04 - Intercambiadores de Calor

MANUALINTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. Revisión: Página: ENE-10 1.0 1 de 41 INTERCAMBIADORES DE CALOR ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. Revisión: Página: ENE-10 1.0 2 de 41 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 ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. Revisión: Página: ENE-10 1.0 3 de 41 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 ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. Revisión: Página: ENE-10 1.0 4 de 41 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! TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . 3. y no se llevara a cabo la transferencia de calor en los tubos donde se forme la bolsa de vapor. se pueden formar bolsas de vapor.0 5 de 41 de los mismos. 2. Multipasos. Los intercambiadores de tubo y coraza tienen tres configuraciones de flujo comunes: 1. pero prevenir los bolsos de vapor es igual de importante como en los montajes horizontales. Si el líquido entra por lo alto y sale por el fondo. Dos pasos.MANUAL Fecha Emisión: Edo. Los intercambiadores pueden ser montados verticalmente sin afectación en la eficiencia ENE-10 1. Revisión: Página: INTERCAMBIADORES DE CALOR Con este patrón de flujo el intercambiador permanecerá lleno de líquido y toda el área de transferencia de los tubos será aprovechada. Un paso. Brida de coraza – ex extremo de cabeza estacionaria 11. 24. 33. Guarda de la coraza 10. Revisión: Página: ENE-10 1. 27. 29. Junta de expansión 15. Boquilla de la cabeza estática 6. 37. Canal de la cabeza estática 2. Guarda del canal 5. 35. 23.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. 38. 21. 30. Brida de coraza – extremo de cabeza trasero 12. Boquilla 13. Coraza 9. Espejo de tubos estacionario 7. Brida de cabeza flotante 18. Brida de la cabeza estática (canal o bonete) 4. 36. 28. Bonete de la cabeza estática 3. 22. Tubos 8. 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 ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . 20. Dispositivo de soporte de cabeza flotante 19. 25.0 6 de 41 PARTES DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR 1. 32. 34. 26. 31. Brida de la guarda de la coraza 14. Cubierta de cabeza flotante 17. Espejo de tubos flotante 16. 39. MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo.0 7 de 41 ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Revisión: Página: ENE-10 1. si es necesario. es un ejemplo de un intercambiador de un paso en tubos y un paso en coraza. Fecha Emisión: Edo. Vea el intercambiador en la figura 2. Cuando alcanza el extremo. mostrado en el esquema de debajo de la página anterior. Revisión: Página: ENE-10 1. Aparte. El intercambiador en lo alto de la página anterior. Cada paso debe estar sellado de los otros de tal manera que el fluido no rodee el intercambiador. Mantener los tubos ordenados y evitar que se toquen unos con otros B. parte 28 en la figura 2 y 3. por una fracción del costo de un intercambiador nuevo. Un haz no removible o espejo de tubos fijo se puede usar. no existe razón para tener un haz de tubos removible. 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! . de tal manera que permita la expansión o contracción de los tubos sin que este afecte a los mismos. En un proceso donde la corrosión o el incrustamiento es algo poco probable de ocurrir. Si el plato de partición fugase. que sirven para dos propósitos: A. Reemplazar un haz de tubos con incrustaciones se puede hacer en lapsos muy cortos de tiempo comparados con el que tomaría limpiarlos. y como consecuencia rara vez se usan más de dos pasos. sella la entrada en la cámara baja del lado de los tubos de la cámara de salida. El intercambiador en lo alto de la página anterior.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Un fluido hace un paso cuando fluye de un extremo del intercambiador hacia el otro. gira 180 grados y fluye hacia la izquierda en la mitad superior de los tubos.0 8 de 41 El lado de la coraza de un intercambiador de tubo y coraza tiene placas transversales. este tipo de haces son menos costosos que los de tipo removible. es un intercambiador de espejo fijo. La placa longitudinal o plato de sello. Todos los intercambiadores mostrados en las figuras anteriores a excepción de la primera en la página anterior tienen haces de tubos removibles. parte 30. El plato de partición. (parte numero 31). En este intercambiador. El lado de la coraza es más difícil de sellar. tiene un empaque para sellar la mitad superior de la coraza de la mitad inferior. Se debe tener en cuenta la expansión del haz de tubos en el momento de diseñar un intercambiador de haz fijo. el haz de tubos puede ser reemplazado. ambos fluidos el de coraza y tubos hacen dos pasos. el fluido de la entrada iría directamente al extremo de salida. Si el sello fuga. el fluido de la coraza pudiese fluir de una boquilla a la otra sin fluir a lo largo del intercambiador. y no recibiría intercambio de calor. 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. 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. que tiene dos pasos del lado de los tubos y uno del lado de la coraza. Un arreglo común es el arreglo como el que se muestra en el esquema de en medio de la página anterior. Un intercambiador puede poseer cualquier numero de pasos. Cada uno de los fluidos entra por un extremo y sale por el otro. mientras que los tubos solo se expandirían 5mm por el calor. TIPOS DE REHERVIDORES DE TUBO Y CORAZA ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . o un haz de tubos en U para permitir la expansión o contracción de los tubos independientemente de la coraza.0 9 de 41 los tubos se estrechen hasta que se suelten del espejo o se rompan en dos. En tanto la coraza se expande. esto puede hacer que ENE-10 1. la coraza puede expandirse a lo largo hasta en 10 mm por la expansión debida al calor.MANUAL Fecha Emisión: Edo. Si la presión en el lado de la coraza es más de lo que puede absorber una junta de expansión. Se debe tener cuidado de esta situación. La temperatura promedio de los tubos estaría alrededor de los 170 grados. Revisión: Página: INTERCAMBIADORES DE CALOR corriente de nafta a 38 grados Celsius en un intercambiador de un paso de espejo fijo. A 250 grados de temperatura. La coraza o la pared de la unidad estaría alrededor de los 250 grados. (usualmente hasta 250 psi) se necesitara instalar una cabeza flotante. instalando una junta de expansión en el lado de la coraza. MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR La ilustración en lo alto de la figura 4 es un intercambiador de tubo y coraza llamado comúnmente rehervidor. La selección de una caldereta o un termosifón es hecha por el diseñador de la torre a la cual el rehervidor provee Fecha Emisión: Edo. Un dispositivo de sello se localiza en el extremo delantero. El líquido restante fluye hacia el vertedero. B. el refrigerante (comúnmente propano) fluye del lado de la coraza. un fluido de calentamiento como vapor o aceite caliente fluye a través de los tubos. y el gas o aceite de absorción fluye a través de los tubos. Este liquido entra por el fondo de la coraza en la boquilla a la izquierda. El fluido de calentamiento hace un paso a través de los tubos. Es una combinación de un intercambiador y separador gas – liquido. que está localizado a la derecha del haz de tubos. Mientras enfría el haz de tubos. El diámetro de los tubos. El vapor abandona el rehervidor por la parte superior y fluye hacia un compresor. hay poca oportunidad que pueda ser usado en otra aplicación satisfactoriamente. posee dos pasos en ambos lados de coraza y tubos. Es usado para proveer el calor requerido en una torre de agotamiento o de destilación. El rehervidor de tipo caldereta es usado también en plantas de refrigeración para enfriar una corriente de gas o de aceite de absorción. longitud y numero de estos son seleccionado para una aplicación especifica. 