Intercambiador de calor de carcasa y tubos

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Un intercambiador de calor de carcasa y tubos es una clase de diseños de intercambiadores de calor . ^{[1] [2]} Es el tipo más común de intercambiador de calor en refinerías de petróleo y otros grandes procesos químicos, y es adecuado para aplicaciones de mayor presión. Como su nombre lo indica, este tipo de intercambiador de calor consta de una carcasa (un recipiente de presión grande ) con un haz de tubos en su interior. Un fluido corre a través de los tubos y otro fluido fluye sobre los tubos (a través de la carcasa) para transferir calor entre los dos fluidos. El conjunto de tubos se llama haz de tubos y puede estar compuesto de varios tipos de tubos: lisos, con aletas longitudinales, etc.

Dos fluidos, con diferentes temperaturas iniciales, fluyen a través del intercambiador de calor. Uno fluye a través de todos los tubos en paralelo y el otro fluye fuera de los tubos, pero dentro de la carcasa, normalmente en contracorriente. El calor se transfiere de un fluido al otro a través de las paredes de los tubos, ya sea del lado de los tubos al lado de la carcasa o viceversa. Se pueden utilizar deflectores cruzados para obligar al fluido de la carcasa a fluir perpendicularmente a través de los tubos para desarrollar un flujo más turbulento, lo que aumenta el coeficiente de transferencia de calor. Los fluidos pueden ser líquidos o gases tanto en el lado de la carcasa como en el de los tubos. ^[3]

Para transferir el calor de manera eficiente, se debe utilizar una gran superficie de transferencia de calor , lo que lleva al uso de muchos tubos. De esta manera, se puede aprovechar el calor residual . Esta es una forma eficiente de conservar energía.

Los intercambiadores de calor con una sola fase (líquido o gas) en cada lado pueden llamarse intercambiadores de calor monofásicos o monofásicos. Los intercambiadores de calor bifásicos se pueden utilizar para calentar un líquido hasta convertirlo en gas (vapor), a veces llamados calderas , o para enfriar los vapores y condensarlos en un líquido (llamados condensadores ), con el cambio de fase que generalmente ocurre en el lado de la carcasa. Las calderas en las locomotoras de vapor suelen ser intercambiadores de calor de carcasa y tubo grandes, generalmente de forma cilíndrica. En las grandes centrales eléctricas con turbinas impulsadas por vapor , se utilizan condensadores de superficie de carcasa y tubo para condensar el vapor de escape que sale de la turbina en agua condensada que se recicla para convertirse en vapor en el generador de vapor.

También se utilizan en enfriadores refrigerados por líquido para transferir calor entre el refrigerante y el agua tanto en el evaporador como en el condensador , y en enfriadores refrigerados por aire solo para el evaporador.

Puede haber muchas variaciones en el diseño de carcasa y tubos. Normalmente, los extremos de cada tubo están conectados a cámaras de distribución (a veces llamadas cajas de agua ) a través de orificios en placas de tubos. Los tubos pueden ser rectos o doblados en forma de U, llamados tubos en U.

En las centrales nucleares llamadas reactores de agua a presión , los intercambiadores de calor de gran tamaño llamados generadores de vapor son intercambiadores de calor de carcasa y tubos de dos fases que suelen tener tubos en forma de U. Se utilizan para hervir el agua reciclada de un condensador de superficie y convertirla en vapor para impulsar una turbina y producir energía. La mayoría de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos tienen diseños de 1, 2 o 4 pasos en el lado de los tubos. Esto se refiere a la cantidad de veces que el fluido de los tubos pasa a través del fluido de la carcasa. En un intercambiador de calor de un solo paso, el fluido entra por un extremo de cada tubo y sale por el otro.

Los condensadores de superficie en las centrales eléctricas suelen ser intercambiadores de calor de tubo recto de un paso (consulte el diagrama del condensador de superficie ). Los diseños de dos y cuatro pasos son comunes porque el fluido puede entrar y salir por el mismo lado. Esto hace que la construcción sea mucho más sencilla.

