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INTERCAMBIADORES DE CALOR TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCION I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII. VIII.
TIPOS DE INTERCAMBIADORES a. Tubo y coraza b. Intercambiadores de horquilla c. Aeroenfriadores d. Otros tipos de intercambiadores PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR a. General b. Diferencia de temperatura c. Aproximacion a temperatura d. Coeficiente de intercambio de calor e. Área de intercambio de calor f. Capacidad de intercambio de calor g. Caída de presión h. Transferencia de calor real i. Conversión de volumen liquido a peso ii. Conversión de volumen gaseoso a peso iii. Calor de vaporización o condensación APLICACIÓN DE INTERCAMBIADORES a. Tubo y coraza b. Horquilla c. Aeroenfriadores OPERACIÓN DE INTERCAMBIADORES a. Tubo y coraza, horquilla, platos, y platos aleteados b. Aeroenfriadores SOLUCION DE PROBLEMAS EN INTERCAMBIADORES DE CALOR a. Coraza y tubo, y de platos b. Aeroenfriadores PROBLEMAS COMUNES EN INTERCAMBIADORES DE BAJA TEMPERATURA a. Intercambiadores de gas de entrada a gas de salida b. Congeladores de gas COEFICIENTES DE INTERCAMBIADORES AREA EXTERIOR DE LOS TUBOS DEL INTERCAMBIADOR
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INTRODUCCION Los intercambiadores de calor se usan para ahorrar energía y conservar combustibles, o para proporcionar el calor requerido por un proceso. El intercambiador de calor más sencillo que existe es una cacerola que se usa para hervir el agua. El calor es transferido del elemento calefactor en la estufa hacia el agua en la cacerola. Un molde para hielos en el congelador es otro ejemplo de un intercambiador de calor muy simple. Se debe pensar en un intercambiador de calor como una pieza de equipo en donde el calor es transferido de una sustancia caliente
a un material frio a través de un muro que separa las dos sustancias. Un intercambiador de calor es un dispositivo de transferencia de energía. Energía, en forma de calor, se transfiere de un fluido caliente hacia el frio. La cantidad de energía que se transfiere es a menudo mayor que la indicada en el dimensionamiento del intercambiador. Por ejemplo, la mayoría de la energía liberada por la quema de gasolina en un automóvil se transfiere al radiador (que es un intercambiador de calor) mientras es convertida a energía mecánica para impulsar el vehículo.
INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBO
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I. TIPOS DE INTERCAMBIADORES A. Intercambiadores de tubo y coraza Los tipos más comunes de intercambiadores usados en plantas de proceso son los de tubo y coraza. Los intercambiadores de tubo y coraza tienen dos componentes mayores: 1. Un haz de tubos, que puede constar de cientos de tubos a través de los cuales corre el fluido de los tubos. 2. Una coraza que encierra el haz de tubos y a través de la cual corre el fluido de la coraza. Para propósitos de este curso, un fluido es un liquido, un gas o una mezcla de ambos. El material de los tubos usualmente es acero, bronce o aluminio, aunque se puede usarse acero inoxidable y otros aluminios en servicios severos de temperatura y/o corrosión. Un espejo soporta y sella los tubos. Cada tubo es insertado en un orificio en el espejo y se inserta una herramienta especial dentro del extremo abierto del tubo la cual expande uniformemente el tubo para embonar en el orificio en el espejo. La coraza es casi siempre de acero. El interior de un tubo usualmente puede limpiarse fácilmente empujando una barra a través de el, o usando un chorro a alta presión en la punta de la barra. La superficie exterior de un haz de tubos es mas difícil de limpiar, ya que la superficie de muchos de los tubos es de difícil de acceso. En consecuencia, el fluido que probablemente causara mas corrosión o acumulara residuos fluye dentro de los tubos. Si se requiere de un material especial, como el acero inoxidable, para prevenir corrosión, solo los tubos y cabezales deben ser fabricados del material especial. Si el fluido corrosivo estuviese del lado de la coraza, los tubos y la coraza deben ser fabricados de bronce aluminio, comúnmente llamado Admiralty, y el agua fluye a través de los tubos.
Si ambos fluidos tienen propiedades corrosivas similares, usualmente fluye en el lado de los tubos el de más alta presión. Esto se explica porque un tubo colapsara en una presión externa de cerca de la mitad de la presión máxima interna a la que sufriría daño el tubo. Por ejemplo, un tubo de acero que se colapsa cuando alcanza una presión interna de 2700 psi, colapsara también cuando la presión externa alcance las 1200 psi, es menos caro construir un intercambiador con la presión más alta del lado de la coraza. Los dos factores más importantes que influyen en la selección del fluido que correrá del lado de los tubos son la presión y el incrustamiento. Si uno de los fluidos es agua, casi siempre debe fluir del lado de los tubos, aun cuando sea el fluido de menor presión. Seleccionar el fluido frio o caliente, o gaseoso o liquido, no es factor. En otras palabras, la cantidad de calor transferida no se ve afectada significativamente si el fluido caliente va dentro o por fuera de los tubos, o si va liquido o gas dentro o fuera de los tubos. Como veremos más tarde, la cantidad de calor que se transfiere en un intercambiador, depende del área de metal que separa a los dos fluidos. En un intercambiador de tubo y coraza, esta área de transferencia es el área externa de los tubos. La razón por la que los intercambiadores de tubo y coraza son los más usados es porque normalmente son el modo mas económico de proveer el área requerida para conseguir la transferencia de calor. La mayoría de los intercambiadores de tubo y coraza se encuentran montados en posición horizontal. Si alguno de los fluidos es un líquido, usualmente entra por el fondo del intercambiador – ya sea en el lado de los tubos o en la coraza – y fluye hacia lo alto. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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Con este patrón de flujo el intercambiador permanecerá lleno de líquido y toda el área de transferencia de los tubos será aprovechada. Si el líquido entra por lo alto y sale por el fondo, se pueden formar bolsas de vapor, y no se llevara a cabo la transferencia de calor en los tubos donde se forme la bolsa de vapor. Los intercambiadores pueden ser montados verticalmente sin afectación en la eficiencia
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de los mismos, pero prevenir los bolsos de vapor es igual de importante como en los montajes horizontales. Los intercambiadores de tubo y coraza tienen tres configuraciones de flujo comunes: 1. Un paso. 2. Dos pasos. 3. Multipasos.
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA
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PARTES DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR 1. Canal de la cabeza estática 2. Bonete de la cabeza estática 3. Brida de la cabeza estática (canal o bonete) 4. Guarda del canal 5. Boquilla de la cabeza estática 6. Espejo de tubos estacionario 7. Tubos 8. Coraza 9. Guarda de la coraza 10. Brida de coraza – ex extremo de cabeza estacionaria 11. Brida de coraza – extremo de cabeza trasero 12. Boquilla 13. Brida de la guarda de la coraza 14. Junta de expansión 15. Espejo de tubos flotante 16. Cubierta de cabeza flotante 17. Brida de cabeza flotante 18. Dispositivo de soporte de cabeza flotante
19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39.
Split shear ring Slip on backing flange Guarda de cabeza flotante externa Falda de espejo de tubos flotante Brida de caja de empaques Empaques Anillo de empaques Lantern ring Tie rods and spacers Placas transversales o platos de soporte Impingement baffle Placa longitudinal Partición de paso Conexión de venteo Conexión de dren Conexión de instrumentos Silleta de soporte Oreja de izaje Abrazadera de soporte Vertedero Conexión para nivel de liquido
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Un fluido hace un paso cuando fluye de un extremo del intercambiador hacia el otro. El intercambiador en lo alto de la página anterior, es un ejemplo de un intercambiador de un paso en tubos y un paso en coraza. Cada uno de los fluidos entra por un extremo y sale por el otro. Un arreglo común es el arreglo como el que se muestra en el esquema de en medio de la página anterior, que tiene dos pasos del lado de los tubos y uno del lado de la coraza. Un intercambiador puede poseer cualquier numero de pasos. Cada paso debe estar sellado de los otros de tal manera que el fluido no rodee el intercambiador. Vea el intercambiador en la figura 2; el fluido del lado de los tubos entra por el fondo a la izquierda y fluye hacia la derecha en la mitad intermedia de los tubos. Cuando alcanza el extremo, gira 180 grados y fluye hacia la izquierda en la mitad superior de los tubos. El plato de partición, (parte numero 31), sella la entrada en la cámara baja del lado de los tubos de la cámara de salida. Si el plato de partición fugase, el fluido de la entrada iría directamente al extremo de salida, y no recibiría intercambio de calor. El lado de la coraza es más difícil de sellar, y como consecuencia rara vez se usan más de dos pasos. La placa longitudinal o plato de sello, parte 30, mostrado en el esquema de debajo de la página anterior, tiene un empaque para sellar la mitad superior de la coraza de la mitad inferior. Si el sello fuga, el fluido de la coraza pudiese fluir de una boquilla a la otra sin fluir a lo largo del intercambiador. En este intercambiador, ambos fluidos el de coraza y tubos hacen dos pasos.
