capÍtulo ii
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CAPÍTULO II: ELEMENTOS COSTITUTIVOS DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE HAZ DE TUBOS Y CORAZA.
2.1 Elementos mecánicos de un intercambiador de calor de haz de tubos y coraza.
Figura 2.1.1 Intercambiador de calor tipo AES.
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Figura 2.1.2 Intercambiador de calor tipo BEN.
Figura 2.1.3 Intercambiador de calor tipo AEP.
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Figura 2.1.4 Intercambiador de calor tipo CFU.
1; Cabezal de entrada: Sirven para que la línea de alimentación que llega a
la boquilla de admisión se distribuya por toda el área de entrada del haz de tubos.
Factores muy importantes para la selección del tipo de cabezal de entrada son: el
tipo de mantenimiento previsto (mecánico o químico y que tan frecuente), costo y
tipo de materiales a utilizar en su construcción, tamaño, etc. Los tipos de
cabezales de entrada se muestran en la tabla 1.5.1.
2; Coraza o envolvente: Es la parte que envuelve al haz de tubos y que
contiene al fluido que circula por el exterior de los tubos, también cuenta con
bridas, boquillas, accesorios para control, soportes, etc. Los tipos de coraza se
muestran en la tabla 1.5.1.
Figura 2.1.5 Corazas para intercambiadores de calor.
3; Cabezal posterior o de retorno: Sirve para recibir el fluido que va por
dentro de los tubos y permitirle la salida del equipo cuando lleva un solo paso por
los tubos; si es de dos o más pasos por tubos tienen la función de retornar el fluido
al cabezal de entrada, dependiendo del número de pasos que se tengan por los
tubos. Los tipos de cabezales de retorno se muestran en la tabla 1.5.1, en donde
los tipos L, M y N son para cambiadores con espejos fijos y los tipos de cabezales
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de retorno P, S, T, U y W son para intercambiadores con espejos flotantes, es
decir, que el haz de tubos se puede desmontar.
4; Haz de tubos: conjunto de tubos metálicos unidos en uno o ambos
extremos a los espejos , agrupados en un arreglo definido por la suciedad del
fluido que va por fuera de la coraza. Las longitudes comerciales de los tubos del
haz son: 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 y 24 pies. Los diámetros comerciales de los
tubos para cambiadores de calor son: ½, ¾, 1, 1 ¼, 1 ½ y 2 pulgadas. Una de las
principales características de los tubos para intercambiadores de calor es que el
diámetro exterior es igual al diámetro nominal. Los tubos más comúnmente
utilizados para intercambiadores de calor de haz de tubos y coraza son los de 16
pies de longitud, 1 pulgada de diámetro y BWG o calibre de 16. Se muestra un haz
de tubos en la imagen 2.1.6.
Figura 2.1.6 Haz de tubos.
5; Espejos: Son placas que sirven para separar el fluido que va dentro de
los tubos del que va por fuera de ellos. Comúnmente los espejos tienen espesores
considerablemente grandes, debido a que están barrenados para soportar los
tubos y por la separación que existen entre dichos barrenos, si fueran delgados,
serian muy frágiles.
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Figura 2.1.7 Espejos.
6; Mamparas segmentadas o deflectores: Estas tienen un doble propósito;
dirigir al fluido que va por el lado de la coraza perpendicular al haz de tubos para
lograr coeficientes de transferencia de calor mayores y al mismo tiempo funcionan
como soportes de los tubos, evitando que se flexionen o pandeen, manteniendo su
espaciado constante y evitando su vibración. La mínima separación entre
mamparas es de 2 pulgadas. Preferentemente el corte de las mamparas deberá
ser entre 20 y 35% del diámetro interior de la coraza para fluidos sin cambio de
fase (generalmente 25%).
Figura 2.1.8 Mamparas segmentadas.
7; Tirantes o barras espaciadoras: son como su nombre lo indica tirantes o
barras que se utilizan para mantener rígidas y en su posición todas y cada una de
las mamparas, según la cantidad que se especifica por TEMA, la mitad de ellas se
colocan desde el espejo fijo hasta la mampara más cercana al espejo de retorno y
la otra mitad desde el espejo de retorno hasta la mampara más cercana al espejo
fijo. La barra espaciadora es precisamente una varilla con cuerda en sus
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extremos, mientras que los espaciadores son tramos de tubo de una longitud igual
al claro entre mamparas por cuyo interior pasa el tirante correspondiente para
apretar y mantener rígido el haz de tubos y las mamparas en su posición.
Figura 2.1.9 Partes de un intercambiador de calor de has de tubos y coraza.
8; Placas de partición: son placas divisoras que se sitúan en los cabezales
de entrada como de retorno, con el propósito de de distribuir el flujo por el interior
de los tubos en cada uno de los pasos que se requieran por los tubos. La
ubicación de las placas de partición generalmente se hace en sectores que
contengan la misma cantidad de tubos en cada uno de los pasos, lo cual permite
que estas se coloquen de manera vertical u horizontal.
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Figura 2.1.10 Placa de partición.
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9; Boquillas: son las partes del intercambiador de calor que sirven de enlace
con los demás equipos del proceso unidos entre sí por medio de tubería. Las
boquillas se dimensionan de acuerdo a las condiciones de operación de los
distintos fluidos (temperatura máxima de diseño, presión de diseño, etc.) y de
acuerdo a su material de construcción.
Figura 2.1.11 Boquillas.
