Castillo Denis UT

1

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE TABASCO

DIVISN DE PROCESOS INDUSTRIALES

TRABAJO RECEPCIONAL

REHABILITACIN DE CAMBIADORES DE CALOR DE LA PLANTA

ENDULZADORA DE GAS

QUE PRESENTA PARA OBTENER EL TTULO DE TCNICO

SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MANTENIMIENTO REA PETRLEO.

ALUMNO:

LORENZO ANTONIO CASTILLO DENIS

EMPRESA:

COMPLEJO PROCESADOR DE GAS NUEVO PEMEX

ASESOR ACADMICO:

ING. LIUVA VANESSA

CORTES PATIO

ASESOR EMPRESARIAL:

ING. ELIUHT AZUETA PREZ

2

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE TABASCO

DIVISIN DE PROCESOS INDUSTRIALES

TRABAJO RECEPCIONAL

REHABILITACIN DE CAMBIADORES DE CALOR DE LA PLANTA

ENDULZADORA DE GAS

QUE PRESENTA PARA OBTENER EL TTULO DE TCNICO

SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MANTENIMIENTO REA PETRLEO.

ALUMNO:

LORENZO ANTONIO CASTILLO DENIS

MATRICULA

421310119

EMPRESA:

COMPLEJO PROCESADOR DE GAS NUEVO PEMEX

ASESOR ACADMICO:

ING. LIUVA VANESSA

CORTES PATIO

ASESOR EMPRESARIAL:

ING. ELIUHT AZUETA PREZ

3

NDICE 1. INTRODUCCIN ................................................................................................................................ 5

1.1GENERALIDADES DE LA EMPRESA ........................................................................................... 6

1.1.1. NOMBRE DE LA EMPRESA ...................................................................................................... 6

1.1.2. LOGOTIPO DE LA EMPRESA ............................................................................................. 6

1.2. ANTECEDENTES DE LA EMPRESA .......................................................................................... 6

1.2.1. MISIN .......................................................................................................................................... 7

1.2.2. VISIN ........................................................................................................................................... 7

1.2.3. Valores. .......................................................................................................................................... 8

1.2. Objetivo ......................................................................................................................................... 8

1.3. REA DONDE SE DESARROLLAR LA ESTADA ............................................................. 8

1.4. TEMA DE LA ESTADA .............................................................................................................. 8

1.5. ANTECEDENTES ....................................................................................................................... 8

1.6. JUSTIFICACIN DEL TEMA ..................................................................................................... 9

1.6. OBJETIVO GENERAL. ................................................................................................................... 9

1.6.1. OBJETIVOS ESPECFICOS .................................................................................................... 10

1.7. ALCANCE DEL TEMA DE ESTADA. ........................................................................................ 10

1.7.1. IMPACTO CUALITATIVO. ........................................................................................................ 10

1.7.2. IMPACTO CUANTITATIVO. ..................................................................................................... 10

1.8. MARCO TERICO ........................................................................................................................ 11

1.9. FUNDAMENTOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR. ..................................................... 12

1.10. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. ................................................................. 13

1.10.1. UNIDADES DE CALOR. ......................................................................................................... 14

1.10.2. MECANISMOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR (CONDUCCIN,

CONVECCIN, RADIACIN). ............................................................................................................ 14

1.10.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR. .......................... 15

1.10.4. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. .................................................................. 16

1.10.5. CLASIFICACIN DE LOS CAMBIADORES CALOR. ........................................................ 16

1.11. TIPOS DE INTERCAMBIADORES. ......................................................................................... 17

4

1.11.1. SEGN LA DISTRIBUCIN DE FLUJO .............................................................................. 18

1.11.2. SEGN SU APLICACIN O CONSTRUCCIN. ............................................................... 18

1.11.3. SEGN SU OPERACIN O FUNCIN EN UN PROCESO. ........................................... 20

1.11.4. DESCRIPCIN DE LAS PARTES DE LOS CAMBIADORES DE CALOR. ................... 20

1.11.5. ELEMENTOS MECNICOS DE UN CAMBIADOR DE CALOR DE HAZ Y

ENVOLVENTE. ...................................................................................................................................... 26

1.11.6. CAMBIADORES DE CALOR ENFRIADOS POR AIRE. .................................................... 30

1.11.7. CONDENSADORES DE SUPERFICIE: ............................................................................... 33

1.11.8. RADIADORES PARA PLANTAS DE FUERZA ESPACIALES. ........................................ 34

1.11.9. REGENERADORES. ............................................................................................................... 35

1.12. GENERADORES DE VAPOR. .................................................................................................. 35

1.12.1. CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS. ............................................................................... 36

1.12.2. CALDERAS PIROTUBULARES. ........................................................................................... 37

1.12.3. CALDERAS ACUOTUBULARES. ......................................................................................... 38

.................................................................................................................................................................. 40

1.13. TORRES DE ENFRIAMIENTO. ................................................................................................ 40

1.13.1. CLASIFICACIN DE TORRES DE ENFRIAMIENTO. ...................................................... 40

1.14. TORRES DE CIRCULACIN NATURAL. ............................................................................... 41

1.15. TORRES DE TIRO MECNICO. .............................................................................................. 43

1.16. CONTRA FLUJO O FLUJO CRUZADO? .............................................................................. 45

1.18. SEGURIDAD, SALUD Y PROTECCIN AMBIENTAL. ....................................................... 54

5

1. INTRODUCCIN

Identificaran los conceptos de calor, las diferentes formas de intercambiador de calor,

una de las tantas razones de que los equipos puedan daarse es por efecto de las

variaciones de temperatura. A partir de esto es que se ha podido fabricar distintos

equipos especializados para el intercambio de calor. Estos aparatos sirven para evitar

el sobrecalentamiento de las mquinas y as lograr mantener una temperatura ideal

de trabajos.

La tecnologa industrial aprovecha la propiedad de transmisin de calor utilizando

para ello equipos diseados para distintos fines, tales como calentadores, enfriadores,

evaporadores. A estos equipos se les designa como cambiadores de calor. Estos

equipos se usan para aprovechar la temperatura de un lquido o gas caliente y

transferirlo a otro lquido o gas frio que durante el proceso requiera determinada

temperatura, sin mezclarse el uno con el otro.

Rehabilitacin de cambiadores de calor los de las variaciones de temperatura. Para

este proyecto es rehabilitar y colocacin de juntas ciegas en las bridas de las

boquillas de entradas y salida de los cambiadores de calor para aislarlos totalmente

del proceso, y estos puedan ser entregados de presionados y vacos al licitacin que

resulte ganador para que sean intervenidos para su rehabilitacin.

6

1.1GENERALIDADES DE LA EMPRESA

1.1.1. NOMBRE DE LA EMPRESA

PEMEX GAS Y PETROQUMICA BSICA COMPLEJO PROCESADOR DE GAS

NUEVO PEMEX.

1.1.2. LOGOTIPO DE LA EMPRESA

1.2. ANTECEDENTES DE LA EMPRESA

Para el mejor aprovechamiento de los yacimientos petrolferos en los campos marinos

de la Zona de Campeche, as como de los campos terrestres del Mesozoico Chiapas-

Tabasco, a finales de 1976, Petrleos Mexicanos autoriz como proyecto prioritario, la

construccin del Complejo Procesador de Gas Nuevo Pemex, el cual ocupa una

superficie de 464 hectreas y se localiza en el estado de Tabasco a 35 km. de la

ciudad de Villahermosa. El complejo abastece y distribuye oportunamente los

hidrocarburos que el pas demanda, consolidndose de esta manera la industria para

el aprovechamiento del gas.

El CPG Nuevo Pemex inici operaciones en 1984, y sus actividades principales son:

Eliminacin de los componentes cidos (H2S y CO2) mediante los procesos de

Endulzamiento de Gas y Condensado, aprovechamiento del H2S a travs del proceso

de Recuperacin de Azufre, separacin de hidrocarburos lquidos a travs del proceso

Recuperacin de Etano y Licuables y la obtencin de productos mediante el proceso

de Fraccionamiento.

Los productos obtenidos de estas actividades son los siguientes: Gas Natural Seco,

Gas Licuado, Gasolina Natural y Azufre.

7

1942: Pemex y el sindicato de trabajadores petroleros de la repblica mexicana firman el primer contrato colectivo de trabajo. 1946 : en el

Guanajuato. 1956: se inaugura la refineria2 Gral. lzaro Minatitln, Veracruz. 1965: se crea el instituto mexicano del petrleo (imp.)

