La elección de un intercambiador de calor comienza con el proceso
Unintercambiador de calor industrial de carcasa y tubosPuede parecer un equipo relativamente simple: una carcasa cilíndrica, un conjunto de tubos y algunas conexiones.
Pero el diseño real es mucho más complicado.
Un intercambiador de calor que tenga el tamaño correcto para un proceso puede funcionar mal en otro. Un área de transferencia de calor-insuficiente puede dar como resultado temperaturas de salida inadecuadas, mientras que un área excesiva aumenta el costo del equipo. La velocidad de flujo incorrecta puede causar suciedad, erosión o caída excesiva de presión.
Para aplicaciones industriales, el objetivo no es simplemente encontrar un intercambiador de calor con un número determinado de tubos.
El objetivo es encontrar el equilibrio adecuado entre:
Rendimiento de transferencia de calor + Caída de presión + Resistencia a la suciedad + Fiabilidad mecánica + Costo del ciclo de vida
Esta guía explica los factores clave que los ingenieros y los equipos de compras deben considerar al seleccionar un intercambiador de calor industrial de carcasa y tubos.
¿Qué es un intercambiador de calor industrial de carcasa y tubos?
Un intercambiador de calor de carcasa y tubos transfiere calor entre dos fluidos sin permitir que se mezclen directamente.
Un fluido fluye a través de los tubos, mientras que el otro fluye alrededor de los tubos dentro de la carcasa.
El calor pasa a través de la pared del tubo desde el fluido más caliente al fluido más frío.
Dependiendo del proceso, el intercambiador se puede utilizar para:
- Calentamiento de líquido-a-líquido
- Refrigeración de líquido-a-líquido
- Refrigeración de gases
- Condensación
- Calentamiento de vapor
- Precalentamiento del fluido de proceso
- Enfriamiento de aceite
- Recuperación de calor residual
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos se utilizan ampliamente en:
- refinerías de petróleo
- Plantas petroquímicas
- Plantas químicas
- Generación de energía
- Procesamiento de alimentos
- Fabricación farmacéutica
- Servicios industriales
- HVAC y refrigeración de procesos
Su popularidad proviene de su flexibilidad, resistencia mecánica y capacidad para soportar temperaturas y presiones relativamente altas.
Comience con servicio de calor
El primer parámetro a establecer es el rendimiento térmico requerido.
En términos simples, el servicio de calor le indica cuánta energía térmica debe transferirse.
Para un fluido monofásico-, un cálculo básico se puede expresar como:
Q=m × Cp × ΔT
Dónde:
Q= servicio de calor
m= tasa de flujo másico
CP= capacidad calorífica específica
ΔT= cambio de temperatura
Por ejemplo, si un proceso requiere un gran aumento de temperatura a un caudal elevado, el intercambiador requerirá una capacidad de transferencia de calor- significativamente mayor.
El cálculo se vuelve más complicado cuando se trata de cambio de fase, condensación o evaporación.
Esta es la razón por la que se deben proporcionar al fabricante datos precisos del proceso antes del dimensionamiento final del equipo.
Determine el área de transferencia de calor requerida
Una vez conocida la carga térmica, los ingenieros pueden estimar el área de transferencia de calor-requerida.
Una relación simplificada es:
Q=U × A × ΔTlm
Dónde:
Q= servicio de calor
U= coeficiente general de transferencia de calor-
A=área de transferencia de calor-
ΔTlm= registro de diferencia de temperatura media
El coeficiente general de transferencia de calor-depende de muchas variables, entre ellas:
- Propiedades del fluido
- Velocidad del flujo
- Material del tubo
- Diámetro del tubo
- Abordaje
- Viscosidad del fluido
- Disposición de flujo
Esta es la razón por la que simplemente especificar un intercambiador de calor por capacidad o dimensiones físicas puede resultar engañoso.
Dos intercambiadores con el mismo diámetro de carcasa pueden tener rendimientos térmicos muy diferentes.
¿Contraflujo o flujo paralelo?
La disposición del flujo tiene un impacto importante en el rendimiento de la transferencia de calor-.
Contraflujo
En un intercambiador de calor a contracorriente, los dos fluidos se mueven en direcciones opuestas.
