Diseño Mecanico de Cambiadores de Calor de Tubos y Coraza-1

DISEO MECANICO DE CALBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA

DISEO MECANICO DE CAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA.Coraza y tubo

La construccin ms bsica y comn de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo y coraza que se muestra en la siguiente figura.

Figura 1: Intercambiador de calor de coraza y tubos.

Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado coraza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de coraza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la coraza por el espejo o espejos del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan al espejo para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el lquido con mayor presin se hace circular tpicamente a travs de los tubos y el lquido con una presin ms baja se circula del lado de la coraza. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones ms altas que el de la coraza del cambiador con un costo mucho ms bajo. Las placas de soporte (support plates) mostradas en figura (1) tambin actan como bafles para dirigir el flujo del lquido dentro de la coraza hacia adelante y hacia atrs a travs de los tubos.

CONCEPTOS

Presin de operacin (Po).Tambin conocida como presin de trabajo. Se define como la presin manomtrica a la cual est sometido un equipo en condiciones normales de operacin. Debemos tener presente que en el caso de los cambiadores de calor, se manejan dos presiones de operacin, una por el lado de tubos y la otra por el lado de la coraza.Presin de diseo (PD).Se define como la presin que ser utilizada en el diseo del cambiador de calor. Para servicios a vaco se debe especificar una presin externa de diseo de 14.7 Lb/pulg2. (vaco total). Para una presin de operacin arriba de la atmosfrica,

la presin de diseo ser:si Po 300 Lb/pulg2, Pd = Po +30 Lb/pulg2.

S Po300 Lb/pulg2, entonces Pd =1.1>PoResulta importante mencionar que al hablar de presiones, temperaturas, materiales, etc., en cambiadores de calor, debemos siempre especificar si se trata del lado de los tubos o del lado de la coraza, ya que generalmente las condiciones de operacin y consecuentemente las de diseo, son diferentes en un lado y en el otro.Presiones de prueba (Pp).Normalmente conocida como presin hidrosttica de prueba, la cual es llevada a cabo una vez que ha sido fabricado el cambiador de calor, fundamentalmente consiste en el llenado del equipo con agua, al mismo tiempo que se le somete a presin, su valor se cuantificar por medio de la siguiente ecuacin:

Pp =Pd

Donde:

Sta = Esfuerzo a la tensin del material a la temperatura ambiente.Std = Esfuerzo a la tensin del material a la temperatura de diseo.Presin de trabajo mxima permisible.Es la presin mxima a la que se puede someter un cambiador de calor en condiciones de operacin, la evaluacin de esta presin, ser de mayor utilidad

cuando el equipo se encuentre en las siguientes condiciones:

a) En condiciones corrodas.b) Bajo los efectos de la temperatura de diseo.c) En posicin normal de operacin.Temperatura de operacin (To)

Es el valor normal de temperatura en las condiciones de operacin del proceso, a la cual el cambiador de calor ser expuesto.Temperatura de diseo(TD).Se define como la temperatura que ser utilizada en el diseo del cambiador de calor, esta temperatura se selecciona como sigue:

Para fluidos que operan con una temperatura superior a 32 F(0 C), la temperatura de diseo ser la que resulte mayor de las siguientes:

Para fluidos que operan a una temperatura de 32 F (0 C) o inferior, se deber especificar simultneamente la temperatura mnima y la mxima anticipada, siendo esta ltima no menor a 150 F (65.5 C) para el lado de la coraza con el objeto de considerar la circulacin de aire caliente durante la operacin de secado, posterior a la prueba hidrosttica.Esfuerzo de diseo a la tensin (S).Es el valor mximo al que puede someterse un material que forma parte de un cambiador de calor en condiciones normales de operacin. Su valor est basado en el 25% del esfuerzo ltimo a la tensin del material en cuestin.Eficiencia de las soldaduras(E)

Se define como el grado de confiabilidad de las juntas soldadas en relacin al grado de inspeccin y se establece como un porcentaje segn se define a continuacin para el caso de soldadura a tope con penetracin completa.VALORES DE E

RADIOGRAFIADA AL 100% = 100%RADIOGRAFIADA POR PUNTOS 85%SIN RADIOGRAFIAR 70% CODIGOS EMPLEADOS

El diseo mecnico de recipientes a presin, como el de la gran mayora de los equipos para procesos industriales, se encuentran regidos por diferentes normas y cdigos. Para el caso de los cambiadores de calor tubo y coraza, que es el tema del que nos ocuparemos, el cdigo ms empleado es el ASME Boiler and Pressure Vessels Code (Cdigo para Calderas y Recipientes a Presin de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos). La aplicacin de dicho cdigo, requiere de un amplio criterio para la interpretacin correcta del mismo en el diseo. Asimismo existen las normas TEMA (Standard of Tubular Exchangers Manufactures Association) cuya finalidad es regular los criterios de diseo y fabricacin de los equipos que nos ocupan.

I.1.1. CODIGO ASME

El cdigo ASME es un conjunto de normas, especificaciones, frmulas de diseo y criterios basados en muchos aos de experiencia, todo esto aplicado al diseo, fabricacin, instalacin, inspeccin, y certificacin de recipientes sujetos a presin. Fue creado en los Estados Unidos de Norteamrica en el ao de 1907, por iniciativa de varias compaas de seguros con el fin de reducir prdidas y siniestros. El comit que lo forma est constituido por ingenieros de todas las especialidades y de todos los sectores, con el fin de mantenerlo siempre actualizado.

Siendo SECCION VIII la que rige los equipos que trataremos en este trabajo, la describiremos brevemente.

I.1.2. NORMAS TEMA. (STANDARD OF TUBULAR EXCHANGERS MANUFACTURERS

ASSOCIATION).ORIGEN.- Las causas que motivaron la realizacin de estos estndares esencialmente fueron, asociar a los fabricantes de cambiadores de calor en los Estados Unidos de Norteamrica, con la finalidad de unificar sus criterios en la solucin de los problemas presentados por los usuarios de equipos que constantemente reclamaban por la calidad y tolerancias proporcionadas en el diseo y fabricacin de los mismos.

CONTENIDO GENERAL

Estas normas se han dividido en las partes siguientes:

* Nomenclatura

* Tolerancias de Fabricacin

* Fabricacin en General, Informacin Necesaria

* Instalacin, Operacin y Mantenimiento

* Normas Mecnicas TEMA CLASE R

* Normas Mecnicas TEMA CLASE C

* Normas Mecnicas TEMA CLASE B

* Especificacin de Materiales

* Normas Trmicas

* Propiedades Fsicas de Fluidos

* Informacin General

* Prcticas Recomendadas

Con respecto a las Normas Mecnicas, es importante sealar que las diferentes CLASES se desarrollan con las mismas partes; sin embargo, su diferencia radica principalmente en factores de diseo para cada una de ellas. Por otra parte conviene indicar que siempre se deber especificar la categora (CLASE), que desea emplearse de estas normas. Por ejemplo TEMA R, TEMA B o TEMA C, pero nunca especificar solamente TEMA, ya que carecera de sentido.

La CLASE R, es parte de las normas donde los requisitos de diseo, fabricacin y materiales son los ms estrictos.

Esta CLASE se especifica generalmente para condiciones severas de operacin y procesos de petrleo.

La CLASE C, se especifica para procesos y aplicaciones generales, siendo los requisitos menos estrictos que para el caso anterior. Esto ltimo se aplica tambin para la CLASE B con la nica diferencia que los equipos clasificados para esta categora generalmente se encuentran en procesos qumicos.I.3. NOMENCLATURA E IDENTIFICACIN DE CAMBIADORES DE CALOR

La nomenclatura utilizada por TEMA, adopta tres literales que representan:

La primera, el tipo de cabezal de distribucin o entrada, la segunda, el tipo de coraza y la tercera, el tipo de cabezal de retorno. Ver Fig. 1.1.

As por ejemplo, un cambiador de calor del tipo AES, estar constituido por un cabezal de distribucin A, una coraza E y un cabezal de retorno S.

El tamao de un cambiador de calor se indica por dos nmeros: el primero representa el dimetro interior de la coraza y el segundo la longitud recta de los

tubos de transferencia.

I.4. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN CAMBIADOR DE CALOR

El nombre que recibe cada uno de los elementos que constituye un cambiador de calor de tubos y coraza, se proporciona en las Figs. I.2. y I.3., de los cuales se describirn los de mayor importancia.

CORAZA

Es un cuerpo cilndrico construido de una sola pieza que puede ser un tubo sin costura o una placa rolada que contendr en su interior el haz de tubos y a travs de los cuales circula el fluido que baa el exterior de los tubos de dicho haz.

HAZ DE TUBOS

Es el elemento formado por los tubos de transferencia, situado en el interior de la coraza y orientado paralelamente a ella. Consta tambin de mamparas, cuya funcin adems de soportar los tubos, es crear turbulencias y dirigir el fluido que circula por el exterior de los tubos mismos.

ESPEJOS

El haz de tubos remata sus extremos en placas perforadas llamadas espejos, que sirven por una parte como elemento divisores entre el flujo del lado coraza y el flujo del lado tubos y por otra parte como elementos de sujecin de los tubos; estos cruzan el espejo a travs de sus perforaciones y sellan expansionados contra los espejos o mediante una soldadura perimetral en los extremos de los tubos para unirlos a los espejos permanentemente.

TUBOS DE TRANSFERENCIA

Son tubos de longitud normalizada por TEMA, cuyo dimetro nominal corresponde a su dimetro exterior y su espesor vara segn el calibrador Birmingham, que en la prctica se conoce como BWG del tubo.

CABEZAL DE DISTRIBUCIN

Elemento similar a la coraza, cuya funcin es recibir el fluido que ha de circular por el interior de los tubos, distribuirlo y recolectarlo para mandarlo fuera de el.

CABEZAL FLOTANTE

Est constituido por una tapa que se fija al espejo flotante por medio de pernos y un anillo dividido, teniendo como funcin retornar el fluido que circula por el interior de los tubos hacia el cabezal de distribucin o bien mandar el fluido fuera del cambiador cuando este cuenta con un solo paso lado tubos.

MATERIALES DE CONSTRUCCIN

FORMAS DE SUMINISTRO

Los materiales se fabrican en formas comerciales que se denominan Formas de Suministro y para ello se han normalizado las de mayor utilidad. En los cambiadores de calor se emplean algunas de dichas formas, que son solicitadas mediante las especificaciones de los cdigos, tomando en consideracin la forma del elemento que ha de fabricarse. A continuacin se presentan las formas de suministro y su utilidad en la fabricacin de los cambiadores de calor.

PLACA: Se emplea en la fabricacin de mamparas, silletas, tapas formadas y planas, placas divisorias, tiras de sello, mamparas de choque, espejos y secciones

cilndricas (corazas y cabezales).FORJA: Se emplea en la fabricacin de bridas, coples y en algunos casos cuando los espejos y tapas planas cuentan con espesores mayores a 2 pulg. (63.5mm.) por limitaciones de disponibilidad en el mercado y por la dificultad que presenta controlar los defectos en el laminado de placas con espesores mayores a 4 pulg (101.6 mm.).TUBOS: Existen en el mercado tubos de cdula y tubos calibre, ambos fabricados para dimetros normalizados aunque con caractersticas de fabricacin diferentes y utilidad especfica dentro del diseo de los cambiadores de calor.

