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Carcasa y tubos Intercambiador de calor DISEÑO

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Introducción 

Carcasa y tubos intercambiadores de calor son el tipo más versátil de los intercambiadores de calor.

 Se utilizan en las industrias de proceso, en centrales eléctricas convencionales y nucleares, generadores de vapor, etc.  Se utilizan en muchas aplicaciones de energía alternativas, incluyendo el océano, térmica y geotérmica. 

Shell y los intercambiadores de calor de tubos proporcionan relativamente grandes proporciones de área de transferencia de calor a volumen.

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Se pueden limpiar fácilmente.

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Carcasa y tubos intercambiadores de calor de Cubierta y tipo tubo intercambiadores de calor están construidas de tubos (redonda o rectangular en general) montados en conchas (cilíndrica, rectangular o de forma arbitraria).



Existen muchas variaciones de este tipo básico está disponible.

 Las diferencias radican principalmente en las características detalladas de la construcción y las disposiciones para la expansión térmica diferencial entre los tubos y la carcasa.

entr ada de cáps ula entr ada del tubo

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salid a del tubo

salid a de Shell

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Carcasa y tubos intercambiadores de calor de U-Tube, desconcertado, sola concha pase y tubo intercambiador de calor

Dos tubo pase, desconcertado sola concha pase y tubo intercambiador de calor

Dos tubo pase, la cabeza flotante, desconcertado sola concha pase y tubo intercambiador de calor TFD-HE13 - Shell y tubo de calor Exchager Diseño

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

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Tipos de Shell TEMA (los intercambiadores tubulares Asociación de Fabricantes) publica normas que definen cómo deben construirse de carcasa y tubos intercambiadores. Definen un sistema de nomenclatura que se utiliza comúnmente. Conchas también son comprados usualmente en tamaños estándar para controlar los costos. Dentro de la cáscara, deflectores (divisores) se instalan para dirigir el flujo alrededor de los tubos, aumentar la velocidad y la promoción de flujo transversal. También ayudan a soportar los tubos. loscorte deflector es la relación de la altura de la ventana deflector para el diámetro de la concha. Típicamente, deflector de corte es de aproximadamente 20 por ciento. Afecta tanto la transferencia de calor y

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Tipos de caída de presión. Los diseñadores Shell también tienen que especificar elespaciamiento deflector; la distancia máxima depende de la cantidad de apoyo de los tubos necesitan.

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Multi Shell y pasa el tubo

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Tubo de cabecera de la conexión de la placa

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Tubos están dispuestos en un haz y se mantienen en su lugar por la placa de cabecera (placa de tubos).



El número de tubos que se puede colocar dentro de una cubierta depende

placa de cabec era

 disposición de los tubos, diámetro exterior del tubo, paso, número de pasadas y el diámetro de la concha. 

Cuando los tubos son a cerca uno del otro, la placa de cabecera se vuelve a débil.



Métodos de tubos unidos a la placa de cabecera

placa de cabecera Tubo

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Tipo deflector y Geometría 

Deflectores cumplir dos funciones:

 Soportar los tubos para la rigidez estructural, la prevención de la vibración del tubo y la flacidez

 Desviar el flujo a través de el haz para obtener un coeficiente de transferencia de calor más alto.

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Los deflectores segmentarios Cut Tipo deflector y Geometría 

se utilizan con mayor frecuencia los deflectores segmentarios individuales y dobles. Que desvían el flujo más eficaz a través de los tubos.

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La separación deflector debe ser elegido con cuidado.

 Optimal espaciamiento deflector está en algún lugar entre 40% - 60% del diámetro de la concha.  por lo general se recomienda deflector de corte de 25% -35%. 

Los deflectores segmentarios triples se utilizan para aplicaciones de baja presión.

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Disco y anillo deflectores Tipo deflector y Geometría 

deflectores de disco y anillo se componen de alterna anillos exteriores y los discos internos, que dirigen el flujo radialmente a través del campo tubo.

 La corriente potencial de derivación-bundle-a shell se elimina  Este tipo deflector es muy eficaz en la caída de presión a la conversión de transferencia de calor

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Dto

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Deflector orificio Tipo deflector y Geometría 

En una cáscara de lado fluido orificio de deflector fluye a través de la holgura entre el tubo de diámetro exterior de diámetro y deflector hoyos.

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Número de tubos 

El número de tubos en un intercambiador depende de la

 caudales de fluido  caída de presión disponible. 