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. Intercambiadores de horquilla Se muestra una ilustración de un intercambiador de horquilla en la figura 5. El intercambiador en la parte inferior de la figura 4 es llamado rehervidor termosifón. absorbe calor y se vaporiza. de tal manera que el liquido siempre cubre los tubos para que el área completa esté disponible para la transferencia de calor. En esta figura en particular. La ilustración referida es llamada comúnmente rehervidor tipo caldereta. o un tubo sencillo. El diseño y construcción deben estar acorde a especificaciones estrictas por una asociación profesional de fabricantes de intercambiadores de calor. El liquido de una torre de agotamiento o fraccionadora entra en las dos boquillas del fondo de la coraza. 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. A menudo los de un solo tubo tienen aletas longitudinales en el exterior para aumentar el área de transferencia de calor. No hay reglas estrictas o rápidas para seleccionar uno en vez del otro. Revisión: Página: ENE-10 1. El fluido del lado de la coraza es un liquido que se vaporiza parcialmente. 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. 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 haz de tubos puede ser removido por el extremo trasero. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! .0 10 de 41 calor. El haz de tubo puede tener varios tubos. El refrigerante entra a la coraza como liquido frio. Como cada intercambiador es hecho a la medida para un trabajo. En esta aplicación. En la mayoría de las aplicaciones. es que se pueden añadir secciones adicionales en un intercambiador ya instalado a un costo razonable. Pueden ser instalados en serie o en paralelo. Revisión: Página: ENE-10 1. o combinación de ellas. usando materiales estándar para la coraza y los tubos. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Cuando se usan estos intercambiadores. Estas unidades son suplidas con soportes de montaje que les permiten ser apiladas una sobre otra. Los fabricantes de intercambiadores de horquilla los construyen en tamaños estándar. Estas unidades no Fecha Emisión: Edo.0 11 de 41 son hechas a la medida a diferencia de los intercambiadores de tubo y coraza. proveerá la carga de transferencia de calor requerida. Una de las ventajas de los intercambiadores de horquilla. o montadas lado a lado. la coraza del intercambiador esta hecha de tubería estándar. el proveedor determinara cual de las unidades estándar.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR el cual es desarmado fácilmente para permitir el retiro de los tubos. Se pueden requerir varias unidades en un servicio dado. a esta configuración se le llama de tiro inducido. esta configuración es llamada de tiro forzado. El flujo del aire es en un solo paso. Las causas de esto pueden ser: 1. 3. Se sopla aire a través de los tubos con un ventilador impulsado por un motor eléctrico o maquina.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. La velocidad del ventilador también puede ser regulada para controlar el flujo de aire. 4. o sellarlos si fugan. El fluido de los tubos hace al menos dos pasos. o puede estar montado sobre los tubos y jalar el aire a través de los tubos. 2. En servicios corrosivos se pueden usar aluminios especiales. Los de tipo de tiro inducido son más caros que los de tiro forzado. Un aspa se giro en el mamelón. Los dibujos de aeroenfriadores típicos se muestran en la figura 6. así que su ángulo es diferente del resto 3.0 12 de 41 AEROENFRIADORES Aeroenfriadores Los aeroenfriadores son simples intercambiadores de tubos expuestos a una corriente de aire fluyendo a través de ellos. Cada extremo del intercambiador tiene un cabezal en el cual los tubos están rolados o soldados. para reemplazarlos. Un aspa se rompe o agrieta. Los tubos tienen comúnmente aletas de aluminio presionadas contra la pared exterior del tubo para incrementar el área de transferencia de calor. La figura 7 muestra un cabezal típico. Los aeroenfriadores tienen 5 componentes básicos: 1. Un tapón se localiza en el cabezal opuesto a cada tubo para facilitar las labores de limpieza de los tubos. Acumulación de suciedad u oxido en las aspas 2. la vibración excesiva puede causar que la unidad vuele en partes y dañe o lastime a las unidades cercanas o al personal. Estos intercambiadores son llamados comúnmente solo aires. y frecuentemente tienen 6 u 8 pasos. Frecuentemente se montan interruptores de vibración en los aeroenfriadores para detener los impulsores de los ventiladores cuando se presenta vibración excesiva. Y pueden ser equipadas con ángulo de ataque regulable para variar el flujo de aire. Esta es causada cuando una o más de las aspas del ventilador se desbalancean. Estas aspas son fabricadas en aluminio o plástico. Los sopladores de ángulo variable se usan selectivamente debido a su costo y mantenimiento. Revisión: Página: ENE-10 1. El ventilador puede estar montado bajo los tubos e impulsar el aire hacia arriba. Los tubos y cabezales de un aeroenfriador son fabricados por lo general en acero de grados estándar. 5. o parte de la punta del aspa se rompe 4. pudiendo galvanizarse para protegerlo de la corrosión. Los ventiladores poseen generalmente de 6 a 8 aspas de tipo propela. Tubos Cabezales Ventilador e impulsor Cámara de distribución Estructura de soporte Los componentes se muestran en la figura 6. La porción estructural está fabricada también en acero. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . 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. Rodamientos desgastados en la chumacera del ventilador Si no se toma acción correctiva inmediatamente cuando las aspas se desbalancean. como radiadores. condensadores de aire acondicionado. Es de tiro inducido. Fecha Emisión: Edo. Cuando los aeroenfriadores operan en clima frio.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR La mayoría de los aeroenfriadores usados en plantas de proceso son fabricados a la medida para la aplicación específica donde serán usados.0 13 de 41 Uno de los aeroenfriadores mas comunes es el radiador del automóvil. a menudo es necesario restringir el flujo de aire a través de los tubos para prevenir sobre enfriar el fluido de proceso. Revisión: Página: ENE-10 1. y otros servicios similares donde la carga de transferencia de calor es constante. 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! . Unidades de tamaños estándar pueden ser encontradas en servicio. 0 14 de 41 DETALLES DE LOS CABEZALES EN UN AEROENFRIADOR DE 4 PASOS ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! .MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. Revisión: Página: ENE-10 1. las persianas no proveen suficiente restricción al flujo del aire. En instalaciones con clima frio extremo. AEROENFRIADOR RECIRCULANTE PARA INSTALACIONES CON BAJA TEMPERATURA AMBIENTE ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . En este tipo de unidades el aire circula a través del soplador. Se provee un sistema de Fecha Emisión: Edo. o por un controlador automático.