Los tubos de cdula pueden conseguirse en el mercado desde 1/8 pulg. (3.2mm.) hasta 42pulg. (1067 mm.) (Mercado Nacional hasta 18pulg.) (457mm.) de dimetro nominal, que no corresponde al dimetro interno o externo real, a excepcin de aquellos mayores a 12pulg. (305 mm.) en los cuales el dimetro exterior es comn al dimetro de identificacin (nominal). La utilidad que pueden ofrecer los tubos de cdula para nuestras necesidades de diseo es variada, debido a que los espesores que pudieran requerirse en los elementos por disearse, se pueden seleccionar en funcin del dimetro nominal y una cdula que satisfaga el espesor requerido, ya que existen varias cdulas para cada dimetro nominal con un espesor definido (Tabla III.1). Son fabricados con costura o sin ella, estos soldados o extruidos, de los cuales se prefieren los segundos en el diseo de cuellos de boquillas, espaciadores y secciones cilndricas como corazas y cabezales cuando no exceden de 18pulg. (457mm.) de dimetro nominal.

Los tubos calibre tambin llamados tubos de transferencia, se fabrican en dimetros nominales desde 1/4pulg. (6.55mm.) hasta 21/2pulg. (63.5mm.) que corresponde al dimetro exterior y cada uno de ellos se fabrica con diferentes espesores normalizados, a los cuales se les identifica con un nmero denominado calibre del tubo, tambin existen en el mercado con o sin costura, prefirindose los ltimos para la fabricacin de haces de tubos (ver Tabla)BARRA: Se utiliza para la fabricacin de varillas tensoras, esprragos y tornillos.

FACTORES QUE INTERVIENEN PARA UNA ADECUADA SELECCIN DE

MATERIALES.

Los materiales que se deben utilizar en la construccin de cambiadores de calor se realizarn conjuntamente con el Ingeniero Mecnico (Diseador del equipo) y el Ingeniero de Proceso. Los materiales que se elijan, debern resistir los efectos de la corrosin y debern tener la suficiente resistencia para soportar la temperatura y presin de diseo, teniendo adems que conducir a un diseo prctico. Una buena seleccin de materiales, asegurar bajos costos de mantenimiento e iniciales.

A continuacin, se mencionarn las etapas ms convenientes, para efectuar una seleccin adecuada de materiales para la construccin de cambiador de calor.

LISTA DE REQUISITOS.

FACTORES ADICIONALES PARA SELECCIN DE LOS MATERIALES. SELECCIN DEL MATERIAL. LISTA DE REQUISITOS.En esta lista, se deben incluir los materiales que satisfagan las condiciones de servicio, y para que esto suceda, es necesario que los materiales que se sugieran tengan las propiedades adecuadas, siendo ms importantes las siguientes:

1) Propiedades Mecnicas. Las propiedades del material que ms

importancia tienen son:

* Una alta resistencia a la tensin.* Un punto de cedencia alto.* Una mnima reduccin de rea.* Un alto porcentaje de alargamiento.Contando con estas propiedades, establecidos los esfuerzos de diseo para el material en cuestin.

2) Propiedades Fsicas. Siendo ms importante el coeficiente de dilatacin trmico del material, ya que este limitar el valor del esfuerzo a la tensin y en consecuencia afectar el diseo del cambiador.

3) Resistencia a la Corrosin. Los materiales que se propongan debern soportar el ataque qumico de las sustancias a las cuales estarn en contacto.

4) Facilidad para su Fabricacin. De acuerdo a los medios disponibles y elegidos para la fabricacin del equipo, los materiales debern contar con las siguientes caractersticas:

Maquinabilidad. Se hace necesario maquinar ciertas partes del cambiador (como son: las bridas, espejos, tapas Planas, etc.), para darle la forma o acabado a las superficies para asentamiento del empaque, juntas de ensamble, etc. Para ello, un material difcil de maquinar es ms costoso en su fabricacin, ya que requiere de procedimientos y herramientas costosas.

Soldabilidad. El material que se ha de utilizar para la fabricacin del cambiador, deber tener buenas propiedades de soldabilidad, ya que gran parte de sus elementos son de construccin soldable.

En la Tabla se muestra la soldabilidad y afinidad metalrgica para los diferentes materiales utilizados en la construccin de cambiadores de calor, dicha tabla es una gua que contiene informacin tcnica suficiente para lograr la evaluacin adecuada del concepto.

Facilidad de ser formado. El material ser trabajado mecnicamente para darle la forma deseada, como el rolado de las placas para la fabricacin de elementos cilndricos, formado de tapas, etc.

Compatibilidad del Equipo Existente. Se deber utilizar por conveniencia materiales de una misma clase, para evitar el tener gran cantidad de materiales de

reposicin en el almacn.

FACTORES ADICIONALES PARA LA SELECCIN DE LOS MATERIALES

En esta etapa se tomar en cuenta la vida til de la planta donde sern integrados los equipos (Cambiadores de Calor) que se estn diseando, para ello, se fijar la atencin en los siguientes puntos:

1).-Vida estimativa de la planta. Generalmente, una planta se proyecta para un determinado tiempo de vida til, partiendo de esta base, se puede formar un criterio sobre la clase de los posibles materiales a utilizar.2).- Duracin estimada del material. Para conocer la vida estimada del material, ser necesario auxiliarnos de literatura existente sobre el comportamiento del material en situaciones similares, as como reportes de las experiencias de personas que han operado y conocen los problemas que frecuentemente se presentan en plantas idnticas.

3).- Disponibilidad y tiempo de entrega del material. Hay que tener en cuenta la produccin nacional de los materiales para la fabricacin de los cambiadores, debido a que existir la posibilidad de utilizar los materiales de los cuales se dispone sin tener grandes tiempos de entrega y a un costo menor que las importaciones.

4).- Costo del material y fabricacin. Frecuentemente a un alto costo de material le corresponde un alto costo de fabricacin. En las Tablas 2. y 3., se muestran los costos relativos para los diferentes materiales utilizados en la construccin de cambiadores de calor.

5) Informacin necesaria para estimar el comportamiento de los materiales ante la corrosin. Para poder efectuar una evaluacin correcta de los materiales, es necesario disponer de la mayor informacin posible en lo que se refiere a las condiciones de proceso, dicha informacin, la podemos desglosar de acuerdo a su procedencia como sigue:

a).-Caractersticas del fluido.

a.1.) Principalmente compuesto. Se requiere de un anlisis qumico para poder conocer la composicin del fluido, y as determinar las caractersticas corrosivas de este.

a.2.) Impurezas. Dicho anlisis, nos servir para conocer tanto cualitativa como cuantitativamente el grado de impurezas del fluido, y de esta manera determinar si son corrosivas.

a.3.) Temperatura. Dicha condicin es un factor que afecta directamente la corrosin, ya que con una variacin de temperatura puede alterarse la velocidad de corrosin en ciertos casos.

a.4.) PH (Potencia de Hidrgeno). Una sustancia es ms corrosiva en la medida en que disminuye su PH (Aumento de Acidez).

a.5.) Velocidad del fluido. La erosin aumenta con un incremento de velocidad, debido a que el fluido tiende a ser ms turbulento provocando con esto un desprendimiento de las partculas corrosivas y exponiendo nuevamente el material al contacto del fluido.

b) Funcin de la parte del equipo. La funcin que desempea cada una de las partes que componen el equipo, nos obligan a tomar decisiones conservadoras sobre los materiales a elegir.

c) Experiencia.

c.1.) Si el material ha sido utilizado en servicios idnticos se deben a revisar los reportes de inspeccin que se hayan efectuado al equipo para conocer los resultados que se tienen, y con esto saber si an el equipo se encuentra en servicio.

c.2.) Si el material ha sido utilizado en situaciones similares Qu diferencia existe entre la situacin actual y la posibilidad de hacer una eleccin idntica?

c.3.) Las experiencias vividas en planta, en plantas piloto, datos de prueba de corrosin en plantas y laboratorios as como literatura disponible, son las fuentes ms confiables para formarse un criterio en la seleccin de los materiales.

SELECCIN DEL MATERIAL

La decisin final que se tomar para la seleccin del material, se har de acuerdo a lo siguiente:

1) Material ms adecuado. Este ser aqul que cumpla con el mayor porcentaje de requisitos tcnicos, ya que de estos depende el buen funcionamiento del equipo.

2) Requisitos econmicos. El material que implique menores gastos como son: iniciales, de operacin, de mantenimiento y un mayor reembolso de inversin, sin que por este concepto se tenga que sacrificar el punto anterior.

RECOMENDACIONES GENERALES

RECOMENDACIONES PARA LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DE LOS CAMBIADORES DE CALOR

b).-TUBOS.- En la seleccin del material de los tubos, se deber atender con especial cuidado el ataque corrosivo a las condiciones de servicio (Presin y Temperatura) de cada fluido, ya que ambos estn en contacto con ellos, uno por el interior y el otro por su exterior. Adems, se deber tomar en cuenta que comercialmente no se cuenta con espesores normalizados que proporcionen el material disponible para corrosin, por lo que est deber resultar imperceptible.

b).- ESPEJOS.- En la seleccin del material de los espejos, tambin debe atenderse con especial cuidado el ataque corrosivo a las condiciones de servicio (Presin y Temperatura) de ambos fluidos y en especial, para el ms crtico, ya que un fluido ataca una de sus caras y el otro la opuesta. A estos elementos, se les pueden incrementar el espesor para soportar la corrosin (cuando estos se fabrican de acero al carbn), asimismo debido a que los tubos irn insertados en ellos, quedando expuestas sus uniones a la accin de los fluidos, el material de los espejos deber ser el mismo que el de los tubos u otro de las mismas caractersticas electroqumicas, para evitar que se desarrolle la corrosin galvnica.