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El lado de la coraza de un intercambiador de tubo y coraza tiene placas transversales, parte 28 en la figura 2 y 3, que sirven para dos propósitos: A. Mantener los tubos ordenados y evitar que se toquen unos con otros B. Asegurar un flujo turbulento en el lado de la coraza para obtener una máxima transferencia de calor Otra opción de los intercambiadores de calor de tubos y coraza es que pueden ser fabricados de tal manera que el haz de tubos puede ser retirado. Todos los intercambiadores mostrados en las figuras anteriores a excepción de la primera en la página anterior tienen haces de tubos removibles. Reemplazar un haz de tubos con incrustaciones se puede hacer en lapsos muy cortos de tiempo comparados con el que tomaría limpiarlos. Aparte, el haz de tubos puede ser reemplazado, si es necesario, por una fracción del costo de un intercambiador nuevo. En un proceso donde la corrosión o el incrustamiento es algo poco probable de ocurrir, no existe razón para tener un haz de tubos removible. Un haz no removible o espejo de tubos fijo se puede usar, este tipo de haces son menos costosos que los de tipo removible. El intercambiador en lo alto de la página anterior, es un intercambiador de espejo fijo. Se debe tener en cuenta la expansión del haz de tubos en el momento de diseñar un intercambiador de haz fijo, de tal manera que permita la expansión o contracción de los tubos sin que este afecte a los mismos. Por ejemplo suponga que un aceite caliente a 315 grados Celsius fluye del lado de la coraza para calentar una ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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corriente de nafta a 38 grados Celsius en un intercambiador de un paso de espejo fijo. La temperatura promedio de los tubos estaría alrededor de los 170 grados. La coraza o la pared de la unidad estaría alrededor de los 250 grados. A 250 grados de temperatura, la coraza puede expandirse a lo largo hasta en 10 mm por la expansión debida al calor, mientras que los tubos solo se expandirían 5mm por el calor. En tanto la coraza se expande, esto puede hacer que
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los tubos se estrechen hasta que se suelten del espejo o se rompan en dos. Se debe tener cuidado de esta situación, instalando una junta de expansión en el lado de la coraza. Si la presión en el lado de la coraza es más de lo que puede absorber una junta de expansión, (usualmente hasta 250 psi) se necesitara instalar una cabeza flotante, o un haz de tubos en U para permitir la expansión o contracción de los tubos independientemente de la coraza.
TIPOS DE REHERVIDORES DE TUBO Y CORAZA
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La ilustración en lo alto de la figura 4 es un intercambiador de tubo y coraza llamado comúnmente rehervidor. Es una combinación de un intercambiador y separador gas – liquido. En esta figura en particular, un fluido de calentamiento como vapor o aceite caliente fluye a través de los tubos. El fluido del lado de la coraza es un liquido que se vaporiza parcialmente. Este liquido entra por el fondo de la coraza en la boquilla a la izquierda. Cuando el fluido corre hacia la derecha, parte de él se vaporiza y sale a través de la boquilla superior en el central del tanque. El líquido restante fluye hacia el vertedero, que está localizado a la derecha del haz de tubos, de tal manera que el liquido siempre cubre los tubos para que el área completa esté disponible para la transferencia de calor. La ilustración referida es llamada comúnmente rehervidor tipo caldereta. Es usado para proveer el calor requerido en una torre de agotamiento o de destilación. Su diseño debe proveer suficiente espacio libre sobre el nivel de líquido sobre el haz de tubos para que el vapor se separe del líquido en ebullición en la coraza. El intercambiador en la parte inferior de la figura 4 es llamado rehervidor termosifón. El fluido de calentamiento hace un paso a través de los tubos. El liquido de una torre de agotamiento o fraccionadora entra en las dos boquillas del fondo de la coraza. Parte del liquido vaporiza en la coraza, esta combinación de liquido y vapor sale por la parte de arriba y fluye de regreso a la torre de donde provino. La selección de una caldereta o un termosifón es hecha por el diseñador de la torre a la cual el rehervidor provee
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calor. No hay reglas estrictas o rápidas para seleccionar uno en vez del otro. El rehervidor de tipo caldereta es usado también en plantas de refrigeración para enfriar una corriente de gas o de aceite de absorción. En esta aplicación, el refrigerante (comúnmente propano) fluye del lado de la coraza, y el gas o aceite de absorción fluye a través de los tubos. El refrigerante entra a la coraza como liquido frio. Mientras enfría el haz de tubos, absorbe calor y se vaporiza. El vapor abandona el rehervidor por la parte superior y fluye hacia un compresor. Todos los intercambiadores de calor de tubo y coraza usados en una planta de proceso son diseñados para el servicio específico en el cual se usaran. El diámetro de los tubos, longitud y numero de estos son seleccionado para una aplicación especifica. El diseño y construcción deben estar acorde a especificaciones estrictas por una asociación profesional de fabricantes de intercambiadores de calor. Como cada intercambiador es hecho a la medida para un trabajo, hay poca oportunidad que pueda ser usado en otra aplicación satisfactoriamente. B. Intercambiadores de horquilla Se muestra una ilustración de un intercambiador de horquilla en la figura 5. En la mayoría de las aplicaciones, posee dos pasos en ambos lados de coraza y tubos. El haz de tubo puede tener varios tubos, o un tubo sencillo. A menudo los de un solo tubo tienen aletas longitudinales en el exterior para aumentar el área de transferencia de calor. El haz de tubos puede ser removido por el extremo trasero. Un dispositivo de sello se localiza en el extremo delantero, ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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el cual es desarmado fácilmente para permitir el retiro de los tubos, la coraza del intercambiador esta hecha de tubería estándar. Los fabricantes de intercambiadores de horquilla los construyen en tamaños estándar, usando materiales estándar para la coraza y los tubos. Cuando se usan estos intercambiadores, el proveedor determinara cual de las unidades estándar, o combinación de ellas, proveerá la carga de transferencia de calor requerida. Estas unidades no
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son hechas a la medida a diferencia de los intercambiadores de tubo y coraza. Estas unidades son suplidas con soportes de montaje que les permiten ser apiladas una sobre otra, o montadas lado a lado. Se pueden requerir varias unidades en un servicio dado. Pueden ser instalados en serie o en paralelo. Una de las ventajas de los intercambiadores de horquilla, es que se pueden añadir secciones adicionales en un intercambiador ya instalado a un costo razonable.
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AEROENFRIADORES Aeroenfriadores Los aeroenfriadores son simples intercambiadores de tubos expuestos a una corriente de aire fluyendo a través de ellos. Los tubos tienen comúnmente aletas de aluminio presionadas contra la pared exterior del tubo para incrementar el área de transferencia de calor. Se sopla aire a través de los tubos con un ventilador impulsado por un motor eléctrico o maquina. Estos intercambiadores son llamados comúnmente solo aires. Los dibujos de aeroenfriadores típicos se muestran en la figura 6. El fluido de los tubos hace al menos dos pasos, y frecuentemente tienen 6 u 8 pasos. El flujo del aire es en un solo paso. Cada extremo del intercambiador tiene un cabezal en el cual los tubos están rolados o soldados. La figura 7 muestra un cabezal típico. Un tapón se localiza en el cabezal opuesto a cada tubo para facilitar las labores de limpieza de los tubos, para reemplazarlos, o sellarlos si fugan. Los aeroenfriadores tienen 5 componentes básicos: 1. 2. 3. 4. 5.
