Intercambiador De Calor

Metodología para el diseño de un intercambiador

de calor de tubo de coraza1

Dra. Rita Aguilar Osorio

Rafael Flores González

Instituto Politécnico Nacional, México

raguilaro@ipn.mx

Resumen

En este trabajo se presenta la metodología para el diseño mecánico de un intercambiador de calor de tubo y coraza. Para el desarrollo de esta metodología se consideraron las características del fluido de trabajo, que en este caso fue agua fría y agua caliente, los flujos, las temperaturas máximas y mínimas de operación, la corrosión permisible, los esfuerzos permisibles de los materiales, las condiciones del banco de pruebas y el espacio en el laboratorio. Para la aplicación de la metodología propuesta se desarrolló un programa computacional utilizando el lenguaje Visual Basic, con el cual se obtuvieron las dimensiones de los componentes del intercambiador. Este consistió principalmente, de una coraza cilíndrica de diámetro interno de 185 mm con una longitud de 1163.6 mm; 55 tubos en un arreglo triangular de 30º con un diámetro interno de 14.475 mm, una longitud de 1200 mm; 12 mamparas con un diámetro de 182.7 mm, un corte del 25%, un espesor de 1.6 mm y un espaciamiento entre mamparas de y 83.25 mm, respectivamente; los espejos fijos con un diámetro de 342.9 mm; canales y tapas de diámetro interno de 203.4 mm. Con los resultados obtenidos se fabricó el intercambiador de calor.

Palabra claves: Metodología para el diseño de un intercambiador de calor, diseño de in intercambiador, Intercambiador de calor, dimensionamiento de un intercambiador de calor.

1 Ponencia presentada en el V Congreso Internacional de Metodología de la Ciencia y de la Investigación para la Educación. Ciudad de Villahermosa, Tab. México. 2009.

Metodología de la Ciencia. Revista de la Asociación Mexicana de Metodología de la Ciencia y de la Investigación, A.C.

Año 2, Volumen 2, Número 1, Enero-Junio de 2010, México. 57

Abstract

In this work a methodology for mechanical design of a shell and tube heat exchanger is presented. The methodology was carried out based on the characteristic of the fluid (in this particular case was cool and hot water), flow rates, maximum and minimum temperatures of operation, allowable corrosion and stress of the materials and conditions of the experimental rig. In order to use the methodology a computational program in Visual Basic was developed for sizing the components of the exchanger. The results obtained were, mainly, a cylindrical shell with internal diameter of 185 mm and length of 1163.6 mm; 55 tubes in a triangular tube layout of 30º with internal diameter of 14.475 mm and length of 1200 mm; 12 baffles with diameters of 182.7 mm and a cut of 25%, thickness and central spacing of 1.6 and 83.25 mm, respectively; fixed tubesheet with diameter of 342.9 mm; channels and covers with internal diameter of 203.4 mm.

Key words: Design methodology of a heat exchanger, heat exchanger design, heat exchanger, sizing of a heat exchanger.

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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 Mexicana. Sin embargo, de la revisión bibliográfica realizada, se observa que la información actual que hay en México sobre el diseño mecánico, selección de materiales y fabricación de un intercambiador de calor, es escasa. También se realizó una investigación en la industria mexicana relacionada con el diseño y construcción de los intercambiadores de calor, de la cual se observó que no existe tecnología propia, que las pocas industrias del país solamente se dedican a la venta y en algunos casos a la maquila de estos equipos. Como consecuencia estos equipos son importados. También se observó que aunque existen normas, códigos y manuales para el desarrollo de estos equipos, no existe una metodología para el diseño de éstos.

El objetivo principal de este proyecto fue proponer una metodología para diseñar un intercambiador de calor de tubo y coraza, con la finalidad de autoequipar un laboratorio de investigación relacionada con la aplicación de metodologías para diseñar y fabricar 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.

Este proyecto fue apoyado por la Secretaria de Posgrado e Investigación del IPN, el cual se realizó en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Zacatenco del IPN.

Metodología general de proyecto

La metodología general de este proyecto de investigación consistió principalmente de los siguientes pasos:

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1. Realizar una revisión bibliográfica, de la cual se observó, que aunque existen normas, códigos, y manuales para el desarrollo de estos equipos, no existe una metodología para el diseño y fabricación de estos.

2. Proponer una metodología para diseñar el intercambiador de calor.

3. Desarrollar un programa computacional para utilizar la metodología propuesta para dimensionar los componentes del intercambiador. Aunque existen programas comerciales para el diseño de estos equipos, éstos son muy caros y a veces no cumplen específicamente con los requerimientos de la industria mexicana.

4. Con los cálculos obtenidos del programa computacional y la selección de materiales se construyó el intercambiador de calor utilizando un centro de maquinado de control numérico, en el cual se utilizó el programa Mastercam.

Metodología para el diseño mecánico del intercambiador

La eficiencia óptima de un intercambiador de calor requiere, de una buena metodología para el diseño y una apropiada selección de los materiales para su construcción. Para esto, es necesario conocer las condiciones de operación del equipo, la corrosión y el ensuciamiento que pueden ocasionar los fluidos de trabajos, así como también las propiedades físicas, químicas y mecánicas de los materiales y

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