Cuando los tubos son de acero al carbono o de acero inoxidable, no existen problemas en seleccionar los espejos del mismo material, pero cuando los tubos son de cobre o de alguna de sus aleaciones, surgen problemas para seleccionar el material de los espejos, debido a que tienen bajos esfuerzos permisibles y bajan ms an al elevarse la temperatura, por lo que se necesitar un espesor mayor que el del acero al carbono, es entonces cuando dichos espejos se proporcionan de acero al carbono un recubrimiento integral de cobre o alguna de sus aleaciones, aunque en ciertas ocasiones se proporcione totalmente de estos ltimos materiales

(cuando el espesor total del mismo es menor o igual a 2 (51 mm), o cuando por ambos lados se tiene presente la corrosin galvnica). Como generalmente se utiliza el cobre y sus aleaciones para servicios de agua para enfriamiento, el recubrimiento integral (con material base de acero al carbono), nicamente ya que el acero al carbono resiste los esfuerzos (Figura II.2.).

c) EMPAQUES. En las juntas desmontables de los cambiadores de calor se utilizan empaques de metal slido o de asbesto comprimido recubierto de un metal (enchaquetado). Los empaques llamados enchaquetados, deben tener buena plasticidad para que al ser comprimidos, puedan deformarse y fluir hasta llenar todos los huecos existentes en las caras de asentamiento, evitando as cualquier fuga. El metal que recubre el asbesto deber seleccionarse para resistir el ataque corrosivo del fluido que se maneja, por lo que, generalmente se adopta un metal igual o de las mismas caractersticas electroqumicas que las de los elementos en que se asienta, para evitar que se genere la corrosin galvnica.

d) BRIDAS. Son fabricadas de un acero al carbono, similar al de las partes a las que han de soldarse y nicamente en casos muy especiales se fabricarn de otro material, puesto que se les puede adicionar material disponible para la corrosin.

Siempre que un espejo y empaque de material diferente al acero al carbono deban formar junta con una brida, sta podr ser fabricada de acero al carbono, recubrindola en la cara de asentamiento del empaque con material igual o de caractersticas similares a las del empaque de tal forma que ste se apoye en su totalidad sobre el recubrimiento, para evitar que se produzca la corrosin galvnica

(Figura II.2a.). El espesor del material de recubrimiento ser normalmente de 1/8pulg. (3mm.) y ser aplicado mediante soldadura.

e) CORAZAS, CABEZALES, TAPAS Y BOQUILLAS. Estos elementos contendrn a los fluidos de proceso; a diferencia de los tubos de transferencia, en estos elementos si es posible proporcionar material adicional para soportar el ataque corrosivo, pero cuando se requiere de materiales de aleacin es ms adecuado el uso de recubrimientos integrales (con material base de acero al carbn, recubierto con aleacin).

La construccin de estos elementos se lleva a cabo a partir de diversas formas de suministro, como el caso de las corazas y cabezales que algunas veces se obtienen de tubos de cdula (cuando el equipo es menor de 18pulg. (457mm.) de dimetro interno, sin que esto sea una limitante, ya que su eleccin depender de los recursos con los cuales, cuenta el fabricante), por lo que se deber seleccionar la forma de suministro.

f) TAPAS CABEZAL FLOTANTE. Estas tapas no quedan incluidas entre las anteriores, por la funcin que desempean, ya que adems de separar un fluido del otro, soportan el ataque corrosivo y las condiciones de servicio de ambos fluidos, por lo que se debern seleccionar sus materiales de construccin para soportar las condiciones ms crticas son seleccionados comnmente de acero al carbono, puesto que es posible adicionar material disponible para la corrosin, pero cuando el efecto corrosivo que pueden presentar ambos fluidos es alto, tendrn que adicionar dicho material en las dos caras de la tapa.

Esto puede traer como consecuencia una placa demasiado gruesa en ocasiones, lo

que despus de rolarla para darle la geometra requerida, presentar esfuerzos residuales que ser necesario eliminar mediante tratamiento trmico y con lo cual se incrementar su costo, por lo que ser necesario en estos casos seleccionar un material ms resistente a la corrosin, adoptando normalmente el mismo seleccionado para los tubos y espejos a fin de evitar la corrosin galvnica.

g) MAMPARAS. Se seleccionan comnmente de acero al carbono por ser elementos no sujetos a presin y adems por el material disponible a la corrosin que puede ser incluido en su espesor, aunque algunas veces se construyen del mismo material o de caractersticas similares a las de los tubos, cuando el fluido de la coraza es un buen electrolito para evitar que se desarrollo la corrosin galvnica y con ello, la destruccin de las mamparas que son difciles de reemplazar.

h) PLACAS DIVISORIAS. Se seleccionan del mismo material que los cabezales y tapas a los cuales habrn de soldarse. Cuando estas placas divisorias son proporcionadas de acero al carbn y los espejos en las cuales se empacan stas, son de material diferente al de ellas, ser indispensable proporcionar en el extremo (de la placa divisoria) un material igual o similar al del espejo, manteniendo de acero al carbono el resto de la placa divisoria y uniendo ambas partes mediante soldadura, para posteriormente recubrir la unin con resina epxica (Figura II.2.b.), para evitar con ello la corrosin bimetlica y la presencia de puentes electrolticos.

CONTROL DE DISEO SEGN ISO 9001

Generalidades, procedimientos e instructivos.Planificacin del diseo y desarrollo.Interfaces organizacionales y tcnicas.Datos iniciales del proyecto.Datos resultantes del diseo.Revisin del diseo.Verificacin del diseo.

Validacin del diseo.Cambios de diseo.VARIABLES DE DISEO TERMICOTemperaturas de salida.

Cadas de presin.

Calor transferido.

Ubicacin de las corrientes (lado tubos y/o coraza).

CONSIDERACIONES DE DISEO TERMICO Y MECANICO

Datos de diseo. (Q = m cpt= M CP T).

Temperaturas, Flujos y presiones involucradas.

Altura sobre el nivel del mar.

Factores de ensuciamiento ( fouling).Materiales deseados por el cliente.Propiedades fisico qumicas de los fluidos involucrados.

Otras Consideraciones.Esto ya se ha comentado en el procedimiento de diseo termodinmico, y es:

Dimetro de la coraza.

Tipo de coraza.

Tipo de cabezales. (T:E:M:A: )( ver figuras mas adelante).Cantidad y separacin de bafles. ( ver figuras mas abajo ).

Consideraciones Geomtricas y dimensinalesDimensiones disponibles para montaje.

Transporte, ancho mximo. 2,5 mManipulacin en el taller.

Arreglo de los tubos

Nmero de pasos

CONSIDERACIONES ECONOMICASMinimizar rea (Q = U A T).Evitar utilizar materiales caros (acero inoxidable).Disminuir espesores.CONSIDERACIONES CONSTRUCTIVASDisminuir tiempos de maquinado (Espesores, nmero de perforaciones).Densidad de aletas o lminas alcanzables.Nmero de hileras para barrenado de lminas,( capacidad de la matriz )B. Superficie extendida (panales aleta plana y banco de tubos aletados ).

Para el diseo mecnico de cambiadores de calor de tubos y coraza, se requiere de la informacin que proporciona el Diseo Termodinmico del mismo.

Con esta informacin se definir la forma del cambiador de calor a utilizar y bajo que condiciones normales de operacin se adaptar en sus distintas partes a los tipos propuestos por el Cdigo TEMA.

En Mxico se utilizan los cdigos norteamericanos, y que son:

Cdigo ASME seccin VIII para calderas y recipientes a presin. Las partes que son diseadas bajo este cdigo son: Los espesores de las partes de los cambiadores de calor como son . envolvente, cabezales, bridas y soportes.

Cdigo TEMA, en este se dan los procedimientos y valores mnimos recomendados para el diseo mecnico, dentro de este cdigo TEMA hay tres clasificaciones que son:TEMA clase R es para servicios severos de la industria Petrolera y Petroqumica.

TEMA clase C para servicios moderados en aplicaciones comerciales y de procesos generales.

TEMA B. para servicios de procesos qumicos.COMPONENTES Haz tubular (tubos, placas tubulares, bafles, tensores y distanciadores )

Carcasa

Cabezales

Boquillas de conexinESPECIFICIONES PARA TUBOS.

a) longitud.- Las longitudes que normalmente se utilizan son; 8, 10, 12, 16 y 20 pies de longitud.

b) El espesor de pared se selecciona de acuerdo a la siguiente tabla (TEMA R-2.21).

DIAMETRO, ESPESOR Y LARGO DE TUBOS

TIPO DE TUBOS

ELECCION DE MATERIALESProcedencia Nacional.Plancha de acero al carbono, SA-36 (estructural)

Tubo de acero al carbono, SA-53 (con costura)

Tubo de acero al carbono, SA-500 (estructural)

Tubo de cobre , SB-75 Y SB-88

Tubos de latn Almirantazgo , SB-111 C443 (admiralty)Plancha de latn Laminada hasta 12 mm

Importado.Tubo de acero inoxidable, SA-269 ( sin costura)

Plancha de latn naval laminada C464

Plancha cupro nquel laminada C706

Tubo cupro-nquel, SB-111 C706

Tubo de titanioCONSIDERACIONES DEL TIPO DE APLICACINPetrleo: no utilizar cobre o aleaciones de cobre, falla por Pitting.Amoniaco: No utilizar cobre o aleaciones de cobre, falla por corrosin.Aceite trmico: No utilizar cobre, degrada al aceite .Salmuera: No utilizar acero inoxidable, falla por Pitting .Acido Sulfrico Diluido: No utilizar acero inoxidable , se corroe.

CONSIDERACIONES DE APROVECHAMIENTO DE MATERIALFormatos estndar de placas : 3.04x 1.22 m (4x 10)Longitudes estndar de tubos: 6.0m (promedio)EN ESTA PAGINA SE DAN LO DIFEERENTES TIPOS DE CABEZAL QUE EXISTEN ( TOMADO DEL TEMA )

ESPESORES DE PARED PARA TUBOS FLUX.

doCobre y a AleacionesAcero al Carbn

Pulgs.de cobreAluminio y Aleaciones de Alum.Otras Aleaciones

B:W:G:EspesorB.W.G.EspesorB.W.G.Espesor

Min. ParedPulgs.Min. ParedPulgadasPared Prom.Pulgs.

3/4180.049160.065180.049

160.065140.083160.065

140.083120.109140.083

1 160.065140.083180-049

140.083120.109160.065

120.109100.134140.083

120.109

1-1/4140.083140.083160.065

120.109120.109140.083

100.134100.134120.109

100.134

1-1/2140.083120.109140.083

120.109100.134120.109

2140.083120.109140.083

120.109100.134120.109

LA SECUENCIA DEL CALCULO PARA EL DISEO MECANICO ES LA SIGUIENTE:1.- Placa de Choque.

2.-Cabezal Flotante.

3.-Espesor de los Espejos.

4.-Espesor de la Envolvente.

5.-Tapa de la Envolvente.

6.-Bridas Exteriores.

7.-Cabezal de Entrada.

8.-Mamparas.

9.-Tirantes del Tensor.

10.-Placa de Particin.

11.-Boquillas.

1.- PLACA DE CHOQUEPara determinar si el cambiador de Calor requiere o no Placa de Choque, es necesario conocer el fluido que se esta manejando, si este es corrosivo y/o abrasivo. Las placas de choque debern colocarse cuando se cumpla las siguientes condiciones:

a) S *V2 1,500

Para fluidos no abrasivos , no corrosivos y en una sola fase.

b) S

*V2500

Para otros Fluidos incluyendo lquidos en punto de ebullicin.

c) En todos los casos cuando se tengan gases, vapores o mezclas lquido-vapor.

NOTA: Para ningn caso podr aceptarse un valor de *2 deber ser mayor a 4,000 Lb/pies2(6,000 Kg/ms2), debindose incrementar el dimetro de la boquilla alimentadora en esos casos, a fin de reducir la velocidad de entrada y con ello el producto.

