DISEÑO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR

Introducción
Existen muchos procesos de ingeniería que requieren de la transferencia de calor. Para este proceso se necesitan los intercambiadores de calor, los cuales se utilizan para enfriar o calentar fluidos. Por muchos años, el diseño de estos equipos ha sido un gran reto para los investigadores, debido a las exigencias del ahorro energético. Los intercambiadores de calor de tubo y coraza son equipos ampliamente utilizados en la industria.
El objetivo principal de este proyecto es el de diseñar un intercambiador de calor de tubo y coraza, con la finalidad de autoequipar un laboratorio para mostrar el funcionamiento de estos equipos y tener la idea de como se fabrican intercambiadores de calor, así como también para analizar el proceso de estos equipos, formando recursos humanos que tengan el conocimiento y la experiencia en el desarrollo de metodologías para desarrollar investigación y tecnología.
















Diseño del intercambiador de Calor
Condiciones de operación de nuestro intercambiador de calor:
Las condiciones de operación del intercambiador fueron los rangos de temperatura de operación máximos y mínimos fueron de 80ºC a 40 ºC en los tubos y de 20ºC a 30ºC en la coraza, y los rangos de los flujos máximos fueron de 10 000 l/h en los tubos y en la coraza. El flujo del fluido seleccionado en los tubos fue de un solo paso. Los fluidos de trabajo fueron agua fría y agua caliente.
Selección de los materiales:
La selección de los materiales se realizó en relación al funcionamiento de cada componente del equipo. En la tabla 1 se muestran los materiales seleccionados.

Tabla 2 Materiales seleccionados para el intercambiador de calor. SA-Aceros al carbono, SB-Aleaciones de cobre y aluminio.

Obtención de la presión máxima interna de diseño:
Para calcular la presión máxima en la coraza para un material termoplástico (en este caso el acrílico) se utilizó la siguiente ecuación:
Psd=20 SStsDs+ts=200.6 MPa
Siendo Des: el diámetro exterior de la coraza, la cual utilizamos un valor de 200 mm, Ss: el esfuerzo permitido del acrílico a la temperatura de diseño, que es de 110.32 MPa y ts: el espesor de la coraza y es de 20 mm.
Cálculo de la longitud y el diámetro interior de la coraza:
Con la finalidad de visualizar el comportamiento del flujo del fluido a través de la coraza del intercambiador, se seleccionó un material transparente, acrílico.
La longitud de la coraza se determinó con la siguiente expresión:
Ls=Lt-2tts-pts=1.016 m
Siendo Lt: la longitud total de los tubos, es de 1m, tts: es el espesor del espejo, la cual es de 12 mm y pts: que es de 20 mm y esta es la profundidad del canal de los espejo para tener una mejor unión entre la coraza y los espejos de entrada y salida.
El diámetro interior de la coraza, Dis, se calculó con la siguiente ecuación:
Dis=Des-2ts=160 mm
Obtención de la presión interna máxima de diseño en los tubos:
La presión interna máxima de diseño en los tubos, Ptd, se calculó por:
Ptd=2StEtttDit+1.2tt=32.68 MPa
Siendo St: el esfuerzo permitido del material de los tubos a la temperatura de diseño, que es de 619 MPa en tensión y 278.55 en flexión, Et: la eficiencia de la junta de los tubos, en este caso fue de 1 por ser tubos sin costura, tt: el espesor de la pared de los tubos, la cual es de 0.89 mm y Dit: el diámetro interno de los tubos, que es de 14.1 mm, y el de diámetro exterior Det es de 15.87 mm. Estos dos últimos valores fueron escogidos de la tabla 2.














Tabla 2: Especificaciones para tubos de acero comercial según norma BWG.