Esta disposición generalmente proporciona una fuerza impulsora de temperatura efectiva más alta y puede lograr un mejor rendimiento térmico.
A menudo se prefiere para aplicaciones industriales donde es importante maximizar la recuperación de calor.
Flujo paralelo
Ambos fluidos se mueven en la misma dirección.
Esta configuración puede ser útil para ciertas aplicaciones, pero generalmente proporciona una fuerza impulsora de temperatura promedio más baja que el contraflujo.
Para muchas aplicaciones industriales de carcasa y tubos, los ingenieros pretenden lograr una disposición que proporcione una transferencia de calor a contracorriente eficaz.
¿Cómo se elige el lado del tubo y el lado de la carcasa?
Esta es una de las decisiones de diseño más importantes.
El líquido colocado en el lado del tubo no debe seleccionarse al azar.
Los ingenieros pueden considerar:
Fluidos corrosivos
Se puede colocar un fluido corrosivo dentro de los tubos porque los tubos pueden fabricarse a partir de una aleación resistente a la corrosión-al mismo tiempo que se mantiene relativamente baja la cantidad de material costoso.
Fluidos de alta-presión
Los fluidos de alta-presión a menudo se consideran para el lado del tubo porque los tubos de menor-diámetro pueden ser mecánicamente más fáciles de diseñar para alta presión que una carcasa grande.
Fluidos contaminantes
Se puede colocar un líquido que probablemente se ensucie en el lado del tubo si se requiere una limpieza mecánica más sencilla.
Fluidos Viscosos
Los fluidos altamente viscosos pueden beneficiarse de una configuración que mejore la transferencia de calor y al mismo tiempo mantenga la caída de presión dentro de límites aceptables.
La decisión final depende del proceso real.
El diámetro y la longitud del tubo importan
La geometría del tubo afecta directamente la transferencia de calor y la caída de presión.
Los diámetros exteriores de tubos comunes incluyen aproximadamente:
- 12,7 milímetros
- 15,9 milímetros
- 19,05 milímetros
- 25,4 milímetros
El diámetro apropiado depende de:
- Caudal
- Viscosidad del fluido
- Tendencia a ensuciar
- Método de limpieza
- Caída de presión
- Área de transferencia de calor-requerida
Los tubos más largos pueden proporcionar más-área de transferencia de calor sin aumentar el diámetro de la carcasa, pero pueden requerir más espacio de instalación y pueden aumentar la caída de presión.
Los tubos más cortos pueden simplificar el mantenimiento y la instalación, pero pueden requerir una carcasa más grande o múltiples pasadas.
No existe un tamaño de tubo universalmente "mejor".
Los pases de tubo afectan el rendimiento
Un intercambiador de calor de carcasa y tubos puede utilizar:
- 1 pase de tubo
- 2 pases de tubo
- 4 pases de tubo
- 6 pases de tubo
- Arreglos más complejos
Aumentar el número de pasos del tubo generalmente aumenta la velocidad del fluido, lo que puede mejorar la transferencia de calor.
Sin embargo, una mayor velocidad también aumenta la caída de presión.
Por lo tanto, la selección del pase-de metro es un equilibrio entre:
Transferencia de calor frente a caída de presión
Por ejemplo, duplicar el número de pasos de tubo puede mejorar el rendimiento de la transferencia de calor-, pero el aumento de la caída de presión- asociada puede ser inaceptable para un sistema limitado-de bomba.
Es por eso que el diseño térmico y el diseño hidráulico deben realizarse juntos.
La contaminación es uno de los mayores problemas de los intercambiadores de calor industriales
Un intercambiador de calor nuevo puede funcionar extremadamente bien cuando está limpio.
La situación puede cambiar significativamente después de meses de funcionamiento.
Las incrustaciones pueden provenir de:
- Sólidos en suspensión
- Escala
- Productos de corrosión
- Depósitos de petróleo
- Materiales orgánicos
- Cristalización
- Polimerización
La suciedad crea una resistencia térmica adicional, lo que reduce el rendimiento de la transferencia de calor-.
También puede aumentar la caída de presión.
Por lo tanto, un buen diseño industrial considera no sólo el desempeño limpio, sino también el desempeño sucio.
Elija el material de tubo adecuado
La selección del material debe basarse en las condiciones del proceso.