Deber evitarse en los casos que sea posible la mampara de choque, seleccionando el dimetro de boquilla adecuado que proporcione un producto 2 dentro de los lmites antes establecidos, esto es cuando el dimetro puede elegirse y no es un dato, de lo contrario se tendr que evaluar el producto y se determinar si ser necesario o no la mampara, conforme a lo anteriormente expuesto.Donde:

V = Velocidad del Fluido en

= Densidad del Fluido en

La placa de choque se puede evitar buscando un dimetro de boquilla apropiado para que el valor del producto *V2 no exceda los valores antes mencionados, ya que lo que tenemos fijo es el gasto de entrada y el tipo de fluido. Que se esta manejando, as que en funcin de esto podemos calcular el dimetro de la Boquilla con la siguiente frmula.

Gv = Frmula No. 01Dependiendo del tipo de fluido calculamos:

a) *V2 = 1500 despejando V queda V =

b) *V2= 500 despejando V queda V =

EMBED Equation.3

A = Frmula No. 02Donde

Gv = Gasto Volumtrico.

A = rea mnima necesaria de la boquilla de entrada para evitar la placa de choque .

Clculo del rea de la boquilla propuesta en la hoja de datos.

AB = 0.785 Db2 Frmula No. 03Donde.

Db = Dimetro interno de la boquilla ( pulg ).

En el caso de no poder evitar la placa de choque se procede a calcular su posicin y dimensiones bajo las siguientes condiciones:

a) La placa de choque tendr un dimetro igual a 1.25 veces el dimetro interno de la boquilla.

b) El rea de paso de la boquilla ( A ) , deber ser igual al rea cilndrica de proyeccin de la placa de choque A1.

A1 = Dpl ** Hpl Frmula No. 04A = 0.785 * Db2.

Hpl =

Donde.

Dpl = Dimetro de la placa de choque. en pulg.

Hpl = Altura de la placa de choque en pulg.Es recomendable fabricar estas mamparas con la misma curvatura que presente la coraza para hacer menos brusco el cambio de direccin en el flujo y evitar prdidas de energa excesivas.

Cuando la boquilla alimentadora es de dimetro grande en relacin al dimetro de la coraza y exista la necesidad de utilizar mampara de choque, esta ser tambin de grande dimensiones y por consecuencia ocupar un espacio dentro de la coraza tal, que har muy difcil la distribucin de los tubos que requerir el haz, es entonces cuando se deber recurrir a otras soluciones, como lo son el diseo de cinturones de distribucin o domos que se vern ms adelante

2.- DISEO DEL CABEZAL FLOTANTEA) Dimencionamiento del Cabezal Flotante.Cabezal Flotante Tipo S ( Ver Figura ).

a).- Dimetro exterior del espejo DeE

DeE = Di 2c Frmula No. 05Donde.

Di = Dimetro interior de la envolvente en pulg.

c = Claro necesario para remover libremente el haz de tubos = 1/8 pulg normalmente.

b) Dimetro macho del espejo DmE.

DmE = DeE 2N 2K Frmula No. 06Donde.

K = Separacin mnima para el acoplamiento de la brida y el espejo = 1/16 de pulg.

N = Ancho mnimo del empaque marcado por el TEMA que son 3/8 pulg para dimetros nominales hasta de 23 y de pulg. Para mayores.

Compararlo con el resultado del clculo que se hace mas delante., s es mayor el calculado se debe usar y repetir. el clculo.

c) Dimetro lmite de tubos real Dotl Dotl = DmE - 2Km Frmula No. 07 Donde

Km = Distancia mnima entre un barreno y el lmite de la pieza cercana a este = 1/16 pulg.d) Dimetro interior de la brida del cabezal flotante ( Dib ).

Dib = DmE + 2K Frmula No. 08e) Dimetro hembra de la brida del cabezal flotante ( Dhb ).

Dhb = DeE + 2K Frmula No. 09f) Dimetro entre centro barrenos de la brida del cabezal flotante (Dcb ).

Dcb = Dhb + 2Km + DB. Frmula No. 10Donde

Db = Dimetro del barreno = Dimetro del tornillo ( Dp ).

Dp + tolerancia en pulg.

DpTolerancia

De 5/8 a 11/16

1-1/8 y mayores1/8

g) Dimetro exterior de la brida del Cabezal Flotante ( Deb ).

Deb = Dcb + 2E. frmula No. 11Donde.

E = Distancia del centro de barrenos al exterior de la brida determinada en la siguiente tabla por el dimetro del tornillo en pulg.

Todas las dimensiones son en pulgadas

Dimetro del tonilloREB mnimo

1-1/813/161-3/4

7/81-1/415/152-1/16

11-3/81-1/162-1/4

1-1/81-1/21-1/82-1/2

1-1/41-3/41-1/42_13/16

1-3/81-7/81-3/83-1/16

1-1/221-1/23-1/4

1-5/82-1/81-3/82-1/2

1-3/42-1/41-3/43-3/4

1-7/82-3/81-7/84

22-1/224-1/4

h) Dimetro interior de la envolvente del cabezal flotante ( Dic ).Dic = Deb + 2c. Frmula No. 12Cabezal Flotante Tipo T ( ver Figura ).

a) Dimetro exterior del espejo ( DeE ).DeE = Di -2c Frmula No 05b) Dimetro macho del espejo ( DmE ).

DmE = DeE 2E DB 2Km 4K 2Ne ecuacin No. 13c) Dimetro interior de la brida del cabezal flotante ( Dib ).

Dib = DmE + 2K Frmula No. 08d) Dimetro lmite de tubos ( Dotl ).

Dotl = DmE 2Km Frmula No 07 PLANTILLA DE BARRENADO

La Plantilla de Barrenado es el dibujo que muestra la posicin en que ir situado cada uno de los tubos de transferencia con que contar el equipo y servir de base para la perforacin de las placas que han de soportarlos al ensamblar el haz completo (espejos y mamparas).

DATOS REQUERIDOS PARA EL DISEO (PROPORCIONADOS EN LA HOJA DE DATOS).1) Nmero de tubos requeridos.

2) Dimetro de los tubos.

3) Requiere mampara de choque o no (III.1).

4) Dimetro interior de la coraza.

5) Tipo de cabezal (III.2.1.1).

6) Arreglo de los tubos (III.2.1.2).

7) Nmero de pasos por los tubos (III.2.1.3).

8) Tipo de flujo en la coraza (III.2.1.4).

TIPOS DE CABEZAL

El nmero de tubos que especfica la hoja de datos para el haz, debe estar comprendido en un crculo cuyo dimetro se establece en funcin de las tolerancias de fabricacin y montaje que deben considerarse para el tipo de cabezal requerido, as como por las dimensiones del empaque, el cual se reduce al ancho mnimo permisible (TEMA R-6.3) para obtener el mayor Crculo Lmite de Tubos, (CLT) y as contener los tubos necesarios. El ancho mnimo de los empaques especificados por las normas es 3/8pulg. (9.5mm.) para equipos con 23pulg. (584mm.) de dimetro nominal o menores y 1/2pulg (13mm.) para aqullos de mayor dimetro, pero ser necesario comprobar posteriormente que estos empaques cumplan las necesidades de sello al disear los cabezales flotantes que los incluyen.

a) Cabezal Tipo S

Este cabezal ser diseado tenindose presente que ser desmontable y por lo mismo, requerir tolerancias en su dimensionado que le permita al espejo flotante, salir libremente a travs de la coraza al extraerse el haz, despus de desmontar el bonete y las bridas de este cabezal flotante, que tambin contarn con tolerancias de fabricacin para el fcil acoplamiento y desmontaje.

I DATOS FINALES QUE DEBER INCLUIR LA PLANTILLA DE BARRENADO.1) Nmero, calibre y dimetro de tubos de transferencia.

2) Localizacin y dimensiones de la mampara de choque si se requiere.

3) Arreglo de los tubos.

4) Paso de los tubos en su arreglo.

5) Nmero de pasos por los tubos.

6) Dimetro y lnea de corte de las mamparas transversales, indicando en ellos el CLT real.

7) Nmero, dimetro y localizacin de las varillas tensoras.

8) Dimensiones y localizacin de fajas de sello.

9) Dimetro y localizacin de barrenos para tornillos de ojo.

TRAZO DE LA PLANTILLA DE BARRENADO

Conociendo los datos indispensables para el diseo de la plantilla de barrenado y habiendo calculado el dimetro del mximo Crculo Lmite de Tubos (CLT) correspondiente al cabezal de retorno (o flotante) requerido, se estar en posibilidad de trazar la plantilla.

Cuando el nmero de pasos por los tubos es la unidad y el haz no involucra mampara de choque ni mampara longitudinal (Fig.), la plantilla se obtiene siguiendo los pasos indicados a continuacin:

1) Trazar un sistema de ejes cartesianos x, y.

2) Dibujar el contorno del mximo "CLT" con centro en la interseccin de los ejes indicados en el punto anterior.

3) Trazar familias de rectas conforme el arreglo de tubos; hasta llenar el rea comprendida por el mximo "CLT".

4) Dibujar el contorno de tubos calibre en su seccin transversal haciendo centro para su radio exterior en la interseccin de las rectas que establecen el arreglo de tubos (punto 3), cuidando que ninguno de ellos sobrepase el permetro marcado por el mximo "CLT". La cantidad de tubos comprendidos del "CLT", ser el mximo nmero de ellos con el que podr contar el equipo, por lo que debern buscarse alternativas que convengan a las necesidades que se tengan. En la Figura III.5 se presentan dos alternativas (c y d) para la distribucin de tubos con el mismo arreglo y crculo lmite de tubos, en las que se obtienen un nmero diferente de tubos como consecuencia de la posicin relativa del eje "y" respecto a la lnea de centros de la columna de tubos ms prximos a este. Cuando el nmero de pasos por los tubos sea diferente de la unidad, se distribuir el nmero de tubos solicitado en la Hoja de Datos, de tal forma que se tenga la misma cantidad de stos en cada paso, aunque no siempre ser posible y entonces podr aceptarse una diferencia del 3% mximo entre el nmero de tubos de un paso y otro. Para el trazado de la plantilla en estos casos, tendrn que ser localizados primeramente las lneas de centro de las placas divisorias, para a continuacin dibujar el arreglo de tubos conforme a su paso, tenindose presente que la distancia "W4" de la lnea de centros de cualquier placa divisoria a la lnea de centros de la hilera de tubos ms prximos a ella, deber incluir los espaciamientos y claros mnimos recomendados para lograr el ensamble de las placas divisorias con el espejo (Fig. III.6). El espesor mnimo admisible para las placas divisorias en cabezales y bonetes de cabezal flotante "W1" (TEMA R.8.131) no deber ser menor al indicado por la tabla III.2.

B) CALCULO DEL ANCHO DEL EMPAQUE.

La seleccin del empaque se har tomando en cuanta la temperatura, presin y naturaleza del fludo y el material deber satisfacer las siguientes condiciones.