Tubos Cabezales Ventilador e impulsor Cámara de distribución Estructura de soporte
Los componentes se muestran en la figura 6. El ventilador puede estar montado bajo los tubos e impulsar el aire hacia arriba, esta configuración es llamada de tiro forzado; o puede estar montado sobre los tubos y jalar el aire a través de los tubos, a esta configuración se le llama de tiro inducido. Los de tipo de tiro inducido son más caros que los de tiro forzado, sin embargo se
prefieren ya que son más eficientes debido a que hay menos oportunidad de que el aire caliente sea succionado de vuelta y reciclado a través de los tubos. Los ventiladores poseen generalmente de 6 a 8 aspas de tipo propela. Estas aspas son fabricadas en aluminio o plástico. Y pueden ser equipadas con ángulo de ataque regulable para variar el flujo de aire. Los sopladores de ángulo variable se usan selectivamente debido a su costo y mantenimiento. La velocidad del ventilador también puede ser regulada para controlar el flujo de aire. Los tubos y cabezales de un aeroenfriador son fabricados por lo general en acero de grados estándar. En servicios corrosivos se pueden usar aluminios especiales. La porción estructural está fabricada también en acero, pudiendo galvanizarse para protegerlo de la corrosión. Frecuentemente se montan interruptores de vibración en los aeroenfriadores para detener los impulsores de los ventiladores cuando se presenta vibración excesiva. Esta es causada cuando una o más de las aspas del ventilador se desbalancean. Las causas de esto pueden ser: 1. Acumulación de suciedad u oxido en las aspas 2. Un aspa se giro en el mamelón, así que su ángulo es diferente del resto 3. Un aspa se rompe o agrieta, o parte de la punta del aspa se rompe 4. Rodamientos desgastados en la chumacera del ventilador Si no se toma acción correctiva inmediatamente cuando las aspas se desbalancean, la vibración excesiva puede causar que la unidad vuele en partes y dañe o lastime a las unidades cercanas o al personal. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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La mayoría de los aeroenfriadores usados en plantas de proceso son fabricados a la medida para la aplicación específica donde serán usados. Unidades de tamaños estándar pueden ser encontradas en servicio, como radiadores, condensadores de aire acondicionado, y otros servicios similares donde la carga de transferencia de calor es constante.
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Uno de los aeroenfriadores mas comunes es el radiador del automóvil. Es de tiro inducido. Cuando los aeroenfriadores operan en clima frio, a menudo es necesario restringir el flujo de aire a través de los tubos para prevenir sobre enfriar el fluido de proceso. Un método común de restringir el flujo de aire es instalar persianas que restrinjan el flujo de aire
TIPOS DE AEROENFRIADORES ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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DETALLES DE LOS CABEZALES EN UN AEROENFRIADOR DE 4 PASOS
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Estas persianas se instalan sobre los tubos en las unidades de tiro forzado, y en la parte de abajo en las de tiro inducido. Las persianas pueden operarse manualmente, o por un controlador automático. En instalaciones con clima frio extremo, las persianas no proveen suficiente restricción al flujo del aire. Se provee un sistema de
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recirculación. En este tipo de unidades el aire circula a través del soplador, a través de los tubos y de vuelta al soplador. Cada vez que el aire fluye a través de los tubos, se le eleva la temperatura. La temperatura del aire es controlada admitiendo parte del aire frio del exterior del intercambiador, y descargando un volumen igual de gas recirculante a la atmosfera.
AEROENFRIADOR RECIRCULANTE PARA INSTALACIONES CON BAJA TEMPERATURA AMBIENTE
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II PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR A. General El proceso que se lleva a cabo dentro de un intercambiador de calor se conoce como transferencia de calor. Para ponernos de acuerdo, siempre consideraremos que el calor se transfiere de la sustancia más caliente hacia la mas fría. En un aeroenfriador, el calor del fluido en los tubos se transfiere al aire soplando a través de ellos. En un refrigerador de gas, el calor en el gas tibio es transferido hacia el refrigerante frio. El calor es una forma de energía. De este modo, podemos llamar a un intercambiador, un dispositivo de transferencia de energía. Es importante que visualicemos el movimiento del calor de un fluido caliente hacia uno frio para que podamos entender los principios de la transferencia de calor. Se puede pensar en la transferencia de calor en un intercambiador como si una parte del fluido caliente se traslado al tubo y se mezclo con el fluido frio. Recuerde: la transferencia de calor es el movimiento de calor del fluido caliente hacia el fluido frio. Otro término que necesita recordar es el de carga. La carga de un intercambiador se define como la cantidad de calor transferida en una hora. La carga se expresa generalmente en Btu/hr. En el sistema internacional de medidas el Watt es la unidad de energía. Un Watt equivale a un joule por segundo. Un Joule es la cantidad de calor requerida para aumentar la de temperatura de 0.24 gramos de agua en 1 grado Celsius. Una Unidad Térmica de Energía (Btu)es la unidad inglesa de energía calorífica. Es la cantidad de calor requerida para elevar una libra de agua un grado Fahrenheit.
TRANSFERENCIA DE CALOR El calor fluye del fluido caliente hacia el frio La cantidad de calor que se transfiere en un intercambiador será la cantidad de calor que pierde el fluido caliente. Obviamente la misma cantidad de calor será absorbida por el fluido frio. De esta forma, la carga de un intercambiador será la cantidad de calor que pierde el fluido caliente en una hora, o la que gana el fluido frio en el mismo periodo de tiempo. La carga de un intercambiador determinada por tres factores:
está
La diferencia de temperatura entre los dos fluidos. Coeficiente del intercambiador, el cual depende del tipo de intercambiador y de las propiedades físicas de los dos fluidos. El área superficial de los tubos. La ecuación que determina la transferencia de calor en un intercambiador es: = (∆)( )( )
Donde: ∆T
= promedio de la diferencia de temperatura entre los dos fluidos. Coeff = Coeficiente de las tablas Área = Área superficial exterior de los tubos ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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B. Diferencial de Temperatura Uno de los fluidos en un intercambiador es el caliente y otro es el frio. La diferencia de temperatura entre los dos es la fuerza que impulsa o empuja el calor de un fluido hacia el otro. Si los dos fluidos se encuentran a la misma temperatura, la diferencia de temperatura es obviamente 0 grados, y no se transferirá calor alguno. La cantidad de calor que se transfiere en un intercambiador varia directamente con la diferencial de temperatura entre el fluido frio y el caliente. Una temperatura diferencial mayor nos dará más transferencia de calor; o poniéndolo de otra manera, un intercambiador pequeño (menos costoso) se puede usar si se tiene una diferencial de temperatura más alta. Así es como, la mayoría de los intercambiadores
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se diseñan para una máxima diferencial de temperatura entre ambos fluidos. Suponga que tenemos un tanque aislado con dos compartimentos. Tenemos agua caliente en el compartimento a la izquierda, y aceite frio en el otro. Parecería que la diferencia de temperatura entre los dos líquidos es de 93 – 38 = 55 grados C. el intercambiador de calor en este caso es la pared separando los dos líquidos. La temperatura del agua en el muro del compartimento rápidamente se enfriara a 70 grados aproximadamente; y la temperatura del aceite próxima al muro se elevara a 60 grados aproximadamente. Así, la diferencial de temperatura en el intercambiador es de solo 70 – 60 = 10 grados, aunque esta a 5 veces más a una distancia muy corta en el intercambiador.
DIFERENCIA DE TEMPERATURA ENTRE FLUIDOS, ∆T, ES LA FUERZA QUE IMPULSA EL CALOR DEL FLUIDO CALIENTE HACIA EL FRIO.