Ciudad Pemex, Cactus y Nuevo Pemex son los complejos ms grandes de nuestra

empresa. En ellos se lleva a cabo la mayora (92%) del endulzamiento de gas

amargo; 66% del procesamiento del gas dulce (recuperacin de lquidos) y (97%) de

la recuperacin de azufre. En lo que respecta a los condensados, casi la totalidad de

su endulzamiento se realiza en los complejos de Cactus y Nuevo Pemex, mientras

que buena parte del fraccionamiento de lquidos se lleva a cabo en los

complejos de Cactus, Nuevo Pemex y rea Coatzacoalcos.

En el complejo Ciudad Pemex, el tren No. 1 de la Unidad de Eliminacin de Nitrgeno

entr en operacin el 29 de marzo del 2008 y el tren No. 2 entr en operacin el 12 de

julio de 2008.

1.2.1. MISIN

En un marco de trasparencia y rendicin de cuentas, administrar los recursos de la

empresa de manera eficiente y segura, maximizando la agregacin de valor, al tiempo

que satisfacen las necesidades del mercado en forma oportuna y confiable, y con

estricto apego a los lineamientos estratgicos corporativos

1.2.2. VISIN

Ser una empresa de clase mundial, respetuosa de su entorno y de su relacin con la

sociedad. Reconocida por la aplicacin responsable y transparente de los recursos

pblicos, el compromiso con sus trabajadores, la calidad de sus productos y por los

servicios de valor agregado que ofrece. 1

1 Recuperado en la pgina www.gas.pemex.com.mx/pgpb/conozca+gas/sembanza/mision+y+vision/
http://www.gas.pemex.com.mx/pgpb/conozca+gas/sembanza/mision+y+vision/

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1.2.3. Valores.

Decisiones en funcin del valor que aportan a Petrleos Mexicanos

Excelencia operativa y simplicidad administrativa

Innovacin y agilidad

Satisfaccin del cliente

Honestidad y rendicin de cuentas

Trabajo en equipo para lograr las metas de Petrleos Mexicanos

Orgullo de pertenecer a Petrleos Mexicanos

1.2. Objetivo

Ser una empresa eficiente, competitiva de clase mundial, que logre mantener un

crecimiento sustentable, a travs de la administracin efectiva de sus activos y de una

cultura de eliminacin de defectos. 2

1.3. REA DONDE SE DESARROLLAR LA ESTADA

Este proyecto se elaborar en el taller de plantas y maniobras de la empresa

Complejo Procesador de Gas y Petroqumica Bsica Nuevo Pemex el cual est

ubicado en la carretera Luis Gil Prez s/n, municipio del centro c.p. 86000

Villahermosa tabasco.

1.4. TEMA DE LA ESTADA

Rehabilitacin de Cambiadores de Calor de la Planta Endulzadora de Gas

1.5. ANTECEDENTES

2 Recuperado en la pgina www.gas.pemex./nr/rdonlyres/22186
http://www.gas.pemex./nr/rdonlyres/22186

9

1.6. JUSTIFICACIN DEL TEMA

Al implementar la Rehabilitacin de Cambiadores de Calor se espera alcanzar reducir

el 95% de fugas que se presentan en los intercambiadores de calor para tener una

mejor conduccin de los fluidos y produccin.

1.6. OBJETIVO GENERAL.

Rehabilitacin de Cambiadores de calor de la planta endulzadora de gas para el fin

de optimizar y mejorar la eficiencia de los equipos de la empresa y mejorar la vida

de los equipos para obtener un mejor producto y con mejor calidad. Como el

problema tiene que ver con un mantenimiento adecuado para aplicacin y mejora de

la plata.

10

1.6.1. OBJETIVOS ESPECFICOS

Comparar las posibles mejoras con los procedimientos realizados actualmente

en la rehabilitacin.

Evaluar y controlar los resultados de la rehabilitacin de los cambiadores de

calor.

1.7. ALCANCE DEL TEMA DE ESTADA.

Con la rehabilitacin de los cambiadores de calor se espera poder implementar y

analizar el funcionamiento del intercambiador de calor mediante pruebas, y la vida til

de los equipos de la empresa los cuales estn en los talleres de plantas y

1.7.1. IMPACTO CUALITATIVO.

Mejorar la eficiencia de comunicacin entre las diferentes reas de complejo

procesador de gas nuevo Pemex.

Mejorar los procedimientos de mantenimiento para un excelente trabajo de los

equipos.

Buscar una mejor relacin entre los trabajadores y los clientes.

1.7.2. IMPACTO CUANTITATIVO.

Reducir un 60 % de los tiempos perdidos por motivos de fallas de produccin o fugas

que tenga los cambiadores de calor. Reducir el nmero de reclamaciones por fallas,

mensualmente Aumentar las ganancias de la empresa por lo menos un 15 %.

11

1.8. MARCO TERICO

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseado para transferir calor entre

medios, que estn separados por una barra o que se encuentren en contacto. Son

parte esenciales de los dispositivos de calefaccin, refrigeracin, Un intercambiador

de calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que est ms caliente de lo

deseado, transfiriendo este calor a otro fluido que esta frio y necesita ser calentado.

La transferencia de calor se realiza a travs de una pared metlica o de un tubo que

separa ambos fluidos.

Intercambiador de calor: Realiza la funcin doble de calentar y enfriar dos

fluidos

Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.

Enfriador: En fra un fluido por medio de agua

Calentador: aplica calor sensible a un fluido.

Rehervidor: conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el

calor de re ebullicin que se necesita para la destilacin. Los hay de

termosifn, de circulacin forzada, de caldera.

Vaporizacin: Un calentador que vaporiza parte del lquido.

En los sistemas mecnicos, qumicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser

transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de

calor son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea. Un Entendimiento bsico

de los componentes mecnicos de los intercambiadores de calor es necesario para

comprender cmo estos funcionan y operan para un adecuado desempeo.

Un entendimiento bsico de los componentes mecnicos de los intercambiadores de

calor es necesario para comprender cmo estos funcionan y operan para un

adecuado desempeo.

El objetivo de esta seccin es presentar los intercambiadores de calor como

dispositivos que permiten remover calor de un punto a otro de manera especfica en

una determinada aplicacin. Se presentan los tipos de intercambiadores de calor en

funcin del flujo: flujo paralelo; contra flujo; flujo cruzado. Adems se analizan los tipos

de intercambiadores de calor con base en su construccin: tubo y carcaza; placas, y

se comparan estos. Se presentan tambin los intercambiadores de paso simple, de

mltiples pasos, intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calor no

regenerativo. Al final se incluyen algunas de las posibles aplicaciones de los

12

intercambiadores de 3calor. Como hemos mencionado, un intercambiador de calor es

un componente que permite la transferencia de calor de un fluido (lquido o gas) a

otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores

de calor se encuentran las siguientes:

Calentar un fluido fro mediante un fluido con mayor temperatura.

Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.

Llevar al punto de ebullicin a un fluido mediante un fluido con mayor

temperatura.

Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido fro.

Debe quedar claro que la funcin de los intercambiadores de calor es la transferencia

de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se

debe tener en mente que el calor slo se transfiere en una sola direccin, del fluido

con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores

de calor los fluidos utilizados no estn en contacto entre ellos, el calor es transferido

del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse

ambos fluidos en contacto trmico con las paredes metlicas que los separan.

1.9. FUNDAMENTOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR.

CALOR

Es una forma de energa que generalmente se manifiesta cambiando la temperatura o

el estado fsico de la materia. El calor es la energa que tiene un objeto debida al

movimiento de sus tomos y molculas que estn constantemente vibrando,

movindose y chocando unas con otras, por lo que tambin se considera de la

siguiente manera:

Es energa en trnsito.

El calor es energa que fluye entre un sistema y su entorno en virtud de una

diferencia de temperatura entre ellos.

El calor describe la energa transferida de un objeto debido a la diferencia de

temperaturas.

Calor sensible: Es el calor que se manifiesta cambiando la temperatura.

3Recuperado en la pgina www.es.eikipedia.org/wiki/intercambiador_de_calor
http://www.es.eikipedia.org/wiki/intercambiador_de_calor

13

Figura.1

Fuente: manual de intercambiadores de calor

Calor latente: Es el calor que se manifiesta cambiando el estado fsico de la materia.

Dependiendo del cambio fsico que provoque ser el nombre que reciba,

Si tomamos como ejemplo los cambios fsicos y de temperatura que sufre el agua

alaplicarle energa calorfica tendramos las siguientes manifestaciones.

Las figuras de los extremos nos muestran la aplicacin del calor latente de fusin y

evaporacin, mientras que la del centro indica la aplicacin del calor sensible, mismo

que se manifiesta con el incremento de temperatura.