OD
pulg
BWG

ID
Pulg
OD/ID



OD
Pulg
BWG

ID
pulg
OD/ID

1/4
22
0,194
1,289

1 ¼
7
0,890
1,404

24
0,206
1,214


8
0,920
1,359

26
0,214
1,168


10
0,982
1,273
3/8
18
0,277
1,354


11
1,010
1,238

20
0,305
1,233


12
1,032
1,211

22
0,319
1,176


13
1,060
1,179

24
0,331
1,133


14
1,084
1,153
1/2
16
0,370
1,351


16
1,120
1,116

18
1,402
1,244


18
1,152
1,085

20
0,430
1,163


20
1,180
1,059

22
0,444
1,126


10
1,232
1,218
5/8
12
0,407
1,536


12
1,282
1,170

13
0,435
1,437


14
1,334
1,124

14
0,459
1,362


16
1,370
1,095

15
0,481
1,299

2
11
1,760
1,136

16
0,495
1,263


13
1,810
1,105

17
0,509
1,228

2 1/2
9
2,204
1,134

18
0,527
1,186






19
0,541
1,155






20
0,555
1,136





3/4
10
0,482
1,556






11
0,510
1,471






12
0,532
1,410






13
0,560
1,339






14
0,584
1,284






15
0,606
1,238






16
0,620
1,210






17
0,634
1,183






18
0,652
1,150






20
0,682
1,103





7/8
10
0,607
1,441






11
0,635
1,378






12
0,657
1,332






13
0,685
1,277






14
0,709
1,234






16
0,745
1,174






18
0,777
1,126






20
0,805
1,087





1
8
0,670
1,493






10
0,732
1,366






11
0,760
1,316






12
0,782
1,279






13
0,810
1,235






14
0,834
1,199






15
0,856
1,167






16
0,870
1,119






18
0,902
1,109






20
0,930
1,075








Selección del arreglo de los tubos:
El arreglo más apropiado para este caso, fue el triangular de 30°, debido a que, con este arreglo, se obtiene una mayor área de transferencia de calor.

Fig. 1 arreglo triangular de 30°.
El paso del fluido entre los tubos, Ltp se calculó con 1.5 veces el diámetro exterior de los tubos, fp, y se expresa por:
Ltp=fpDet=23.805 mm
Obtención del número de tubos.
El número de tubos se calculó de acuerdo a las siguientes ecuaciones:
Dotl=Dis-Lbb=145 mm
Dctl=Dotl-Det=!29.13 mm
Siendo Dotl: el diámetro exterior del arreglo de tubos, Dctl: el diámetro del arreglo de tubos y Lbb: el paso o claro que hay entre la coraza y el arreglo de tubos que se supuso de 15 mm. Utilizando los valores de Dotl, Lbb y la constante, C1, para un arreglo de tubos triangular de 30º (C1 = 0.866) se calculó el número total de tubos, Ntt con la siguiente expresión:
Ntt=0.78 D2ctlC1L2tp=27 tubos
Obtención del área de transferencia de calor:
El área de transferencia de calor del arreglo de los tubos, Att, se determinó utilizando el diámetro interno de los tubos, Dit, la longitud de los tubos, Lt, y del número total de tubos, Ntt, de la siguiente manera:
Att=π4DitLtNtt=0.3 m2


Selección y dimensionamiento de las mamparas
En las investigaciones realizadas sobre mamparas observamos que las más apropiada para este caso, es la mampara simple con un corte horizontal del 25%. El dimensionamiento de las mamparas incluye el porcentaje del corte, el diámetro de las mamparas, el claro entre los tubos y las mamparas, el claro entre la coraza y las mamparas, la distancia de las mamparas de entrada, de salida y centrales, el número de mamparas y el espesor de éstas.
La máxima distancia entre los tubos sin soporte (es decir, los tubos dentro del espacio segmentado de la mampara) Lb,max, se determinó con base en las características del material de los tubos y del diámetro exterior de los tubos, Det, la cual se determina con la siguiente expresión:
Lb,max=60Det+177=177.95 mm
El claro que existe entre el barreno de las mamparas y los tubos, Ltb,que es de 0.8 mm se obtuvo con el diámetro exterior de los tubos, Det, y la máxima distancia no soportada de los tubos, Lb,max.
El claro mínimo que hay entre la coraza y las mamparas, Lsb, se determinó con el diámetro interno de la coraza, Dis, al utilizar la siguiente ecuación:
Lsb=1.6+0.004Dis=2.24 mm

El diámetro de las mamparas, Db, se calculó con el diámetro interno de la coraza, Dis, y el claro que hay entre la coraza y mamparas, Lsb, utilizando la siguiente expresión:
Db=Dis-Lsb=157.76 mm
El corte de las mamparas, Cb, se calculó con el diámetro interno de la coraza, Dis, y del porcentaje de corte, Bc, que en este caso fue del 25% ideal para mamparas segmentadas simples, por medio de la siguiente expresión:
Cb=Bc*Dis100=40 mm
El diámetro de los barrenos de las mamparas se determinó con la siguiente expresión:
Dbb=Det+Ltb=16.67 mm
Siendo Dbb: el diámetro de los barrenos de las mamparas y Ltb: el claro entre las mamparas y los tubos. La figura 3 muestra la mampara simple con el diámetro y corte calculados, así como el diámetro de los barrenos de las mamparas