B.1 Impermeabilidad.

B.2 Resistencia a la corrosin

B.3 No contaminante.

B.4 Que no produzca corrosin Galanita.

a) Dimetro exterior del empaque en pulg ( Dee ).Dee = Die Frmula No. 14Donde

Die = Dimetro interior del empaque en pulg.

Y = Esfuerzo de asentamiento del empaque en Lb/ pulg.2m = Factor de asentamiento del empaqueNOTA

Los valores de Y y m se obtiene de la tabla siguiente.Material del EmpaqueFactor de empaque "m""Y" (Lb/pulg2)

a).- Asbesto1/8" de espesor2.001,600

1/16" de espesor2.753,700

1/32" de espesor3.506,500

b).- Metal con

espiral con

asbestoacero al carbn2.502,900

( Flexitalic )acero inoxidable 3.0045,400

c).-MetalAluminio2.753,700

CorrugadoBronce -Cobre3.004,500

Fierro3.255,500

Monel3.506,500

Acero Inoxidable3.757,600

d),. AsbestoAluminio3.255,500

recubiertoBronce -Cobre3.506,500

con metalFierro3.757,600

Monel3.508,000

4-6% Cromo3.759,000


e).- PlacaAluminio4.008,800

MetalBronce -Cobre4.7513,000

SlidoFierro5.5018,000

Monel6.0021,800


b) Ancho del empaque ( Ne ).Ne = Frmula No. 15NOTA: S Ne es menor que el valor del mnimo especificado por TEMA N regir el especificado por este cdigo.

C) TAPA DEL CABEZAL FLOTANTE.

B = Frmula No. 16L = Frmula No. 17Donde.

L ser un valor inmediato inferior en pulg. En nmeros enteros.

ESPESOR REQUERIDO POR PRESION INTERNA t PARA TAPAS ABOMBADAS.

t = Frmula No. 18Donde:

Pdt = Presin de Diseo del lado de los tubos ( de 1.2 a 1.5 la presin de trabajo ) en Lb/pul2..

S = Fatiga del material de construccin en Lb/pulg2.

Se debe checar el espesor por presin externa, utilizando el procedimiento visto en elementos de diseo, y este no deber ser menor al determinado por este procedimiento.

Recuerde que se debe obtener el valor de B en tablas y calcular:

Pa = Frmula No 19

El espesor total ser:

tta = t +c Frmula No. 20Siendo c el sobre espesor por corrosin, el espesor total debe darse en espesor comercial..D) NMERO DE TORNILLOS DEL CABEZAL FLOTANTE.a).- Dimetro de la localizacin de la reaccin del empaque o dimetro medio del empaque G.

G = Dee 2b Frmula No. 21Donde:

b = ancho efectivo de asentamiento del empaque

b=bo cuando bo

bo = para unin sencilla ( cara plana ).b = cuando bo> b).- Carga de asentamiento del empaque ( Wm2 ).

Wm2 = b * * G * Y Frmula No. 22c).- Carga de los tornillos para condiciones de operacin ( Wml ).

Wml = Hp + H Frmula No. 23

Hp = 2b * * G*m * Pdt Frmula No. 24

H = 0.785 * G2 * Pdt Frmula No. 25Donde

Hp = Carga para sostener sellada la junta durante la operacin del equipo en ( Lb ).H = Fuerza de separacin inducida por la presin externa en ( Lb ).

d).- Area necesaria de pernos ( Am ).

Am = Ser la mayor de :

pulg2. pulg2. Frmula No. 26Donde:Sfa = Fatiga del material de los tornillos a la temperatura de operacin en Lb / pulg2.

Sfb = Fatiga del material de los tornillos a la temperatura ambiente ne Lb/pulg2.

e).- Nmero mnimo de Tornillos ( Np ).

Np = Frmula No. 27Donde:Ap = Area transversal del tornillo ( ver tabla ).

DATOS DE LOS TORNILLOS

Dimetro del tornillo (dp)

pulgNo. De Hilos por pulg.Area transversal del tornilloDistancia mnima entre tornillosDistancia E

130.1261-1/45/8

5/8110.2021-1/2

100.3021-3/413/16

7/890.4192-1/1615/16

180.5512-1/41-1/16

1-1/880.7282-1/21-1/8

1-1/490.9292-13/161-1/4

1-3/881.1553-1/161-3/8

1-1/281.4053-1/41-1/2

1-5/881.6803-1/21-5/8

1-3/481.9803-3/41-3/4

1-7/882.30441-7/8

282.6524-1/42

2-1/483.4234-3/42-1/4

2-1/284.2925-1/42-3/8

2-3/485.2595-3/42-5/8

386.3246-1/42-7/8

El nmero de pernos debe ser mltiplo de 4, para colocar la cuarta parte de los tornillos en cada cuadrante y de una manera simtrica.

f ).- Espaciamiento mximo entre tornillos ( B max ).

Bmax = 2dp + Formula No. 28Donde

dp = Dimetro del tornillo en pulg.

T = Espesor de la brida. ( mnimo 2 pulg. ).

La distancia mnima de los tornillos se indica en la tabla dada anteriormente,

g).- Espaciamiento Real entre tornillos ( Breal ).

Breal = Frmula No. 29Diam. Del tornillo (Dp)REB min.

1-1/813/161-3/4

7/81-1/415/162-1/16

11-3/81-1/162-1/4

1-1/81-1/21-1/82-1/2

1-1/41-3/41-1/42_13/16

1-3/81-7/81-3/83-1/16

1-1/221-1/23-1/4

1-5/82-1/81-3/83-1/2

1-3/42-1/41-3/43_3/4

1-7/82-3/81-7784

22-1/224-1/4

h).-Revisin del ancho efectivo de asentamiento del empaque Nr por carga de los tornillos.

Nr = Frmula No. 30Donde

Ab = Area reaL de los tornillos = Np * Ap. En pulg2.

Nr = Ancho expuesto del empaque en pulg.

El valor de Nr se compara con el de N hasta obtener N >Nr

E.-CALCULO DEL ESPESOR DE LA BRIDA DEL CABEZAL FLOTANTE

Momentos actuantes en la brida.a),.Momento debido a carga de los tornillos ( Ma ).

Ma = w * hg Frmula No. 31Carga de los tornillos ( w ).

w = Ab * Sfa Frmula N o. 32Brazo de momento ( hg ).

hg = 0.5 * ( Dcb G ). Frmula No. 33b).- Momento debido a la reaccin de los empaques ( Mg ).

Mg = Hg *hg Frmula No. 34Carga en el empaque ( Hg ).

Hg = w H Frmula No. 35c).- Momento debido a la fuerza hidrosttica actuando sobre la brida ( Md )..

Md = Hd * hd Frmula No. 36Fuerza hidrosttica actuando sobre la brida ( Hd ).

Hd = 0.785 * Dib2 * Pdt Frmula No. 37Brazo de momento ( hd )

hd = 0.5*(Dcb Dib ) Frmula No. 38

d).- Momento debido a ( Ht ).

Mt = Ht *ht Frmula No. 39 Diferencia entre la fuerza hidrosttica total y la fuerza hidrosttica actuando sobre la cara interior de la brida ( Ht ).

Ht = H Hd Frmula No. 40Brazo de Momento ( ht ).

ht = 0.5 * ( hd + hg ) Frmula No. 41e).-Momento total actuando sobre la brida bajo condiciones de operacin ( Mb ).

Mb = Mg + Md + Mt Frmula No. 42f).- Espesor de la brida ( tb ).

J = Frmula No. 43

F = Frmula No. 44

tb = F + ( F2 + J )1/2. Frmula No. 45Espesor total de la brida del cabezal flotante.

ttb = tb + Ecr + c Frmula No. 46DondeEcr = espesor de la cara realzada igual a 3/16 mnimo.

g).- Determinacin del momento correctivo.

D1 = Frmula No. 47

D2 = Frmula No. 48

Dr = D2 D1 Frmula No. 49

x = Dr + 1/8 Frmula No. 50

sen B1 = Frmula No. 51Hr = Hd*cot B1. Frmula No. 52hr =

Frmula No. 53Mr = Hr *hr Frmula No. 54Se debe cumplir que Mb Mr < Ma en caso contrario se incrementar Mr incrementando ttb t se deben repetir los clculos.

F):_ ESPESOR DE LA CONTRABRIDA DEL CABEZAL FLOTANTE ( tcb ).

tcb = T ( 2Ecr Eec + Cm ) + D Frmula No. 55Donde

Ecr = Espacio ocupado por el empaque al ser comprimido = 1/16 pulg.

Cm = Claro mnimo par el acoplamiento de las bridas = 1/16 pulg.

D = Dp + 7/16

ESPEJOS

Los espejos empleados en cambiadores de calor son placas planas circulares de espesor constante, perforadas con agujeros circulares (Figura III.39), en los cuales habrn de insertarse los tubos de transferencia para ser rolados y/o soldados, de acuerdo a las necesidades del diseo, para formar un sello hermtico en esta junta y evitar la contaminacin de los fluidos de proceso.

Los espejos cumplen tres funciones principales; primero como elementos divisores entre los flujos del lado coraza y el del lado tubos, impidiendo el contacto directo entre ellos, segundo, como elemento estructural para soportar las presiones tanto del lado coraza como del lado tubos y tercero como elemento de sujecin de los tubos.

Por lo anterior es evidente que estn expuestos a un sistema complejo de cargas, tales como presiones, efectos de temperatura y reacciones de soportes.

Las presiones actan en el espejo de la manera siguiente:

En un cambiador de calor se tienen actuando dos presiones (lado tubos y lado coraza). Al actuar las presiones en ambas caras del espejo, obviamente

tienden a contrarrestarse, pero el diseador debe tomar en consideracin el caso ms crtico y partir de la suposicin de que una de estas es suprimida por alguna causa y solamente est actuando en el espejo la mayor de las dos.

La temperatura acta de dos maneras, primero: su distribucin irregular en todo el espejo causa esfuerzos por temperatura que en algunos casos son crticos; cuando las temperaturas son altas (650 oF (343 oC) en adelante) o bajas (menores de 20 oF (-29 oC), se modifican apreciablemente las propiedades mecnicas y trmicas del material, tales como esfuerzos, mdulo de elasticidad, coeficiente de expansin trmica, etc., lo que conduce a un problema ms complejo. Segunda: las diferentes temperaturas que actan en los tubos y la coraza adems de las diferentes propiedades de estos elementos, causan fuerzas aplicadas al espejo a travs de los tubos.

Los tubos de transferencia, anclados sobre los espejos le transmiten cargas actuando bien como tirantes o como puntales, dependiendo de las condiciones de deformacin y colocacin de los tubos, adems de los movimientos ocasionados por diferencias de temperatura.

Existen fundamentalmente dos tipos de espejos, empacados y fijos (Figura III.12), los primeros se dividen a su vez en flotantes y estacionarios, pudiendo presentarse combinaciones entre ellos.