1.10. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

Proceso por el que se intercambia energa en forma de calor entre distintos cuerpos, o

entre diferentes partes de un mismo cuerpo que estn a distinta temperatura. El calor

se transfiere de un lugar a otro por tres mtodos diferentes: conduccin en slidos,

conveccin en fluidos (lquidos o gases) y radiacin a travs ondas electromagnticas.

El mtodo elegido en cada caso es el que resulta ms eficiente.

14

Figura.2


1.10.1. UNIDADES DE CALOR.

En las ciencias fsicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la

energa y el trabajo, es decir, en julios. Las unidades que ms se utilizan para medir el

calor son: caloras y unidades trmicas britnicas (B.T.U.).

1 cal = 0.003968 BTU 1 BTU = 252 cal

1 calora: est considerada como el calor que se requiere para elevar la temperatura

de 1.0 g de agua en un C.

Esto se estableci haciendo el incremento de temperatura especficamente de 15 C a

16 C.

1 B.T.U.: est considerada como el calor que se requiere para elevar la temperatura

de 1.0 lb. De agua en un F.

Esto se estableci hacindolo especficamente de 59 F a 60 F.

Esto quiere decir que la capacidad calorfica (Cp) del agua es de 1.0 cal/g C o 1.0

BTU/lb F, esto significa que para calentar agua necesitamos 1.0 calora de calor por

cada gramo de la sustancia y por cada grado de incremento de temperatura. Con

estos datos podemos determinar la cantidad de calor requerida para incrementar la

temperatura de una sustancia de una temperatura.

1.10.2. MECANISMOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR

(CONDUCCIN, CONVECCIN, RADIACIN).

La conduccin es la transferencia de calor a travs de un objeto slido: es lo que hace

que el asa de un atizador se caliente aunque slo la punta est en el fuego. La

conveccin transfiere calor por el intercambio de molculas fras y calientes: es la

causa de que el agua de una cacerola se caliente uniformemente aunque slo su

parte inferior est en contacto con la llama. La radiacin es la transferencia de calor

por

15

radiacin electromagntica (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el

que un fuego calienta la habitacin.

Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultneamente, puede ocurrir que

uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se

transmite a travs de la pared de una casa fundamentalmente por conduccin, el

agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida

por conveccin, y la tierra recibe calor del Sol por radiacin.

1.10.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TRANSFERENCIA DE

CALOR.

El grado de transmisin de calor es la velocidad con la que se intercambia el calor. La

mayora de las aplicaciones del intercambio de calor incluye los tres tipos de

transferencia Los factores de los que depende

la transmisin de calor para cada mecanismo son los siguientes:

Conduccin

rea de transferencia.

Diferencia de temperaturas.

Conductividad trmica del material de conduccin.

Espesor de la pared del material.

Conveccin

La velocidad del flujo.

rea de transferencia.

Diferencia de temperaturas.

Radiacin

Distancia entre los objetos (emisor y receptor de la radiacin).

Dimensin del objeto que recibe la radiacin.

Tipo de superficie.

Diferencia de temperatura entre los objetos.

Emisividad de la radiacin.

16

1.10.4. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de tamaos y

tecnologa como plantas de potencia de vapor, plantas de procesamiento qumico,

calefaccin y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores domsticos,

radiadores de automviles, radiadores de vehculos especiales, etc.

En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los radiadores

de automvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por conduccin y

conveccin desde un fluido caliente a otro fro que est separado por una pared

metlica. En las calderas y los condensadores, es de fundamental importancia la

transferencia de calor por ebullicin y condensacin.

En ciertos tipos de intercambiadores de calor, como las torres de enfriamiento, el flujo

caliente (es decir, el agua) se enfra mezclndola directamente con el fluido fro (es

decir, el aire) o sea que el agua se enfra por conveccin y vaporizacin al pulverizarla

o dejarla caer en una corriente (o tiro) inducida de aire.

En los radiadores de aplicaciones especiales, el calor sobrante, transportado por el

lquido refrigerante, es transmitido por conveccin y conduccin a la superficie de las

aletas y de all por radiacin trmica al vaco. En consecuencia el diseo trmico de

los intercambiadores es un rea en donde tienen numerosas aplicaciones los

principios de transferencia de calor.

El diseo real de un intercambiador de calor es un problema mucho ms complicado

que el anlisis de la transferencia de calor porque en la seleccin del diseo final

juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamao y las condiciones

econmicas.

As por ejemplo, aunque las consideraciones de costos son muy importantes en

instalaciones grandes, tales como plantas de fuerza y plantas de proceso qumico las

consideraciones de peso y de tamao constituyen el factor predominante en la

seleccin del diseo en el caso de aplicaciones especiales y aeronuticas. Por lo

tanto en este trabajo es importante hacer un tratamiento completo del diseo de

intercambiadores de calor.

1.10.5. CLASIFICACIN DE LOS CAMBIADORES CALOR.

La clasificacin se tiene en tres categoras importantes:

17

Regeneradores: Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido

caliente fluye a travs del mismo espacio seguido de uno fro en forma

alternada, con tan poca mezcla fsica como sea posible entre las dos

corrientes. La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energa

trmica, es muy importante en este dispositivo. Las propiedades del material

superficial, junto con las propiedades de flujo y del fluido de las corrientes

fluidas, y con la geometra del sistema, son cantidades que deben conocer

para analizar o disear los regeneradores.

Intercambiadores de tipo abierto: Como su nombre lo indica, los

intercambiadores de calor de tipo abierto son dispositivos en los que las

corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cmara abierta, y ocurre una

mezcla fsica completa de las corrientes. Las corrientes caliente y fra que

entran por separado a este intercambiador salen mezcladas en una sola. El

anlisis de los intercambiadores de tipo abierto involucra la ley de la

conservacin de la masa y la primera ley de la termodinmica; no se

necesitan ecuaciones de relacin para el anlisis o diseo de este tipo de

intercambiador.

Intercambiadores de tipo cerrado o recuperador: Los intercambiadores de

tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos

corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre s. Las

corrientes de fluido que estn involucradas en esa forma estn separadas

entre s por una pared de tubo, o por cualquier otra superficie que por estar

involucrada en el camino de la transferencia de calor. En consecuencia, la

transferencia de calor ocurre por la conveccin desde el fluido ms cliente a la

superficie slida, por conduccin a travs del slido y de ah por conveccin

desde la superficie solida al fluido ms frio.

1.11. TIPOS DE INTERCAMBIADORES.

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar basndose en los siguientes

criterios:

18

1.11.1. SEGN LA DISTRIBUCIN DE FLUJO

Tenemos cuatro tipos de configuraciones ms comunes en la trayectoria del

flujo. Distribucin de flujo en paralelo. Los fluidos caliente y fro, entran por el

mismo extremo del intercambiador, fluyen a travs de l en la misma direccin

y salen por el otro extremo.

Distribucin en contracorriente. Los fluidos caliente y fro entran por los

extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.

Distribucin en flujo cruzado de un solo paso. Un fluido se desplaza

dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.

Distribucin en flujo cruzado de paso mltiple. Un fluido se desplaza

transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de

fluido.

1.11.2. SEGN SU APLICACIN O CONSTRUCCIN.

Para caracterizar los intercambiadores de calor basndose en su aplicacin o

construccin se utilizan en general trminos especiales. Los trminos empleados para los principales tipos son:

Intercambiadores de calor de coraza y tubos. Las unidades conocidas con

este nombre estn compuestas en esencia por tubos de seccin circular

montados dentro de una coraza cilndrica con sus ejes paralelos a la coraza.

Intercambiador de calor de espejo fijo. Se utilizan con mayor frecuencia que los de cualquier otro tipo. Los espejos se sueldan a la coraza. Por lo comn, se extienden ms all de la coraza y sirven como bridas a la que sujetan como pernos los cabezales del lado de los tubos.

El haz de tubos consiste en un

espejo estacionario, tubos en U (o de horquilla), deflectores o placas de

soporte y espaciadores y tirantes apropiados.

Intercambiador de anillo de cierre hidrulico. Esta construccin es la menos

costosa de los tipos de tubos rectos y haz desmontable. Los fluidos del lado de

la coraza y del lado del tubo se retienen mediante anillos de empaque distintos

separados por un anillo de cierre hidrulico y se instalan en el espejo flotante.

Intercambiador de cabezal flotante con empaque exterior. El fluido del lado

de la coraza se retiene mediante anillos de empaque, que se comprimen dentro

19

de un prensaestopas mediante un anillo seguidor de junta. Esta construccin

fue utilizada con frecuencia en la industria qumica; sin embargo, su empleo ha

disminuido en los aos recientes.