La diferencia de temperatura en el muro del compartimento es de 10 grados
La diferencia de temperatura en el muro del compartimento es de 55 grados ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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Si ponemos agitadores en ambos compartimentos para agitar violentamente cada lado de tal manera que la temperatura de cada liquido sea la misma a través de el compartimento, se obtendrá la máxima diferencial de temperatura en el intercambiador. La transferencia de calor se realizara a su máxima velocidad. Ahora suponga que el aceite y el agua en los dos compartimentos fluyen a través de los tubos y la coraza de un intercambiador. El aceite frio esta fluyendo por la coraza y el agua caliente por los tubos. Si ambos fluidos están fluyendo a baja velocidad, el flujo será laminar, que es análogo a las temperaturas con el compartimento estático. La temperatura del agua en el medio del tubo será más alta que la temperatura a solo corta distancia de la pared del tubo. En el lado de la coraza, la temperatura cercana a los tubos será más alta que la de la coraza. Si incrementamos la velocidad de los fluidos para pasarlos a régimen turbulento, las
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temperaturas serán análogas a la de los compartimentos con los agitadores. Los intercambiadores son diseñados de tal modo que el régimen de flujo sea turbulento. Recuerde que en los intercambiadores de tubo y coraza las placas son usadas en el lado de la coraza para dirigir el sentido del flujo. Si no hubiese placas, el fluido de la coraza se movería lentamente a través del intercambiador, por lo tanto incrementando la velocidad. Se deben incluir suficientes placas en el lado de la coraza para asegurar un flujo turbulento. El flujo turbulento del fluido en los tubos se mantiene limitando el numero de tubos en el intercambiador. Ocasionalmente el diseño resulta sin flujo turbulento en los tubos. En tales casos, se induce la turbulencia insertando listones de metal en los tubos torcidos en forma de espiral.
Ejemplo: El agua fluye a una velocidad de 4200 l/min, pasando a través de los tubos de un intercambiador. Los tubos tendrán un régimen turbulento si el agua fluye a través de cada uno a una velocidad mínima de 8.4 l/min. ¿Cuántos tubos se requerirán par a asegurar el flujo turbulento? Flujo total de agua.
4200 l/min
Flujo mínimo por tubo para flujo turbulento.
8.4 l/min
Numero máximo de tubos.
.
= 500
El máximo de tubos a instalar con un flujo de 4200 l/min para conseguir un flujo turbulento es de 500 tubos. La diferencia de temperatura de los dos fluidos es el promedio de la diferencial de temperaturas entrando y saliendo del intercambiador. Se determina calculando la diferencia de temperatura de los fluidos entrando al intercambiador y a la salida de el; y añadiendo las dos juntas al dividirlas por dos. El cálculo de la diferencia de
temperatura promedio exacta envuelve el uso de logaritmos y no es indispensable conocer el procedimiento. Lo importante de recordar es que la diferencia promedio de temperatura es algo menor que el promedio aritmético. Para propósitos de esta capacitación el promedio aritmético será suficiente. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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Ejemplo: Determine la temperatura diferencial promedio en el enfriador de aceite mostrado en la figura inferior.
Ejemplo: Un aeroenfriador se usa para enfriar gas de un compresor. Las temperaturas se muestran debajo. Calcule la diferencia de temperatura promedio.
∆T
promedio =
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1. Enfoque de la Temperatura Una de las herramientas más usadas en la resolución de problemas de intercambiadores de calor es la de la enfoque de la temperatura. El enfoque de la
Tipo de intercambiador Tubo y coraza Horquilla Aeroenfriados El fluido principal de proceso en el intercambiador mencionado es obviamente aceite. Sale en el extremo izquierdo, así que este extremo es en donde se lleva a cabo la medición del enfoque de temperatura. Es de 6°C. hemos enfocado dentro de 6° de enfriamiento de aceite a la más baja temperatura posible con 32° C de agua. En este intercambiador, el agua es calentada absorbiendo calor del aceite. Sin embargo la función principal del intercambiador es enfriar aceite y no calentar el agua. Suponga que la temperatura de salida del aceite del intercambiador roce los 44°C. parece que hay un problema en el intercambiador. Antes de hacer algo, revise el enfoque de temperatura. Si el agua de enfriamiento a la entrada del intercambiador se ha elevado en 6°C, el enfoque de temperatura será el mismo, y no existe problema alguno en el intercambiador. El
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temperatura es la diferencial de temperatura entre el fluido frio y el caliente a la salida del intercambiador. El enfoque de temperatura se ilustra claramente en la ilustración siguiente:
Enfoque de Temperatura 5.5° – 11°C 8° - 16° C 8° - 16° C problema se debe a una alta temperatura en el agua. Si la temperatura del agua no se ha elevado, el enfoque de temperatura se encuentra alto, lo cual indica un problema en el intercambiador, (taponeo, incrustación, etc.). De este modo, cuando aparentemente hay un problema con el intercambiador, se debe checar primero el enfoque de temperatura. Si este no ha cambiado rara vez el problema estaría en el intercambiador; casi siempre se trata de un problema de proceso – los cambios en la tasa de flujo y/o temperaturas de las corrientes de proceso. En el otro lado, si el enfoque de temperatura se aumenta, debe existir seguramente un problema en el intercambiador. Si no se tiene seguridad del extremo en que el fluido principal de proceso deja el ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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intercambiador, determine la diferencial de temperatura en cada extremo, y la menor de los dos extremos es el enfoque de temperatura. Los enfoques de temperatura típicos para cada tipo de intercambiador se muestran en
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la tabla bajo del dibujo anterior.Para poder determinar si el enfoque de temperatura ha cambiado o no, se debe tomar un registro de enfoques de temperatura para cada intercambiador en la instalación cuando operan en condiciones normales.
Problema 2 La diferencial de temperatura promedio en el intercambiador gas – gas es:_____________, el enfoque de temperatura es: _______________.
C. Coeficiente del intercambiador de calor En un intercambiador, el calor debe viajar del fluido caliente al muro del intercambiador, entonces moverse a través de la pared o tubo, y entrar al fluido frio. La velocidad a la cual el calor se mueve desde el fluido caliente hacia el fluido frio dependerá de las propiedades de los fluidos. La velocidad del calor que viaja en el agua es
rápida; es más baja en hidrocarburos, y mucho más baja en gases. El coeficiente de un intercambiador es una medida de la cantidad de calor que se transfiere en una hora a través de una superficie de un metro cuadrado de área de intercambio por cada grado de diferencial de temperatura entre el fluido caliente y el frio. Los coeficientes típicos se muestran en las tablas de coeficientes al final de este manual.
1. el calor se mueve hacia la pared del intercambiador. 2. el calor se mueve a través de la pared del intercambiador 3. El calor se mueve hacia el fluido frio ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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D. Área El factor final que afecta el flujo de calor es el área de transferencia del intercambiador. Un intercambiador con 10 tubos obviamente transferirá dos veces más calor que uno con 5 tubos. El área de transferencia de un
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intercambiador es el total del área externa de los tubos en la unidad. La tabla II muestra el área externa por metro lineal de los tubos más comúnmente usados en la construcción de intercambiadores de calor.
Ejemplo Un intercambiador posee 300 tubos de 20 mm de diámetro y 6 metros de longitud. Cuál es el área total de transferencia? Solución: Numero de tubos Longitud de tubo Largo equivalente de la tubería Tamaño de los tubos Área unitaria por metro de tubo Área total de los tubos
300 6 metros 300 x 6 = 1800 metros 20 mm 0.0628 m2/m 1800 x 0.0628 = 113 m2
Problema 3 Un enfriador de glicol tiene 250 tubos de 25 mm de 6 metros de longitud. El área total de transferencia es:______________________________
Para resumir, la transferencia de calor depende de tres factores: 1. Diferencia de temperatura de los fluidos intercambiando calor. 2. Coeficiente del intercambiador. 3. Área superficial de transferencia. E. Carga Recordara que anteriormente mencionamos que la cantidad de calor transferido en una hora en un intercambiador era llamado carga, y que la cantidad de calor que se transferirá en un intercambiador está determinada por la siguiente ecuación: = (∆)( )( )
Cuando se diseña un nuevo intercambiador, la carga, coeficiente y diferencial de temperatura son conocidas, y necesitamos determinar el área. La formula se despeja para calcular el área: =
(∆)( )
Ahora que los factores que afectan el desempeño de un intercambiador han sido cubiertos, veamos algunos ejemplos. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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Ejemplo Un enfriador de crudo opera a las condiciones mostradas en el esquema de abajo: el intercambiador tiene 240 tubos de 20 mm de diámetro y 12 metros de longitud. Cuál es la carga del intercambiador?