A menudo hay deflectores que dirigen el flujo a través del lado de la carcasa para que el fluido no tome un atajo a través de este lado y deje volúmenes de flujo bajos ineficaces. Estos generalmente están unidos al haz de tubos en lugar de a la carcasa para que el haz pueda ser removido para mantenimiento.

Los intercambiadores de calor a contracorriente son más eficientes porque permiten la mayor diferencia de temperatura media logarítmica entre las corrientes caliente y fría. Sin embargo, muchas empresas no utilizan intercambiadores de calor de dos pasos con un tubo en U porque pueden romperse fácilmente, además de ser más costosos de construir. A menudo se pueden utilizar varios intercambiadores de calor para simular el flujo a contracorriente de un único intercambiador grande.

Para poder transferir bien el calor, el material del tubo debe tener una buena conductividad térmica . Debido a que el calor se transfiere de un lado caliente a uno frío a través de los tubos, existe una diferencia de temperatura a través del ancho de los tubos. Debido a la tendencia del material del tubo a expandirse térmicamente de manera diferente a varias temperaturas, se producen tensiones térmicas durante el funcionamiento. Esto se suma a cualquier tensión de altas presiones de los propios fluidos. El material del tubo también debe ser compatible con los fluidos del lado de la carcasa y del tubo durante largos períodos bajo las condiciones de operación ( temperaturas , presiones, pH , etc.) para minimizar el deterioro como la corrosión . Todos estos requisitos requieren una selección cuidadosa de materiales de tubo fuertes, térmicamente conductores, resistentes a la corrosión y de alta calidad, típicamente metales , incluidos aluminio , aleación de cobre , acero inoxidable , acero al carbono , aleación de cobre no ferroso , Inconel , níquel , Hastelloy y titanio . ^[4] Los fluoropolímeros como el perfluoroalcoxi alcano (PFA) y el etileno propileno fluorado (FEP) también se utilizan para producir el material de los tubos debido a su alta resistencia a temperaturas extremas. ^[5] Una mala elección del material del tubo podría provocar una fuga a través de un tubo entre los lados de la carcasa y el tubo, lo que causaría contaminación cruzada de fluidos y posiblemente pérdida de presión.

El diseño simple de un intercambiador de calor de carcasa y tubos lo convierte en una solución de refrigeración ideal para una amplia variedad de aplicaciones. Una de las aplicaciones más comunes es la refrigeración de fluidos hidráulicos y aceite en motores, transmisiones y grupos electrógenos hidráulicos. Con la elección correcta de materiales, también se pueden utilizar para enfriar o calentar otros medios, como el agua de piscinas o el aire de carga. ^[6] La tecnología de carcasa y tubos tiene muchas ventajas con respecto a las placas.

• Una de las grandes ventajas de utilizar un intercambiador de calor de carcasa y tubos es que suelen ser fáciles de mantener, en particular con los modelos en los que está disponible un haz de tubos flotantes. ^[7] (donde las placas de tubos no están soldadas a la carcasa exterior).
• El diseño cilíndrico de la carcasa es extremadamente resistente a la presión y permite todos los rangos de aplicaciones de presión.

En los intercambiadores de calor de carcasa y tubos existe la posibilidad de que un tubo se rompa y que el fluido de alta presión (HP) entre y sobrepresurice el lado de baja presión (LP) del intercambiador de calor. ^[8] La configuración habitual de los intercambiadores es que el fluido de alta presión esté en los tubos y que el agua de baja presión, el medio de enfriamiento o calentamiento esté en el lado de la carcasa. Existe el riesgo de que una rotura de tubo pueda comprometer la integridad de la carcasa y la liberación de gas o líquido inflamable, con un riesgo para las personas y pérdidas financieras. La carcasa de un intercambiador debe estar protegida contra la sobrepresión mediante discos de ruptura o válvulas de alivio. Se ha descubierto que el tiempo de apertura de los dispositivos de protección es crítico para la protección del intercambiador. ^[9] Dichos dispositivos se instalan directamente en la carcasa del intercambiador y descargan en un sistema de alivio.