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Estas persianas se instalan sobre los tubos en las unidades de tiro forzado. y descargando un volumen igual de gas recirculante a la atmosfera. se le eleva la temperatura. y en la parte de abajo en las de tiro inducido. Revisión: Página: ENE-10 1. a través de los tubos y de vuelta al soplador.0 15 de 41 recirculación. La temperatura del aire es controlada admitiendo parte del aire frio del exterior del intercambiador. Las persianas pueden operarse manualmente. Cada vez que el aire fluye a través de los tubos. el calor del fluido en los tubos se transfiere al aire soplando a través de ellos. De este modo.MANUAL Fecha Emisión: Edo. Coeficiente del intercambiador. Revisión: Página: INTERCAMBIADORES DE CALOR ENE-10 1. Una Unidad Térmica de Energía (Btu)es la unidad inglesa de energía calorífica. En el sistema internacional de medidas el Watt es la unidad de energía. El área superficial de los tubos. En un refrigerador de gas. Para ponernos de acuerdo. De esta forma. el calor en el gas tibio es transferido hacia el refrigerante frio. El calor es una forma de energía. Obviamente la misma cantidad de calor será absorbida por el fluido frio. la carga de un intercambiador será la cantidad de calor que pierde el fluido caliente en una hora. un dispositivo de transferencia de energía. de Coeff = Coeficiente de las tablas Área = Área superficial exterior de los tubos ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . La carga se expresa generalmente en Btu/hr. La carga de un intercambiador se define como la cantidad de calor transferida en una hora. La ecuación que determina la transferencia de calor en un intercambiador es: = (∆ )( )( ) Donde: ∆T = promedio de la diferencia temperatura entre los dos fluidos. Otro término que necesita recordar es el de carga. siempre consideraremos que el calor se transfiere de la sustancia más caliente hacia la mas fría.24 gramos de agua en 1 grado Celsius.0 16 de 41 II PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR A. En un aeroenfriador. 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. La carga de un intercambiador determinada por tres factores: está La diferencia de temperatura entre los dos fluidos. Un Joule es la cantidad de calor requerida para aumentar la de temperatura de 0. el cual depende del tipo de intercambiador y de las propiedades físicas de los dos fluidos. 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. 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. Es la cantidad de calor requerida para elevar una libra de agua un grado Fahrenheit. Recuerde: la transferencia de calor es el movimiento de calor del fluido caliente hacia el fluido frio. General El proceso que se lleva a cabo dentro de un intercambiador de calor se conoce como transferencia de calor. Un Watt equivale a un joule por segundo. o la que gana el fluido frio en el mismo periodo de tiempo. podemos llamar a un intercambiador. la diferencia de temperatura es obviamente 0 grados. la mayoría de los intercambiadores Fecha Emisión: Edo. el intercambiador de calor en este caso es la pared separando los dos líquidos. La cantidad de calor que se transfiere en un intercambiador varia directamente con la diferencial de temperatura entre el fluido frio y el caliente. aunque esta a 5 veces más a una distancia muy corta en el intercambiador.0 17 de 41 se diseñan para una máxima diferencial de temperatura entre ambos fluidos.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR B. Si los dos fluidos se encuentran a la misma temperatura. DIFERENCIA DE TEMPERATURA ENTRE FLUIDOS. Tenemos agua caliente en el compartimento a la izquierda. ∆T. Diferencial de Temperatura Uno de los fluidos en un intercambiador es el caliente y otro es el frio. Parecería que la diferencia de temperatura entre los dos líquidos es de 93 – 38 = 55 grados C. y aceite frio en el otro. 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! . y no se transferirá calor alguno. Revisión: Página: ENE-10 1. la diferencial de temperatura en el intercambiador es de solo 70 – 60 = 10 grados. Así es como. Una temperatura diferencial mayor nos dará más transferencia de calor. un intercambiador pequeño (menos costoso) se puede usar si se tiene una diferencial de temperatura más alta. La temperatura del agua en el muro del compartimento rápidamente se enfriara a 70 grados aproximadamente. Suponga que tenemos un tanque aislado con dos compartimentos. Así. ES LA FUERZA QUE IMPULSA EL CALOR DEL FLUIDO CALIENTE HACIA EL FRIO. o poniéndolo de otra manera. La diferencia de temperatura entre los dos es la fuerza que impulsa o empuja el calor de un fluido hacia el otro. y la temperatura del aceite próxima al muro se elevara a 60 grados aproximadamente. Los tubos tendrán un régimen turbulento si el agua fluye a través de cada uno a una velocidad mínima de 8. Revisión: Página: ENE-10 1. se obtendrá la máxima diferencial de temperatura en el intercambiador. que es análogo a las temperaturas con el compartimento estático. = 500 El máximo de tubos a instalar con un flujo de 4200 l/min para conseguir un flujo turbulento es de 500 tubos. y añadiendo las dos juntas al dividirlas por dos. pasando a través de los tubos de un intercambiador. Lo importante de recordar es que la diferencia promedio de temperatura es algo menor que el promedio aritmético. ¿Cuántos tubos se requerirán para asegurar el flujo turbulento? Flujo total de agua. En el lado de la coraza. 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. Ejemplo: El agua fluye a una velocidad de 4200 l/min. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Para propósitos de esta capacitación el promedio aritmético será suficiente. las Fecha Emisión: Edo. Los intercambiadores son diseñados de tal modo que el régimen de flujo sea turbulento. Se determina calculando la diferencia de temperatura de los fluidos entrando al intercambiador y a la salida de el. Si ambos fluidos están fluyendo a baja velocidad. el fluido de la coraza se movería lentamente a través del intercambiador.4 l/min. Ahora suponga que el aceite y el agua en los dos compartimentos fluyen a través de los tubos y la coraza de un intercambiador.4 l/min Numero máximo de tubos. El flujo turbulento del fluido en los tubos se mantiene limitando el numero de tubos en el intercambiador. 4200 l/min Flujo mínimo por tubo para flujo turbulento. . por lo tanto incrementando la velocidad. La temperatura del agua en el medio del tubo será más alta que la temperatura a solo corta distancia de la pared del tubo. La transferencia de calor se realizara a su máxima velocidad.0 18 de 41 temperaturas serán análogas a la de los compartimentos con los agitadores. se induce la turbulencia insertando listones de metal en los tubos torcidos en forma de espiral. Ocasionalmente el diseño resulta sin flujo turbulento en los tubos. El aceite frio esta fluyendo por la coraza y el agua caliente por los tubos. Si no hubiese placas. En tales casos. La diferencia de temperatura de los dos fluidos es el promedio de la diferencial de temperaturas entrando y saliendo del intercambiador. el flujo será laminar. Si incrementamos la velocidad de los fluidos para pasarlos a régimen turbulento. Se deben incluir suficientes placas en el lado de la coraza para asegurar un flujo turbulento. la temperatura cercana a los tubos será más alta que la de la coraza. 8. El cálculo de la diferencia de temperatura promedio exacta envuelve el uso de logaritmos y no es indispensable conocer el procedimiento.