Intercambiador de cabezal flotante. El diseo de cabezal flotante interno se utiliza mucho en las refineras petroleras. En este tipo de cambiador de calor el

haz de tubos y el espejo. flotante se desplaza (flota) para amortiguar las

dilataciones diferenciales entre la coraza y los tubos. Intercambiador de cabezal flotante removible. La construccin es similar a

la del intercambiador de cabezal flotante interno con anillo dividido de respaldo,

con la excepcin de que la cubierta del cabezal flotante se sujeta directamente

con pernos en el espejo flotante.

Intercambiador de doble tuvo. Est formado por un tubo pequeo contenidos

dentro de otro de dimetro ms grande.

Intercambiadores del tipo de placa. Existen intercambiadores de tipo de

placa en varias formas:

Intercambiadores de placa en espiral. Se hace con un par de placas

laminadas para proporcionar dos pasos rectangulares relativamente largos

para los fluidos con flujo en contracorriente.

Intercambiadores de placa y armazn. Consisten en placas estndares, que

sirven como superficies de transferencia de calor y un armazn para su apoyo.

Intercambiador de calor de aleta y placa. La superficie de transferencia de

calor de aleta y placa se compone de una pila de capas, cada una de las

cuales consiste en una aleta corrugada entre lminas metlicas planas,

selladas en los dos lados mediante canales o barras, para formar un paso para

el flujo del fluido.

Superficie de placa, aleta y tubo. Las aletas rectangulares se perforan,

forman, acampanan y apilan antes de que se inserten los tubos en las

abrazaderas de las aletas y se dilaten para producir la superficie de placa, aleta

y tubo.

Intercambiadores de calor enfriados por aire (solo aire). Se utilizan para

enfriar corrientes de proceso por intercambio trmico por conveccin, en donde

el medio de enfriamiento es el aire. En estos equipos el fluido de proceso

circula por el interior de los tubos de transferencia y el aire por el exterior de los

tubos.

Condensadores de superficie. Son intercambiadores de calor que utilizan

agua fra (de una corriente natural o enfriada en una torre de enfriamiento) para

enfriar y condensar el vapor de escape de la turbina.

Radiadores para plantas de fuerza espaciales.

20

Regeneradores. Se emplean para recalentar el aire de las plantas de fuerza

de vapor, de los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundicin o de los

altos hornos y adems en muchas otras aplicaciones que incluyen la

produccin de oxgeno y la separacin de gases a muy bajas temperaturas.

1.11.3. SEGN SU OPERACIN O FUNCIN EN UN PROCESO.

Tambin el equipo de intercambio de calor se identifica en un proceso de acuerdo por la operacin o funcin que desempea en una parte del ciclo de flujo de un

sistema en particular. Las operaciones usuales involucradas en el desarrollo de un

proceso se describen a continuacin.

1.11.4. DESCRIPCIN DE LAS PARTES DE LOS CAMBIADORES DE

CALOR.

Cambiadores de calor de coraza y tubos.

Las unidades conocidas con este nombre estn compuestas en esencia por tubos de

seccin circular montados dentro de una coraza cilndrica con sus ejes paralelos al

aire de la coraza. Los intercambiadores de calor lquido-lquido pertenecen en general

a este grupo y tambin en algunos casos los intercambiadores gas-gas.

Son muy adecuados en aplicaciones en las cuales la relacin entre los coeficientes de

transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del

orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en generales menores que los

correspondientes a los intercambiadores de calor lquido en un factor de 10 a 100, por

lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de

calor. Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias

dependen de la distribucin de configuracin de flujo y de los aspectos especficos de

construccin. La configuracin ms comn de flujo de intercambiadores lquido-lquido

de coraza y tubos. Un factor muy importante para determinar el nmero de pasos del

flujo por el lado de los tubos es la cada de presin permisible. El haz de tubos est

provisto de deflectores para generar una distribucin uniforme del flujo a travs de l.

El tipo ms comn es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que el

condensado s recircula a la caldera por medio del sistema de alimentacin.

Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fuerza

de vapor, plantas de proceso qumico y plantas elctricas nucleares para vehculos

21

Condensadores evaporativos.

A. Entrada de fluido

B. Salida de fluido

C. Entrada de fluido

D. Salida de fluido

E. Tirantes F. Bafles o

G. Mamparas

Figura.3


espaciales. Los tipos principales son los condensadores de superficie, los

condensadores de chorro y los.

lado tubos

lado coraza

lado coraza

deflectores

,lado tubos

lado tubos

lado coraza

lado coraza

tensores

deflectores

.

2. Campana

3. Brida del cuerpo

4. Brida del cuerpo

5. Boquilla del

cuerpo

6. Tapa flotante

7. Campana flotante

9. Bafle del carrete

10. Tapa estacionaria

11. Carrete

12. Tapa del carrete

13. Boquilla del carrete

14. Varilla unin y

separadores

16. Placa de choque

22

Figura.4


17. Conexin de venteo

18. Conexin de drenaje

19. Conexin para prueba

20. Soportes

21. Anillo para maniobras

.

2. 3.

4. 5.

6. 7.

8.

Tapa de cubierta Brida de cubierta Boquilla de cubierta Espejo flotante Tapa de cabezal flotante Brida de tapa de cabezal flotante

Espejo fijo

10.

11.

12.

13.

14.

15.

Cabezal fijo Brida de cabezal fijo Boquilla de cabezal Tirantes y espaciadores Mamparas o deflectores Mampara divisora

I . CAMBIADOR DE CALOR DE HAZ DE TUBOS FIJOS

.

A. Entrada de fluido

B. Salida de fluido

C. Entrada de fluido

D. Salida de fluido

E. Tirantes o

F. Bafles o

23

1 . Cuerpo 8 . Brida de la cabeza flotante 15 . Bafles

Figura.5


COMPONENTES DE

UN CAMBIADOR DE

CALOR CUBIERTA Y

TUBOS CON

CABEZAL FLOTANTE

18. Silleta de soporte 19. Pernos de ojo 20. Tubos 21. Vertedero 22. Conexin de nivel

23.

16. Conexin para medicin

25

1 . Cubierta 9 . Tapa de cabezal fijo 17 . Soporte

Figura.6


FIG. 10-

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Tapa de cubierta Brida de cubierta Boquilla de cubierta Espejo fijo Tapa de cabezal Brida de cabezal Boquilla de cabezal Boquilla de cabezal

11. Mamparas o deflectores 12. Mampara divisora 13. Conexin para medicin 14. Soportes 15. Pernos de ojo 16. Tubos 17. Conexin de nivel

26

1.11.5. ELEMENTOS MECNICOS DE UN CAMBIADOR DE CALOR

DE HAZ Y ENVOLVENTE.

Tubos.

Los tubos son los componentes bsicos de los intercambiadores, ya que son los

que proveen la superficie de transferencia de calor entre los fluidos que van dentro

y fuera de ellos.

Tipos de arreglo y espaciamiento (pitch)

Los orificios de los espejos no pueden taladrarse muy cerca uno del otro, ya que

una franja demasiado estrecha de metal entre tubos adyacentes debilitara

estructuralmente el espejo. Es por esto que deber existir una distancia mnima

entre los tubos

El pitch es el espacio de centro a centro de los tubos, los cuales pueden estar

arreglados en pitch triangular, triangular rotado, cuadrado y cuadrado rotado.

El pitch triangular se utiliza generalmente en cambiadores de espejos fijos,

cuando no se necesita limpiar el exterior de los tubos ya sea mecnica o

manualmente, debido a que este arreglo no permite el acceso mecnico a los

tubos por su parte externa. Sin embargo la limpieza puede efectuarse por medio

de solventes qumicos.

El pitch cuadrado es recomendado cuando se tiene un fuerte ensuciamiento

del fluido y es necesaria la limpieza mecnica o en donde la cada de presin

permisible por el lado de la envolvente est muy limitada.

Espejos.

Los espejos son placas circulares de metal que son barrenadas y ranuradas

para colocar los tubos y las varillas separadoras, as como el crculo de

tornillos y empaques para que embonen en la envolvente. Los tubos son

sostenidos en su lugar al ser insertados en orificios practicados a los

espejos y posteriormente son expandidos o soldados a ste.

Envolvente y boquillas.

La envolvente es simplemente el recipiente del fluido externo a los tubos y

las boquillas son la entrada y salida a l. La redondez de la envolvente es

importante para fijar el dimetro mximo de las mamparas y el efecto de la

fuga entre la envolvente y la mampara.

