Diseño de un intercambiador de calor de tubos y coraza

DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA

YOALFRY DAVID AMAYA ROSELLON

PROFESOR

LUIS ALFONSO BETANCUR ARBOLEDA

UNIDADES TECNOLOGICAS DE SANTANDER

INGENIERIA ELECTROMECANICA

BUCARAMANGA

2021

TABLA DE CONTENIDOS

                                                                                                                                        Pág.

Resumen……………………………………………………………………………….3

Introducción…………………………………………………………………………...4

1. Que es un intercambiador de calor………………………………………………..5
2. Selección del intercambiador de calor……………………………………………5
3. Principio de funcionamiento del intercambiador de calor………………………..6
4. Principales aplicaciones del intercambiador de calor…………………………….6
5.  partes del intercambiador de calor……………………………………………….7
6. Ventajas y desventajas del intercambiador de calor………………………………8

1. Ventajas………………………………………………………………………..8
2. Desventajas……………………………………………………………………8

1. Para tener en cuenta a la hora del diseño del intercambiador…………………….9
2. Selección de la aplicación del intercambiador de calor…………………………..9
3. Diagramas de flujos de los cálculos del diseño del intercambiador de calor…….10
4. Diseño…………………………………………………………………………….11

1. Consideraciones iniciales……………………………………………………..11
2. Diseño térmico………………………………………………………………..11

1. Condiciones iniciales…………………………………………………………11

1. Diseño hidráulico……………………………………………………………..19

Conclusiones………………………………………………………………………….21

Bibliografía…………………………………………………………………………...22

RESUMEN

En el presente informe se realiza el diseño de un intercambiador de calor de tubos y coraza, en el cual los fluidos empleados son agua en la carcaza y agua del mar por los tubos, este diseño busca desarrollar los aspectos fundamentales a la hora de elaborar un intercambiador de calor, a demás de cumplir con los objetivos y metas trazadas en esta investigación.

Este diseño se hace con fines académicos con los parámetros establecidos en la clase de transferencia de calor. Se realizaron cálculos térmicos en donde se realizó el análisis termodinámico del intercambiador de calor con el fin de conocer la taza de transferencia de calor, así como la diferencia de temperatura media logarítmica, por otra parte, se realizaron cálculos hidráulicos donde se establecieron las variables como la caída de presión que sufren los fluidos en el intercambiador de calor.

INTRODUCCION

El diseño hidráulico establece las variables como la caída de presión que sufren los fluidos y asegura que se encuentre dentro de rangos permisibles para el correcto funcionamiento del equipo. El papel de éstos ha adquirida una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico en la instalación, sino en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y materias primas necesarias para cumplir una determinada función. Existen varios tipos de intercambiadores de calor y actualmente alrededor del mundo se ofrecen en el mercado multitud de diseños diferentes de éstos.

En este caso se diseñará un intercambiador de calor de tubos y coraza debido a que es uno de los mas utilizados en la industria, en este caso se utilizara para refrigerar el fluido (agua) y mejorar el rendimiento de una de las piezas de su motor que opera a una temperatura elevada, en este caso se utilizara agua del mar para enfriar el agua que circula por la pieza del motor.

1. QUE ES UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

El intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, encontrándose éstos en contacto o separados por una barrera sólida. Se trata de componentes esenciales en los sistemas de climatización o refrigeración, acondicionamiento de aire, producción energética y procesamiento químico.

Los intercambiadores de calores pueden ser:

• De doble tubo
• Compacto
• De tubos y coraza
• De placas y armazón
• Regenerativo

1. SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

En la presente investigación se procedió a seleccionar el intercambiador de calor del tipo de tubos y coraza debido a que es el más común en aplicaciones industriales.

[pic 1]

Figura 1 Intercambiador de calor de tubos y coraza

1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL INTERCAMBIDOR DE CALOR

Un intercambiador de calor de tubos y coraza, también conocido como intercambiador tubular, es un equipo diseñado para calentar o enfriar un producto mediante la transmisión térmica generada al cruzarse en el cruce de dos fluidos por diferentes compartimentos.

Los intercambiadores de calor de tubos y coraza o tubulares consisten en dos cámaras de presión independientes: la carcasa y el haz tubular. Por estas cámaras fluyen dos medios de tal forma que cuando existe una diferencia de temperatura entre ellos, el calor se intercambia sin que los medios se mezclen.

