Intercambiador de calor de carcasa y tubos
Shell y intercambiador de calor de tubos constan de una serie de tubos de acero inoxidable. Un conjunto de estos tubos contiene el fluido que debe calentarse o enfriarse. El segundo fluido circula por encima de los tubos que se calientan o enfrían para proporcionar o absorber el calor necesario. Un conjunto de tubos se denomina haz tubular y puede estar formado por varios tipos de tubos: lisos, con aletas longitudinales, etc. Carcasa y tubo intercambiador de calors se utilizan normalmente para aplicaciones de alta presión (con presiones superiores a 30 bares y temperaturas superiores a 260°C. Esto se debe a que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son robustos gracias a su forma.
Hay varias características de diseño térmico que deben tenerse en cuenta al diseñar los tubos del intercambiador de calor de carcasa y tubos. Entre ellas figuran:
Diámetro de los tubos: Utilizar un diámetro de tubo pequeño hace que el intercambiador sea económico y compacto. Sin embargo, es más probable que el intercambiador de calor se ensucian más rápidamente y su pequeño tamaño dificulta la limpieza mecánica de las incrustaciones. Para superar los problemas de ensuciamiento y limpieza, se pueden utilizar tubos de mayor diámetro. Por tanto, para determinar el diámetro del tubo, hay que tener en cuenta el espacio disponible, el coste y la naturaleza de las incrustaciones de los fluidos.
Espesor de los tubos: El grosor de la pared de los tubos suele determinarse para garantizar:
Hay espacio suficiente para corrosión
Que la vibración inducida por el flujo tiene resistencia
Resistencia axial
Capacidad para almacenar fácilmente el coste de las piezas de repuesto
A veces, el grosor de la pared viene determinado por la presión diferencial máxima a través de la pared.
Longitud de los tubos: los intercambiadores de calor suelen ser más baratos cuando tienen un diámetro de carcasa menor y una longitud de tubos mayor. Por eso, normalmente se intenta que el intercambiador sea lo más largo físicamente posible sin sobrepasar la capacidad de producción. Sin embargo, hay muchas limitaciones para ello, como el espacio disponible en el lugar donde se va a utilizar y la necesidad de garantizar que haya tubos disponibles en longitudes que sean el doble de las requeridas (para que los tubos puedan retirarse y sustituirse). Además, hay que tener en cuenta que los tubos largos y finos son difíciles de extraer y sustituir.
Paso de los tubos: a la hora de diseñar los tubos, es práctico asegurarse de que el paso de los tubos (es decir, la distancia entre centros de los tubos contiguos) no sea inferior a 1,25 veces el diámetro exterior de los tubos. Un mayor paso de los tubos implica un mayor diámetro total de la carcasa, lo que encarece el intercambiador.
Tubo corrugado: este tipo de tubos, utilizados principalmente para los tubos interiores, aumenta la turbulencia de los fluidos y el efecto es muy importante en la transferencia de calor dando un mejor rendimiento.
Disposición de los tubos: se refiere a cómo se colocan los tubos dentro del armazón. Existen cuatro tipos principales de disposición de los tubos: triangular (30°), triangular girada (60°), cuadrada (90°) y cuadrada girada (45°). Los diseños triangulares se emplean para conseguir una mayor transferencia de calor, ya que obligan al fluido a fluir de forma más turbulenta alrededor de la tubería. Las formas cuadradas se emplean cuando se producen muchas incrustaciones y la limpieza es más regular.
Diseño de los deflectores: los deflectores se utilizan en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos para dirigir el fluido a través del haz de tubos. Discurren perpendicularmente a la carcasa y sujetan el haz, evitando que los tubos se comben a lo largo de una gran longitud. También pueden impedir que los tubos vibren. El tipo más común de deflector es el segmentado. Los deflectores segmentarios semicirculares están orientados a 180 grados respecto a los deflectores adyacentes, lo que obliga al fluido a fluir hacia arriba y hacia abajo entre el haz de tubos. El espaciado de los deflectores es de gran importancia termodinámica cuando se diseñan intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Los deflectores deben espaciarse teniendo en cuenta la conversión de la caída de presión y la transferencia de calor. Para la optimización termoeconómica se sugiere que los deflectores estén espaciados a no menos de 20% del diámetro interior de la carcasa. Una separación excesiva de los deflectores provoca una mayor caída de presión debido a la redirección del flujo. En consecuencia, tener los deflectores demasiado separados significa que puede haber puntos más fríos en las esquinas entre deflectores. También es importante asegurarse de que los deflectores están lo suficientemente cerca como para que los tubos no se comben. El otro tipo principal de deflector es el de disco y donut, que consiste en dos deflectores concéntricos: el exterior, más ancho, tiene forma de donut, mientras que el interior tiene forma de disco. Este tipo de deflector obliga al fluido a pasar alrededor de cada lado del disco y después a través del deflector en forma de donut, generando un tipo diferente de flujo de fluido.
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