La boquilla de alimentacin con frecuencia cuenta con una placa de choque

colocada inmediatamente bajo la entrada con objeto de dispersar el chorro

del fluido alimentado, a fin de evitar que ste golpee y erosione las primeras

hileras de tubos del haz.

Baffles o deflectores (mamparas).

27

Figura.7


Son placas seccionadas que van colocadas transversalmente dentro de la coraza,

y tienen perforaciones para que pasen los tubos.

Deflectores tienen tres funciones:

1. Soportar los tubos en la posicin apropiada durante su ensamble y

operacin del equipo.

2. Guiar al fluido de la envolvente en forma transversal al haz de tubos,

aumentando su velocidad y el coeficiente de transferencia de calor.

3. Prevenir la vibracin de los tubos, causada por remolinos en el flujo.

El tipo de mampara ms comn es la segmentada. Las mamparas segmentadas

son crculos de dimetro ligeramente menor que la envolvente, con un corte

segmental que puede variar desde un 10% a un 35% de rea de la mampara.

El corte de la mampara generalmente es vertical en condensadores, rehervidores,

vaporizadores e intercambiadores cuyo servicio se realiza manejando materiales

con slidos en suspensin o fluidos pesados. Con este arreglo, en caso de tener

gases condensables, pueden

28

Escapar en el tope del equipo. Tambin es importante drenar el lquido que condensa.

IG . M AMPARAS HORIZONTALES LADO CORAZA .

Los cabezales o en la coraza, por lo que se convierten en cambiadores de paso mltiple.

F IG . 10-12. M AMPARAS HORIZONTALES EN EL CABEZAL DE TUBOS .

Figura.8


Figura.9


Los cambiadores mostrados en las siguientes figuras, llevan mamparas

horizontales ya sea en

29

Circulan los fluidos.

F IG . 10. C AMBIADOR DE CALOR DE PLACAS

Figura.11


Cambiadores de calor de placas.

Un cambiador de placas, consiste en varias placas metlicas que sirven como

superficies de transferencia de calor y que estn montadas sobre un bastidor

formado por una barra riel y dos placas gruesas que sirven de extremos al

paquete.

Las placas, para la mayor parte de las aplicaciones, estn construidas de acero

inoxidable y se disean corrugadas para provocar la turbulencia en los fluidos y

romper la pelcula aislante estacionaria de los fluidos que circulan por el equipo.

Entre estas placas se ponen juntas de elastmeros sintticos que separan las

placas entre s, dejando libre el espacio por el que Las principales ventajas de los

intercambiadores de calor de placas son:

Coeficientes de transferencia de calor muy altos en ambos lados del

intercambiador.

Facilidad de inspeccin de ambos lados del cambiador.

Facilidad de limpieza.

Facilidad para disminuir o incrementar el rea de transferencia de calor.

Ocupan poco espacio, en relacin a otros tipos de

intercambiadores.

Bajo costo, especialmente cuando se tienen que construir de

metales caros.

30

La eficiencia de la transferencia de calor en estos intercambiadores se debe a la

turbulencia que presentan los fluidos a velocidades bajas. Esta turbulencia

inducida se produce porque los fluidos fluyen en corrientes de pequeo espesor

(3-5 mm) con cambios abruptos en su direccin y velocidad. Lo anterior reduce la

resistencia al intercambio de calor de la pelcula del lquido, con mayor eficiencia

que la turbulencia originada por velocidades y presiones altas que ocurren en los

intercambiadores tubulares.

Los dos principales arreglos que existen para los cambiadores de placas son:

a. Flujo en serie. Donde las dos corrientes son continuas y cambian de

direccin despus de cada paso vertical.

b. Flujo en anillo. Donde las corrientes se dividen en corrientes

menores paralelas y se vuelven a juntar en una corriente de salida.

1.11.6. CAMBIADORES DE CALOR ENFRIADOS POR AIRE.

Los cambiadores de calor enfriados por aire, son equipos de intercambio trmico

por conveccin, que se utilizan para enfriar corrientes de proceso y en donde el

medio de enfriamiento es el aire. En estos equipos el fluido de procesos circula por

el interior de los tubos de transferencia y el aire por el exterior de los tubos.

Los cambiadores de calor enfriados por aire, estn constituidos por un conjunto de

partes que pueden agruparse en:

Partes mecnicas. Son aqullos componentes que forman parte del equipo

y que estn en contacto directo con los fluidos del proceso y sus

caractersticas estn afectadas por las condiciones del proceso y las

limitaciones del diseo. Se mencionan a continuacin por orden de

importancia:

a. Cabezales de distribucin y de retorno.

b. Ventiladores.

c. Boquillas de alimentacin y descarga.

d. Cajas de distribucin de aire.

Superficies de intercambio de calor. La superficie de transferencia en los

cambiadores de calor enfriados por aire, est compuesta por:

a) Tubos de transferencia de calor.

b) Aletas.

Equipo para suministro de aire. Son aqullos componentes cuya funcin es

transmitir movimiento al aire, para dirigirlo a travs del conjunto de tubos de

transferencia. Estos equipos pueden ser:

a) Reductores de velocidad.

31

Figura.12


b) Motores elctricos.

c) Ventiladores.

Los cambiadores de calor enfriados por aire, se clasifican en:

Cambiador de calor enfriado por aire, tiro inducido. Se llama de tiro

inducido por la colocacin del ventilador sobre el haz de tubos de

transferencia, el cual induce el aire a travs de l.

Cambiador de calor enfriado por aire, tiro forzado. Se le llama de tiro

forzado por la colocacin del ventilador abajo del haz de tubos de

transferencia, para forzar a pasar el aire a travs del haz.

FIG. 10-14.

TIPOS Y

COMPONENTES DEL CAMBIADOR DE CALOR ENFRIADO POR AIRE.

Condensadores.

Son cambiadores de calor que utilizan agua fra (de una corriente natural o

enfriada en una torre de enfriamiento) para enfriar y condensar el vapor de escape

de la turbina.

Al ser el flujo caliente bifsico (vapor y lquido) su diseo y operacin es muy

complejo.

Se debe notar que como la bomba de condensado extrae el mismo caudal msico

que entra, la presin queda fijada por el cambio de volumen de vapor a lquido (del

orden de 300/1), por lo que el condensador, y las ltimas etapas de la turbina,

trabajan a presin inferior a la atmosfrica (vaco).

32

Figura.13


Al estar parte del circuito bajo vaco es inevitable que entre aire al circuito (y

quizs otro gases no condensables como CO2). Se hace necesario extraer estos

gases del condensador que est bajo vaco. Esto puede hacerse con bombas de

vaco (costoso) o con eyectores de vapor. Una disposicin tpica sera:

Los eyectores pueden ser de uno o ms pasos, condensando el vapor de eyeccin

entre pasos:

.

33

Figura.14


EYECTOR DE UNA ETAPA.

1.11.7. CONDENSADORES DE SUPERFICIE:

El agua fra circula por tubos y el vapor por el exterior de los tubos (mayor rea de

transmisin de calor)

El diseo busca minimizar las prdidas de carga debidas al paso del vapor y

aprovechar el intercambio entre el lquido ya condensado y el vapor.

Parte del vapor puede utilizarse para volver a calentar el condensado a la salida,

creando as un poco de regeneracin (el agua que retorna a la caldera esta menos

fra que lo estaba al condensar) la figura siguiente ilustra una disposicin tpica:

Se aprecia que los tubos de agua estn ms prximos a medida que el vapor se

va enfriando y condensando

b) Condensadores de mezcla:

34

Figura.14


Cuando, aparte de la turbina, hay otros usos del vapor que hacen necesario

reponer una cantidad sustancial de agua, pueden utilizarse condensadores de

mezcla, en los que el vapor condensa por contacto con el agua fra:

Estos condensadores tambin

pueden ser apropiados si hay abundante agua fra de buena calidad (arroyos de

montaa)

La condensacin puede mejorarse pulverizando el agua fra:

CONDENSADOR POR PULVERIZACIN.

Existen tambin condensadores de mezcla baromtricos, que aprovechan el peso

de la columna de agua para mantener vaco en el recipiente de mezcla:

1.11.8. RADIADORES PARA PLANTAS DE FUERZA ESPACIALES.

La remocin del calor sobrante en el condensador de una planta de fuerza que

produce la electricidad para la propulsin, el comando y el equipo de

comunicaciones de un vehculo espacial presenta problemas serios an en plantas

que generan slo unos pocos kilovatios de electricidad.

La nica forma de disipar el calor sobrante de un vehculo espacial es mediante la

radiacin trmica aprovechando la relacin de la cuarta potencia entre la

temperatura absoluta de la superficie y el flujo de calor radiante.