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR 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. Revisión: Página: ENE-10 1.0 19 de 41 Ejemplo: Determine la temperatura diferencial promedio en el enfriador de aceite mostrado en la figura inferior.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. Ejemplo: Un aeroenfriador se usa para enfriar gas de un compresor. Calcule la diferencia de temperatura promedio. ∆T promedio = ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Las temperaturas se muestran debajo. De este modo.). 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.16° C problema se debe a una alta temperatura en el agua. Es de 6°C. Antes de hacer algo. debe existir seguramente un problema en el intercambiador. incrustación. Suponga que la temperatura de salida del aceite del intercambiador roce los 44°C. se debe checar primero el enfoque de temperatura. el enfoque de temperatura será el mismo. etc. casi siempre se trata de un problema de proceso – los cambios en la tasa de flujo y/o temperaturas de las corrientes de proceso.16° C 8° . Si el agua de enfriamiento a la entrada del intercambiador se ha elevado en 6°C. Si la temperatura del agua no se ha elevado. el agua es calentada absorbiendo calor del aceite. El enfoque de temperatura se ilustra claramente en la ilustración siguiente: Enfoque de Temperatura 5. En este intercambiador.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR 1. y no existe problema alguno en el intercambiador. El enfoque de la Tipo de intercambiador Tubo y coraza Horquilla Aeroenfriados El fluido principal de proceso en el intercambiador mencionado es obviamente aceite. hemos enfocado dentro de 6° de enfriamiento de aceite a la más baja temperatura posible con 32° C de agua. parece que hay un problema en el intercambiador. En el otro lado.0 20 de 41 temperatura es la diferencial de temperatura entre el fluido frio y el caliente a la salida del intercambiador.5° – 11°C 8° . Si no se tiene seguridad del extremo en que el fluido principal de proceso deja el ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . cuando aparentemente hay un problema con el intercambiador. (taponeo. El Fecha Emisión: Edo. revise el enfoque de temperatura. lo cual indica un problema en el intercambiador. el enfoque de temperatura se encuentra alto. si el enfoque de temperatura se aumenta. Revisión: Página: ENE-10 1. así que este extremo es en donde se lleva a cabo la medición del enfoque de temperatura. Si este no ha cambiado rara vez el problema estaría en el intercambiador. Sin embargo la función principal del intercambiador es enfriar aceite y no calentar el agua. Sale en el extremo izquierdo. 2. el calor debe viajar del fluido caliente al muro del intercambiador. y entrar al fluido frio. El calor se mueve hacia el fluido frio ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . La velocidad a la cual el calor se mueve desde el fluido caliente hacia el fluido frio dependerá de las propiedades de los fluidos. el calor se mueve hacia la pared del intercambiador. el calor se mueve a través de la pared del intercambiador 3. y mucho más baja en gases. Los enfoques de temperatura típicos para cada tipo de intercambiador se muestran en Fecha Emisión: Edo. Coeficiente del intercambiador de calor En un intercambiador. Los coeficientes típicos se muestran en las tablas de coeficientes al final de este manual.Para poder determinar si el enfoque de temperatura ha cambiado o no. entonces moverse a través de la pared o tubo. el enfoque de temperatura es: _______________. 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. C. La velocidad del calor que viaja en el agua es rápida. se debe tomar un registro de enfoques de temperatura para cada intercambiador en la instalación cuando operan en condiciones normales. determine la diferencial de temperatura en cada extremo.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR intercambiador. es más baja en hidrocarburos. y la menor de los dos extremos es el enfoque de temperatura. Problema 2 La diferencial de temperatura promedio en el intercambiador gas – gas es:_____________. 1. Revisión: Página: ENE-10 1.0 21 de 41 la tabla bajo del dibujo anterior. 0628 m2/m 1800 x 0. la carga. La tabla II muestra el área externa por metro lineal de los tubos más comúnmente usados en la construcción de intercambiadores de calor. veamos algunos ejemplos. E. El área de transferencia de un ENE-10 1. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Área El factor final que afecta el flujo de calor es el área de transferencia del intercambiador. Ejemplo Un intercambiador posee 300 tubos de 20 mm de diámetro y 6 metros de longitud.0628 = 113 m2 Problema 3 Un enfriador de glicol tiene 250 tubos de 25 mm de 6 metros de longitud. Un intercambiador con 10 tubos obviamente transferirá dos veces más calor que uno con 5 tubos. y necesitamos determinar el área. la transferencia de calor depende de tres factores: 1. La formula se despeja para calcular el área: = (∆ )( ) Ahora que los factores que afectan el desempeño de un intercambiador han sido cubiertos. Carga Recordara que anteriormente mencionamos que la cantidad de calor transferido en una hora en un intercambiador era llamado carga.MANUAL Fecha Emisión: Edo.0 22 de 41 intercambiador es el total del área externa de los tubos en la unidad. 3. y que la cantidad de calor que se transferirá en un intercambiador está determinada por la siguiente ecuación: = (∆ )( )( ) Cuando se diseña un nuevo intercambiador. Área superficial de transferencia. Coeficiente del intercambiador. 2. coeficiente y diferencial de temperatura son conocidas. El área total de transferencia es:______________________________ Para resumir. 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. Revisión: Página: INTERCAMBIADORES DE CALOR D. Diferencia de temperatura de los fluidos intercambiando calor. 0628 m2/m 2880 x 0.200.32°C ∆T=82° – 49°C 32°C Agua ∆T promedio= 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 Ecuación de la carga de intercambio de calor Substituyendo Carga = 49°C = 19.5)(340)(181) 1. Cuál es la carga del intercambiador? Solución: Usaremos la siguiente fórmula: Calculemos ∆T: = (∆ )( )( 38 °C ) Aceite 82 °C ∆T=38° .0 23 de 41 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.0628 = 181 m2 = (∆ )( (19.MANUAL Fecha Emisión: Edo.030 Watts )( ) ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! .5° 340 240 12 m 12 x 240 =2880m 20 mm 0. Revisión: Página: INTERCAMBIADORES DE CALOR ENE-10 1. 0 24 de 41 herramienta útil para monitorear los posibles problemas que se presenten en los intercambiadores. corrosión. incrustaciones. G. hidratos o taponeo. La presión en la salida será menor que en la entrada para cada uno de los fluidos. 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. Hasta este punto.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR F. Revisión: Página: ENE-10 1. Transferencia de calor real. y una velocidad relativamente alta se debe mantener. o la posibilidad de ruptura de tubos. 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. temperatura diferencial promedio y el coeficiente de transferencia. La caída de presión es una Fecha Emisión: Edo. MEDICION DE LA CAIDA DEPRESION. como sabemos si la transferencia de calor real es la misma que la teórica? ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . 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. Las lecturas de presión diferencial deben ser tomada cuando el intercambiador es nuevo o tras haber sido limpiado. Una caída de presión alta indica una relación de flujo alta. Pero. nuestra discusión ha cubierto los aspectos teóricos de los intercambiadores de calor. 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. Caída de Presión Mencionamos con anterioridad que el flujo que el flujo a través de los tubos y la coraza debe ser turbulento. En otras palabras. ceras. Una caída de presión baja indica un flujo bajo. La mayoría de los intercambiadores se diseñan para manejar una caída de presión de 5 a 10 psi. la cantidad de calor que debe ser transferida por un intercambiador se basa en el área.5 a 5 psi. 7 a 4. 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.3.0 25 de 41 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. La capacidad Watts=0. el flujo másico se debe conocer para calcular la transferencia de calor.9 a 2. Conversión de volumen de liquido a peso. El valor de esta para hidrocarburos gaseosos varia de 1. para otros propósitos usaremos un valor promedio de 2.2 dependiendo de la temperatura y la presión.28 (kg/hr)(CambTemp)(Cap cal) Temp de entrada – Temp de salida °C kJ de energía para calentar 1kg 1°C 4. Como se noto en el ejemplo anterior.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. La siguiente ecuación se usa para convertir volumen de liquido a peso: ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! .19 (0.28)(160)(33)(4. La mayoría de los medidores de flujo lo miden en volumen. Determine la transferencia de calor Ecuación de transferencia de calor Peso del agua Cambio de Temperatura Capacidad calorífica del agua Substituyendo Carga 1.28)(peso)(cambio de Temp) x (Cap Cal) 160 kg/hr 65 – 32 = 33°C 4.19) 6194 Watts hace necesario convertir el volumen a peso para calcular la cantidad de calor que transfiere. Se (0. Revisión: Página: ENE-10 1.19 kJ/kg 2.1 kJ/kg calorífica de los hidrocarburos líquidos varia de 1.1 para hidrocarburos gaseosos o líquidos. Y es obviamente la cantidad de calor que tiene que ser retirada a un gas para que este condense. 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. Realice esta acción con precaucion. 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. La carga real de un intercambiador se calcula cuando tenemos razones para creer que este no se desempeña como debiese. El próximo paso es calcular la cantidad teórica de calor que el intercambiador transferirá usando la ecuación de los intercambiadores. porque los hidrocarburos líquidos a la presion de operación. La energía calorífica que debe ser añadida a un liquido para cambiar a gas es llamada calor de vaporización. y compararemos entonces ambos valores. En los intercambiadores que usan agua como fluido de enfriamiento. Calor de vaporización o Condensación Como se menciono previamente. Primero calcularemos la calidad de calor que se transfiere realmente usando el valor del flujo de agua y el incremento de la temperatura. Abra un dren en el fondo del intercambiador del lado de la coraza. al salir a la atmosfera pueden ser altamente volatiles. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Tras que la temperatura del agua alcanza su punto de ebullición. 4.0 26 de 41 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. Revisión: Página: ENE-10 1.05) ( Flujo. Esto se debe considerar cuando se determine el total de la transferencia de calor cuando el gas es enfriado.19 kJ de calor se requieren para elevar la temperatura de a 1 kg de agua en 1 grado Celsius. que es lo que la mayoría de los medidores de flujo indican. CALOR DE VAPORIZACION O CONDENSACION Agua Hidrocarburo 2257 kJ/kg 350 kJ/kg En la mayoría de las situaciones donde se enfría gas. la temperatura del vapor que se forma es exactamente la misma que la del liquido en ebullición. estos se acumularan en la parte baja de la coraza.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. el flujo de agua y su cambio de temperatura se usan para determinar la carga. m3/día) (Densidad Relativa del gas) Los flujos de gas en la ecuación anterior son flujos diarios. 2257 kJ deben agregarse para ebullir 1 kg de agua. las ecuaciones para calcular el peso por hora son: Peso del Gas = (0. y verifique la existencia de depositos de líquidos. El agua ebulle a 100°C. parte del hidrocarburo y/o del agua se condensa al mismo tiempo que el gas se enfría. No se presenta ningún cambio de temperatura cuando el agua ebulle. 3. esto puede cubrir los tubos y reducir la eficiencia del intercambiador. Si el gas contiene hidrocarburos condensables o humedad. el intercambiador puede o no. Tubo y Coraza. Para enfriar una corriente caliente. Pueden ser largos o cortos. Y reduce el coeficiente de transferencia del intercambiador. Probablemente el uso mas extendido de los intercambiadores de calor de horquilla es en ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Este se puede diseñar en una amplia variedad de configuraciones ajustadas para realizar un servicio especifico. a) Radiadores. horizontales o verticales. y su reutilizacion es muy limitada en otra aplicación. aeroenfriador es la opción a elegir. Es el tipo de intercambiador mas usado en plantas de proceso es el de tubo y coraza. Sin embargo la selección del mismo puede ser dictada por las circunstancia. La selección del tipo de intercambiadores a usar en un servicio en particular. este puede formar una capa en el exterior de los tubos y reducir el flujo de Fecha Emisión: Edo. Se fabrican en medidas estándar. 3) Enfriadores. Esta situación va aumentando gradualmente sobre el paso del tiempo. b) Condensadores de reflujo en fraccionadoras. Si hay presencia de aceite proveniente de un compresor. B. se desempeñaran mas satisfactoriamente que otros tipos. un A. Horquilla Los intercambiadores de horquilla son mayormente usados cuando los requerimientos de área de transferencia son menores a 40 m2. d) Intercambiadores de Aceite rico – Aceite pobre. Algunos ejemplos son: 1) Intercambiadores de Proceso a) Rehervidores en torres fraccionadoras y agotadores de Glicol. es normalmente cuestion de analisis económico. c) Refrigeradores de Gas 2) Conservar energia a) Intercambiadores Gas – Gas b) Intercambiadores Glicol rico – Glicol pobre.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR 2. Para conservar energia. Para transferir calor para que un proceso se lleve a cabo. e) Precalentadores de una fraccionadora. c) Enfriadores de productos. Las desventajas de este tipo de intercambiadores es que son costosos.0 27 de 41 calor. Los intercambiadores de calor se usan por lo general por las siguientes razones: 1. si se necesita de un enfriador de proceso en una instalación que no tiene agua disponible. III. b) Enfriadores de gas de compresores. La ventaja de los intercambiadores de tubo y coraza es que como son diseñados para una aplicación en particular. Se usan algunos materiales especificos para servicios corrosivos o a bajas temperaturas. Por ejemplo. desempeñarse acorde a lo requerimentos del proceso. APLICACIONES DE INTERCAMBIADORES. Revisión: Página: ENE-10 1. Como se pueden seleccionar unidades estándar para encajar en el servicio en particular de transferencia de calor. 2. Son menos costosos que los intercambiadores de calor de coraza y tubo en medidas pequeñas. 3. c) Intercambiadores de Amina pobre – Amina oxidada. HAZ DE TUBOS DE INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA Las ventajas de los intercambiadores de horquilla son: 1. Las desventajas de intercambiadores son: este tipo de 1. Tiempos de entrega cortos. Los aeroenfriadores deben ser ubicados cuidadosamente en plantas. donde pueda haber equipos de proceso que calienten el aire a circular en el enfriador. 