DISEO DE ESPEJOS

Los espejos constituyen un elemento importante dentro de un cambiador de calor, por tal motivo, su clculo debe efectuarse tomando en consideracin cada uno de los factores que puedan afectarlo tales como ranuras, corrosin,

recubrimientos, etc.

Aunque el diseo de los espejos es sumamente complejo, en el presente trabajo se proporcionan tanto el procedimiento como las expresiones matemticas de clculo en una forma ya elaborada, para lo cual se ha dividido en dos partes principales.

Frmulas y especificaciones de espesores para espejos empacados; flotantes y estacionarios.

3.- ESPESOR DE LOS ESPEJOS.

a) Por flexin.

T = Frmula No. 56Donde.

F = 1.0 para espejos estacionarios y cabezal flotante.F = 1.25 Para espejos estacionarios con tubos en U.

Pr = Profundidad de la ranura para placa divisoria normalmente es igual a 3/16.

P = Presin de diseo ( la mayor entre la del lado de los tubos y el lado de la envolvente).

G = Dimetro medio del empaque del espejo estacionario en pulg.

S = Fatiga del material de construccin en Lb/pulg2.

Espesor Total de los espejos.

Tt = T + Pr + c Frmula No. 57Donde c es el sobre espesor por corrosin. ( 1/8 si es acero al C. y 1/16 si es aleacin de acero ).

b) Por esfuerzo Cortante.

T = Frmula No. 58Donde DL = Dimetro equivalente del permetro que une los centros de los tubos exteriores en pulg.

DL =

CT = Permetro de los tubos exteriores medidos de centro a centro en incrementos de un pitch dado en pulg.A = rea total dentro del permetro CT en pulg2.

do = dimetro exterior de los tubos en pulg.

P = Distancia entre centros de los tubos adyacentes ( pitch ) en pulg.

(FAVOR DE VER DIBUJO DE UN ESPEJO EN LOS ANEXOS)4.-ESPESOR DE LA ENVOLVENTE.Espesor mnimo para envolventes cilndricas sujetas a presin interna ( ASME ).

te = Frmula No. 59Donde:

E es la eficiencia de la unin soldada.

El espesor de la envolvente no deber ser menor al especificado por el cdigo TEMA que se muestra en la tabla siguiente.

ESPESOR MINIMO PARA ENVOLVENTES

Espesor mnimo

DiAcero al Carbn Aleacin

en pulgs.TuboPlaca

8-12 incl.Ced 301/8

13-29 incl.3/83/83/16

30-39 incl.7/161/4

40-60 incl.1/25/16

5.- TAPA DE LA ENVOLVENTE.Espesor mnimo para tapas toriesfricas ( tte ) cdigo ASME .

tte = Frmula No. 60Donde

L = Dimetro de curvatura en pulg. Y esta es igual a Dci cuando se utiliza una geometra del 6% de corona.

6.- SELECCIN DE LAS BRIDAS EXTERIORES.

Estas se seleccionan de acuerdo a la tabla No. 9 las cuales son: Bridas del cabezal de retorno, Bridas del espejo Fijo y Brida del cabezal de entrada,7.- CABEZAL DE ENTRADA.

Espesor mnimo para la tapa toriesfrica.

t = Frmula No. 61Espesor mnimo para tapas planas:

El espesor efectivo de la tapa plana ser el mayor obtenido de las siguientes frmulas:

a).- Segn TEMA R-8.21

Tp = Frmula No. 62Donde:

Pdt = Presin de diseo del lado de los tubos en Pulg.

G = Dimetro medio del empaque en pulg.

hG = Distancia radial entre el dimetro medio del empaque y el dimetro entre centro de barrenos hG = .Atp = rea total transversal de tornillos.

Dp = Dimetro del tornillo.

Espesor Total ( Tpt ).

Tpt = Tp + 3/16. Frmula No. 63Donde.

3/16 es la profundidad de la ranura ( cuando es de ms de un paso ).

b).- Segn ASME UG-34.

Tp = Frmula No. 64Donde:

c es un Factor que depende del tipo de junta y este es igual a 0.3 para la brida.

W Carga debida a los tornillos en Lb y esta se calcula con:

W = Sa*Atp.

S = Fatiga del material de la tapa en psi.

Sa = Fatiga del material de los tornillos en psi.

NOTA.

El espesor de la tapa no debe ser menor que el del cilindro del cabezal.

Espesor del cilindro del Cabezal de entrada.

Este se calcula con la siguiente ecuacin ecuacin ( se debe utilizar la presin de diseo de los tubos ).

te =

8,. ESPESOR DE LAS MAMPARAS O PLACAS DE SOPORTE.

Este se determina por medio de la siguiente tabla. ( segn TEMA R-4.41 )ESPESOR DE MAMPARAS Y PLACAS DE SOPORTE

Dimetro nominalEspesor de las placas en pulg.

de la envolvente (Di)Distancia entre mamparas 1/2 de la diferencia

en pulgs.entre placas de soporte

12" y mayores12" a 18" 18" a 24"24" a 30 " mayor de 30"

8 a 14 incl.1/83/161/43/83/8

15 a 28 incl3/161/43/83/81/2

29 a 38 incl.1/45/163/81/25/8

mayor de 39 1/43/81/25/85/8

Para determinar la distancia entre placas de soporte se usa la siguiente tabla, que indica la longitud mxima entre soportes para los distintos dimetros de tubo y diferentes materialesLONGITUD MAXIMA ENTRE MAMPARAS O SOPORTES DE TUBOS

Materiales y lmites de temperaturas ( F ) de los tubos

DimetroAcero al carbn ( 750 )

ExteriorAcero de baja aleacin ( 850)Aluminio y Aleaciones

de los TubosNquel - Cobre ( 600 )Cobre y Aleaciones

Pulg.Nquel ( 850)

Niquel -Cromo-Fierro ( 1000 )Pulgs.

3/460 "52

1.074"64

1-1/488"76

1-1/2100"87

2.0125"110

9.- TIRANTES O TENSORES. VARILLAS TENSORAS

La funcin de estas varillas es lograr un armazn rgido entre mamparas, placa soporte y uno de los espejos, haciendo posible el manejo del haz de tubos

como un slo elemento.

El nmero de varillas requeridas as como su dimetro estn en funcin del dimetro de la coraza (Tabla III.5) y debern ser distribuidas en toda la periferia

de la plantilla de barrenado, teniendo cuidado en localizarlas tambin prximas al corte de las mamparas para evitar problemas de vibracin. Uno de los extremos de estas varillas irn empotrados al espejo fijo empacado, cuando se trata de un haz de tubos removible y este empotramiento se har en el espejo prximo a la boquilla alimentadora de la coraza cuando se trata de un equipo de espejos fijos.

El dimetro y nmero mnimo de estos se determina a partir de la siguiente tabla ( TEMA R-4.71 ).

Dimetro nominal de la envolvente ( pulgs)Dimetro del tirante ( pulg.)No. Mnimo del tirante

De 8 a 153/84

De 16 a 22 incl.3/86

De 28 a 33 incl6

De 34 a 48 incl.8

De 49 y mayores10

10.- PLACA DE PARTICION.El espesor mnimo de la placa de particin no deber ser menor que los mostrados en la tabla siguiente. ( TEMA R-8.131 ).

Dimetro nominal

Nominal de la envolvente ( Pulg )Acero al

CarbnAleacin de otros

materiales

Menores de 243/8

24 y mayores

11.- BOQUILLASClculo del dimetro de las boquillas.

Db = Frmua+ No. 65Donde:

W = gasto masa del fluido en Lb / Hr.

V = Velocidad del fluido en la boquilla en pies / seg.

= Densidad del fluido en Lb/pie3.

SOPORTES DEL EQUIPO

Los soportes de un recipiente se pueden seleccionar y disear tomando en cuenta variables, tales como tamao, peso, espesor de la coraza, espacio libre de instalacin y elevacin del recipiente.

Los cambiadores de calor, considerados como recipientes, se pueden soportar por medio de dos silletas que colocan de tal manera que las cargas sobre que las cargas sobre cada una de ellas sean aproximadamente iguales.

Generalmente el peso y tamao de un cambiador de calor resulta ser pequeo

comparado con el de un recipiente de almacenamiento, por la que haciendo un

anlisis para determinar el espesor requerido por la placa de las silletas, ests

resultan de pequeo espesor.

La prctica ha demostrado, que utilizando una silleta con ngulo de 60 entre sus extremos de apoyo y el centro del cambiador de calor y con placa de 3/8pulg. (9.5mm.) de espesor, se tiene una silleta suficiente para soportar un cambiador hasta 57,000 Lb (25,885 Kg) de peso, suficiente para los casos comunes. La altura de las silletas ser la mnima posible para no tener demasiada altura en las lneas de tubera.

Como la coraza sufre variaciones en su temperatura de pared tiene pequeas alteraciones en su longitud, por lo que debe tener libertad para absorber estas dilataciones y para tal efecto se tendrn perforaciones alargadas en la base de una de sus silletas, a fin de que las anclas que sujetan al equipo con la

cimentacin no restrinjan su libre desplazamiento .

DE CONSTRUCCIN

En la fabricacin de equipos, existen limitaciones de construccin que debern ser consideradas al dimensionar cada una de las cuatro partes principales nombradas anteriormente, en donde se presentan dimensiones mnimas permisibles en algunos de sus elementos, a fin de prevenir las dificultades que se presentaran en caso de contar con una dimensin ms reducida. Las dimensiones mnimas de las que aqu se habla, son una necesidad existente para la aplicacin de las soldaduras en las uniones, ya que no podrn permitirse dos o ms uniones soldadas demasiado prximas entre s, por lo que al menos deber dejarse una separacin mnima de tres veces el espesor de la placa que se est soldando, para evitar en lo posible el debilitamiento de la misma en la parte intermedia entre las soldaduras, a consecuencia de la alta temperatura a que estar sujeta al ser aplicada la soldadura en sus extremos.

Un ejemplo de lo anteriormente expuesto, puede ser la longitud requerida entre la soldadura de la placa de refuerzo de una boquilla y la unin soldada de la tapa toriesfrica en el cabezal de entrada tipo B .

DE OPERACIN

El haz de tubos es el que encierra primordialmente los requerimientos dimensionales del equipo para el buen funcionamiento del mismo, ya que de la

localizacin de las boquillas en la coraza y por consecuencia de la distribucin de las mamparas, depender en gran parte el funcionamiento adecuado del

cambiador.

El espaciamiento de las mamparas, deber ser el calculado en el diseo trmico (indicado en la Hoja de Datos), pero una de las limitaciones que habrn de encontrarse, ser la dimensin comprendida desde la lnea de centros de cada boquilla en la coraza a la pared de la mampara ms cercana a ellas, que se deber evitar, resulte demasiado justa al radio interno de la boquilla en cuestin, tenindose presente que las temperaturas de operacin ocasionan alteraciones de longitud en el haz de tubos de los cambiadores con cabezal flotante o tipos U, por lo que tendr que considerarse un cambio de la posicin relativa de las boquillas con las mamparas en funcin de las temperaturas de operacin (Ver Figura III.44.a).