35

Por eso en la operacin de algunas plantas de fuerza de vehculos espaciales el

ciclo termodinmico se realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece

al rojo. Aun as es difcil de mantener el tamao del radiador para vehculos

espaciales dentro de valores razonables.

1.11.9. REGENERADORES.

En los diversos tipos de intercambiadores que hemos tratado hasta el momento,

los fluidos fro y caliente estn separados por una pared slida, en tanto que un

regenerador es un intercambiador en el cual se aplica un tipo de flujo peridico. Es

decir, el mismo espacio es ocupado alternativamente por los gases calientes y

fros entre los cuales se intercambia el calor.

En general los regeneradores se emplean para recalentar el aire de las plantas de

fuerza de vapor, de los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundicin o de

los altos hornos y adems en muchas otras aplicaciones que incluyen la

produccin de oxgeno y la separacin de gases a muy bajas temperaturas.

Para los intercambiadores estacionarios convencionales basta con definir las

temperaturas de entrada y salida, las tasas de flujo, los coeficientes de

transferencia de calor de los dos fluidos y las reas superficiales de los dos lados

del intercambiador. Pero para los intercambiadores rotatorios es necesario

relacionar la capacidad trmica del rotor con la de las corrientes de los fluidos, las

tasas de flujo y la velocidad de rotacin.

1.12. GENERADORES DE VAPOR.

La generacin de vapor para el accionamiento de las turbinas y para el uso en los

procesos se realiza en instalaciones generadoras comnmente denominadas

calderas.

En sus primeras versiones, este equipo trmico consista en un recipiente con una

entrada de alimentacin de agua y una salida de vapor, todo esto montado dentro

de un recinto delimitado por ladrillos refractarios llamado hogar. El combustible se

quemaba sobre una grilla ubicada dentro del hogar de manera tal que el calor

liberado incida directamente sobre la superficie inferior del recipiente, transfiriendo

su carga trmica a la masa de agua dentro del mismo. Los gases de combustin

salan por una chimenea.

Los diseadores pronto notaron que era notablemente ineficiente calentar un nico

recipiente de agua. Consecuentemente, fraccionando aquella masa de agua en

36

pequeas partes, se lograra un contacto ms ntimo con el calor. De este modo

comenzaron a aparecer dos grandes grupos de calderas: piros tubulares y

acuotubulares.

La instalacin comprende no slo la caldera propiamente dicha, sino, adems,

componentes principales y accesorios tales como:

Economizadores y chimeneas.

Sobre calentadores y recalentadores.

Quemadores y alimentadores de aire.

Condensadores.

Bombas y tanques de alimentacin.

Domos.

En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporacin y

posiblemente el recalentamiento y sobrecalentamiento del vapor. La caldera

puede incluir en sus estructuras algunas de los componentes citados.

1.12.1. CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS.

Las calderas primitivas consistan en un gran recipiente lleno de agua que era

calentado por un fuego en su parte inferior. El gran volumen de agua en estado de

ebullicin generaba fcilmente situaciones de gran riesgo al excederse la presin

mxima admisible. Las calderas de vapor se clasifican:

Atendiendo a la posicin relativa de los gases calientes y del agua::

Acuotubulares.

Piro tubulares.

Por la posicin de los tubos:

Verticales.

Horizontales.

Inclinados.

Por la forma de los tubos

Tubos rectos

Tubos curvados

Por la naturaleza del servicio que prestan:

Fijas.

Porttiles.

Locomviles.

Marinas.

Por la presin de operacin:

Subcrticas.

37

Figura.16


Supercrticas.

La eleccin de una caldera para un servicio determinado depende del combustible

de que se disponga, tipo de servicio, capacidad de produccin de vapor requerida,

duracin probable de la instalacin y de otros factores de carcter econmico

Para aumentar la superficie de contacto gas-metal, y disminuir la cantidad de agua

en ebullicin se crearon primero las calderas piros tubulares, en las que los gases

de combustin circulan por tubos inmersos en el agua.

El prximo paso en el desarrollo fue la creacin de las calderas acuotubulares, en

las que el agua circula por tubos que forman las paredes del hogar. De este modo

se maximiza la transferencia de calor y se minimiza el volumen de agua

reduciendo el riesgo de explosin.

1.12.2. CALDERAS PIROTUBULARES.

Son calderas pequeas, comnmente utilizadas para producir agua caliente para

calefaccin y proceso, aunque las hay productoras de vapor de relativamente baja

presin (hasta 12 atm).

En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales

se hallan rodeados de agua. Las calderas pirotubulares generalmente tienen un

hogar integral (denominado caja de fuego) limitado por superficies enfriadas por

agua, en la actualidad, las calderas pirotubulares horizontales con hogar integral

se utilizan en instalaciones de calefaccin de baja presin y algunos tipos ms

grandes para producir vapor a presin relativamente baja.

38

Figura.17


No son apropiadas para grandes centrales trmicas debido a sus pequeas

capacidades de produccin de vapor, presiones limitadas y pequeas velocidades

de produccin de vapor.

Las hay de uno o varios pasos de los gases por los tubos, de distintas

configuraciones (fondo y/o piso hmedo o refractario, compactas, verticales).

1.12.3. CALDERAS ACUOTUBULARES.

Por el interior de los tubos pasa agua o vapor y los gases calientes se encuentran

en contacto con la superficie externa de aquellos, las calderas acuotubulares son

empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones,

debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones son

de traccin en vez de compresin, como ocurre en los piro tubos. Los objetivos

perseguidos al construir una caldera cualquiera son: costos reducidos, formas

simples de los tubos, tamao y dimensiones, accesibilidad, transmisin eficiente

del calor, buena circulacin y elevada capacidad de produccin de vapor.

Los tubos de agua se unen y conforman para formar el recinto del hogar, llamado

de paredes de agua. El recinto posee aberturas para los quemadores y la salida

de gases de combustin.

39

Figura.18


La circulacin del agua puede ser natural, debida a la diferencia de densidad entre

agua fra y caliente. El agua en ebullicin se acumula en un recipiente llamado

domo donde se separa el Estas calderas son econmicas por la ausencia de las

bombas de lquido pero de baja produccin de vapor.

Por la baja velocidad de circulacin del agua.

Para obtener mayores caudales de vapor y mayores presiones se utilizan bombas

de alimentacin de agua, pudiendo operarse incluso por encima del punto crtico

de la campana de vapor (21.7 MPa = 220 atm).

Ilustra un circuito tpico del tipo Benson. Si se aade una bomba de recirculacin,

para mover rpidamente el agua en los tubos evaporadores, y un domo para

separar el vapor.

40

Figura.19


1.13. TORRES DE ENFRIAMIENTO.

Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en la

atmsfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo en el

agua de un ro, un lago o en el ocano.

El desarrollo de las torres, como muchos equipos, ha sido de equipos sencillos

ineficientes, hasta modernos equipos de alta eficiencia.

Las torres de enfriamiento requieren de alta tecnologa y gran experimentacin,

tienen la desventaja que manejan agua tibia, limpia, neutra y sin presin, lo que

ocasiona que se piense que se pueden hacer cambios, mejoras o diseos sin las

bases esenciales de su alto desarrollo tecnolgico actual.

1.13.1. CLASIFICACIN DE TORRES DE ENFRIAMIENTO.

No hay una clasificacin universal. Las torres se pueden clasificar en diferentes

formas segn las caractersticas que se consideren. La forma ms simple y usual

41

de clasificar las torres de enfriamiento es, segn la forma en que se mueve el aire

a travs de stas.

Los tipos ms comunes son:

Torres de enfriamiento por conveccin natural (circulacin natural).

Torres por conveccin forzada (torres de tiro mecnico).

En las torres de circulacin natural, el movimiento del aire slo depende de las

condiciones climticas y ambientales. Las torres de tiro mecnico utilizan

ventiladores para mover el aire a travs del relleno.

En la torre de enfriamiento por conveccin natural, el agua se pulveriza

directamente en la corriente de aire que se mueve a travs de la torre de

enfriamiento por conveccin trmica. Al caer, las gotas de agua se enfran tanto

por conveccin ordinaria como por evaporacin.

La plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la

velocidad media de cada de las gotas y por lo tanto aumenta el tiempo de

exposicin de gotas a la corriente de aire en la torre.

Se han construido grandes torres de enfriamiento del tipo de conveccin natural

de ms de 90 m de altura para desechar el calor proveniente de plantas de fuerza.

En una torre de enfriamiento por conveccin forzada se pulveriza el agua en una

corriente de aire producida por un ventilador, el cual lo hace circular a travs de la

torre.