5. Condensadores de fraccionadoras. AEROENFRIADORES EN UNA PLANTA DE PROCESO ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . plantas de Fecha Emisión: Edo. Deben ser ubicados en sobre el nivel de muros o construcciones que puedan desviar el flujo del aire de salida hacia la entrada. Pueden tener un desempeño menor al rquerido por el proceso. Facilidad de mantenimiento. Revisión: Página: ENE-10 1. 3. Un enfoque de temperatura de 11° C es de lo mejor que se puede obtener. 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. La desventaja principal de aeroenfriadores es que la temperatura del fluido que sale del enfriador esta limitada por la temperatura ambiental. Bajo costo. Esto significa que la temperatura de salida del fluido de proceso estaría 11° por arriba de la ambiental. 3. 2. Son mas grandes y ocupan mas espacio. 2. 4. Una selección limitada de materiales de construcción.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR equipos de proceso paquetizados. C. etc. como deshidratadoras de gas. Facilidad de añadir unidades adicionales. Enfriadores de proceso en equipos paquetizados y plataformas costa fuera. Pueden ser facilmente reusados. plantas de endulzado con amina.0 28 de 41 recuperación de hidrocarburos refrigeradas. el fluido que tenga la temperatura mas cercana a la ambiental debe ser abierto primero para evitar un choque termico. 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..MANUAL Fecha Emisión: Edo. 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. Revisión: Página: INTERCAMBIADORES DE CALOR ENE-10 1.0 29 de 41 DOS INTERCAMBIADORES DE HORQUILLA EN SERIE IV OPERACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR A. y abriendo una válvula de venteo en el punto mas alto del intercambiador. el flujo del fluido caliente debe ser abierto lentamente para evitar un choque termico en los tubos. Esto se hace cerrando la válvula en la linea de salida de liquido.si el fluido caliente esta 55°C mas caliente que el frio. Si alguno de los fluidos es un liquido. las valvulas del intercambiador deben permanecer abiertas para proveerr una via de relevo de represionamientos en cualquiera de los fluidos de proceso. La válvula de venteo se mantiene abierta hasta que la corriente que sale de la válvula de venteo. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Tubo y coraza y Horquilla En la mayoria de los casos. sea liquida ininterrumpidamente. abriendo la válvula en la linea de entrada de líquidos. el intercambiador debe revisarse para verificar que no se han formado bolsas de vapor en el interior en el lado del liquido. Si el fluido permanecerá en el intercambiador durante el tiempo de paro. 3. Verifique la caída de presion en ambas corrientes. B. y restrinjalos durante el invierno. Si el intercambiador no esta aislado. y determine la causa de las posibles desviaciones. Reduzca o incremente el flujo de fluidos para obtener las temperaturas deseadas.0 30 de 41 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. Observe las temperaturas de entrada y salida de los fluidos y determine la causa de las posibles desviaciones. Un área de temperatura diferente indica una bolsa de vapor. Verifique vibración o ruidos inusuales.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. y estos han sido calentados lentamente admitiendo el fluido caliente a los tubos. 2. la cual es corregida por la apertura de una válvula en lo alto del intercambiador. 3. Aeroenfriadores Los aeroenfriadores se arrancan en la siguiente secuencia: 1. 4. Arranque el ventilador. Las verificaciones de rutina en operación son: ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Ajuste las persianas el ángulo necesario para mantener una temperatura de salida apropiada. Las revisiones de rutina con el equipo de intercambio de calor de tubo y coraza en operacion son: 1. y el flujo del lado coraza es un liquido. abra el flujo de agua a los enfriadores durante el verano. Por ejemplo. Revisión: Página: ENE-10 1. El controlador de temperatura puede ponerse en servicio cuando el liquido de la coraza se encuentra cubriendo los tubos. 2. Abra el paso alfluido a traves de los tubos. Cuando la unidad este fuera de servicio. cierre las valvulas y apague el ventilador. sense a lo largo del exterior un área con una temperatura que difiera de la del resto de la unidad. Si el agua es uno de los fluidos en un cambiador que no esta transfiriendo tanto calor como debiera. sarro. 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. etc. Verifique el ventilador por ruidos o vibración. V. Un incremento en la caída de presión casi siempre ocurre en el lado con problemas. 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. a menos que exista un trastorno en el sistema de agua circulante. acumulación de suciedad. Generalmente es mejor checar primero las causas fáciles -temperaturas. Si la temperatura leida indica un problema. ángulo de ataque. La solución de un problema es un proceso de checar cada causa probable. Periodicamente verifique las aspas. Verifique las temperaturas de entrada y salida y determine la causa de los cambios posibles. -y entonces después ir a las mas difíciles. Un retrolavado con agua es frecuentemente efectivo para remover estos desechos del cambiado.0 31 de 41 4. suciedad e integridad. Revisión: Página: INTERCAMBIADORES DE CALOR 1. oxido. 5. 6. El tipo de ensuciamiento es determinado removiendo las cabezas e inspeccionando visualmente los tubos. CAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA El calor transferido en un cambiador de calor es igual a: Carga = (Dif. el problema es usualmente en el lado del agua. Los síntomas son: el fluido caliente no esta siendo enfriado. caídas de presión. y crecimiento de fanfo u otro material puede ocurrir en el lado agua. Ajuste las persianas u otros controles de flujo de aire lo necesario para mantener la temperatura apropiada en el fluido a la salida. el fluido frio no esta siendo calentado. y eliminar cada causa hasta encontrar la culpable. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . El agua usualmente fluye por dentro de los tubos. el siguiente paso es determinar si el problemas es en lado coraza o tubos del cambiador. flujos. Cheque las aletas de los tubos por daño. Verifique fugas en los tubos y cabezales. ENE-10 1. de Temp) (Coef.)(Área) Cuando un problema ocurre en un cambiador. checar el flujo de cada fluido para confirmar que este esta dentro de los parámetros normales. 2. 3. y la temperatura alrededor se ha incrementado. Corrosion. Siguiendo las causas mas comunes de problemas en cambiadores. suciedad u obstruccion. uno o mas de los tres factores han declinado. Este tipo de ensuciamiento generalmente es alcanzado en un periodo de varias semanas.MANUAL Fecha Emisión: Edo. Si el flujo esta dentro de su rango normal de operación. SOLUCION DE PROBLEMAS EN CAMBIADORES A. velocidad. Retrolavado. lavado con chorro a presión varilla o cepillo.0 32 de 41 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. 1. Calentamiento por encima de la temperatura de formación de hidratos. corrosión o coke. 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. Tubos obstruidos por parafinas. Hidratos o parafinas son removidos deteniendo el flujo del fluido enfriante y manteniendo el flujo del fluido caliente hasta que el cambiador se caliente. Formación de hidratos en enfriadores de gas. Este podría no ayudar si los tubos se encuentran totalmente tapados. Drenar el aceite acumulado en el cambiador. Inyeccion de metanol. Revisión: Página: ENE-10 1. . Calentamiento por encima del punto de vaporización.