Los materiales comunes incluyen:
Acero carbono
Adecuado para muchos servicios industriales generales donde la corrosión es manejable.
Acero inoxidable 304
Proporciona una resistencia mejorada a la corrosión para una amplia gama de aplicaciones.
Acero inoxidable 316L
A menudo seleccionado para ambientes corrosivos más exigentes.
Acero inoxidable dúplex
Puede proporcionar alta resistencia y resistencia mejorada a ciertos mecanismos de corrosión.
Aleaciones a base de níquel-
Se utiliza para aplicaciones altamente corrosivas o de alta-temperatura donde los aceros inoxidables convencionales pueden no proporcionar suficiente resistencia.
La selección de materiales debe considerar:
- Temperatura
- Presión
- Concentración de cloruro
- pH
- Composición fluida
- Mecanismo de corrosión
- Vida útil esperada
Elegir el material más barato puede reducir el costo inicial del equipo pero aumentar los gastos del ciclo de vida.
No ignore la caída de presión
Un intercambiador de calor puede tener un rendimiento de transferencia de calor-excelente y aun así tener un diseño deficiente si la caída de presión es demasiado alta.
Una caída de presión excesiva puede aumentar:
- Consumo de energía de la bomba
- Carga del compresor
- Costos operativos
Por lo tanto, se debe establecer la caída de presión permitida antes de finalizar el diseño del intercambiador.
El diseño debe equilibrar:
Mayor velocidad → Mejor transferencia de calor
contra:
Mayor velocidad → Mayor caída de presión
Ésta es una de las ventajas y desventajas fundamentales-en la ingeniería de intercambiadores de calor.
Considere la limpieza y el mantenimiento antes de comprar
Los intercambiadores de calor eventualmente necesitarán limpieza.
Dependiendo del proceso, los métodos de limpieza pueden incluir:
- Limpieza mecanica de tubos
- Limpieza quimica
- Limpieza con agua a alta-presión
- Sistemas de limpieza en línea
Si el proceso genera mucha suciedad, un haz de tubos extraíbles o una configuración mecánica adecuada pueden proporcionar importantes ventajas de mantenimiento.
Antes de realizar el pedido, pregunte:
- ¿Se puede quitar el haz de tubos?
- ¿Hay suficiente espacio para la extracción de paquetes?
- ¿Se pueden limpiar los tubos mecánicamente?
- ¿Hay juntas de repuesto disponibles?
- ¿Se pueden reparar o tapar tubos individuales?
La planificación del mantenimiento debe ser parte del diseño original.
¿Lámina de tubo fijo, tubo en U o cabezal flotante?
La configuración del intercambiador de calor también importa.
Hoja de tubo fijo
Ventajas:
Construcción relativamente simple
Menor costo inicial
Diseño compacto
Limitación:
Es necesario considerar cuidadosamente la expansión térmica entre la carcasa y los tubos.
Intercambiador de calor de tubos en U-
Los tubos están doblados en forma de U.
Ventajas:
Maneja la expansión térmica de manera efectiva
Adecuado para ciertos servicios de alta-temperatura
No se requiere junta de expansión separada
Limitación:
La limpieza mecánica del interior de la curva U-puede resultar más difícil.
Cabeza flotante
Un diseño de cabezal-flotante permite una mayor flexibilidad para la expansión térmica y el mantenimiento.
Las ventajas incluyen:
Buena capacidad de expansión térmica.
Eliminación de paquetes más sencilla
Mejor idoneidad para algunos servicios exigentes
La contrapartida-es una mayor complejidad mecánica y, normalmente, un coste inicial más alto.
Diseño para las condiciones operativas reales
Se debe diseñar un intercambiador de calor alrededor de amboscondiciones normales de funcionamientoycondiciones de diseño.
Los parámetros importantes incluyen:
- Presión de funcionamiento
- Presión de diseño
- Temperatura de funcionamiento
- Temperatura de diseño
- Caudal
- Composición fluida
- Densidad
- Viscosidad
- Calor específico
- Conductividad térmica
Si las condiciones del proceso pueden variar significativamente, el intercambiador también debe evaluarse en diferentes escenarios operativos.
Un sistema que funciona bien en una condición fija puede no funcionar igualmente bien durante el arranque, el apagado, el apagado o la operación estacional.
