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Intercambiadores de Calor. Introducción ¿Qué es Transferencia de calor ? pasar calor de un lado hacia otro … para determinados procesos o bien por cuestiones de eficiencia energética
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Intercambiadores de Calor Mantenimiento Industrial II
Introducción ¿Qué es Transferencia de calor ? pasar calor de un lado hacia otro … para determinados procesos o bien por cuestiones de eficiencia energética Definición: Un intercambiador de calor es un dispositivo que es utilizado para la transferencia de energía térmica interna entre dos o mas fluidos disponibles a diferentes temperaturas. En la mayoría de los intercambiadores de calor los fluidos son separados por la superficie de transferencia, e idealmente no se mezclan. Mantenimiento Industrial II
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE CUERPOS CALIENTES Y FRIOS
LA MATERIA SE PRESENTA EN TRES • ESTADOS: • FASE SÓLIDA • FASE LIQUIDA • FASE GASEOSA
CALOR SENSIBLE CUANDO LA TRASFERENCIA DE CALOR ENTRE LA FUENTE Y EL RECEPTOR PROVOCA VARIACION DE TEMPERATURA CALOR SENSIBLE QS = M cp ΔTº
CALOR LATENTE CUANDO LA TRASFERENCIA DE CALOR ENTRE LA FUENTE Y EL RECEPTOR PROVOCA UN CAMBIO DE FASE CALOR LATENTE QL = M Lo
EN GENERAL LA TRASFERENCIA DE CALOR ENTRE LA FUENTE Y EL RECEPTOR PROVOCA UN CAMBIO DE FASE Y DE Tº CALOR TOTAL QT = QL + QS = M cp ΔTº + M Lo
EXISTEN TRES FORMAS DE • TRANSFERENCIA DE CALOR : • CONDUCCION • CONVECCION • RADIACION
CONDUCCION: Transferencia de calor a través de un material sólido (pared). • CONVECCION: Transferencia de calor entre partes calientes y frías de un fluido por mezclas. ( agua que se calienta en un recipiente). • RADIACION: Transferencia de energía radiante desde una fuente a un receptor (Sol – Tierra).
CONDUCCIÓN La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos. Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre moléculas
Conductividades térmicas de algunos materiales a temperatura ambiente
Normas constructivas • Código ASME para construcción dentro de la sección VIII (normas generales para el diseño de recipientes a presión). • Normas TEMA(Tubular Exchanger Manufacturers Association) • En la Argentina, no hay un código mecánico obligatorio aunque por lo general los diseñadores de equipos ajustan sus diseños a las especificaciones del código ASME. • •
Normas constructivas • Clase R: Condiciones de servicio rigurosas. Máximo de confiabilidad y durabilidad en condiciones de servicios rigurosas. • Clase C: Condiciones de servicio moderadas. Para aplicaciones comerciales y de procesos de propósito general. • Clase B: Para la industria química de procesos • Otro código: API 660 (industria petrolera). requisitos adicionales a las normas TEMA para aplicación de servicio pesado
ECUACIÓN CINÉTICA DETRANSMISIÓN DE CALOR Esta fórmula es válida para geometría simple, en caso del intercambiador de tubo y carcasa, un solo paso por los tubos y un solo paso por la carcasa
CONVECCION: • Transferencia de calor entre fluido frío adyacente que reciben calor de superficies calientes, que transfieren al resto del fluido frió por mezcla, o partes calientes y frías de un fluido por mezclas. ( agua que se calienta en un recipiente).