Solución: Usaremos la siguiente fórmula: = (∆)( )( ) Calculemos
38 °C
∆T: ∆T=38°
Aceite
82 °C
- 32°C
∆T=82°
32°C
Agua
∆T promedio=
– 49°C
49°C
= = 19.5°
Coeficiente (de Tablas) Calculo del Área: Numero de Tubos Longitud de los tubos Largo equivalente de la tubería Diámetro del tubo Área por unidad de tubo (de tablas) Área total de transferencia de los tubos
340
Ecuación de la carga de intercambio de calor Substituyendo Carga
= (∆)( )( )
240 12 m 12 x 240 =2880m 20 mm 0.0628 m2/m 2880 x 0.0628 = 181 m2 (19.5)(340)(181) 1,200,030 Watts
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F. Caída de Presión Mencionamos con anterioridad que el flujo que el flujo a través de los tubos y la coraza debe ser turbulento, y una velocidad relativamente alta se debe mantener. El resultado neto de esto es que va a existir una caída de presión en cada uno de los fluidos a lo largo de su paso por el intercambiador. La presión en la salida será menor que en la entrada para cada uno de los fluidos. La mayoría de los intercambiadores se diseñan para manejar una caída de presión de 5 a 10 psi. La caída de presión es una
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herramienta útil para monitorear los posibles problemas que se presenten en los intercambiadores. Una caída de presión baja indica un flujo bajo, o la posibilidad de ruptura de tubos. Una caída de presión alta indica una relación de flujo alta, corrosión, incrustaciones, ceras, hidratos o taponeo. Para medir en forma precisa la caída de presión se deben instalar manómetros indicadores de presión diferencial en las corrientes de la manera indicada en el diagrama.
MEDICION DE LA CAIDA DEPRESION. El uso de indicadores de manómetros en la entrada y salida de las corrientes no es suficientemente preciso para detectar cambios de magnitudes de 2.5 a 5 psi. Las lecturas de presión diferencial deben ser tomada cuando el intercambiador es nuevo o tras haber sido limpiado, y se debe conservar el registro en un lugar de fácil acceso de tal modo que las lecturas futuras puedan ser comparadas contra las tomadas con la unidad en condiciones optimas.
G. Transferencia de calor real. Hasta este punto, nuestra discusión ha cubierto los aspectos teóricos de los intercambiadores de calor. En otras palabras, la cantidad de calor que debe ser transferida por un intercambiador se basa en el área, temperatura diferencial promedio y el coeficiente de transferencia. Pero, como sabemos si la transferencia de calor real es la misma que la teórica?
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La cantidad de calor a transferir para vaporización se determina con las siguientes incrementar o reducir la temperatura de un ecuaciones: fluido cuando no hay condensación o ECUACIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR REALES Transferencia de calor donde: Cambio de temperatura Capacidad calorífica Capacidad calorífica de agua Capacidad calorífica H/C La capacidad calorífica en unidades inglesas de medida es llamada capacidad calorífica. El valor de esta para hidrocarburos gaseosos varia de 1.7 a 4.2 dependiendo de la temperatura y la presión. La capacidad
Watts=0.28 (kg/hr)(CambTemp)(Cap cal) Temp de entrada – Temp de salida °C kJ de energía para calentar 1kg 1°C 4.19 kJ/kg 2.1 kJ/kg calorífica de los hidrocarburos líquidos varia de 1.9 a 2.3. para otros propósitos usaremos un valor promedio de 2.1 para hidrocarburos gaseosos o líquidos.
Ejemplo Un calentador de agua tiene 160 kg de agua que entra a una temperatura de 32°C y es calentado a 65°C en una hora. Determine la transferencia de calor
Ecuación de transferencia de calor Peso del agua Cambio de Temperatura Capacidad calorífica del agua Substituyendo Carga 1. Conversión de volumen de liquido a peso. Como se noto en el ejemplo anterior, el flujo másico se debe conocer para calcular la transferencia de calor. La mayoría de los medidores de flujo lo miden en volumen. Se
(0.28)(peso)(cambio de Temp) x (Cap Cal) 160 kg/hr 65 – 32 = 33°C 4.19 (0.28)(160)(33)(4.19) 6194 Watts hace necesario convertir el volumen a peso para calcular la cantidad de calor que transfiere. La siguiente ecuación se usa para convertir volumen de liquido a peso: ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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Peso/hr=(Volumen/hr)(Densidad del Agua)(Densidad relativa del liquido) 2. Conversión de volumen de gas a peso Si uno de los fluidos en un intercambiador es un gas, las ecuaciones para calcular el peso por hora son: Peso del Gas = (0.05) ( Flujo, m3/día) (Densidad Relativa del gas) Los flujos de gas en la ecuación anterior son flujos diarios, que es lo que la mayoría de los medidores de flujo indican. 3. Calor de vaporización o Condensación Como se menciono previamente, 4.19 kJ de calor se requieren para elevar la temperatura de a 1 kg de agua en 1 grado Celsius. El agua ebulle a 100°C. Tras que la temperatura del agua alcanza su punto de ebullición, 2257 kJ deben agregarse para ebullir 1 kg de agua. No se presenta ningún cambio de temperatura cuando el agua ebulle; la temperatura del vapor que se forma es exactamente la misma que la del liquido en ebullición. La energía calorífica que debe ser añadida a un liquido para cambiar a gas es llamada calor de vaporización. Y es obviamente la cantidad de calor que tiene que ser retirada a un gas para que este condense. CALOR DE VAPORIZACION O CONDENSACION Agua Hidrocarburo
2257 kJ/kg 350 kJ/kg
En la mayoría de las situaciones donde se enfría gas, parte del hidrocarburo y/o del agua se condensa al mismo tiempo que el gas se enfría. Esto se debe considerar cuando se determine el total de la transferencia de calor cuando el gas es enfriado. Cuando se calcula la carga real de un intercambiador, es mas practico determinar esta en base al fluido que no se condensa o vaporiza parcialmente porque el porcentaje de condensación y/o vaporización no
siempre es conocido. En los intercambiadores que usan agua como fluido de enfriamiento, el flujo de agua y su cambio de temperatura se usan para determinar la carga. La carga real de un intercambiador se calcula cuando tenemos razones para creer que este no se desempeña como debiese. Primero calcularemos la calidad de calor que se transfiere realmente usando el valor del flujo de agua y el incremento de la temperatura. El próximo paso es calcular la cantidad teórica de calor que el intercambiador transferirá usando la ecuación de los intercambiadores, y compararemos entonces ambos valores. Las causas posibles por las cuales se pierde carga en un intercambiador y que deben ser revisadas antes de detener la operación del mismo son: 1. Si el gas contiene hidrocarburos condensables o humedad, estos se acumularan en la parte baja de la coraza, esto puede cubrir los tubos y reducir la eficiencia del intercambiador. Abra un dren en el fondo del intercambiador del lado de la coraza, y verifique la existencia de depositos de líquidos. Realice esta acción con precaucion, porque los hidrocarburos líquidos a la presion de operación, al salir a la atmosfera pueden ser altamente volatiles. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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2. Si hay presencia de aceite proveniente de un compresor, este puede formar una capa en el exterior de los tubos y reducir el flujo de
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calor. Esta situación va aumentando gradualmente sobre el paso del tiempo. Y reduce el coeficiente de transferencia del intercambiador.