La longitud de los tubos que hay entre los espejos fijos, Lti, se calculó de la siguiente manera:
Lti=Lt-2tts=0.976 m
Siendo Lt: la longitud total de los tubos y tts: el espesor de los espejos fijos.
Para calcular Lbc , lo calculamos con la distancia entre mamparas centrales, Lbc, y el diámetro interno de la coraza, Dis
LbcDis=0.45 Lbc=0.45Dis=72 mm

El número de mamparas que direccionan el flujo de trabajo en la coraza a través del arreglo de tubos, se determinó de la siguiente manera:
Nb=LtiLbc-1=13 mamparas
Siendo Nb: el número de mamparas, Lti: la longitud de los tubos entre espejos y Lbc: la distancia entre mamparas centrales.
La distancia de la mampara de entrada y salida, Lb,ent y Lb,sal, con respecto a los espejos fijos fue la misma para este caso, debido a que permitieron la adecuada distancia del diámetro exterior de las boquillas de entrada y salida de la coraza y ésta se calculó con la siguiente expresión:
Lb,ent=Lb,sal=0.5Lti-LbcNb-1=56 mm
Siendo Lti: la longitud de los tubos, Lbc: la distancia entre mamparas centrales y Nb: el número de mamparas.
Dimensionamiento de los cabezales.
Los cabezales de entrada y salida seleccionados fueron de tipo bonete, con este tipo se obtiene una mejor distribución del flujo en el arreglo de tubos, este consta del canal, tapa elipsoidal y brida.
Para calcular el espesor del canal primero se determinó el radio exterior del canal, Rec, con el diámetro exterior del canal que es de 219.1 mm, de la siguiente manera:
Rec=0.5Dec=109.55 mm
El espesor del canal, tc, se calculó utilizando el valor de la presión de diseño de los tubos, Ptd, el esfuerzo del material del canal a la temperatura de diseño, Sc, la eficiencia de la junta del canal que es de 1 por ser un tubo sin costura, Ec, y la corrosión permitida del canal, Cpc, con la expresión:
tc=PtdRecScEc-0.6Ptd+Cpc=7.8 mm
El espesor de las tapas de los cabezales se calculó con la siguiente expresión:
tcc=PtdDecc2SccEcc-0.2Ptd+Cpcc=7.7 mm
Siendo Ptd: la presión de diseño de los tubos, Scc: el esfuerzo del material de la tapa a la temperatura de diseño, Ecc: la eficiencia de la junta de la tapa que es 1 por ser una pieza fundida y Cpcc, es la corrosión permitida de la tapa.
Con los espesores del canal y de la tapa elipsoidal, se calcularon las dimensiones de los cabezales, esta fueron la longitud tanto del canal y de la tapa, y la profundidad de las tapas. Los cálculos realizados nos muestran que:
dcc=0.8Decc=175.28 mm
Rcc=0.9Decc=197.17 mm
rcc=0.173Decc=37.90 mm
h1=0.25Decc=54.77 mm
h2=0.33h1=18.07 mm
hcc=h1+h2=72.8 mm
Siendo Decc: el diámetro exterior de la tapa elipsoidal que es 219.1, dcc: el diámetro, Rcc: el radio exterior de la tapa, rcc: el radio exterior de curvatura de la tapa, h1: la profundidad de la tapa, h2: la extensión de la tapa y hcc: la longitud total de la tapa.
La longitud total del cabezal que permite una buena distribución del fluido de trabajo en los tubos, Hc, se calculó con el diámetro de la coraza, Ds, de la siguiente manera:
Hc=Ds=200 mm
Para determinar la longitud del canal, hc, se le restó la longitud total de la tapa, hcc, a la longitud total del cabezal con lo que se obtiene la siguiente expresión:
hc=Hc-hcc

Dimensionamiento de las bridas:
Las dimensiones de las bridas están dadas por valores comerciales. Se estima una cantidad de 9 pernos.






Descripción de nuestro intercambiador de Calor

Tabla de medidas importantes
Diámetro exterior de la coraza
Des
200
mm
Espesor de la coraza
ts
12
mm
Diámetro exterior de los tubos
Det
15.87
mm
Espesor de los tubos
tt
0.89
mm
Longitud total de los tubos
Lt
1
m




Posible visualización real de nuestro intercambiador de calor