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son componentes integrales de la ingeniería térmica , utilizados principalmente para una transferencia de calor eficiente. El diseño y la disposición de los tubos dentro de estos intercambiadores son fundamentales para su funcionamiento y eficacia. ^[10] El diseño y la especificación precisos de los tubos en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos subrayan las complejidades de la ingeniería térmica . Cada aspecto del diseño, desde la selección del material hasta la disposición de los tubos y el flujo de fluidos , desempeña un papel vital en el rendimiento del intercambiador, mostrando las complejidades y la precisión requeridas en este campo. ^[10]

Los tubos de estos intercambiadores, a menudo denominados tubos de condensador , son distintos de los tubos de agua típicos. Se adhieren al estándar Birmingham Wire Gage (BWG), que dicta dimensiones específicas como el diámetro exterior . Por ejemplo, un tubo de 1 pulgada según BWG tendrá un diámetro exterior exacto de 1 pulgada. ^[11] Las especificaciones detalladas están disponibles en referencias especializadas.

Los tubos están hechos de una variedad de materiales, cada uno elegido en función de los requisitos específicos del sistema, incluida la conductividad térmica , la resistencia y la resistencia a la corrosión . ^[10]

La disposición de los tubos es un aspecto crucial del diseño. Se colocan en orificios perforados en las placas de tubos, y el espaciado entre los orificios (conocido como paso de los tubos) es un factor clave tanto para la integridad estructural como para la eficiencia. ^[10] Los tubos suelen organizarse en patrones cuadrados o triangulares , y los diseños específicos se detallan en las referencias de ingeniería.

El número de tubos se refiere al número máximo de tubos que pueden caber dentro de una carcasa de un diámetro específico sin debilitar la placa de tubos. ^[10] Este aspecto es crucial para garantizar la integridad estructural y la eficiencia del intercambiador de calor. Se puede encontrar información sobre el número de tubos para varios tamaños de carcasa en la literatura especializada.

En los intercambiadores de calor tubulares, existen dos corrientes de fluidos distintas para la transferencia de calor . El fluido tubular circula dentro de los tubos, mientras que el fluido tubular fluye alrededor de ellos, guiado por deflectores . El movimiento del fluido tubular, ya sea de lado a lado o de arriba a abajo, y el número de pasadas que realiza sobre los tubos, están controlados por deflectores segmentados, esenciales para maximizar la eficiencia de la transferencia de calor . ^[10] Estos aspectos se explican en referencias específicas.

• Normas de la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares (TEMA) , décima edición, 2019
• EN 13445-3 "Recipientes a presión no expuestos al fuego - Parte 3: Diseño", Sección 13 (2012)
• Código de calderas y recipientes a presión de ASME , Sección VIII, División 1, Parte UHX

• Caldera o rehervidor
• EJMA
• Calentador encendido
• Ensuciamiento o incrustaciones
• Intercambiador de calor
• El método NTU como alternativa para hallar el LMTD
• Intercambiador de calor de placas y marcos
• Intercambiador de calor de placas y aletas
• Recipiente a presión
• Condensador de superficie

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• Detalles de construcción de intercambiadores de calor de carcasa y tubos
• Conceptos básicos del diseño de intercambiadores de carcasa y tubos
• Conceptos básicos de transferencia de calor industrial
• Especificación de un intercambiador de calor líquido-líquido
• Un libro gratuito: Diseño térmico de intercambiadores de calor tubulares
• Calculadora de intercambiador de calor de carcasa y tubos para el lado de la carcasa Archivado el 30 de noviembre de 2022 en Wayback Machine
• Intercambiadores de calor autolimpiantes