III. APLICACIONES DE INTERCAMBIADORES. Los intercambiadores de calor se usan por lo general por las siguientes razones: 1. Para transferir calor para que un proceso se lleve a cabo. 2. Para conservar energia. 3. Para enfriar una corriente caliente. Algunos ejemplos son: 1) Intercambiadores de Proceso a) Rehervidores en torres fraccionadoras y agotadores de Glicol. b) Condensadores de reflujo en fraccionadoras. c) Refrigeradores de Gas 2) Conservar energia a) Intercambiadores Gas – Gas b) Intercambiadores Glicol rico – Glicol pobre. c) Intercambiadores de Amina pobre – Amina oxidada. d) Intercambiadores de Aceite rico – Aceite pobre. e) Precalentadores de una fraccionadora. 3) Enfriadores. a) Radiadores. b) Enfriadores de gas de compresores. c) Enfriadores de productos. La selección del tipo de intercambiadores a usar en un servicio en particular, es normalmente cuestion de analisis económico. Sin embargo la selección del mismo puede ser dictada por las circunstancia. Por ejemplo, si se necesita de un enfriador de proceso en una instalación
que no tiene agua disponible, aeroenfriador es la opción a elegir.
un
A. Tubo y Coraza. Es el tipo de intercambiador mas usado en plantas de proceso es el de tubo y coraza. Este se puede diseñar en una amplia variedad de configuraciones ajustadas para realizar un servicio especifico. Se usan algunos materiales especificos para servicios corrosivos o a bajas temperaturas. Pueden ser largos o cortos, horizontales o verticales. La ventaja de los intercambiadores de tubo y coraza es que como son diseñados para una aplicación en particular, se desempeñaran mas satisfactoriamente que otros tipos. Las desventajas de este tipo de intercambiadores es que son costosos, y su reutilizacion es muy limitada en otra aplicación. B. Horquilla Los intercambiadores de horquilla son mayormente usados cuando los requerimientos de área de transferencia son menores a 40 m2. Se fabrican en medidas estándar. Como se pueden seleccionar unidades estándar para encajar en el servicio en particular de transferencia de calor, el intercambiador puede o no, desempeñarse acorde a lo requerimentos del proceso. Son menos costosos que los intercambiadores de calor de coraza y tubo en medidas pequeñas. Probablemente el uso mas extendido de los intercambiadores de calor de horquilla es en ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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equipos de proceso paquetizados, como deshidratadoras de gas, plantas de
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recuperación de hidrocarburos refrigeradas, plantas de endulzado con amina, etc.
HAZ DE TUBOS DE INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA Las ventajas de los intercambiadores de horquilla son: 1. Bajo costo. 2. Facilidad de mantenimiento. 3. Facilidad de añadir unidades adicionales. 4. Pueden ser facilmente reusados. 5. Tiempos de entrega cortos. Las desventajas de intercambiadores son:
este
tipo
de
1. Pueden tener un desempeño menor al rquerido por el proceso. 2. Una selección limitada de materiales de construcción. 3. Son mas grandes y ocupan mas espacio.
Condensadores de fraccionadoras. La desventaja principal de aeroenfriadores es que la temperatura del fluido que sale del enfriador esta limitada por la temperatura ambiental. Un enfoque de temperatura de 11° C es de lo mejor que se puede obtener. Esto significa que la temperatura de salida del fluido de proceso estaría 11° por arriba de la ambiental. Los aeroenfriadores deben ser ubicados cuidadosamente en plantas, donde pueda haber equipos de proceso que calienten el aire a circular en el enfriador. Deben ser ubicados en sobre el nivel de muros o construcciones que puedan desviar el flujo del aire de salida hacia la entrada.
C. Aeroenfriadores Los aeroenfriadores se usan cuando no existe disponibilidad de usar otro fluido de enfriamiento (como el agua).algunas de las aplicaciones mas comunes de los aeroenfriadores son: Radiadores de motores. Enfriadores de proceso en equipos paquetizados y plataformas costa fuera.
AEROENFRIADORES EN UNA PLANTA DE PROCESO ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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DOS INTERCAMBIADORES DE HORQUILLA EN SERIE
IV OPERACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR A. Tubo y coraza y Horquilla En la mayoria de los casos, a amyoria de lso intercambiadores se ponen en servicio simplemente abriendo el flujo de los fluidos de proceso a que pasen a traves de el.. el fluido que tenga la temperatura mas cercana a la ambiental debe ser abierto primero para evitar un choque termico.si el fluido caliente esta 55°C mas caliente que el frio, el flujo del fluido caliente debe ser abierto lentamente para evitar un choque termico en los tubos. Si alguno de los fluidos es un liquido, el intercambiador debe revisarse para verificar que no se han formado bolsas de vapor en el interior en el lado del liquido. Esto se hace cerrando la válvula en la linea de salida de
liquido, abriendo la válvula en la linea de entrada de líquidos, y abriendo una válvula de venteo en el punto mas alto del intercambiador. La válvula de venteo se mantiene abierta hasta que la corriente que sale de la válvula de venteo, sea liquida ininterrumpidamente. Cuando un intercambiador es puesto fuera de operación, el fluido con la temperatura de entrada al equipo mas cercana a la ambiental, debe ser cerrada al final. Si el fluido permanecerá en el intercambiador durante el tiempo de paro, las valvulas del intercambiador deben permanecer abiertas para proveerr una via de relevo de represionamientos en cualquiera de los fluidos de proceso.
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PROCEDIMIENTO DE ARRANQUE DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR
La mayoria de los rehervidores tienen controladores de temperatura que regulan el flujo del fluido caliente a traves de los tubos. El controlador de temperatura puede ponerse en servicio cuando el liquido de la coraza se encuentra cubriendo los tubos, y estos han sido calentados lentamente admitiendo el fluido caliente a los tubos. Las revisiones de rutina con el equipo de intercambio de calor de tubo y coraza en operacion son: 1. Observe las temperaturas de entrada y salida de los fluidos y determine la causa de las posibles desviaciones. 2. Verifique la caída de presion en ambas corrientes, y determine la causa de las posibles desviaciones. 3. Reduzca o incremente el flujo de fluidos para obtener las temperaturas deseadas. Por ejemplo, abra el flujo de agua a los enfriadores durante el verano, y restrinjalos durante el invierno. 4. Si el intercambiador no esta aislado, y el flujo del lado coraza es un
liquido, sense a lo largo del exterior un área con una temperatura que difiera de la del resto de la unidad. Un área de temperatura diferente indica una bolsa de vapor, la cual es corregida por la apertura de una válvula en lo alto del intercambiador. B. Aeroenfriadores Los aeroenfriadores se arrancan en la siguiente secuencia: 1. Arranque el ventilador. Verifique vibración o ruidos inusuales. 2. Abra el paso alfluido a traves de los tubos. 3. Ajuste las persianas el ángulo necesario para mantener una temperatura de salida apropiada. Cuando la unidad este fuera de servicio, cierre las valvulas y apague el ventilador. Las verificaciones de rutina en operación son: ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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1. Verifique las temperaturas de entrada y salida y determine la causa de los cambios posibles. 2. Ajuste las persianas u otros controles de flujo de aire lo necesario para mantener la temperatura apropiada en el fluido a la salida. 3. Verifique fugas en los tubos y cabezales.
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4. Verifique el ventilador por ruidos o vibración. 5. Cheque las aletas de los tubos por daño, suciedad u obstruccion. 6. Periodicamente verifique las aspas, velocidad, ángulo de ataque, oxido, suciedad e integridad.
V. SOLUCION DE PROBLEMAS EN CAMBIADORES A. CAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA El calor transferido en un cambiador de calor es igual a: Carga = (Dif. de Temp) (Coef.)(Área) Cuando un problema ocurre en un cambiador, uno o mas de los tres factores han declinado. Los síntomas son: el fluido caliente no esta siendo enfriado; el fluido frio no esta siendo calentado; y la temperatura alrededor se ha incrementado. Siguiendo las causas mas comunes de problemas en cambiadores. La solución de un problema es un proceso de checar cada causa probable, y eliminar cada causa hasta encontrar la culpable. Generalmente es mejor checar primero las causas fáciles -temperaturas, caídas de presión, flujos, etc.
Si el flujo esta dentro de su rango normal de operación, el siguiente paso es determinar si el problemas es en lado coraza o tubos del cambiador, Un incremento en la caída de presión casi siempre ocurre en el lado con problemas. Si el agua es uno de los fluidos en un cambiador que no esta transfiriendo tanto calor como debiera, el problema es usualmente en el lado del agua. Corrosion, sarro, acumulación de suciedad, y crecimiento de fanfo u otro material puede ocurrir en el lado agua. Este tipo de ensuciamiento generalmente es alcanzado en un periodo de varias semanas, a menos que exista un trastorno en el sistema de agua circulante. Un retrolavado con agua es frecuentemente efectivo para remover estos desechos del cambiado.
