menos caros
Dirección alternada de los fluidos evita las incrustaciones
Desventaja:
Pequeña mezcla de gases no es posible evitar
Figura21. Intercambiador rotatorio
Intercambiadores de bayoneta
Consiste en un par de tubos concéntricos, con el exterior sellado en un extremo.
Tanto el tubo exterior como el interior se sujetan de cabezales estacionarios
separados y se extienden ya sea a corazas o directamente a recipientes. La
superficie del tubo exterior es la principal fuente de transferencias de calor. Estos
intercambiadores se adaptan excelentemente a la condensación de vapores tanto
a vacíos moderados (presiones por debajo de la presión atmosférica) como a muy
bajos.
Figura22. Sección a través de un intercambiador de bayoneta (tipo succión).
Los calentadores de succión se instalan en tanques que se usan para el
almacenaje de líquidos viscosos y semiplásticos tales como melazas, aceites
lubricantes pesados, combustible y asfalto.
Figura23. IC bayoneta como condensador de vacío y calentador de tanque de
succión.
Intercambiador con cabezal de tubos estacionario
Este es el tipo más simple de intercambiador.
Figura24. Intercambiador de calor de tubos estacionarios