¿Qué estándares deberían considerarse?
Es posible que los intercambiadores de calor industriales de carcasa y tubos deban cumplir con estándares de diseño y fabricación específicos según el proyecto.
Los estándares comúnmente referenciados pueden incluir:
- ASME Sección VIII
- TEMA
- Estándares API para servicios de refinería aplicables
- Requisitos de DEP
- estándares GB
- Especificaciones específicas del cliente-
El código aplicable depende de la ubicación del proyecto, la clasificación de presión, la aplicación y los requisitos del propietario.
Debe confirmarse antes de que comience la ingeniería de detalle.
Cómo elegir un fabricante de intercambiadores de calor industriales de carcasa y tubos
Un buen fabricante debería proporcionar algo más que un conjunto de carcasa y tubo fabricado.
Al evaluar a los proveedores, verifique su capacidad para proporcionar:
Ingeniería Térmica
Cálculos-de calor
Cálculos del área-de transferencia-de calor
Cálculos-de caída de presión
Análisis de rendimiento térmico
Ingeniería Mecánica
Diseño de concha
Diseño de hoja de tubo-
Diseño de boquilla
Análisis de expansión térmica.
Selección de materiales
Fabricación
Soldadura o expansión de tubo-a-placa tubular
Fabricación de precisión
control de soldadura
Tratamiento superficial
Inspección dimensional
Control de calidad
Certificados de materiales
END
Prueba hidrostática
Pruebas de fugas
Documentación de inspección
Soporte de Proyecto
Guía de instalación
Asistencia para la puesta en marcha
Documentación técnica
Soporte postventa-
Para proyectos complejos, un proveedor con capacidades de ingeniería y EPC puede proporcionar valor adicional coordinando el intercambiador de calor con otros equipos de proceso.
Intercambiador de calor industrial de carcasa y tubos de Chunlei Chemical Machinery
Chunlei Chemical Machinery ofrece soluciones personalizadas de intercambiadores de calor industriales para las industrias química, petroquímica, de refinería y de procesos.
En lugar de seleccionar equipos de un catálogo fijo, podemos diseñar intercambiadores de calor de carcasa y tubos según las condiciones operativas reales del proceso del cliente.
Dependiendo de los requisitos del proyecto, el equipo se puede personalizar según:
- Servicio de calor
- Caudal
- Temperatura de funcionamiento
- Presión de funcionamiento
- Material del tubo
- Material de la carcasa
- Diámetro del tubo
- Longitud del tubo
- Número de pases de tubo
- Condiciones de contaminación
- Requisitos de limpieza
- Normas de diseño aplicables
Nuestras capacidades se extienden más allá de la fabricación de equipos.
Para proyectos de procesos más grandes, Chunlei Chemical Machinery también puede proporcionar:
Ingeniería → Fabricación → Soporte de instalación → Puesta en servicio → Servicios EPC
Esto permite evaluar el intercambiador de calor como parte del sistema de proceso completo en lugar de como una pieza aislada del equipo.
¿Qué información debe proporcionar para una cotización de intercambiador de calor?
Si desea una cotización precisa, proporcione la mayor cantidad posible de la siguiente información.
lado caliente
Nombre del fluido
Caudal
Temperatura de entrada
Temperatura de salida
Presión de funcionamiento
Presión de diseño
Lado frío
Nombre del fluido
Caudal
Temperatura de entrada
Temperatura de salida
Presión de funcionamiento
Presión de diseño
Requisitos del equipo
Servicio de calor
Caída de presión permitida
Requisitos de materiales
Características de las incrustaciones
Método de limpieza
Normas aplicables
Cuanto más completa sea la información del proceso, con mayor precisión podrá dimensionar el fabricante el intercambiador.
Lista de verificación de compra de intercambiadores de calor de carcasa y tubos industriales
Antes de realizar un pedido, confirme:
- Servicio de calor requerido
- Tasa de flujo del lado caliente-
- Tasa de flujo del lado frío-
- Temperaturas de entrada y salida
- Presión de operación y diseño.
- Caída de presión permitida
- Propiedades del fluido
- Tendencia a ensuciar
- Material del tubo
- Material de la carcasa
- Diámetro y longitud del tubo
- Número de pases de tubo
- Método de limpieza
- Código de diseño aplicable
- Requisitos de inspección
- Calendario de entrega
- Requisitos de instalación
Esta lista de verificación puede evitar muchos malentendidos comunes durante la adquisición de equipos.