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Si el fluido en el lado del problema del cambiador no es agua. Retrolavado Lavado de tubos con chorro a presión. Incrementar el flujo 2. Aceite lubricante de los compresores formando una película dentro de los tubos Tubos obstruidos por suciedad. 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. Factor deTransferencia de Calor Coeficiente Area Diferencia de temperatura Fecha Emisión: Edo. varilla o cepilloLavado con químicos. La formacion de hidratos ocurrirá en un gas conteniendo agua libre cuando la temperatura sea disminuida al punto 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. sarro o fango. un acido o ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . la causa del ensuciamiento debe ser determinada. Instalar dispositivos para generar turbulencia. Si el lado coraza de un cambiador se ensucia por sarro. 3. Tubos obstruidos por hielo o hidratos. Ajustar las temperaturas a las condiciones normales de operación. Si un tubo es confirmado con fuga. Una muestra de agua dejando el cambiador contendría aceite. Una fuga grande puede causar un incremento en el fluido de baja presión. o una reducción en el flujo del fluido de baja presión.0 33 de 41 tomando una muestra del fluido de baja presión en la salida del cambiador y checar la presencia del fluido de alta presión. 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. suponer que ocurre una fuga en un cambiador aceite crudo/enfriador agua. HAZ DE TUBOS EN TUBOS EN “U” REMOVIBLE ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . donde la presión del aceite es mas alta que la presión del agua. Si ambos fluidos son de la misma composición. Aplicar presión a lado coraza y el tubo o tubos que presenten fugas deberán ser tapados con tapones metalicos en cada extremo del tubo. Una fuga en un cambiador resulta en un fluido a alta presión entrando a una corriente de baja presión. que es usualmente obvia por la lectura del manómetro. Especialistas en este tipo de trabajos deben ser consultados para seleccionar el químico adecuado y el procedimiento para ser aplicado.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR solución química es usualmente circulada a través del lado coraza para limpiarlo. Por ejemplo. Una pequeña fuga puede no resultar notoria en un incremento de presión en el fluido de baja presión. Esto se puede identificar Fecha Emisión: Edo. 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. Revisión: Página: ENE-10 1. el cambiador debe sacarse de operación y remover las cabezas. Esta condición usualmente lleva varias semanas en aparecer y empeora gradualmente. La temperatura será diferente alrededor del área donde esta entrampado el vapor. El lado tubo `puede se limpiado con una varilla o con chorro a presión. Verificar condiciones midiendo la caída de presión. Un enfriador de gas es obstruido con hidratos. Bajo flujo de uno o ambos fluidos. del cambiador. a.Inyecte metanol dentro de la corriente de gas de entrada para prevenir la formación de hidratos. Corregir si es 3. El lado coraza usualmente requiere que se le recircule algún químico.0 34 de 41 Acción correctiva Checar los flujos. Incrementar al flujo de diseño. 4. y la caída de presión se ha incrementado en lado aceite. b. sarro.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Causa de pérdida de carga 1. a.Detenga el flujo del fluido de enfriamiento hasta que la unidad se caliente por encima de la temperatura de formación de hidratos. c. Un enfriador de aceite crudo es obstruida con parafina. Revisión: Página: ENE-10 1. Vapor entrampado en el lado de El vapor entrampado es percibido a la salida liquido.Verificar si la temperatura del fluido de enfriamiento esta por debajo del punto de formación de hidratos. 2. b. Reduzca o incremente la temperatura ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . necesario. Correr agua en sentido contrario con alta presión diferencial si es posible. O crecimiento de limo en el lado agua. 5. El cambiador es ensuciado con corrosión. Ventee el vapor. b. Temperatura de entrada de uno Checar temperaturas. y la caída de presión o taponamiento se ha incrementado. o ambos fluidos ha cambiado. 6. 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. 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. Saque de operación el cambiador y limpia el lado sucio. Verifique si la temperatura del fluido de enfriamiento esta por debajo del punto de vaporización. Fecha Emisión: Edo. c. lodo. Estos no son problemas de los cambiadores. Mantenga las aspas del ventilador limpias y con su angulo de inclinación correcto. A. Una fuga usualmente se muestra como una mancha y puede causar que la salida del aire se vea como humo. Si el problema persiste. 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. corrosión interna o tubos tapados es lo más probable. Esto usualmente resulta en vibración excesiva. Checar por un apropiado movimiento del aire. El problema final es la insuficiencia de transferir calor. Este es un problema del cambiador que es difícil de diagnosticar. Mantenga el exterior de los tubos limpios. c. Insuficiente movimiento de aire atreves de los tubos. Checar por fugas en los tubos. El fluido de alta presión fluirá hacia el lado del fluido de baja presión. paletas. y no serán discutidos aquí. Aquí está el procedimiento para encontrar la causa: a. Las aletas deben ser limpiadas cuando inicien a obstruirse con suciedad. Checar por algún incremento en le flujo o temperatura del fluido de entrada. 7. 2. Revisión: Página: ENE-10 1. y las aletas estén limpias y sin daño. a. Checar la velocidad del ventilador y remplace las bandas o realice las reparaciones necesarias. reductores de velocidad. temperatura del fluido saliendo del enfriador.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR del punto de vaporización. La mejor solución para este problema es la prevención. La presión en el lado de baja presión usualmente se incrementara. etc. poleas. Dificultades mecánicas con el impulsor. b. las aspas estén limpias y con su Angulo correcto. Esto se muestra como un incremento en la Fecha Emisión: Edo. b. Por supuesto una fuga severa de líquido puede gotear a el suelo y ser obvia. a.0 35 de 41 del fluido de enfriamiento y permite calentarse el aceite hasta calentar el cambiador sobre el punto de vaporización. Aeroenfriadores usualmente tienen de 4 a 8 pasos. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . Uno o mas tubos están fugando. Ver que las persianas estén abiertas. d. c. Confirmar la fuga por la observación de la presión o analizando la presencia del fluido de alta presión en el fluido de baja presión. Esto puede usualmente ser confirmado checando el incremento en la caída de presión a través de los tubos. Aeroenfriadores Tres tipos de problemas ocurren en un aeroenfriador: 1. 3. que el ventilador este corriendo a toda su velocidad. 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. 