¿Qué son los intercambiadores de calor de carcasa y tubo?
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubo son ampliamente utilizados en el ámbito de la ingeniería y representan uno de los dos tipos más comunes de intercambiadores de calor; el otro tipo común es el intercambiador de calor de placas.
Estos intercambiadores presentan un diseño sencillo, características robustas y costos de adquisición y mantenimiento relativamente bajos. También ofrecen una alta eficiencia en la transferencia de calor, aunque requieren más espacio que un intercambiador de calor de placas con capacidad térmica similar.
Intercambiadores de Calor de Carcasa y Tubo
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Componentes del Intercambiador de Calor de Carcasa y Tubo
Un intercambiador de calor de carcasa y tubo consiste en una serie de tubos alojados dentro de un contenedor cilíndrico conocido como ‘carcasa’. Todos los tubos dentro de la carcasa se denominan colectivamente ‘haz de tubos’ o 'nido de tubos'. Cada tubo pasa a través de una serie de deflectores y placas tubulares (también conocidas como ‘pilas de tubos’). Una de las placas tubulares está fija y la otra es libre de moverse, lo que permite la expansión térmica cuando el intercambiador de calor se calienta.
Componentes del Intercambiador de Calor de Carcasa y Tubo
El medio que fluye dentro de los tubos se conoce como el medio del ‘lado del tubo’. El medio que fluye fuera de los tubos se conoce como el medio del ‘lado de la carcasa’. Cada medio tiene una entrada y una descarga.
El medio del lado del tubo generalmente se selecciona para el fluido de alta presión, ya que cada tubo puede actuar como un pequeño recipiente a presión; también es más rentable fabricar tubos diseñados para alta presión que una carcasa con la misma clasificación.
Ejemplo: Intercambiadores de Calor
Un intercambiador de calor de carcasa utiliza agua para enfriar aceite. El aceite es el medio del lado de la carcasa, mientras que el agua es el medio del lado del tubo. El aceite entra por la entrada superior izquierda y fluye a través del intercambiador de calor hasta llegar a la descarga inferior derecha. El agua fluye a través de los tubos desde la entrada derecha hasta la descarga izquierda.
Intercambiador de Calor de Paso Único
¿Cómo funcionan los intercambiadores de calor de carcasa y tubo?
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El intercambiador de calor de carcasa y tubo se divide en dos sistemas principales, conocidos como el lado de la carcasa y el lado del tubo. Cada sistema tiene un medio de flujo asociado. En nuestro ejemplo, asumiremos que el lado de la carcasa contiene aceite mineral caliente que debe ser enfriado, mientras que el lado del tubo contiene agua de enfriamiento.
El agua de enfriamiento entra al intercambiador de calor y fluye a través de los tubos. El aceite mineral entra al intercambiador de calor y fluye en la carcasa que rodea los tubos. Los dos fluidos no se mezclan ya que la pared de los tubos lo impide. Debido a que los fluidos no se mezclan directamente, ocurre un enfriamiento indirecto (no un enfriamiento directo).
El flujo turbulento aumenta la tasa de transferencia de calor del intercambiador de calor y también reduce la probabilidad de que se acumulen sólidos disueltos en las paredes del tubo y la carcasa (el flujo turbulento tiene un efecto autolimpiante).
El flujo turbulento dentro de los tubos se crea insertando inserciones de tubo (también conocidas como 'turbuladores') en cada uno de los tubos. El flujo turbulento dentro de la carcasa se crea mediante deflectores, que se utilizan para dirigir el agua a través de los tubos varias veces mientras viaja a través del intercambiador de calor.
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Inserciones de Tubo (línea negra en el medio del tubo)
El calor se intercambia entre los dos fluidos porque están en contacto térmico entre sí. El aceite sale del intercambiador de calor más frío y el agua sale del intercambiador de calor más caliente.
Flujo Paralelo, Contracorriente y Cruzado
Flujo Paralelo, Contracorriente y Cruzado
Los intercambiadores de calor están disponibles en muchas formas y tamaños. Para facilitar la clasificación de los intercambiadores de calor, a menudo se dividen en grupos basados en el diseño y las características operativas. Una de estas características es el tipo de flujo.