-y entonces después ir a las mas difíciles.
El agua usualmente fluye por dentro de los tubos.
La primer cosa que checar en un cambiador que aparenta tener un problema es la temperatura de entrada y salida de cada fluido usando un termómetro con alta exactitud. Si la temperatura leida indica un problema, checar el flujo de cada fluido para confirmar que este esta dentro de los parámetros normales.
El tipo de ensuciamiento es determinado removiendo las cabezas e inspeccionando visualmente los tubos. Los tubos pueden ser limpiados usando una broca enfriada por agua o con una herramienta especial que arroje chorros de agua a alta presión y lije el sarro u otro material de la superficie de los tubos.
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Si el fluido en el lado del problema del cambiador no es agua, la causa del ensuciamiento debe ser determinada. Formación de hidratos en enfriadores de gas, Factor deTransferencia de Calor Coeficiente
Area
Diferencia de temperatura
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formación de parafinas en enfriadores de aceite crudo son bastante fácil para identificar
Causa de declinación
Accion Correctiva
Suciedad o limo en la superficie de los tubos Sarro dentro de los tubos Sarro o suciedad fuera de los tubos Hielo o hidratos formando una película dentro de los tubos. Aceite lubricante de los compresores formando una película dentro de los tubos Tubos obstruidos por suciedad, sarro o fango. Tubos obstruidos por hielo o hidratos. Tubos obstruidos por parafinas.
Retrolavado Lavado de tubos con chorro a presión, varilla o cepilloLavado con químicos. Inyeccion de metanol. Este podría no ayudar si los tubos se encuentran totalmente tapados. Drenar el aceite acumulado en el cambiador.
El flujo de uno o ambos fluidos no es turbulento La temperatura del fluido de entrada es más baja que la temperatura del fluido a ser calentado.
Retrolavado, lavado con chorro a presión varilla o cepillo. Calentamiento por encima de la temperatura de formación de hidratos. Calentamiento por encima del punto de vaporización. 1. Incrementar el flujo 2. Instalar dispositivos para generar turbulencia. 3. Ajustar las temperaturas a las condiciones normales de operación.
. La formacion de hidratos ocurrirá en un gas conteniendo agua libre cuando la temperatura sea disminuida al punto de formación de hidratos. Esto puede ocurrir en un enfriador de gas cuando la temperatura de entrada de el fluido enfriador esta por debajo de la temperatura de formación de hidratos. Parafinas pueden formarse en un enfriador de aceite crudo si la temperatura de entrada del fluido enfriante esta por
debajo del punto de vaporización de el aceite. Hidratos o parafinas son removidos deteniendo el flujo del fluido enfriante y manteniendo el flujo del fluido caliente hasta que el cambiador se caliente. Si el lado coraza de un cambiador se ensucia por sarro, corrosión o coke, un acido o ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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solución química es usualmente circulada a través del lado coraza para limpiarlo. Especialistas en este tipo de trabajos deben ser consultados para seleccionar el químico adecuado y el procedimiento para ser aplicado. El mejor método para tratar los problemas causados por sarro o corrosión es el de prevenirlos inyectando inhibidores dentro de la corriente para prevenir sarro o corrosión. Una fuga en un cambiador resulta en un fluido a alta presión entrando a una corriente de baja presión. Una fuga grande puede causar un incremento en el fluido de baja presión, que es usualmente obvia por la lectura del manómetro, o una reducción en el flujo del fluido de baja presión. Una pequeña fuga puede no resultar notoria en un incremento de presión en el fluido de baja presión. Esto se puede identificar
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tomando una muestra del fluido de baja presión en la salida del cambiador y checar la presencia del fluido de alta presión. Por ejemplo, suponer que ocurre una fuga en un cambiador aceite crudo/enfriador agua, donde la presión del aceite es mas alta que la presión del agua. Una muestra de agua dejando el cambiador contendría aceite. Si ambos fluidos son de la misma composición, como un cambiador gas/gas un análisis en el laboratorio de una muestra de la salida del fluido de baja presión tiene que ser necesaria para detectar la presencia del fluido de alta presión en la corriente. Si un tubo es confirmado con fuga, el cambiador debe sacarse de operación y remover las cabezas. Aplicar presión a lado coraza y el tubo o tubos que presenten fugas deberán ser tapados con tapones metalicos en cada extremo del tubo.
HAZ DE TUBOS EN TUBOS EN “U” REMOVIBLE
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Causa de pérdida de carga
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Acción correctiva
1. Bajo flujo de uno o ambos fluidos.
Checar los flujos. Incrementar al flujo de diseño.
2. Temperatura de entrada de uno o ambos fluidos ha cambiado.
Checar temperaturas. necesario.
3. Vapor entrampado en el lado de liquido.
El vapor entrampado es percibido a la salida del cambiador. La temperatura será diferente alrededor del área donde esta entrampado el vapor. Ventee el vapor.
4. El cambiador es ensuciado con corrosión, sarro, lodo. O crecimiento de limo en el lado agua. Esta condición usualmente lleva varias semanas en aparecer y empeora gradualmente.
a. Verificar condiciones midiendo la caída de presión.
5. Un enfriador de gas es obstruido con hidratos. Esta condición puede ocurrir aun cuando la temperatura de la salida del gas este por encima del punto de formación de hidrato si la temperatura del fluido de enfriamiento está por debajo del punto de formación de hidratos.
a- Verificar si la temperatura del fluido de enfriamiento esta por debajo del punto de formación de hidratos, y la caída de presión o taponamiento se ha incrementado.
Corregir
si
es
b. Correr agua en sentido contrario con alta presión diferencial si es posible. c. Saque de operación el cambiador y limpia el lado sucio. El lado tubo `puede se limpiado con una varilla o con chorro a presión. El lado coraza usualmente requiere que se le recircule algún químico.
b- Detenga el flujo del fluido de enfriamiento hasta que la unidad se caliente por encima de la temperatura de formación de hidratos. c- Inyecte metanol dentro de la corriente de gas de entrada para prevenir la formación de hidratos.
6. Un enfriador de aceite crudo es obstruida con parafina. Esta condición puede existir aun cuando la temperatura de salida del aceite este por encima del punto de vaporización si el fluido de enfriamiento esta por debajo
a. Verifique si la temperatura del fluido de enfriamiento esta por debajo del punto de vaporización, y la caída de presión se ha incrementado en lado aceite. b. Reduzca o incremente la temperatura ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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del punto de vaporización.
7. Uno o mas tubos están fugando. El fluido de alta presión fluirá hacia el lado del fluido de baja presión. La presión en el lado de baja presión usualmente se incrementara. A. Aeroenfriadores Tres tipos de problemas ocurren en un aeroenfriador: 1. Dificultades mecánicas con el impulsor, poleas, reductores de velocidad, paletas, etc. Estos no son problemas de los cambiadores, y no serán discutidos aquí. Esto usualmente resulta en vibración excesiva. 2. Insuficiente movimiento de aire atreves de los tubos. Este es un problema del cambiador que es difícil de diagnosticar. La mejor solución para este problema es la prevención. a. Checar la velocidad del ventilador y remplace las bandas o realice las reparaciones necesarias. b. Mantenga las aspas del ventilador limpias y con su angulo de inclinación correcto. c. Mantenga el exterior de los tubos limpios. Las aletas deben ser limpiadas cuando inicien a obstruirse con suciedad. 3. El problema final es la insuficiencia de transferir calor. Esto se muestra como un incremento en la
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del fluido de enfriamiento y permite calentarse el aceite hasta calentar el cambiador sobre el punto de vaporización. a. Confirmar la fuga por la observación de la presión o analizando la presencia del fluido de alta presión en el fluido de baja presión.
