Cómo diseñar un intercambiador de calor tubular

17 de agosto de 2016
_HRS How to Design a Tubular Heat Exchanger

Cómo diseñar un intercambiador de calor tubular

En HRS Heat Exchangers diseñamos intercambiadores de calor tubulares cada día. En esta sección explicamos el proceso.

Paso 1: Análisis de la aplicación

Cuando recibimos una solicitud de oferta para un intercambiador de calor, el primer paso consiste en analizar la aplicación. ¿Es una aplicación alimentaria? ¿es una aplicación industrial? El ingeniero de diseño debe definir correctamente el tipo de intercambiador que se necesita y los requerimientos de la aplicación. Como puede verse en nuestro catálogo de productos, existe un amplio abanico de tipos de intercambiadores de calor.

La temperatura de diseño, la presión y la pérdida de carga máxima admisible deben definirse para los fluidos de producto y servicio.

Paso 2: Identificar las propiedades de los fluidos

El siguiente paso consiste en analizar los fluidos involucrados: el fluido en el lado de producto y en el lado de servicio. Para poder realizar un correcto diseño de un intercambiador de calor, se necesitan conocer cuatro importantes propiedades físicas de los fluidos implicados:

  • Densidad
  • Calor específico
  • Conductividad térmica
  • Viscosidad

El modo correcto de proceder es obtener los valores de estos parámetros para varias temperaturas en la curva de calentamiento o enfriamiento de la aplicación. Cuanto mejor se entiendan las propiedades físicas de los fluidos implicados, más afinado será el diseño del intercambiador.

Paso 3: Balance energético

Una vez definidas correctamente las propiedades físicas, es momento de comprobar el balance energético. Normalmente el cliente define los caudales de producto y las temperaturas deseadas de entrada y salida de este producto. Necesitará también indicar el tipo de fluido de servicio que usa y definir dos de los tres parámetros siguientes: caudal de servicio, temperatura de entrada del servicio o temperatura de salida del servicio. Conocidos dos de esos tres valores, podremos resolver la ecuación de balance energético calculando el tercer valor.

Paso 4: Definir la geometría del intercambiador de calor

En este paso el ingeniero diseñador decidirá el diámetro de la camisa y definirá el haz tubular que se colocará en el interior del intercambiador de calor: número de tubos interiores, diámetro interior y grosor de pared de los tubos interiores y longitud de los mismos. En segundo lugar, se definen las dimensiones de las conexiones de la camisa y tubos. En este punto debe decidirse también sobre los materiales con los que debe fabricarse el intercambiador. Por defecto, en HRS Heat Exchangers fabricamos los intercambiadores en acero inoxidable en ambos lados (camisa y tubos), pero también fabricamos con otras aleaciones.

Paso 5: Cálculos térmicos

En esta fase, el ingeniero de diseño realiza el cálculo térmico. El objetivo de este cálculo es obtener los coeficientes de intercambio en el lado de producto y de servicio. Estos coeficientes dependen básicamente de los cuatro parámetros clave de los fluidos (definidos previamente) y de su velocidad. La relación entre los parámetros y los coeficientes de intercambio térmico está definida en una fórmula matemática que es específica para la geometría aplicada (intercambiador de calor tubular, de placas, de tubos corrugados). En HRS Heat Exchangers hemos diseñado nuestro propio software de cálculo matemático para el diseño de intercambiadores de calor de tubo corrugado.

Conocidos los coeficientes de los fluidos de camisa y tubo, se puede calcular el coeficiente de transferencia térmica global. Conocido este valor, es ya posible calcular el área total necesaria para el intercambio térmico requerido en la aplicación.

Área=Duty/[K×LMTD]

Donde:

  • Área: área total de intercambio térmico requerida (m²).
  • Duty: calor total transferido, kcal/hr (obtenido del balance energético).
  • K: coeficiente de intercambio térmico general, kcal/[hr.m².°C].
  • LMTD: diferencia de temperatura media algorítmica, en °C (la media logarítmica de las diferencias de temperatura entre los fluidos de camisa y tubos interiores a lo largo de la longitud del intercambiador de calor).

Otro parámetro importante definido es la pérdida de carga que se calcula para los fluidos de camisa y tubos. La pérdida de carga es una función del número de Reynolds, el tipo de flujo (flujo turbulento o laminar) y el valor de rugosidad de la camisa y los tubos interiores.

Paso 6: Interpretación de los cálculos térmicos

El área calculada es comparada con el área definida en el paso 4 (geometría del intercambiador de calor) y se realizan comprobaciones para ver si las pérdidas de carga están dentro de los límites de diseño. En caso de que el área calculada exceda el área definida previamente, la geometría del intercambiador necesita ser redefinida (más longitud o más tubos interiores).

Igual ocurre para la pérdida de carga: si el valor calculado excede del máximo permitido definido, una nueva geometría diferente debe asegurar la reducción de la pérdida de carga. La interpretación de los resultados obtenidos y la adaptación del diseño puede provocar que deban repetirse los pasos 4 a 6, hasta que se obtengan unos resultados satisfactorios.

Paso 7: Cálculos de diseño mecánico

Definida la geometría del intercambiador de calor, se deben realizar los cálculos de diseño mecánico que aseguren que el diseño del intercambiador de calor es válido para las presión y condiciones de diseño. Los cálculos típicos son:

  • Cálculos del grosor de la pared de la camisa.
  • Cálculos del grosor de las conexiones de entrada y salida.
  • Cálculos del grosor de pared de los tubos interiores.
  • Cálculos de las dimensiones de las juntas de expansión (para compensar a la camisa y a los tubos de las diferentes expansiones que sufren debido a las diferentes temperaturas que soportan).
  • Cálculos del grosor de los tubos del haz tubular

Los cálculos de diseño mecánico pueden resultar en la necesidad de un grosor de pared u otros parámetros que no se ajusten con el diseño geométrico definido en el paso 4. En este caso debe realizarse una nueva propuesta para la geometría y repetir los pasos del 4 al 7.

Paso 8: Preparación de los planos de fabricación

Conocidas todas las dimensiones del intercambiador de calor, que ya se encuentra definido, se pueden preparar los planos de fabricación. Este paquete de planos contiene detalles de los componentes del intercambiador, como es la camisa, el tubo, las juntas de expansión, las conexiones, etc.

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