El ventilador puede estar montado en la parte superior de la torre aspirando as, el

aire hacia arriba, o puede estar en la base por fuera de la torre obligando al aire a

que fluya directamente hacia dentro.

Clasificacin por tipo de flujo de aire.

1.14. TORRES DE CIRCULACIN NATURAL.

42

Figura.20


Las torres de circulacin natural se clasifican en torres atmosfricas y en torres de

tiro natural. Las torres atmosfricas utilizan las corrientes de aire de la atmsfera.

El aire se mueve de forma horizontal y el agua cae verticalmente (flujo cruzado).

Son torres de gran altura y pequea seccin transversal. Deben instalarse en

lugares muy despejados, de forma que ningn obstculo pueda impedir la libre

circulacin de aire a travs de la torre. Tienen un costo inicial alto debido a su gran

tamao, pero el costo de mantenimiento es reducido, al no existir partes

mecnicas mviles. Una torre de este tipo puede ser una solucin muy econmica

para determinadas necesidades de refrigeracin si se puede garantizar que

funcionar habitualmente expuesta a vientos de velocidades iguales o superiores

a los 8 km/h. Si la velocidad promedio del viento es baja, los costos fijos y de

bombeo aumentan mucho en relacin a una torre de tiro mecnico y no

compensan el ahorro del costo de ventilacin. Actualmente, las torres atmosfricas

estn en desuso.

Una torre de tiro natural es aquella en la que el aire es inducido por una gran

chimenea situada sobre el relleno (Fig. 10-27). La diferencia de densidades entre

el aire hmedo caliente y el aire atmosfrico es el principal motivo por el cual se

crea el tiro de aire a travs de la torre. La diferencia de velocidades entre el viento

circulante a nivel del suelo y el viento que circula por la parte superior de la

chimenea tambin ayuda a establecer el flujo de aire. Por ambos motivos, las

torres de tiro natural han de ser altas y, adems, deben tener una seccin

transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente.

43

Las torres de tiro natural tienen bajos costos de mantenimiento y son muy

indicadas para enfriar grandes caudales de agua. Al igual que las torres

atmosfricas, no tienen partes mecnicas. La velocidad media del aire a travs de

la torre suele estar comprendida entre 1 y 2 m/s. Las torres de tiro natural no son

adecuadas cuando la temperatura seca del aire es elevada, ya que sta debe ser

siempre inferior a la del agua caliente. No es posible conseguir un valor de

acercamiento pequeo y es muy difcil controlar exactamente la temperatura del

agua. En las torres de tiro natural no se pueden utilizar rellenos de gran

compacidad, debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo ms pequea

posible. Estas torres son muy utilizadas en centrales trmicas; muy pocas veces

son aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversin inicial necesaria.

1.15. TORRES DE TIRO MECNICO.

Las torres de tiro mecnico proporcionan un control total sobre el caudal de aire

suministrado. Se trata de torres compactas, con una seccin transversal y una

altura de bombeo, pequeas en comparacin con las torres de tiro natural. En

estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de

salida, y se pueden lograr valores de acercamiento muy pequeos (hasta de 1 C

2 C, aunque en la prctica acostumbra ser de 3 C 4 C). Si el ventilador se

encuentra situado en la entrada de aire, el tiro es forzado. Cuando el ventilador se

ubica en la zona de descarga del aire, se habla de tiro inducido.

En las torres de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad por la parte

superior de la torre (Fig. 10-28). Estas torres son, casi siempre, de flujo a

contracorriente. Son ms eficientes que las torres de tiro inducido, puesto que la

presin dinmica convertida a esttica realiza un trabajo til. El aire que se mueve

es aire fro de mayor densidad que en el caso de tiro inducido.

44

F IG .

10-28. T ORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y TIRO

F IG . 10-29. T ORRE DE FLUJO A CONTRACORRIENTE Y

Figura. 21


Esto tambin significa que el equipo mecnico tendr una duracin mayor que en

el caso de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire fro y no saturado,

menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida. Como inconveniente

est la posibilidad de que exista recirculacin del aire de salida hacia la zona de

baja presin, creada por el ventilador a la entrada de aire.

Las torres de tiro inducido pueden ser de flujo a contracorriente o de flujo cruzado.

El flujo a contracorriente significa que el aire se mueve verticalmente a travs del

relleno, de manera que los flujos de agua y de aire tienen la misma direccin pero

sentido opuesto (Fig. 10-29). La ventaja que tiene este tipo de torres es que el

agua ms fra se pone en contacto con el aire ms seco, logrndose un mximo

rendimiento. En stas, el aire puede entrar a travs de una o ms paredes de la

torre, con lo cual se consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de

aire. Adems, la elevada velocidad con la que entra el aire hace que exista el

riesgo de arrastre de suciedad y cuerpos extraos dentro de la torre. La

resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran

prdida de presin esttica y en un aumento de la potencia de ventilacin en

comparacin con las torres de flujo cruzado.

45

Figura.22


En las torres de flujo cruzado, el aire circula en direccin perpendicular respecto al

agua que desciende (Fig. 10-30). Estas torres tienen una altura menor que las

torres de flujo a contracorriente, ya que la altura total de la torre es prcticamente

igual a la del relleno.

El mantenimiento de estas torres es menos complicado que en el caso de las

torres a contracorriente, debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar

los distintos componentes internos de la torre.

La principal desventaja de estas torres es que no son recomendables para casos

en los que se requiera un gran salto trmico y un valor de acercamiento pequeo,

ya que eso significa ms superficie transversal y ms potencia de ventilacin, que

en torres de flujo a contracorriente.

1.16. CONTRA FLUJO O FLUJO CRUZADO?

Desde la introduccin del sistema a flujo cruzado ha habido una gran controversia

entre qu sistema es mejor: contra flujo o flujo cruzado. A continuacin trataremos

de aclarar esto en la forma ms imparcial posible.

Las torres de flujo cruzado vinieron a remplazar a las de contra flujo a fines de los

aos cincuenta y principios de los sesenta. Su gran innovacin fue que al entrar el

46

Figura.23


aire en forma horizontal, choca contra el canto del relleno disminuyendo

notablemente la cada de presin del lado del aire, permitiendo que en un mismo

volumen empacado se pueda introducir mucho ms aire sin presentarse mayor

cada de presin y consecuentemente mayor potencia para mover los

ventiladores, o visto en otra forma, que en flujo cruzado se podan disear celdas

ms grandes con baja potencia en los ventiladores. Este proceso de enfriamiento

tambin se vio mejorado por la introduccin de ventiladores de aspas de fibra de

vidrio, que permiti el diseo de ventiladores hasta de 40 pies de dimetro lo cual

no era posible con los antiguos ventiladores de acero inoxidable y aun con los de

aluminio.

Sin embargo, como una torre de enfriamiento es un cambiador de calor de

contacto directo, en ellas se buscan la contra-corriente o contra-flujo verdadero,

por lo tanto, la nica desventaja de las torres de contra-flujo es la alta cada de

presin de la corriente de aire.

Con el desarrollo tecnolgico de los plsticos, la diferencia antes mencionada se

disminuy hasta prcticamente desaparecer, tanto as, que actualmente es raro

ver torres de flujo cruzado. Esta diferencia se minimiza an ms en casos en que

la aproximacin es muy pequea, como es el caso de la zona costera en Mxico,

en donde se presentan bulbos hmedos de arriba de los 26.6 C (80 F) y

desaparecer totalmente en los casos en donde se puede usar relleno de pelcula

que ha venido a revolucionar, nuevamente, a las torres de enfriamiento.

Normalmente los fabricantes mayores tienen ambos sistemas, pero actualmente

las torres de flujo cruzado casi han desaparecido, en casos de proyectos nuevos y

47

Ing. Especialista

de

Mantenimiento

Plantas

Actividad (Pgina A)

Mantenimiento de un Cambiador de Calor.

1.-Elaborar, firmar y entregar la ficha seguidora de

trabajo, grafo y el vale de notificacin.

2.-Firmar la ficha seguidora y asignar al personal

calificado que realizar el trabajo, y entregar la

ficha.

3.-Se transporta el personal y se presenta en el

cuarto de control con la ficha seguidora y grafo;

solicita el PPT Caliente SP-PE-200 ,

verificacin y autorizacin de permisos de

y el AST SP-PE-

900 Principios y Criterios para elaborar

Anlisis de Seguridad en el Trabajo , una vez

que la documentacin est completa y firmada, el

trabajo es entregado en sitio.

4.-Firmar el PPT caliente SP-PE-200 ,

verificacin y autorizacin de permisos de

y verifica que toda

la documentacin est completa y se puedan iniciar

los trabajos.

