¿Cómo diseñar un intercambiador de calor de carcasa y tubos?

El cálculo del diseño de un intercambiador de calor de carcasa y tubos implica varios pasos. A continuación se ofrece una descripción general del proceso:

1. Determine la carga térmica: comience determinando la tasa de transferencia de calor o la carga térmica (Q) requerida del intercambiador de calor. Esto puede basarse en los requisitos específicos de la aplicación o del proceso.

2. Determinar las propiedades del fluido: Identificar las propiedades del fluido caliente (temperatura de entrada, temperatura de salida, caudal, capacidad calorífica específica y densidad) y del fluido frío (mismas propiedades) involucradas en el proceso de intercambio de calor.

3. Elija la disposición de carcasa y tubos: seleccione una disposición de carcasa y tubos adecuada en función de factores como limitaciones de caída de presión, tendencias a incrustaciones, facilidad de mantenimiento y eficiencia general. Las disposiciones comunes incluyen los diseños de placa de tubo fijo, tubo en U y cabezal flotante.

4. Determine el coeficiente general de transferencia de calor (U): El coeficiente general de transferencia de calor representa la eficiencia del intercambiador de calor en la transferencia de calor entre los fluidos fríos y calientes. Se calcula utilizando una combinación de los coeficientes de película individuales para los fluidos dentro y fuera de los tubos, así como la resistencia térmica de la pared del tubo.

5. Determine el área de transferencia de calor del lado del tubo: Calcule el área de transferencia de calor requerida en el lado del tubo usando la fórmula:

   A = Q / (U × ΔTm)

donde A es el área de transferencia de calor, Q es la carga térmica, U es el coeficiente general de transferencia de calor y ΔTm es la diferencia media de temperatura logarítmica (LMTD). El LMTD depende de la diferencia de temperatura entre los fluidos fríos y calientes en varios puntos a lo largo del intercambiador de calor.

6. Seleccione el tamaño y la disposición del tubo: determine el diámetro y la longitud del tubo en función de factores como restricciones de caída de presión, limitaciones de velocidad del fluido y consideraciones de contaminación. Además, decida el patrón de disposición del tubo, como paso triangular o cuadrado.

7. Verifique la velocidad del flujo del lado del tubo: Verifique que la velocidad del flujo del lado del tubo esté dentro de los límites aceptables para evitar una caída excesiva de presión o problemas de flujo. El rango recomendado suele ser de 1 a 3 m/s para flujos de líquidos y de 10 a 20 m/s para flujos de gases.

8. Verifique la caída de presión en el lado del tubo: Calcule la caída de presión en el lado del tubo usando correlaciones empíricas o análisis de flujo detallado. Asegúrese de que la caída de presión esté dentro de los límites aceptables según los requisitos del sistema.

9. Determine el área de transferencia de calor del lado de la carcasa: Calcule el área de transferencia de calor del lado de la carcasa requerida en función del área de transferencia de calor del lado del tubo, los factores de incrustación y el coeficiente general de transferencia de calor.

10. Seleccione el tamaño y el diseño de la carcasa: elija un diámetro y una longitud de carcasa adecuados, teniendo en cuenta factores como las limitaciones de caída de presión, el espacio disponible y las consideraciones de fabricación.

11. Verifique la velocidad del flujo del lado de la carcasa: Verifique que la velocidad del flujo del lado de la carcasa esté dentro de los límites aceptables para evitar una caída excesiva de presión o problemas de flujo. El rango recomendado suele ser de 0,1 a 0,3 m/s para flujos de líquidos y de 0,2 a 1 m/s para flujos de gases.

12. Verifique la caída de presión en el lado de la carcasa: Calcule la caída de presión en el lado de la carcasa utilizando correlaciones empíricas o un análisis de flujo detallado. Asegúrese de que la caída de presión esté dentro de los límites aceptables según los requisitos del sistema.

13. Diseñe las placas de tubos, los deflectores y los soportes: Diseñe las placas de tubos, los deflectores y las estructuras de soporte para resistir la presión, la temperatura y las tensiones mecánicas encontradas durante la operación.

14. Realice cálculos iterativos: ajuste iterativamente las dimensiones del tubo y la carcasa, así como otros parámetros de diseño, para cumplir con el área de transferencia de calor, la caída de presión y otros requisitos de rendimiento deseados.

Es importante tener en cuenta que el cálculo del diseño de un intercambiador de calor de carcasa y tubos puede ser complejo y puede requerir conocimientos detallados de los principios de transferencia de calor, la mecánica de fluidos y la ingeniería térmica. Considere consultar literatura especializada, códigos de ingeniería o buscar ayuda.

Intercambiador de calor de carcasa y tubos