Intercambiador de carcasa y tubo
Principio de funcionamiento

Cómo funciona un intercambiador de carcasa y tubo

Un intercambiador de carcasa y tubo consiste en una carcasa cilíndrica que contiene un haz de tubos más pequeños. Un fluido de proceso circula por el interior de los tubos (lado de los tubos); el otro circula por el exterior de los tubos dentro de la carcasa (lado de la carcasa). El calor se transfiere a través de las paredes de los tubos entre las dos corrientes. La geometría es mecánicamente robusta, con presión de trabajo de hasta cientos de bar y tolerante a fluidos que contienen sólidos en suspensión o forman depósitos, lo que la convierte en el tipo dominante en refinería, petroquímica y generación de energía.

Flujo por el lado de los tubos

El fluido del lado de los tubos entra por el cabezal frontal, se distribuye en el haz tubular a través de la placa tubular, recorre la longitud de la carcasa y sale por el extremo trasero. En una disposición de un solo paso, el fluido realiza un solo recorrido por la carcasa. Los diseños de varios pasos utilizan cabezales tabicados para dirigir el fluido de ida y vuelta a través de filas de tubos separadas, aumentando la longitud total de transferencia de calor sin alargar la carcasa.

Colocar el fluido más sucio o corrosivo en el lado de los tubos es la práctica estándar, ya que los tubos son más fáciles de inspeccionar y limpiar con herramientas mecánicas que los canales del lado de la carcasa entre los tubos.

Flujo por el lado de la carcasa y deflectores

El fluido del lado de la carcasa entra por una boquilla cerca de un extremo de la carcasa y sale cerca del otro. Sin deflectores, fluiría directamente a lo largo del eje del haz tubular, una trayectoria de baja turbulencia que proporciona una transferencia de calor deficiente. Los deflectores segmentales cortan el haz a intervalos y dirigen el fluido del lado de la carcasa en un patrón repetido de flujo cruzado, obligándolo a cambiar de dirección en cada deflector. Esto eleva el coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa y soporta los tubos frente a la vibración y el pandeo.

El principio de funcionamiento del intercambiador de carcasa y tubo depende de manera crítica del espaciado y el corte de los deflectores. Deflectores más próximos aumentan la turbulencia y la transferencia de calor, pero elevan la caída de presión. Un diseño de deflector helicoidal (que sustituye los deflectores segmentales por placas helicoidales continuas) reduce la caída de presión y las incrustaciones en aplicaciones de baja velocidad.

Tipos TEMA y construcción

La Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) clasifica los intercambiadores de carcasa y tubo por extremo frontal, tipo de carcasa y extremo trasero. Las variantes más comunes:

• Placa tubular fija (p. ej., BEM): los tubos se sueldan o se expanden en las placas tubulares en ambos extremos. Bajo coste y compacto, pero el haz tubular no puede retirarse para limpiar el lado de la carcasa y las diferencias de expansión térmica deben gestionarse con una junta de expansión.
• Tubo en U (p. ej., BEU): el haz tubular forma una U y puede extraerse por un extremo para limpieza o sustitución. Una sola placa tubular, por lo que no hay problema de expansión diferencial. No puede limpiarse mecánicamente por el interior del codo en U.
• Cabezal flotante (p. ej., AES, AEW): la placa tubular trasera no está fija a la carcasa; flota para acomodar la expansión térmica. El haz es totalmente extraíble. La construcción de mayor coste, pero la más favorable para el mantenimiento en servicios con incrustaciones severas o alta diferencia de temperatura.

El intercambiador de carcasa y tubo en U se usa ampliamente en refinerías para servicio a alta temperatura. La elección de diseño del intercambiador tubular entre estas variantes depende de la expansión térmica diferencial, los requisitos de acceso para limpieza y las presiones de trabajo en cada lado.

Aplicaciones industriales

Los intercambiadores de carcasa y tubo cubren la mayoría de las aplicaciones industriales del intercambiador de carcasa y tubo:

• Refino de petróleo y petroquímica: precalentamiento de crudo, enfriadores de producto, rehervidores y condensadores de cabeza. Las altas presiones y las corrientes corrosivas son habituales. Tubos de Hastelloy, SS dúplex o acero al carbono según el servicio.
• Calentamiento por vapor: los intercambiadores de carcasa y tubo vapor-agua son estándar en sistemas industriales de agua caliente y servicios de vapor a líquido. El vapor se condensa en el lado de la carcasa; el agua de proceso o el producto líquido circulan por los tubos.
• Enfriamiento con agua de mar: los intercambiadores de agua de mar utilizan tubos de titanio o Cu-Ni para resistir la corrosión por cloruros. La construcción de carcasa y tubo gestiona mejor el riesgo de bioincrustación que las placas con juntas en entornos marinos.
• Enfriamiento de aceite: intercambiador de calor para enfriamiento de aceite en compresores, sistemas hidráulicos y cajas de engranajes. Los diseños de intercambiador aceite-agua colocan típicamente el aceite en el lado de la carcasa y el agua de refrigeración en los tubos.
• Servicio de condensador — vapor condensándose en el lado de la carcasa, agua de refrigeración en los tubos. La construcción permite grandes volúmenes de vapor con baja caída de presión, algo que los intercambiadores de placas no pueden igualar.
• Recuperación de calor de aceite residual: los intercambiadores de aceite residual recuperan calor de lubricantes usados o aceites de proceso antes de su eliminación o re-refino.
• Los tipos de intercambiadores de calor industriales para nitrógeno, criogénico y servicios de baja temperatura utilizan diseños de intercambiador de baja temperatura con materiales de sello especiales e internos de turbulencia mejorada.

Cuándo el intercambiador de carcasa y tubo es la mejor opción

Los intercambiadores de carcasa y tubo se prefieren a los de placas cuando: la presión de operación supera los 25-30 bar, las temperaturas superan los 200 °C, el fluido del lado de la carcasa genera incrustaciones severas (lodos, alquitrán, corrientes polimerizantes) o el fluido no es compatible con las juntas elastoméricas de los intercambiadores de placas. Para fluidos más limpios en condiciones moderadas donde el espacio importa, un intercambiador de calor de placas suele ser más económico.

Comprar un intercambiador de carcasa y tubo usado

Puntos críticos de inspección en una unidad usada: espesor de pared de tubos por ultrasonidos o corrientes de Foucault, estado de la placa tubular (corrosión, erosión en las caras de entrada), estado de los deflectores e historial de pruebas de presión. El taponamiento de tubos es aceptable hasta aproximadamente el 10 % del total de tubos antes de que el rendimiento térmico se vea significativamente afectado. Revise cualquier registro de mantenimiento, especialmente los de sustitución del haz tubular.

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