Hay tres tipos principales de flujo, estos son paralelo, contracorriente y cruzado. Debido a consideraciones de diseño y las aplicaciones de los intercambiadores de calor, es raro que un intercambiador de calor sea solo uno de estos tipos de flujo, generalmente son una combinación de varios tipos de flujo, por ejemplo, flujo cruzado contracorriente.
Flujo Paralelo
El flujo paralelo ocurre cuando tanto el medio del lado de la carcasa como el del lado del tubo entran al intercambiador de calor desde el mismo extremo del intercambiador de calor y fluyen hacia el extremo opuesto del intercambiador de calor. El cambio de temperatura (delta T/ΔT) a través de los dos medios es igual para ambos, es decir, ambos aumentan o disminuyen en una cierta cantidad. Observe que la temperatura de salida de ambos medios tiende a converger y no es posible enfriar por debajo de este punto, aunque la temperatura de entrada del fluido más frío sea inferior a la temperatura de convergencia (la temperatura de convergencia en el gráfico a continuación es aproximadamente 80°C).
Intercambiador de Calor de Flujo Paralelo
Flujo Contracorriente
El flujo contracorriente (también conocido como flujo contrario) en los intercambiadores de calor tiene dos medios de flujo que fluyen en una dirección contraria (180° apartados) entre sí. Cada medio de flujo entra al intercambiador de calor en extremos opuestos y se descarga en extremos opuestos. Debido a que el medio más frío sale del intercambiador de calor de flujo contracorriente en el extremo donde el medio caliente entra al intercambiador de calor, el fluido más frío se acercará a la temperatura de entrada del fluido caliente; esto hace que el potencial delta T sea mucho mayor que el de un intercambiador de calor de flujo paralelo. Los intercambiadores de calor de flujo contracorriente son el tipo más eficiente de intercambiador de calor.
Intercambiador de Calor de Flujo Contracorriente
Flujo Cruzado
Los intercambiadores de calor de flujo cruzado tienen un medio que fluye perpendicular (a 90°) al otro. Los intercambiadores de calor de flujo cruzado se encuentran generalmente en aplicaciones donde uno de los fluidos cambia de estado (flujo bifásico). Por ejemplo, un condensador de un sistema de vapor, en el cual el vapor que sale de la turbina entra al lado de la carcasa del condensador, y el agua fría que fluye en los tubos absorbe el calor del vapor, condensándolo en agua. Grandes volúmenes de vapor pueden ser condensados usando este tipo de flujo de intercambiador de calor.
Intercambiador de Calor de Flujo Cruzado
Paso Único y Múltiple
Una forma económica y eficiente de aumentar la eficiencia de un intercambiador de calor es poner en contacto los medios de flujo entre sí varias veces. Cada vez que un medio pasa sobre el otro, se intercambia calor.
Cuando un medio de flujo pasa sobre el otro solo una vez, se denomina intercambiador de calor de ‘paso único’.
Diseño de Intercambiador de Calor de Paso Único
Cuando un medio de flujo pasa sobre el otro más de una vez, se denomina intercambiador de calor de ‘paso múltiple’.
Diseño de Intercambiador de Calor de Paso Múltiple
Paso Múltiple en los Tubos
Comúnmente, el intercambiador de calor de paso múltiple invierte el flujo en los tubos mediante el uso de uno o más conjuntos de curvas en "U" en los tubos. Las curvas en "U" permiten que el fluido fluya de un lado a otro a lo largo del intercambiador de calor. Este tipo de intercambiador de calor se conoce como intercambiador de calor de carcasa y tubo en U.
Intercambiador de Calor en Forma de U
También es posible invertir el flujo a través de los tubos utilizando el lado inferior o superior del haz de tubos para un paso, y el lado opuesto para el siguiente paso. Así, cada mitad de un haz de tubos equivale a un paso.