10; Placas de choque: es una placa que se coloca a la entrada del fluido de
la coraza para proteger del deterioro por erosión al haz de tubos, debido al
impacto del fluido con los tubos en esa zona. El dimensionamiento y colocación de
la placa dependen tanto de la velocidad de entrada del fluido como de la densidad
del mismo, ya que ambos parámetros determinan si esta es necesaria o no en el
equipo.
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Figura 2.1.12 Placa de choque.
2.2 Ensamblado espejo – tubo.
Para el ensamblado entre el tubo y el espejo, en el espejo se perfora un
orificio cuyo diámetro es apenas mayor que el diámetro exterior del tubo, además
se cortan dos o más hendeduras en la pared de este orificio. Se coloca el tubo
dentro del orificio, y se inserta un rolador en el final del tubo. El rolador es un
mandril rotatorio que tiene conicidad pequeña. Es capaz de exceder el límite
elástico del metal del tubo y transformarlo a una condición semiplástica, de
manera que se escurra hasta las hendeduras y forme así un sello perfecto. El
rolado de los tubos es un arte, ya que el tubo puede dañarse si se rola hasta
adelgazarlo demasiado, de manera que el sello tiene poca resistencia estructural.
En algunos usos industriales es deseable instalar tubos en el espejo, de
manera que puedan ser fácilmente removidos, como se muestra en la Fig. 2.3.1.
En la práctica, los tubos se empacan en el espejo mediante casquillos, y usando
anillos de metal suave como empaques.
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Figura 2.2.1 Tubo rolado y casquillo para el ensamble de espejo-tubo.
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2.3 Ensamblado del cabezal flotante.
Al espejo en el cabezal de retorno se atornilla un casquete de cabezal
flotante y todo el haz de tubos puede extraerse por el otro extremo del carrete. La
coraza se cierra mediante un bonete. Los cabezales flotantes ilustrados en la tabla
1.5.1, eliminan los problemas de expansión diferencial en muchos casos y se
llama cabezal flotante de arrastre.
La desventaja de usar un cabezal flotante de arrastre es de simple
geometría. Para asegurar la tapa del cabezal flotante tipo T es necesario
atornillarla dentro de la coraza de los tubos, y los tornillos requieren el uso de
espacio donde sería posible insertar gran número de tubos. El atornillador no
únicamente reduce el número de tubos que pueden ser colocados en el haz de
tubos y aumenta el diámetro de la coraza, sino que también provee de una
canalización de flujo no deseable entre el banco de tubos y la coraza.
Estas objeciones se superan con el cabezal flotante más convencional que
es el tipo S de anillo seccionado, mostrado en la Fig. 2.3.1. Aun cuando es
relativamente cara su manufactura, tiene un gran número de ventajas mecánicas.
Difiere del tipo T por el uso de un arreglo de anillo seccionado en el cabezal
flotante de tubos y una coraza más pequeña que lo cubre y lo acomoda. Los
detalles del anillo seccionado se muestran en la Fig. 2.3.1.
El espejo flotante se sujeta mediante una abrazadera a la tapa de la cabeza
flotante y un anillo abrazadera que se coloca detrás del espejo, el cual está
dividido por la mitad para permitir desmantelarse. Diferentes fabricantes tienen
también diferentes modificaciones del diseño que aquí se muestra, pero todas
ellas llenan el propósito de proveer un aumento de superficie en comparación con
el cabezal de tipo T considerando un mismo tamaño de coraza.
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Figura 2.3.1 Ensamble del cabezal flotante.
2.4 Arreglo de tubos.
El diámetro exterior de los tubos para intercambiador de calor, es el
diámetro exterior real en pulgadas dentro de tolerancias muy estrictas. Estos tubos
para intercambiador se encuentran disponibles en varios metales, los que incluyen
acero, cobre, admiralty, metal Muntz, latón, 70-30 cobre-níquel, aluminio-bronce,
aluminio y aceros inoxidables. Se pueden obtener en diferentes gruesos de pared,
definidos por el calibrador Birmingham para alambre, que en la práctica se refiere
como el calibrador BWG del tubo. Los tamaños de tubo que generalmente se
usan para el diseño de intercambiadores de calor son los de 3/4 y 1 plg de
diámetro.
Para la colocación y espaciado de los tubos, los orificios de estos no
pueden taladrarse muy cerca uno de otro, ya que una franja demasiado estrecha
de metal entre los tubos adyacentes, debilita estructuralmente el espejo. La
distancia más corta entre dos orificios adyacentes es el claro o ligadura, y éstos a
la fecha, son casi estándar. El espaciado de los tubos PT (Pitch) es la distancia
menor de centro a centro en tubos adyacentes.
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Figura 2.4.1 Espaciado de los tubos.
Los tubos se colocan en arreglos ya sea triangular o cuadrado, todo
depende de la suciedad del fluido que va por fuera de tubos.
Tabla 2.4.1 Selección del arreglo de tubosSuciedad del fluido Arreglo
Muy sucio (derivados de petróleo) CuadroSucio Cuadro rotado
Ligeramente sucio Triángulo rotadoLimpio (alcohol, cetona, etc.) Triángulo
La ventaja del espaciado cuadrado es que los tubos son accesibles para
limpieza externa y tienen menor caída de presión que cualquier otro arreglo, y es
por eso que se deja para los fluidos más sucios.
Figura 2.4.2 Arreglo de tubos.
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