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. Inyectando mas glicol del necesario. disminuirá la cantidad de transferencia de calor. La corriente de gas de entrada a una planta refrigerada usualmente contiene suficiente humedad para la formación de hidratos en el cambiador Gas/Gas.0 36 de 41 VI. incrementar el flujo en la inyección de glicol no ayudara porque este no fluirá a través de los tubos tapados. los cambiadores de calor tienen que operar apropiadamente para obtener la máxima producción. este usualmente bloquea el flujo de gas atraves de algunos de los tubos. La caída de presión de la corriente de entrada (lado tubos) se incrementa. El gas que entra a una planta criogénica se supone se le ha removido la humedad en un deshidratador para que congelamiento no ocurra. y entonces incrementar ligeramente el flujo. Esto se un asunto de iniciar con un alto flujo e ir recortando el flujo hasta la formación de hidratos. Consecuentemente. 2. Estos cambiadores son usualmente diseñados para un rango de 5 C (10 F) de enfoque. puede tener un efecto significativo en el coeficiente del cambiador. La temperatura de enfoque se incrementa debido a la perdida de transferencia de calor. La recuperación de los productos depende de enfriar el gas a la temperatura mas baja posible. que usualmente se congelara en uno o más de los cambiadores de gas. La cantidad de glicol inyectado y la manera en que se inyecta. Si este congelamiento es detectado en sus inicios de formación. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . El procedimiento para encontrar el flujo ideal de glicol inyectado no es algo fácil. a su vez afectara la cantidad del calor transferido. A. Revisión: Página: ENE-10 1. Cuando se forma un hidrato. 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. Alrededor del 80% del enfriamiento ocurre en cambiadores. Sin embargo una desviación en el deshidratador puede resultar en algo de humedad deslizada.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. La presencia de hidratos es indicado en dos formas: 1. Glicol es inyectado en la extremo de entrada del cambiador para prevenir la formación de hidratos en la unidad. Esto. Consecuentemente. 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. Un total bloque de hielo en una parte del cambiador requiriera calentarlo para derretir el hielo o hidrato. Se tiene que derretir el hidrato cerrando hacia abajo la unidad refrigeradora y permitirle al cambiador calentarse hasta que el hidrato se derrita. Para decirlo de otra forma los cambiadores con 5 C (10 F) de temperaturad e enfoque obtendra el 100 % de refrigeración del gas frio. PROBLEMAS DE CAMBIADORES DE BAJA TEMPERATURA La transferencia de calor es uno de los procesos mas críticos en las plantas refrigeradas o criogenicas. determinar el nivel del refrigerante en el cambiador no es algo fácil de hacer. 2. mientras. 1. Dudoso nivel de refrigerante en el lado coraza. La función del chiller es enfriar una corriente de proceso gaseosa o liquida. La mirilla de nivel en el lado del refrigerante no esta expuesta al mismo calor que el fluido dentro del tanque. Su nivel será análogo al de la cacerola sobre la estufa antes de ebullir. elaceite se acumulara sobre el refrigerante en el chiller. Y parte de ese aceite inyectado ira a parar al líquido refrigerante. casi formando una espuma. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . No los describiremos. pero si mencionaremos que estos deben estar en operación continua para recuperar el lubricante.consecuentemente. Ademas otros dos problemas operacionales son frecuentemente encontrados en estos cambiadores: 1. es menos soluble a la temperatura en el chiller. se separara del refrigerante en el chiller. Como la mirilla de nivel no es un medio determinante en el nivel del refrigerante dentro del chiller. el nivel en el intercambiador será el de la cacerola con elagua en ebullición. Por eso. Gas Chiller Los mismos principios que aplican en un congelamiento de un cambiador Gas/Gas aplican para un Chiller. La mayoria de los compresores requiere lubricacion en los cilindros compresores. si es freon. y probablemente se derramara en la estufa. y tiende a depositarse sobre los tubos. sin embargo. El refrigerante es evaporado violentamente en lado coraza. una mirilla de nivel no es una medida precisa del nivel de refrigerante en un chiller. Sin embargo.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR B. Muy poca transferencia de calor tomara lugar en los tubos que no están inmersos en el líquido. elaceite se asentara en el fondo del chiller. Si se pone una cacerola de agua en la estufa. el nivel en la cacerola se incrementara. El aceite se vuelve viscoso a bajas temperaturas. y la temperatura de salida no será tan baja como debiese ser. 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. Consecuentemente. Acumulacion de aceite lubricante por fuera de los tubos. Aceite Lubricante en el Chiller El refrigerante que fluye hacia el chiller viene de un compresor. este no ebulle y mostrara un nivel mas bajo que el nivel dentro del chiller. En cualquiera de estos dos casos.0 37 de 41 respuesta es: en el punto en que obtengamos el máximo enfriamiento del gas de proceso. La carga del chillerdisminuira. y actua como un aislante previniendo el flujo de calor. El aceite se disolvera con el refrigerante a temperatura ambiente. La misma situación ocurre en el chiller. Este es el punto de ajuste correcto para el nivel de refrigerante. sin importar donde se encuentra el nivel en la mirilla. y se calienta hasta que hierva violentamente. Indicación de Nivel en el Chiller Para obtener la máxima carga de un chiller. Revisión: Página: ENE-10 1. la pregunta surge: ¿Como ssabemos donde mantener el nivel? La Fecha Emisión: Edo. Si el refrigerante es propano. el nivel de refrigerante tiene que estar por encima del haz de tubos. 2. Para eliminar el aceite lubricante del refrigerante se han diseñado varios dispositivos. 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. Drenar el aceite del refrigerante cuando este es propano.MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. Esto se debe hacer tan pronto como sea posible tras detener launidad. drenar aceite de una unidad donde el refrigerante es freon es mas dificil. Será necesario ajustar el nivel del chiller hasta que se pueda hacer llegar a una conexión de desnatado lateral al tanque. y flotara sobre el freon. cada vez que la unidad este fuera de operación. Sin embargo. ya que al calentarse el chiller.0 38 de 41 Incluso cuando se tiene algun dispositivo para remover el lubricante del refrigerante. Revisión: Página: ENE-10 1. DRENE EL ACEITE LUBRICANTE DEL FONDO DEL CHILLER SI USA PROPANO COMO REFRIGERANTE. se debe dreanr el aceite que se ha acumulado. ya que el aceite se asentara en el fondo del chiller. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! . 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. no causa problemas. y fluira a traves de las lineas de dren. el aceite se disolvera en el refrigerante. el aceite es mas ligero que el freon. MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo. Revisión: Página: ENE-10 1. INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! .0 39 de 41 TABLA 1 COEFICIENTES TÍPICOS DE INTERCAMBIADORES A. INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! .MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo.0 40 de 41 TABLA 1 COEFICIENTES TÍPICOS DE INTERCAMBIADORES A. Revisión: Página: ENE-10 1. 0 41 de 41 TABLA II ÁREA DE SUPERFICIE EXTERNA DE TUBOS EN INTERCAMBIADORES DE CALOR Ejemplo: Una pieza de 20 mm de tubería de un metro de largo tiene una área externa de 0. Revisión: Página: ENE-10 1.0628 metros cuadrados. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado! .MANUAL INTERCAMBIADORES DE CALOR Fecha Emisión: Edo.