Introducción • Requisitos: • Alta eficiencia térmica • Mínima cáida de presión • Confiabilidad y expectativa de vida útil • Producto de alta calidad • Operación segura Mantenimiento Industrial II
Clasificación / Tipos de Intercambiadores • Se clasifican de distintas maneras: • Construcción • Proceso de transporte • Cuan compacto • Arreglo de flujo • Arreglo de pasos • Fase de los fluidos • Mecanismo de transferencia de calor Mantenimiento Industrial II
Según el proceso de transferencia • - Contacto directo • Gas - Líquido • Inmiscibles líquido - líquido • Sólido-líquido o sólido - gas • La mayoría de los intercambiadores de calor por contacto directo caen bajo la categoría de gas líquido, donde el calor se transfiere entre un gas y líquidos en forma de gotas, las películas o aerosoles. Tales tipos de intercambiadores de calor se utilizan predominantemente en aire acondicionado, humidificación, enfriamiento por agua y condensación de las plantas. • - Contacto indirecto • - Transferencia directa - Con almacenamiento- Lecho fluido
Según su construcción • Tubular • - Doble tubo • - Carcasa y Tubos • - Flujo cruzado • - Espiral • - Placas • - Superficie aleteada (tubular o de placas) • - Regenerativo • - Estático • - Dinámico
Según la compacidad: • - Compactos (β ≥ 700 m2 / m3 ) • - No compactos (β < 700 m2 /m3) • Beta ,densidad de área Según la disposición de flujos: • - Paso único • - Cocorriente • - Contracorriente • - Cruzado • - Paso múltiple
Según el mecanismo de transferencia • - Convección / Convección • - Convección / Cambio de fase • - Cambio de fase / Cambio de fase • - Convección / Radiación
Según la aplicación • - Economizadores, precalentadores, recuperadores • - Hornos • - Generador de vapor • - Evaporadores, condensadores, torre de refrigerigeración. • - Colector solar • - Heat-pipe
Aplicaciones • Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos • • Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. • • Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua. • • Calentador: Aplica calor sensible a un fluido. • • Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de reebulición que se necesita para la destilación. (Los hay de termosifón, de circulación forzada, de caldera,...) • • Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido
Componentes Mantenimiento Industrial II
Tubos • Normas dimensionales BWG (Birmingham Wire Gage).Normaliza los tubos por su diámetro exterior y por un número de serie que es el que define el espesor del tubo. • Diámetros que van desde ¼” hasta 1,5”.Casi todos los intercambiadores se construyen utilizando tubos de ¾” o de 1”. • El largo de los tubos es definido por el diseñador. • La utilización de tubos excesivamente largos dificulta las operaciones de limpieza.
Tubos- Materiales: • Se selecciona de acuerdo a las características de los fluidos desde el punto de vista de la corrosión. • El espesor del tubo se selecciona de acuerdo al cálculo mecánico en función de la presión y la temperatura de trabajo del equipo. El espesor de cálculo deberá incrementarse con un sobreespesor por corrosión que dependerá de los fluidos manejados y del material de los tubos. • Los materiales mas comúnmente empleados en los tubos de los intercambiadores de calor son los aceros al carbono, aceros aleados; aceros inoxidables; cobres; níquel y sus aleaciones.
Arreglo de tubos Triangular o tresbolillo Normal (fig 2 a) Con espacios de limpieza (fig 2 b) Cuadrado Normal (fig 2 c) Rotado (fig 2 d)
Métodos de fijación de los tubos a las placas tubulares: • Por expansión del tubo contra el agujero de la placa
Métodos de fijación de los tubos a las placas tubulares: • Por soldadura
Causas de deterioro y averías: • Principalmente los daños ocurren en las superficies de los materiales del intercambiador de calor en contacto con hidrocarburos, sustancias químicas, agua y vapor. Los daños son influenciados por factores tales como: temperatura, fatiga mecánica, turbulencia, concentración y velocidad de escurrimiento de los fluidos. • La corrosión en diferentes formas, de uno o en ambos lados de los tubos del mazo, puede causar pinchaduras con consecuentes pérdidas o mezcla de fluidos.
Causas de deterioro y averías: • Corrosión Puede ocurrir en cualquiera de los componentes del intercambiador en contacto con los fluidos o en las áreas donde ocurran cambios de estados (liquido-vapor). Este es el principal mecanismo de falla en los intercambiadores de calor, especialmente en los tubos, y dependerá de los materiales y de los fluidos que circulan por esto
Corrosión • Hidrocarburos • Agentes corrosivos: • Compuestos de azufre • Acido clorhídrico (resultante de la hidrólisis de clorato de calcio o de magnesio) • Agua • Este es el modo de corrosión mas visto en este tipo de equipos, y hay que tener especial cuidado porque el agua es muy corrosiva frente al acero,
Averías mecánicas • Grietas. • Vibraciones en los tubos (ocasionando desgaste al rozar el tubo con los baffles). • Aflojamiento de tubos en el cabezal. • Los principales agentes de corrosión son: Estrangulamiento por colapso de los tubos (debido a gran presión diferencial entre el lado interno y externo de los tubos, por ejemplo). • Alabeo y deformación de los tubos. • Montaje inadecuado.