Otra de las dimensiones del asa de tubos que deber cuidarse en los equipos que cuenten con uno o ms mamparas longitudinales, o sea aquellos constituidos por una coraza tipo F, G H, es la comprendida desde el espejo, ya sea el fijo, el flotante o ambos segn el caso, hasta el extremo de la mampara longitudinal, ya que de esta dimensin depender el rea de cruce longitudinal que se proporcione al fluido, en su paso por esta seccin del equipo; es por lo que tal dimensin deber calcularse a fin de obtener un rea longitudinal de cruce similar al rea transversal de cruce, que se indica en la Figura III.44.c con un arreglo tipo G como ejemplo.

Para el funcionamiento adecuado del equipo se tomar una precaucin ms en cuanto al tipo de flujo que ha de presentarse dentro de la coraza, esto es, siempre que se requiere un flujo de arriba abajo, ser necesario contar con un nmero para de mamparas y nunca lo contrario, por necesidad de circulacin y

desperdicio de rea de transferencia en la longitud de tubos que no estara en

contacto con la corrientes del fluido en la coraza.

DE MANTENIMIENTO

Al llevarse a cabo el mantenimiento de un equipo, ser indispensable el empleo de herramientas adecuadas y en ocasiones no adecuadas para el desensamble de elementos mecnicos como son: tapas, bridas, boquillas, etc.

Durante el diseo mecnico y especficamente al dimensionar el equipo se deber prever una serie de dificultades que se presentaran sino existiera el espacio suficiente para el manejo de las herramientas necesarias. En la Figura III.45.b se muestran algunas de las dimensiones mnimas permitidas tanto en la fabricacin como en el mantenimiento del equipo.

Las restricciones dimensionales por construccin y mantenimiento pueden dar como resultado, diferentes dimensiones para un mismo elemento, en cuyo caso habr de elegirse aquella que resulte mayor (Ver Figura III.45.b).

Los conceptos expuestos en los prrafos anteriores sern una ayuda para el establecimiento de las proporciones longitudinales que interesa conocer en los

equipos que aqu se han visto.

DIMENSIONAMIENTO GENERAL

El equipo que se presenta es denominado por las normas TEMA como AES .

FABRICACIN

La finalidad de este captulo es proporcionar un bosquejo de la secuencia de actividades involucradas en la fabricacin de cambiadores de calor.

Para lo anterior se incluyen los aspectos siguientes:

1. Capacidad y/o Recursos de Fabricacin

2. Inventario de Materiales

3. Doblado de Tubos

4. Preparacin de Placas

5. Rolado en Fro y Rolado en Caliente

6. Maquinados

7. Ensamble de Accesorios

8. Soldadura

9. Esmerilado

10. Tratamientos Trmicos

11. Ensamble

12. Inspeccin

Antes de iniciar la descripcin de los diferentes puntos antes citados, es importante sealar que algunas etapas de fabricacin son independientes de otras por lo que son realizadas en forma simultnea, sin embargo el tema de fabricacin ser tratado con un planteamiento secuencial lgico, conforme se indica en la lista anterior y el esquema de fabricacin

CAPACIDAD Y/O RECURSOS DE FABRICACIN

Normalmente se estima la capacidad de fabricacin de una empresa o al menos sirve de referencia, tanto la capacidad de carga en sus gruas como las dimensiones tiles de trabajo en sus naves, que quedan limitadas por su longitud, ancho y altura libre hasta el gancho de las gruas.

Lo anterior no es un indicador definitivo que establezca las posibilidades de una empresa, ya que las caractersticas de toda la maquinaria, equipo y personal

con que pueda contar tambin influye, sin embargo es una manera comnmente empleada para catalogar a diferentes fabricantes.

INVENTARIO DE MATERIALESEl inventario de los materiales reviste importancia relevante en las empresas por las grandes ventajas que proporciona, tales como:

a) Conocimiento de las cantidades y caractersticas de los materiales

almacenados

b) Identificacin y localizacin rpida en almacn

c) Conocimiento de las necesidades de adquisicin

Para obtener las ventajas indicadas anteriormente, ser necesario cumplir con las condiciones siguientes:

Elaboracin de un registro detallado de todos los materiales en forma selectiva, es decir; placas, forjas, tubos, accesorios, empaques, etc., incluyendo la especificacin del material y colada, as como sus dimensiones sin dejar de registrar la clave de identificacin del equipo a que pertenecen.

Marcar o etiquetar cada uno de los elementos almacenados con los mismos

nmeros o claves con que se encuentran registrados segn el punto anterior, a fin de conservar correspondencia y lograr identificacin inmediata, deber tenerse cuidado en el tipo de pintura que se emplea como marcador para evitar que el manejo del material o el medio ambiente, borren las claves de identificacin.

Asimismo deber cuidarse que despus de seccionar materiales o maquinar los elementos forjados, sea restituida la marca con nmeros o letras de golpe y as mantener la identificacin permanente. Cuando el espesor y tipo de material as lo permitan.

Es recomendable que los materiales se almacenen cuidadosamente en un lugar apropiado que evite el deterioro o destruccin de los mismos ya que de lo

contrario pudiera tenerse registrado un volumen de elementos que posiblemente no sirvan en el momento de ser requeridos. Mantener el inventario siempre actualizado incluyendo los nuevos materiales adquiridos y dando de baja aqullos que han salido del almacn.

DOBLADO DE TUBOS

El doblado de tubos de transferencia para haces tipo U, se efecta normalmente por medio de un dispositivo constituido por una polea principal calibrada al radio de curvatura requerido y una segunda polea de pequeo

dimetro que hace curvar al tubo alrededor de la primera polea sin producir un

ovalamiento apreciable en el tubo.

El movimiento de la polea pequea puede ser de tipo manual o neumtico, debiendo ser intercambiable la polea principal para diferentes radios de curvatura. Algunos fabricantes evitan el ovalamiento de la seccin transversal de los tubos, llenndolos con arena slica antes de doblarlos, especialmente cuando se trata de pequeos radios de curvatura.

El radio mnimo de curvatura para tubos U se ha estandarizado a una y media veces el dimetro nominal de los mismos, sin embargo esto no es limitativo

ya que depende del mximo adelgazamiento de la pared en los tubos permitidos por TEMA, adems del procedimiento utilizado por el fabricante.

PREPARACIN DE PLACAS

Esta etapa de la fabricacin comprende el trazo y corte de placas, as como la preparacin de algunas aristas para la soldadura conforme a la forma y dimensiones especificadas en dibujos de taller, sin dejar de tener presente las

tolerancias de fabricacin que aseguran el ensamble adecuado entre elementos en etapas de fabricacin posteriores.

A continuacin se clasifican los procesos utilizados con mayor frecuencia para el corte en la prctica de un taller tpico.

Aire Arco

Automtico

tico Semiautom

Manual

Flama

Segueta

Abrasivo Friccin Disco

Gillotina Cizalla

Mecnico

Corte

ROLADO EN FRIO Y ROLADO EN CALIENTE

Este evento en la fabricacin consiste en la obtencin de los cilindros que constituirn las corazas, carretes y algunos cuellos de boquillas a partir de placas planas.

Rolado en Fro.

El sistema de rolado en fro debe ser efectuado en placas de poco espesor (7/8 mximo), independientemente de la capacidad de la mquina roladora, debido a los esfuerzos internos que se generan en la materia y las fracturas intergranulares que pueden presentarse en el mismo.

Durante las operaciones de rolado, deber comprobarse la redondez de los elementos con la finalidad de proporcionar un ajuste adecuado con otros elementos, tales como bridas y haces de tubos. La redondez de los cilindros puede comprobarse mediante plantillas y mamparas calibradas para diferentes dimetros, con lo cual puede detectarse cualquier ovalamiento en toda la longitud del cilindro y en su caso, hacer la rectificacin del rol con un rerolado o bien empleando gatos hidrulicos.

Rolado en Caliente.

El rolado en caliente, es un procedimiento de fabricacin que proporciona

un margen muy amplio en el uso de placas gruesas para la obtencin de cilindros, lo cual queda limitado nicamente por la capacidad de la mquina roladora y la disponibilidad en el mercado de placas con gran espesor.

En este procedimiento es necesario elevar la temperatura de la placa al rango de relevo de esfuerzos, es decir de 1100 F 1200 F, con lo cual el material disminuye su rigidez y facilita el rolado, asegurando con ello la uniformidad en la estructura de grano, se evita la generacin de esfuerzos internos, adems de

evitarse la posibilidad a producir fracturas intergranulares en la placa.

MAQUINADOS

Esta etapa comprende la fabricacin de los elementos que involucran las tolerancias dimensionales ms estrictas, como es el caso de espejos, bridas, mamparas y todos aquellos elementos a los que se requiere proporcionar un acabado superficial y de forma especial. La fabricacin de los elementos citados en el prrafo anterior, se logra empleando mquinas herramientas tales como tornos horizontales, tornos verticales, taladros radiales, taladros programables y en general mquinas que emplean herramientas de corte por desprendimiento de viruta.

Conforme a los requerimientos geomtricos y dimensionales de los elementos por fabricar, se establece la secuencia de maquinado que tendr que seguir el material hasta llegar al estado final de pieza fabricada en apego estricto a los dibujos de taller, as por ejemplo para fabricar un espejo, se seguir la secuencia que aqu se indica.

Operacin Mquina empleada

1) Desbaste de caras y contornos del material (forja o placa) proporcionando la geometra del espejo Torno vrtical

2) Barrenado de espejo segn plantilla de barrenado Taladro programable (control numrico)

3)Rimado del espejo (Control numrico) Taladro programable (control numrico)

4) Barrenado de espejo para insercin de pernos en espejos con extensin para bridar Taladro Radial

6) Maquinado de palacios Taladro Radial

7) Roscado de barrenos para varillas. Manual tensoras y tornillos de ojo Machuelo

8) Ranurado de espejos para placas de particin FresadoraEl ejemplo anterior ilustra el tipo de maquinaria que se utiliza y la secuencia que podra seguirse para la fabricacin del espejo de un cambiador de calor, sin embargo puede modificarse conforme el caso que se tenga en particular y la lnea de fabricacin establecida en el rea de maquinados.

ENSAMBLE DE ACCESORIOS

En esta etapa de fabricacin se efectan los ajustes necesarios para la localizacin, orientacin e instalacin de todos aquellos accesorios que son indispensables en los cabezales y corazas de los cambiadores de calor, tales como boquillas, coples, silletas, soportes para aislamiento, orejas de izamiento, placas de particin y en general cualquier elemento que marquen los dibujos, buscando siempre cumplir con las tolerancias que marcan las normas TEMA.