1. PRINCIPALES APLICACIONES DEL INTERCAMBIDOR DE CALOR

Tienen aplicaciones muy variadas y son equipos empleados en multitud de industrias. Son equipos muy robustos, fiables y de bajo mantenimiento.

Pueden ser construidos en diferentes calidades de acero inoxidable o aleaciones especiales y pueden soportar altas y bajas presiones y un amplio rango de temperaturas. Además, son compactos y eficientes y sus altas velocidades mejoran la trasferencia de calor.

Existe una amplia variedad de configuraciones en los intercambiadores de calor tubulares, dependiendo del desempeño deseado de transferencia de calor, caída de presión y los métodos empleados para reducir los esfuerzos térmicos y prevenir fugas.

Son diseñados conforme al espacio disponible en las instalaciones de destino, naturaleza del producto y tomando las consideraciones de seguridad necesarias para los productos a procesar.

En los intercambiadores de calor de coraza y tubos se presentan algunas aplicaciones, las cuales se ven reflejadas en los diversos usos como lo son:

• Condensación de vapor
• El enfriar aceite en sistemas de lubricación o hidráulicos y transformadores eléctricos.
• Enfriar un refrigerante (agua, aire).
• Ayuda a calentar combustóleo en tanques de almacenamiento, en fosas de recepción y estaciones de bombeo.
• Para enfriar aire como post-enfriadores de compresos de aire (alter - coolers)
• En la condensación de refrigerantes.
• En los intercambiadores de calor para procesos químicos y/o petroquímicos.
• En los chillers que son intercambiadores de calor que enfrían agua con gas refrigerante para unidades de agua helada.
• En los inter – enfriadores y post – enfriadores para compresores atlas copco y ingellson rand.

Además de tener muchas combinaciones con diferentes fluidos como: el vapor con el agua, el aceite con el agua, el vapor con combustóleo, el aire con agua, refrigerante y agua, entre otros

Además, pueden ser usados en las siguientes industrias:

• Industria del tratamiento de aguas.
• Industria alimenticia.
• Industria láctea.
• Industria automotriz.
• Industria química.
• Industria hotelera.
• Industria textil.
• Industria petroquímica.

1. PARTES DEL INTERCAMBIDOR DE CALOR

[pic 2]

Figura 2 Partes de un intercambiador de calor de tubos y coraza

Los componentes básicos de un intercambiador de tubos y coraza o tubular son:

• Haz tubular: Los tubos proporcionan la superficie de trasferencia de calor entre el fluido que circula por su interior y el fluido que circula por la carcasa. Alojan el fluido secundario, es decir, el producto a calentar.

• Placa tubular: Es una placa de metal perforada para albergar los tubos, los cuales se fijan mediante expansión o soldadura.

• Deflectores: Son placas segmentadas dispuestas a lo largo del intercambiador. Sirven para mantener los tubos en la posición adecuada y obligar al fluido primario a que circule perpendicularmente al haz tubular.

• Carcasa y conexiones: La carcasa es la envolvente del fluido primario y consiste en un cilindro soldado a las placas tubulares. Dispone de conexiones para la entrada y salida del fluido secundario.

• Cabezales desmontables: Elementos conectados a las placas tubulares por ambos extremos, para facilitar la circulación del producto por el haz tubular. Pueden disponer de placas para partición del haz tubular, con el fin de conseguir que el fluido circule por varios pasos.

1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL INTERCAMBIDOR DE CALOR

1. Ventajas

• Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen.
• Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños.
• Es bastante fácil de limpiar y de reparar.
• Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier aplicación.
• Puede trabajar con fluidos en todos los estados.

1. Desventajas

• Una unidad se puede utilizar solo para un trabajo.
• Se requiere aislación, porque sus pérdidas de calor son elevadas.
• Tiene requerimientos espaciales elevados y son un poco costosos.
• Son inflexibles una vez instalados.

1. PARA TENER EN CUENTA A LA HORA DEL DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR

A la hora del diseño de un intercambiador de calor de tubos y coraza se debe tomar en cuenta, el tipo de aplicación, el tipo de fluido que va a pasar por estos, el tipo de material y las temperaturas a las que se requiere el proceso y el espacio destinado; para evitar mayores costos en el diseño, ineficiencias, corta vida del equipo, entre otras.

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