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Revisión del intercambiador de calor del tubo y de la cáscara
Aug 08, 2017

El tipo más básico y más común de construcción de intercambiador de calor es el tubo y la carcasa, como se muestra en la Figura 1. Este tipo de intercambiador de calor consiste en un conjunto de tubos en un recipiente llamado una carcasa. El fluido que fluye dentro de los tubos se llama fluido lateral del tubo y el fluido que fluye en el exterior de los tubos es el fluido del lado de la envoltura. En los extremos de los tubos, el fluido lateral del tubo se separa del fluido lateral de la envuelta por la lámina o chapas tubulares.

Los tubos se enrollan y se encajan a presión o se sueldan en la lámina de tubo para proporcionar un sellado hermético a las fugas. En sistemas en los que los dos fluidos están a presiones muy diferentes, el fluido de presión más alta se dirige típicamente a través de los tubos y el fluido de presión inferior se hace circular en el lado de la envoltura. Esto se debe a la economía, porque los tubos intercambiadores de calor se pueden hacer para soportar presiones más altas que la envoltura del intercambiador de calor por un coste mucho menor. Las placas de soporte mostradas en la Figura 1 también actúan como deflectores para dirigir el flujo de fluido dentro de la carcasa hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.

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Aplicación y Teoría de la Operación:

Dos fluidos, de diferentes temperaturas de arranque, fluyen a través del intercambiador de calor. Uno fluye a través de los tubos (el lado del tubo) y el otro fluye fuera de los tubos, pero dentro de la carcasa (el lado de la carcasa). El calor se transfiere de un fluido a otro a través de las paredes del tubo, ya sea del lado del tubo al lado de la carcasa o viceversa. Los fluidos pueden ser líquidos o gases en la cáscara o en el lado del tubo. Con el fin de transferir el calor eficientemente, una gran área de transferencia de calor debe ser utilizado, lo que lleva al uso de muchos tubos. De esta manera, el calor residual se puede poner en uso. Esta es una manera eficiente de ahorrar energía.

Los intercambiadores de calor con una sola fase (líquido o gas) en cada lado pueden llamarse intercambiadores de calor monofásicos o monofásicos. Los intercambiadores de calor bifásicos se pueden utilizar para calentar un líquido para hervirlo en un gas (vapor), a veces llamado calderas, o enfriar un vapor para condensarlo en un líquido (llamado condensadores), con el cambio de fase que suele ocurrir en la cáscara lado. Las calderas en locomotoras de motor de vapor son típicamente grandes intercambiadores de calor de casco y tubo de forma cilíndrica. En las grandes centrales eléctricas con turbinas de vapor, se utilizan conden- sadores superficiales y tubulares para condensar el vapor de escape que sale de la turbina en agua condensada que se recicla de nuevo para convertirla en vapor en el generador de vapor.

Diseño de ingeniería:

Puede haber muchas variaciones en el diseño de la cáscara y del tubo. Típicamente, los extremos de cada tubo están conectados a cámaras (a veces llamadas cajas de agua) a través de orificios en láminas de tubos. Los tubos pueden ser rectos o doblados en forma de U, llamados tubos en U.

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En las centrales nucleares conocidas como reactores de agua a presión, los grandes intercambiadores de calor llamados generadores de vapor son intercambiadores de calor bifásicos, de casco y tubo, que típicamente tienen tubos en U. Se utilizan para hervir agua reciclado de un condensador de superficie en vapor para impulsar una turbina para producir energía. La mayoría de los intercambiadores de calor de la cáscara-y-tubo son diseños del paso de 1, de 2, o de 4 en el lado del tubo. Esto se refiere al número de veces que el fluido en los tubos pasa a través del fluido en la cubierta. En un intercambiador de calor de paso único, el fluido entra en un extremo de cada tubo y sale por el otro.

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Los condensadores de superficie en las centrales eléctricas son a menudo intercambiadores de calor de tubo recto de 1 paso (vea Condensador de superficie para el diagrama). Los diseños de dos y cuatro pasos son comunes porque el fluido puede entrar y salir por el mismo lado. Esto hace que la construcción sea mucho más simple.


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A menudo hay deflectores dirigiendo el flujo a través del lado de la envoltura para que el fluido no tome un corte corto a través del lado de la envoltura dejando volúmenes de flujo bajos ineficaces. Estos están generalmente unidos al haz de tubos en lugar de a la envoltura con el fin de que el haz sea todavía removible para mantenimiento.

Los intercambiadores de calor a contracorriente son los más eficientes porque permiten la mayor diferencia de temperatura de registro entre las corrientes caliente y fría. Muchas empresas, sin embargo, no utilizan intercambiadores de calor de paso único porque pueden romperse fácilmente, además de ser más costoso de construir. A menudo se pueden usar múltiples intercambiadores de calor para simular el flujo de contracorriente de un solo intercambiador grande.

Materiales de ingeniería:

Para facilitar la transferencia de calor bien, el material del tubo debe tener una buena conductividad térmica. Debido a que el calor se transfiere de un lado caliente a otro frío a través de los tubos, existe una diferencia de temperatura a través del ancho de los tubos. Debido a la tendencia del material del tubo a dilatarse térmicamente de forma diferente a diversas temperaturas, se producen tensiones térmicas durante el funcionamiento. Esto es además de cualquier estrés de altas presiones de los propios fluidos. El material del tubo también debe ser compatible tanto con el depósito como con los fluidos laterales del tubo durante períodos prolongados en las condiciones de funcionamiento (temperaturas, presiones, pH, etc.) para minimizar el deterioro como la corrosión. Todos estos requisitos exigen una selección cuidadosa de materiales de tubos de alta calidad resistentes a la corrosión, térmicamente conductores, típicamente metales, incluyendo aleación de cobre, acero inoxidable, acero al carbono, aleación de cobre no ferrosa, Inconel, níquel, Hastelloy y titanio . Una mala elección del material del tubo podría dar lugar a una fuga a través de un tubo entre la carcasa y los lados del tubo, causando contaminación cruzada de fluidos y posiblemente pérdida de presión.