5.-Utilizar su equipo de proteccin personal y

adicional de acuerdo al procedimiento critico SP-

PC-050 As

como el arns con cable de vida de acuerdo al

procedimiento critic SP-PC-040

6.-Identificar el tipo de intercambiador de calor que

se le realizara el mantenimiento de acuerdo al

Ver Anexo 1

7.-Solicitar la proteccin contra incendio,

mangueras presionadas y mascarillas de proteccin

respiratoria de acuerdo a lo establecido en el

procedimiento critico SP-PC-070

y coloca la barricada de acuerdo

al procedimiento critico SP-PC-080

de reas de Riesgo (Barreras de Seguridad

Barricadas)

7.-Verificar que las vlvulas se encuentre

bloqueadas de acuerdo al procedimiento critic SP-

PC-021

Encargado de

taller o CaboOperario de 1ra

Operario

Especialista

L

V

1

Operario de

2da

4

5 5 5

B

INICIO

SP-PE-200

SP-PE-200

SP-PE-900

SP-PC-040

SP-PC-050

2

3 3 3

6 6 66 6

7 SP-PC-080 SP-PC-070

7 7 7SP-PC-021

su tecnologa, revolucionada recientemente, ha quedado reducida al campo de

rehabilitaciones o reposicin de celdas.

1.17. DESARROLLO DE MANTENIMIENTO DE UN CAMBIADOR DE

CALOR.

48

SI

NO

Ing. Especialista

de

Mantenimiento

Plantas

Actividad (Pgina B)


8.-Solicitar al departamento de patios y maniobras

que procedan a instalar los andamios en el lugar

donde indique taller de plantas.

9.-Solicitar al departamento de taller civil que

procedan a desmantelar el aislamiento trmico en

donde indique el taller de plantas.

10.-Colocar juntas ciegas en las entradas y salida

del equipo de acuerdo al procedimiento critico SP-

PC-030

11.-El tipo de intercambiador de calor es AES,

AJS AHS?

12.-El tipo de intercambiador de calor es AKU

BKU?

13.-El tipo de intercambiador de calor es CEN

CGM?


?

15.-El tipo de intercambiador de calor es CKN?

16.-El tipo de intercambiador de calor es BEM

?


?

18.-Mantenimineto de intercambiador tipo AES,

AJS AHS de las plantas.

Plantas Endulzadoras y Estabilizadoras de

Hidrocarburos Condensados I/II/III/IV. EA-4401

A/B; EA-4403.

Plantas Tratadoras y Fraccionadoras de

Hidrocarburos I/II. EA-1105; EA-1106; EA-1110;

EA-1111; EA-1102; EA-1104; EA-1112.

Plantas Endulzadoras de Gas I/II. 101-EX 1/2/3/

4; 102-EX 1/2/3/4.

Plantas Endulzadoras de Gas I Y II. 103-EX -

1,2.

Encargado de


Operario

Especialista

L

V

C

Operario de

2da

A

8

9

10 10 10SP-PC-030

1118

SI

NO

12E44

SI

NO

13G59

SI

NO

14I72

SI

NO

15J86

SI

NO

16L99

SI

NO

17N111

18 18 18

49

Ing. Especialista

de

Mantenimiento

Plantas

Actividad (Pgina C)


19.-Desembridar tapa frontal y cabezal posterior

(cabezote) de acuerdo a la instruccin de trabajo

NP-TP-IT-024 Embridar, Desembridar y Junta

cegar en Equipos y Lneas de Proceso. Girado

de Figuras "8"

RIESGO: Golpes, machucones, cadas y

resbalones.


que proceda a retirar las tapas.

21.-Desembridar tapa de espejo flotante (concha

flotante)


resbalones.


que proceda a retirar tapa de espejo flotante

(concha flotante) y que monte el anillo de prueba.

23.-Embridar de acuerdo a la instruccin de trabajo

NP-TP-IT-024 Embridar, Desembridar y Junta

cegar en Equipos y Lneas de Proceso. Girado

de Figuras "8"


resbalones.

24.-Realizar la primera prueba hidrosttica lado

cuerpo para verificar en que condiciones se

encuentra el equipo y lo desembrida

25.-Solictar que procedan a desmontar el anillo de

prueba y el cabezal frontal (carrete) y retiren el haz

de tubos y lo trasporten al taller de

intercambiadores de calor para su limpieza.

26.-Proceder a realizar la limpieza mecnica de las

piezas segn el Instruccin de trabajo NP-TP-IT-

022

27.-Solictar al departamento de patio y maniobras

que transporte y monte el haz de tubos ya sea el

que se le efectu limpieza o uno nuevo segn sea

el caso.

Encargado de


Operario

Especialista

L

V

D

Operario de

2da

B

19 19 19NP-TP-IT-024

20

21 21 21

22

23 23 23

25

26 26 26

27

NP-TP-IT-022

24 24 24

50

Ing. Especialista

de

Mantenimiento

Plantas

Actividad (Pgina D)


28.-Colocar empaque especfico entre el ncleo y la

carcasa utilizando grasa sellante para que conserve

su posicin correcta, y verifica su nivelacin de

acuerdo a la vena divisoria del espejo.


resbalones.

29.-Solicitar a departamento de patios y maniobras

el montaje del cabezal frontal (carrete).

30.-Embridar cabezal frontal y se colocan nodos de sacrificio en caso que el enfriamiento del equipo

sea por agua. RIESGO: Golpes, machucones, cadas y

resbalones.

31.-Solicitar al departamento de patios y maniobras que proceda montar el anillo de prueba y espere

para desmontarlo.

32.-Realizar prueba hidrosttica lado cuerpo a la

presin de diseo o de operacin para comprobar

que no existan tubos rotos o rolado deficiente.

33.-En caso de haber tubos rotos se procede a

colocar tapones cnicos en ambos extremos de

cada tubo daado (segn la norma se puede

taponar hasta un 10 % del total de tubos), si el

rolado es deficiente se procede a usar un expansor

de fluxeria segn dimetro y calibre de la tubera y

se rola hasta eliminar la fuga


resbalones.

34.-Solictar al departamento de integridad mecnica

inspecciona y recibe en cualquiera de los dos casos

la prueba hidrosttica.

35.-Desembrida el anillo de prueba para su retiro

efectuara limpieza de las caras del equipo.


resbalones.

36.-Solictar al departamento de patios y maniobras

que retire el anillo de prueba y que monte la tapa de

espejo flotante (concha flotante) y tapa de cabezal

frontal.

Encargado de


Operario

Especialista

L

V

E

Operario de

2da

C

28 28 28

29

30 30 30

33 33 33

36

31

32 32 32

34

35 35 35

54

1.18. SEGURIDAD, SALUD Y PROTECCIN AMBIENTAL. Seguridad

La seguridad debe estar basada en los conocimientos terico-prcticos de

los trabajadores que realizan trabajos de mantenimiento de desarmado y

armado de un intercambiador de calor, deber tener conocimiento en:

SP-PC-021 Aislamiento y bloqueo con TCDP (tarjeta-candado-despeje-

prueba)

SP-PC-030 Apertura de Lneas y Equipos de Proceso.

SP-PC-040 Prevencin de Cadas en Trabajos de Altura

SP-PC-050 Equipo de Proteccin Personal,

SP-PC-080 Delimitacin de reas de Riesgo (Barricadas).

SP-PE-023 Identificacin de aspectos, peligros y evaluacin de impactos

ambientales y riesgos de seguridad y salud en el trabajo.

SP-PE-120 Reportar Analizar, Difundir e implementar medidas en caso de

ocurrencias de incidentes /accidentes.

SP-PE-200 Anlisis, Verificacin y Autorizacin de Permisos de Trabajo.

SP-PE-900 Principios y Criterios para elaborar el Anlisis de Seguridad en el

Trabajo.

NP-IG-024 El Reglamento Interno para el uso de Equipo de Proteccin

Personal.

NP-IG-204 Manejo se Sustancias Qumicas Peligrosas en el CPG Nuevo

Pemex.

NOM-005-STPS-1998 Condiciones de seguridad e higiene en los centros de

trabajo para el manejo, transporte y almacenamiento de sustancias qumicas

peligrosas.

NOM-018-STPS-200 Sistemas para identificacin y comunicacin de peligros

y riesgos por sustancias peligrosas y su disposicin segura.

NOM-028.STPS-2005 Organizacin del Trabajo-Seguridad en los Procesos

de sustancias qumicas.

55

Figura.24


56

1.19. MARCO APLICATIVO

Castillo Denis UT

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