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Principio de funcionamiento de los intercambiadores de calor tubulares.
En el lado de la carcasa y en el lado del tubo fluyen respectivamente dos fluidos de diferentes temperaturas. El fluido caliente se curva a través del haz de tubos en el lado de la carcasa, transfiriendo calor a la pared del tubo. El fluido frío fluye dentro de la tubería, absorbiendo calor de la pared de la tubería. La pared del tubo sirve como superficie de transferencia de calor para lograr el intercambio de calor, mientras que los dos fluidos no se mezclan entre sí. Este diseño es estructuralmente robusto y adecuado para condiciones de trabajo de alta presión y alta temperatura.
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Estructura del intercambiador de calor de carcasa y tubos.
El intercambiador de calor de carcasa y tubos se compone de componentes como la carcasa, el haz de tubos de transferencia de calor, la placa de tubos, la placa deflectora (deflector) y la caja de tubos. La carcasa tiene forma mayoritariamente cilíndrica, con haces de tubos instalados en su interior. Los dos extremos de los haces de tubos están fijados a las placas de tubos.
Los dos fluidos que sufren intercambio de calor, caliente y frío, uno fluye dentro del tubo y se llama fluido del lado del tubo. Otro tipo fluye fuera del tubo y se llama fluido del lado de la carcasa. Para mejorar el coeficiente de transferencia de calor del fluido fuera del tubo, generalmente se instalan varios deflectores dentro de la carcasa.
Los deflectores pueden aumentar la velocidad del fluido en el lado de la carcasa, lo que obliga al fluido a pasar lateralmente a través del haz de tubos varias veces a lo largo del camino prescrito y mejora el grado de turbulencia del fluido.
Los tubos de intercambio de calor se pueden disponer en triángulos o cuadrados equiláteros sobre la placa de tubos. La disposición triangular equilátera es relativamente compacta, el grado de turbulencia del fluido fuera del tubo es alto y el coeficiente de transferencia de calor es grande. La disposición cuadrada hace que sea conveniente limpiar el exterior del tubo y es adecuado para fluidos propensos a incrustarse.
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Selección de lados de tubo y carcasa.
Los fluidos sucios, fácilmente incrustantes y corrosivos deben transportarse a través del lado del tubo para evitar la corrosión simultánea del haz de tubos y la carcasa, y para facilitar la limpieza y el mantenimiento.
Los fluidos con alta presión deben pasar por el lado del tubo para evitar presión simultánea en la carcasa.
Los fluidos tóxicos deben pasar a través del lado de la tubería para reducir la posibilidad de fugas.
El fluido enfriado debería pasar preferiblemente a través del lado de la carcasa, lo que facilita la disipación de calor y mejora el efecto de enfriamiento.
Es aconsejable que el vapor saturado pase por el lado de la carcasa, lo que facilita la descarga de condensados y gases no condensables, y el vapor queda limpio y no contaminante.
Para el lado de la carcasa son adecuados fluidos con bajo caudal o alta viscosidad. Debido al efecto de la placa deflectora, se pueden lograr turbulencias con un número de Reynolds bajo (Re > 100).
Si la diferencia de temperatura entre los dos fluidos es grande, es aconsejable dejar que el fluido con un α mayor fluya a través del lado de la carcasa para reducir la diferencia de temperatura entre la pared del tubo y la pared de la carcasa.
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Diferencia entre intercambiadores de calor de placas e intercambiadores de calor de carcasa y tubos
La principal diferencia entre los intercambiadores de calor de placas y los intercambiadores de calor de carcasa y tubos radica en su eficiencia de transferencia de calor, tamaño, peso y facilidad de desmontaje y limpieza. Los intercambiadores de calor de placas son adecuados para condiciones de presión baja a media, temperatura relativamente baja y medios limpios, como aire acondicionado, agua caliente sanitaria e intercambio de calor industrial en general. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, por otro lado, tienen una estructura robusta y confiable, capaz de soportar altas temperaturas, alta presión y medios sucios. Son adecuados para condiciones complejas, como las industrias petroquímica y energética, que implican alta temperatura, alta presión, sólidos o incrustaciones. En las mismas condiciones, su eficiencia de transferencia de calor es ligeramente menor y su tamaño es mayor, pero su vida útil y aplicabilidad son más amplias. En general, los intercambiadores de calor de placas se prefieren para entornos limpios de presión baja a media, mientras que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos se prefieren para entornos hostiles, de alta temperatura y alta presión.
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