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
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
LA MATERIA SE PRESENTA EN TRES

ESTADOS:

FASE SÓLIDA

FASE LIQUIDA

FASE GASEOSA
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CALOR SENSIBLE
CUANDO LA TRASFERENCIA DE CALOR
ENTRE LA FUENTE Y EL RECEPTOR
PROVOCA VARIACION DE TEMPERATURA
CALOR SENSIBLE
QS = M cp ΔTº
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CALOR LATENTE
CUANDO LA TRASFERENCIA DE CALOR
ENTRE LA FUENTE Y EL RECEPTOR
PROVOCA UN CAMBIO DE FASE
CALOR LATENTE
QL = M Lo
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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
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
EXISTEN TRES FORMAS DE

TRANSFERENCIA DE CALOR :

CONDUCCION

CONVECCION

RADIACION
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
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).
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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
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Conductividades térmicas de
algunos materiales
a temperatura ambiente
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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.

•
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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
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ECUACIÓN CINÉTICA DE
TRANSMISIÓN 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
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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).
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Introducción
Requisitos:
1. Alta eficiencia térmica
2. Mínima cáida de presión
3. Confiabilidad y expectativa de vida útil
4. Producto de alta calidad
5. 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
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Según su construcción

Tubular
– - Doble tubo
– - Carcasa y Tubos

- Flujo cruzado

- Espiral

- Placas

- Superficie aleteada (tubular o de placas)

- Regenerativo
– - Estático
– - Dinámico
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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
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Según el mecanismo de transferencia

- Convección / Convección

- Convección / Cambio de fase

- Cambio de fase / Cambio de fase

- Convección / Radiación
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Según la aplicación

- Economizadores, precalentadores,
recuperadores

- Hornos

- Generador de vapor

- Evaporadores, condensadores, torre de
refrigerigeración.

- Colector solar

- Heat-pipe
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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
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•INTERCAMBIADOR DE CABEZAL
FLOTANTE INTERNO (tipo AES)
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Componentes
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Baffles
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Barras separadoras
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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.
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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.
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Distribución de los tubos
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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)
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Métodos de fijación de los tubos a las
placas tubulares:
– Por expansión del tubo contra el agujero de la placa
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Métodos de fijación de los tubos a las
placas tubulares:
– Por soldadura
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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.
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Causas de deterioro y averías:
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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
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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,
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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.
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