En este evento de fabricacin, el ensamble de accesorios se efecta mediante la aplicacin de puntos de soldadura a fin de hacer posible la revisin dimensional y en su caso algn ajuste. SOLDADURA

Para unir las diferentes partes de los intercambiadores de calor que deben tener una unin integral o permanente, por ejemplo: bridas a coraza, coraza a cuellos de boquillas, la coraza en si misma cuando se fabrica de placa rolada, etc. , se emplean los diferentes procesos de soldadura elctrica que se conocen, los cuales pueden clasificarse en tres grupos muy generales que son:

a) Mtodos Manuales.

b) Mtodos Semiautomticos.

c) Mtodos Automticos.

Prcticamente para cualquiera de los materiales metlicos que se emplean en intercambiadores de calor, se pueden usar los procesos que quedan englobados en los grupos mencionados.

a) El mtodo de soldadura manual prcticamente lo constituye el proceso de arco metlico protegido, en el cual la soldadura se obtiene por el calor generado por un arco elctrico formado entre un electrodo metlico recubierto y la pieza. La proteccin se obtiene por la descomposicin del recubrimiento del electrodo, el cual al derretirse o quemarse forma una atmsfera gruesa que impide el contacto del oxgeno y del nitrgeno con el metal fundido y adems sirve de fundente para el crter , recoge parte, en el recubrimiento se aaden ingredientes metlicos y no metlicos que determinan la composicin qumica del material de depsito, por lo cual se tiene gran variedad de soldaduras a partir de los diversos recubrimientos que puede tener un electrodo.

La fuente de la energa de suministro proviene de alguno de los variados tipos de mquinas que existen en el mercado y que fundamentalmente consisten en transformadores especiales que proveen corriente alterna y para producir corriente continua se dispone de unidades motor generador, transformadores con rectificador o generadores impulsados por motores de combustin interna. La potencia de todas las mquinas de soldar es indicada por la corriente de salida, variando desde 100 amperes que se emplean en trabajo muy sencillos, hasta 1,200 ms en las mquinas automticas industriales.

b) En los mtodos semiautomticos en material de aportacin es suministrado automticamente y sin interrupcin por la mquina, aunque el movimiento de avance y posicin del electrodo se hace manualmente.

Los principales procesos que se usan son:

1.- MIG (Metal Iner Gas). Soldadura de Arco metlico con gas. En este proceso la proteccin del arco se obtiene con un gas, una mezcla de gases o una mezcla de gas con un material en polvo. El electrodo es consumible y suministra el material de relleno.

2.- TIG (Tungsten Inert Gas). Soldadura de arco tungsteno con gas. En este proceso el arco se forma entre un electrodo de tungsteno no consumible y la pieza. La proteccin se logra con un gas o mezcla de gases y el material de aportacin se provee separadamente.

c) Los procesos de soldadura automtica permiten que tanto la alimentacin del material de aportacin como el avance y posicin del electrodo se hagan precisamente en forma automtica, aunque naturalmente requiere el control por un operador.

A los procesos MIG y TIG antes mencionados, se hacen adaptaciones de mecanismos y se logran procesos completamente automticos, pero el proceso

ms usado de soldadura automtica, es el arco sumergido en el fundente que en forma granular cae sobre el arco. En avance y posicin del electrodo lo efecta automticamente la mquina correspondiente.

Existen tres puntos importantes que debern tenerse presentes para la aplicacin de cualquier tipo de soldadura referidos al material que se va a soldar y son:

Limpieza.

Las superficies que van a ser soldadas debern estar limpias y despejadas de cualquier material extrao como: costras, grasa, aceite, marcas de pintura, etc.,

removindose perfectamente de las partes en contacto y adyacentes, utilizando

cepillo metlico, esmeril, arco aire (arcair) o cualquier otra herramienta adecuada.

Estos materiales extraos deben ser removidos para impedir que se mezclen con la soldadura y hagan disminuir su resistencia ya que se forman soldaduras, poros e incrustaciones con tales elementos perjudiciales. Como se ve, la limpieza es un factor muy importante que es necesario atender cuidadosamente.

Biselado. En la fabricacin de recipientes, la forma en que se sueldan las piezas de la unidad en s es de uniones a tope, exceptuando boquillas, soportes, refuerzos, etc. El bisel o chafln tiene por objeto hacer llegar el electrodo a la parte interna de la pieza de espesor considerable para obtener fusin completa del material y penetracin total de la soldadura. No es necesario preparar los bordes con biseles cuando el espesor de placa es de 6.3mm. (1/4 pulg.) o menor y tenga que ser soldada por un solo lado y en espesores de 9.5mm. (3/8pulg.) o menor, para placas soldadas por ambos lados.

Cuando se sueldan por un solo lado las placas con mayor espesor a 6.3mm. (1/4 pulg.), es necesario hacer un bisel para obtener penetracin completa.

Cuando se sueldan por ambos lados las placas con mayor espesor a 9.5mm. (3/8 pulg.), se requiere hacer bisel por uno o ambos lados, segn el grosor de las placas para obtener penetracin y fusin completas.

Precalentamiento.

Con el fin de reducir la fragilidad de la soldadura, es necesario precalentar las zonas afectadas por la misma, con lo que se logra un rango de enfriamiento de mayor duracin, siendo as que el endurecimiento es mnimo pues es sabido que precisamente para aumentar la dureza del acero por medio de tratamiento

trmico, se calienta hasta una temperatura en que cambia la estructura molecular (temperatura crtica) y luego se enfra rpidamente. En las soldaduras es perjudicial este endurecimiento ya que es slo una pequea porcin del material la que sufre tal endurecimiento, tenindose como consecuencia la fragilidad y la presencia de grandes tensiones internas cuyos efectos son perjudiciales.

El Cdigo ASME, Seccin VIII, menciona en el apndice R las temperaturas mnimas de precalentamiento y entre pasos de soldaduras. Para los materiales del grupo P1 (Grupo en el que se incluyen los aceros al carbono) las

temperaturas son como sigue: 175 F para materiales que tienen un mximo contenido de carbono especificado de 0.30% y un espesor en la junta que excede 25.4mm. (1 pulg.). 50 F para todos los dems materiales de este Grupo P.

La zona que debe precalentarse abarca hasta una distancia de tres veces el

espesor del material a soldar, medidos desde el centro de la junta; aunque puede usarse cualquier medio para suministrar calor de precalentamiento, es lo ms comn el empleo de sopletes de oxi-acetileno u oxibutano-propano. Para la medicin de la temperatura es muy prctico el uso de los indicadores de temperatura Tempilstik o Markal, que son crayones que se funden o derriten al

ponerse en contacto con el metal que ha llegado a la temperatura a la cual estn graduados, para lo cual existen indicadores graduados desde 100 F hasta 2,000 F y en forma de pastillas hasta 3000 F.

Es necesario aclarar que el precalentamiento no asegura necesariamente un

complemento satisfactorio de las juntas soldadas ya que es afectado por factores fuera de control efectivo, tales como: anlisis qumicos, propiedades mecnicas, espesores adyacentes muy gruesos, etc.

ESMERILADO

El esmerilado es una operacin en la fabricacin que puede representar o establecer la diferencia entre la calidad y la mediocridad del equipo fabricado, no solo por la apariencia que puede adquirir el producto terminado, sino por la

integridad que puede lograrse en cada parte del mismo que es ms importante,

lograda con la eliminacin de rebabas, aristas agudas excedentes en cordones de soldadura, bordes que pudieran interferir en el ensamble de elementos, escorias y xidos que pueden originar defectos internos en soldaduras, etc., adems de poderse efectuar con esta operacin algunos ajustes que requieren precisin como es el caso del ensamble de boquillas coraza por ejemplo.

Con lo anteriormente expuesto, puede apreciarse la importancia que reviste este evento en la fabricacin y el cuidado con el que deber efectuarse, a fin de obtener un producto que refleje calidad.

TRATAMIENTOS TRMICOS

Los tratamientos trmicos en general, tienen como finalidad el modificar las propiedades mecnicas y caractersticas fsicas de los aceros, para lo cual deber seleccionarse el tratamiento trmico que satisfaga los requerimientos del material conforme a las necesidades del servicio que deba cumplir.

Existen tratamientos para refinar el grano, para suavizarlo y hacerlo maquinable, para hacerlo dctil, para hacerlo duro, para hacerlo resistente a la

tensin, a la fatiga, al desgaste al impacto, para eliminar tensiones internas, etc.

Naturalmente el tratamiento trmico deber ser acorde a la composicin qumica del acero y su aplicacin, pues sera absurdo templar por ejemplo, un acero cuya composicin sabemos de antemano que no va templar, as como tambin no tendra sentido recocer un acero altamente aleado inclusive de media aleacin, para utilizarlo en estado suavizado.

Los tratamientos trmicos ms usuales se indican a continuacin, aunque no sern tratados a fin de no desviar la atencin del tema que ahora nos ocupa,

(fabricacin), solamente abordaremos lo referido a Relevado de Esfuerzos que es aplicable en la fabricacin de los cambiadores de calor.

a) Recocido.

b) Normalizado.

c) Relevado de Esfuerzos.

d) Temple.

e) Revenido.

f) Temple Superficial.

g) Cementacin y Nitruracin.

RELEVADO DE ESFUERZOS

Los esfuerzos mecnicos internos en el acero son originados como consecuencia del trabajo en fro del mismo, esto es, cuando ha sido deformado o bien cuando le ha sido aplicada una cantidad considerable de soldadura, es

entonces cuando se hace necesario eliminar dichos esfuerzos en el material a fin de evitar problemas como pueden ser por ejemplo; la corrosin por esfuerzos o bien fragilidad de las uniones soldadas.

Este tratamiento consiste en elevar la temperatura del material al valor

marcado por el Cdigo ASME VIII en su Tabla UCS-56 o UCS-56-1 (Alrededor de 1100 F) durante un periodo establecido en estas mismas tablas en funcin del espesor y tipo de material, en seguida de lo cual dejar enfriarse dentro del horno o fuera de el al medio ambiente.

ENSAMBLE

Los diferentes elementos y componentes fabricados en las diversas reas de la planta, son reunidos en el rea de ensamble que es la etapa en la que el proceso de fabricacin de los cambiadores de calor quedar incluido.

Es aqu donde los tubos, mamparas, placa soporte, espaciadores, varillas tensoras y espejos son ensamblados para constituir el haz de tubos, el cual ser alojado cuidadosamente en la coraza para que posteriormente, puedan ensamblarse los cabezales y/o tapas, logrndose as constituir el equipo terminado.

Durante el proceso de expansionado de los tubos o rolado como suele llamrsele, la fuerza de expansin de la mquina es calibrada de tal forma que todas las uniones tubo-espejo, quedan igualmente selladas tomando en consideracin las tolerancias dimensionales en los tubos y barrenos del espejo. Cuando se requiere soldadura de sello o de resistencia en la unin de tubos a espejo, deber tenerse presente que su aplicacin ya sea mediante procedimientos manuales o automticos ser posterior al expansionado de los tubos, ya que de lo contrario se corre el riesgo de fracturar las soldaduras. INSPECCIN

En relacin a la inspeccin puede decirse que es una de las actividades de mayor relevancia por estar involucr

Diseño Mecanico de Cambiadores de Calor de Tubos y Coraza-1

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