temperatura del fluido saliendo del enfriador. Aquí está el procedimiento para encontrar la causa: a. Checar por algún incremento en le flujo o temperatura del fluido de entrada. b. Checar por un apropiado movimiento del aire. Ver que las persianas estén abiertas, que el ventilador este corriendo a toda su velocidad, las aspas estén limpias y con su Angulo correcto, y las aletas estén limpias y sin daño. c. Checar por fugas en los tubos. Una fuga usualmente se muestra como una mancha y puede causar que la salida del aire se vea como humo. Por supuesto una fuga severa de líquido puede gotear a el suelo y ser obvia. d. Si el problema persiste, corrosión interna o tubos tapados es lo más probable. Esto puede usualmente ser confirmado checando el incremento en la caída de presión a través de los tubos. Aeroenfriadores usualmente tienen de 4 a 8 pasos. La caída de presión de cada paso debería ser checada para ver si uno o más pasos están más altos que otros en su caída de presión. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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VI. PROBLEMAS DE CAMBIADORES DE BAJA TEMPERATURA La transferencia de calor es uno de los procesos mas críticos en las plantas refrigeradas o criogenicas. La recuperación de los productos depende de enfriar el gas a la temperatura mas baja posible. Alrededor del 80% del enfriamiento ocurre en cambiadores. Consecuentemente, los cambiadores de calor tienen que operar apropiadamente para obtener la máxima producción. En esta sección nos ocuparemos de los sistemas de intercambiadores de enfriamiento de gas. Operación y solución de problemas otros procesos de cambiadores han sido cubiertos. A. Intercambiadores Gas/Gas La función de estos cambiadores es recuperar el frio del gas enfriado que esta dejando la planta transfiriendo este a la corriente de gas de entrada. Estos cambiadores son usualmente diseñados para un rango de 5 C (10 F) de enfoque. Para decirlo de otra forma los cambiadores con 5 C (10 F) de temperaturad e enfoque obtendra el 100 % de refrigeración del gas frio. Esto es importante que rendimiento de los cambiadores de gas frio en una nueva planta sea evaluado tan pronto como sea posible después del arranque para establecer el actual rendimiento de la unidad para usarla como una base en futuras comparaciones. La corriente de gas de entrada a una planta refrigerada usualmente contiene suficiente humedad para la formación de hidratos en el cambiador Gas/Gas. Glicol es inyectado en la extremo de entrada del cambiador para prevenir la formación de hidratos en la unidad. La cantidad de glicol inyectado y la manera en que se inyecta, puede tener un efecto significativo en el coeficiente del
cambiador. Esto, a su vez afectara la cantidad del calor transferido. Inyectando mas glicol del necesario, disminuirá la cantidad de transferencia de calor. El procedimiento para encontrar el flujo ideal de glicol inyectado no es algo fácil. Esto se un asunto de iniciar con un alto flujo e ir recortando el flujo hasta la formación de hidratos, y entonces incrementar ligeramente el flujo. La presencia de hidratos es indicado en dos formas: 1. La temperatura de enfoque se incrementa debido a la perdida de transferencia de calor. 2. La caída de presión de la corriente de entrada (lado tubos) se incrementa. Cuando se forma un hidrato, este usualmente bloquea el flujo de gas atraves de algunos de los tubos. Consecuentemente, incrementar el flujo en la inyección de glicol no ayudara porque este no fluirá a través de los tubos tapados. Se tiene que derretir el hidrato cerrando hacia abajo la unidad refrigeradora y permitirle al cambiador calentarse hasta que el hidrato se derrita. El gas que entra a una planta criogénica se supone se le ha removido la humedad en un deshidratador para que congelamiento no ocurra. Sin embargo una desviación en el deshidratador puede resultar en algo de humedad deslizada, que usualmente se congelara en uno o más de los cambiadores de gas. Si este congelamiento es detectado en sus inicios de formación, la inyección de metanol en la entrada del gas corregirá la condición ya que el flujo de gas transportara el metanol al punto donde se encuentra el congelamiento. Un total bloque de hielo en una parte del cambiador requiriera calentarlo para derretir el hielo o hidrato. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!
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B. Gas Chiller Los mismos principios que aplican en un congelamiento de un cambiador Gas/Gas aplican para un Chiller. Ademas otros dos problemas operacionales son frecuentemente encontrados en estos cambiadores: 1. Dudoso nivel de refrigerante en el lado coraza. 2. Acumulacion de aceite lubricante por fuera de los tubos. 1. Indicación de Nivel en el Chiller Para obtener la máxima carga de un chiller, el nivel de refrigerante tiene que estar por encima del haz de tubos. Muy poca transferencia de calor tomara lugar en los tubos que no están inmersos en el líquido. Sin embargo, determinar el nivel del refrigerante en el cambiador no es algo fácil de hacer. El refrigerante es evaporado violentamente en lado coraza, casi formando una espuma. Si se pone una cacerola de agua en la estufa, y se calienta hasta que hierva violentamente, el nivel en la cacerola se incrementara, y probablemente se derramara en la estufa. La misma situación ocurre en el chiller. La mirilla de nivel en el lado del refrigerante no esta expuesta al mismo calor que el fluido dentro del tanque. Por eso, este no ebulle y mostrara un nivel mas bajo que el nivel dentro del chiller. Su nivel será análogo al de la cacerola sobre la estufa antes de ebullir, mientras, el nivel en el intercambiador será el de la cacerola con elagua en ebullición. Consecuentemente, una mirilla de nivel no es una medida precisa del nivel de refrigerante en un chiller. Como la mirilla de nivel no es un medio determinante en el nivel del refrigerante dentro del chiller, la pregunta surge: ¿Como ssabemos donde mantener el nivel? La
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respuesta es: en el punto en que obtengamos el máximo enfriamiento del gas de proceso. La función del chiller es enfriar una corriente de proceso gaseosa o liquida. Se debe ajustar el nivel de refrigerante hasta que se encuentre el punto en el que la corriente de proceso es enfriada a la temperatura mas baja. Este es el punto de ajuste correcto para el nivel de refrigerante, sin importar donde se encuentra el nivel en la mirilla. 2. Aceite Lubricante en el Chiller El refrigerante que fluye hacia el chiller viene de un compresor. La mayoria de los compresores requiere lubricacion en los cilindros compresores. Y parte de ese aceite inyectado ira a parar al líquido refrigerante. El aceite se disolvera con el refrigerante a temperatura ambiente; sin embargo, es menos soluble a la temperatura en el chiller.consecuentemente, se separara del refrigerante en el chiller. Si el refrigerante es propano, elaceite se asentara en el fondo del chiller; si es freon, elaceite se acumulara sobre el refrigerante en el chiller. En cualquiera de estos dos casos, la ebullición que se lleva a cabo en el chiller agitara el fluido en el recipiente de tal manera que parte del lubricante se dispersara en el mismo recipiente. El aceite se vuelve viscoso a bajas temperaturas, y tiende a depositarse sobre los tubos, y actua como un aislante previniendo el flujo de calor. La carga del chillerdisminuira, y la temperatura de salida no será tan baja como debiese ser. Para eliminar el aceite lubricante del refrigerante se han diseñado varios dispositivos. No los describiremos, pero si mencionaremos que estos deben estar en operación continua para recuperar el lubricante.
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Incluso cuando se tiene algun dispositivo para remover el lubricante del refrigerante, parte de este puede ir a parar al chiller, el unico modo de removerlo cuando esto sucede es drenar el chiller cuando se encuentre fuera de operación. En
consecuencia, cada vez que la unidad este fuera de operación, se debe dreanr el aceite que se ha acumulado. Esto se debe hacer tan pronto como sea posible tras detener launidad, ya que al calentarse el chiller, el aceite se disolvera en el refrigerante.
Drenar el aceite del refrigerante cuando este es propano, no causa problemas, ya que el aceite se asentara en el fondo del chiller, y fluira a traves de las lineas de dren. Sin embargo, drenar aceite de una unidad donde
el refrigerante es freon es mas dificil, el aceite es mas ligero que el freon, y flotara sobre el freon. Será necesario ajustar el nivel del chiller hasta que se pueda hacer llegar a una conexión de desnatado lateral al tanque.
DRENE EL ACEITE LUBRICANTE DEL FONDO DEL CHILLER SI USA PROPANO COMO REFRIGERANTE.
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TABLA 1 COEFICIENTES TÍPICOS DE INTERCAMBIADORES A. INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA
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