Pensamientos finales
Seleccionando unintercambiador de calor industrial de carcasa y tubosNo es simplemente una cuestión de elegir el área-de transferencia de calor más grande o la cotización más baja.
El mejor diseño debe equilibrar:
Rendimiento térmico + Rendimiento hidráulico + Compatibilidad de materiales + Mantenibilidad + Costo del ciclo de vida
Un intercambiador de calor que proporciona una excelente transferencia de calor pero provoca una caída de presión excesiva no es un diseño optimizado.
Un intercambiador de bajo-coste que requiere una limpieza frecuente puede resultar costoso de operar.
Y un intercambiador de alto-rendimiento fabricado con un material inadecuado puede crear graves problemas de confiabilidad.
El enfoque correcto es comenzar con los datos del proceso, calcular la potencia térmica requerida, evaluar el rendimiento térmico e hidráulico, seleccionar los materiales y la configuración adecuados y luego elegir un fabricante capaz de entregar el equipo con los estándares de calidad e ingeniería requeridos.
Para las industrias química, petroquímica, de refinería y de otros procesos, el intercambiador de calor adecuado no sólo debe cumplir con los requisitos operativos actuales.
Debería seguir funcionando de forma fiable como parte de la planta en los años venideros.
Preguntas frecuentes
P: ¿Para qué se utiliza un intercambiador de calor industrial de carcasa y tubos?
R: Se utiliza para transferir calor entre dos fluidos sin mezcla directa. Las aplicaciones comunes incluyen calentamiento y enfriamiento de procesos, enfriamiento de aceite, calentamiento de vapor, condensación, precalentamiento de alimentación y recuperación de calor residual.
P: ¿Cómo determino el tamaño requerido del intercambiador de calor?
R: El tamaño depende principalmente de la carga térmica, los caudales de fluido, las temperaturas de entrada y salida, el coeficiente de transferencia de calor-, la caída de presión permitida y las condiciones de incrustación. Se debe realizar un cálculo térmico e hidráulico antes del dimensionamiento final.
P: ¿Cuál es mejor, diseño de placa de tubo fijo, tubo en U o cabezal flotante?
R: No existe una respuesta universal. Los diseños de placas de tubos fijos son relativamente simples y económicos, los diseños de tubos en U soportan bien la expansión térmica y los diseños de cabezales flotantes-brindan mayor flexibilidad para la expansión térmica y el mantenimiento. Las condiciones del proceso deben determinar la configuración.
P: ¿Qué material se debe utilizar para los tubos?
R: El acero al carbono, el acero inoxidable 304, 316L, el acero inoxidable dúplex y las aleaciones de níquel pueden ser adecuados según el proceso. La selección del material debe basarse en la temperatura, presión, composición del fluido, contenido de cloruro y riesgo de corrosión.
P: ¿Cómo puedo reducir la contaminación del intercambiador de calor?
R: La velocidad adecuada del fluido, los materiales apropiados, la geometría adecuada del tubo, la buena distribución del flujo, el margen de contaminación adecuado y una estrategia de limpieza adecuada pueden ayudar a controlar la contaminación.
P: ¿Puede Chunlei Chemical Machinery personalizar los intercambiadores de calor de carcasa y tubos?
R: Sí. Chunlei Chemical Machinery puede personalizar los intercambiadores de calor de carcasa y tubos según el rendimiento térmico, el caudal, la temperatura, la presión, el material, la configuración del tubo, las condiciones de incrustación y los estándares de diseño aplicables.
P: ¿Puede Chunlei Chemical Machinery respaldar proyectos de procesos completos?
R: Sí. Además de la fabricación de equipos, Chunlei Chemical Machinery puede brindar soporte de ingeniería, asistencia de instalación, soporte de puesta en servicio y servicios de proyectos EPC para proyectos químicos y petroquímicos adecuados.
¿Necesita un intercambiador de calor industrial de carcasa y tubos?
Chunlei Chemical Machinery proporciona intercambiadores de calor de carcasa y tubos personalizados para aplicaciones de procesos químicos, petroquímicos, refinerías y industriales.