Paso Múltiple en la Carcasa
Un segundo método para lograr múltiples pasos es insertar deflectores en el lado de la carcasa del intercambiador de calor. Estos dirigen el fluido del lado de la carcasa de un lado a otro a través de los tubos para lograr el efecto de paso múltiple.
Intercambiador de Calor de Paso Múltiple
Ventajas y Desventajas de los Intercambiadores de Calor de Carcasa y Tubo
Ventajas
- Más económicos en comparación con los intercambiadores de calor de placas.
- Diseño relativamente simple y fácil de mantener.
- Adecuados para presiones y temperaturas más altas en comparación con los intercambiadores de calor de placas.
- La caída de presión (delta P/ΔP) es menor que en un intercambiador de calor de placas.
- Fácil de localizar y aislar tubos con fugas.
- Los tubos pueden ser 'de doble pared' para reducir la probabilidad de que el fluido del lado de la carcasa se filtre en el fluido del lado del tubo (o viceversa).
- Fácil de instalar ánodos sacrificatorios.
- Menos propensos a la suciedad que los intercambiadores de calor de placas.
Desventajas
- Menos eficientes que los intercambiadores de calor de placas.
- Requieren más espacio para abrir y retirar los tubos.
- La capacidad de enfriamiento no se puede aumentar, pero la de un intercambiador de calor de placas sí.
Partes del Intercambiador de Calor de Carcasa y Tubo
Placa de Partición
La placa de partición separa las mitades inferior y superior del intercambiador de calor. La partición desvía el medio de flujo a través de los tubos. Entrada / Descarga Entrada o descarga del medio fluido que fluye a través de los tubos o la carcasa del intercambiador de calor.
Carcasa
La carcasa se utiliza para contener el medio de flujo y alojar las partes internas. También sirve como una pieza estructural fuerte a la que se pueden unir otras piezas. Placa de Cubierta La placa de cubierta se utiliza para sellar un extremo de la carcasa y prevenir fugas.
Junta
Una junta se coloca entre dos superficies metálicas. La junta generalmente está construida de papel o goma y se ‘aprieta’ entre los metales para crear un sello. El sello previene fugas.
La forma de la junta también previene fugas alrededor de la placa de partición.
Placa Tubular Estacionaria
La placa tubular se encuentra dentro de la carcasa y soporta los extremos de los tubos. El peso de los tubos es entonces soportado adicionalmente por los deflectores (dependiendo del diseño).
Deflectores
Los deflectores se utilizan para cambiar la dirección del flujo del medio fluido. Cambiar la dirección asegura una distribución uniforme del calor a lo largo del intercambiador de calor. La eficiencia disminuye cuando el flujo a través del intercambiador de calor no está distribuido uniformemente.
Perno
Las tuercas y los pernos se utilizan para asegurar partes del intercambiador de calor. Los pernos elegidos deben tener características adecuadas de resistencia a la tracción y resistencia a la corrosión. Los pernos son la parte ‘masculina’ de un conjunto de tuerca y perno.
Tuerca
Las tuercas y los pernos se utilizan para asegurar partes del intercambiador de calor. Las tuercas elegidas deben tener características adecuadas de resistencia a la tracción y resistencia a la corrosión.
Las tuercas son la parte ‘femenina’ de un conjunto de tuerca y perno.
Barras de Amarre
Las barras de amarre se utilizan como guías para los deflectores para asegurar que no ocurra movimiento rotacional o axial de los deflectores.
Tubos
Uno de los medios fluidos fluye directamente a través de los tubos mientras que el otro fluye turbulento en el exterior. El calor se intercambia entre los dos medios debido a la proximidad (el calor se intercambia por conducción a las paredes del tubo y luego al medio exterior).
Carcasa
Los tubos, deflectores y barras de amarre están todos alojados dentro de la carcasa. Es la construcción de carcasa y tubo la que da nombre a este tipo de intercambiador de calor.
Recursos Adicionales
http://www.mcraeeng.com/how-shell-and-tube-heat-exchangers-work/page-2/blog.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger
https://www.explainthatstuff.com/how-heat-exchangers-work.html