El número de tubos se selecciona de manera que la

 velocidad lado del tubo para agua y líquidos similares varía desde 0,9 a 2,4 m / s (3 a 8 pies / seg)

 Shell del lado de velocidad de 0,6 a 1,5 m / s (2 a 5 pies / seg). 

El límite de velocidad inferior corresponde a la limitación de las incrustaciones, y el límite superior de velocidad corresponde a la limitación de la tasa de erosión.



Cuando la arena y el limo están presentes, la velocidad se mantiene lo suficientemente alta para evitar la sedimentación.

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Los pases de tubo 

Un pase es cuando el líquido fluye todo el camino a través de un extremo al otro del intercambiador. Contaremosshell pasa y tubo pases.

 Un intercambiador con una cáscara pasar y dos pases de tubo es un intercambiador de 1-2. Casi siempre, pasa el tubo estarán en múltiplos de dos (1-2, 1-4, 2-4, etc.)

 Los números impares de pases de tubo tienen tensiones mecánicas más complicadas, etc. Una excepción: 1-1 intercambiadores se utilizan a veces para vaporizadores y condensadores. 

Un gran número de pases de tubos se utilizan para aumentar el coeficiente de velocidad y la transferencia de calor de fluido lado del tubo y minimizar el ensuciamiento.

 Esta sólo puede hacerse cuando hay suficiente potencia de bombeo ya que el aumento de la velocidad y giros adicionales aumenta la TFD-HE13 - Shell y tubo de calor Exchager Diseño

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caída de presión significativa.

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Tubo pasa - Continuado 

El número de pasadas de tubo depende de la caída de presión disponible.

 Mayor velocitiesin el tubo resultar en una mayor transferencia de calor coeficientes, a expensas de una mayor caída de presión.  

Por lo tanto, si una caída de presión más alta es aceptable, es deseable tener menos tubos butlonger (reducción de área de flujo y el aumento de longitud de flujo). 

 Los tubos largos se alojan en un intercambiador de cáscara corto por múltiples pasadas de tubo. 

El número de tubo pasa en una cáscara generalmente cubre de 1 a 10

 El diseño estándar tiene uno, dos, o cuatro pasadas de tubo.  Un número impar de pasadas es poco común y puede dar lugar a

problemas mecánicos y térmicos en la fabricación y funcionamiento.

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Materiales de tubo 

selección de materiales y la compatibilidad entre materiales de construcción y workingfluids son cuestiones importantes, en particular con respecto a corrosión y / o el funcionamiento a temperaturas elevadas.



Requisito para el bajo costo, peso ligero, de alta conductividad, y buenas características de unión a menudo conduce a la selección de aluminio para la superficie de transferencia de calor.



Por otro lado, el acero inoxidable se utiliza para el procesamiento de alimentos o líquidos que requieren resistencia a la corrosión.

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En general, una de las selectioncriteria para intercambiador material depende de la corrosividad del fluido de trabajo.

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Una tabla de resumen se proporciona como una referencia fo ambientes corrosivos y no rcorrosive

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Materiales para corrosivo y No corrosivo Servicio

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Espesor de la pared del tubo

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El espesor de pared de los tubos de intercambiador de calor está estandarizado en términos de Birmingham Wire Gage BWG del tubo.



diámetros de tubo pequeños (de 8 a 15 mm) se prefieren para mayor área a la densidad de volumen, pero se limitan a los efectos de limpieza.



diámetros de tubo grandes a menudo se requieren para los condensadores y calderas.

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Tubo de diámetro exterior Los tamaños de tubo de fricción más comunes tienen 15.88,19.05, y 25,40 mm (5/8, ¾, 1 inche) tubo exterior

diámetros.



Desde el punto de vista de transferencia de calor, tubos de menor diámetro producen altos coeficientes de transferencia de calor y el resultado en un intercambiador de más compacto.



Sin embargo, los tubos de mayor diámetro son más fáciles de limpiar y más robusto.



Los tamaños comunes anteriores representan un compromiso.

 Para la limpieza mecánica, el tamaño más pequeño práctica es 19.05 mm.  Para la limpieza química, los tamaños más pequeños pueden ser utilizados siempre que los tubos Nunca enchufe completamente.

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Longitud del tubo Longitud de los tubos afecta el costo y el funcionamiento de los intercambiadores de calor.

 Longer la longitud del tubo (para cualquier área de superficie dada), • se necesitan tubos Menos, requiriendo placa de cabecera menos

complicado con un menor número de agujeros perforados • diámetro Shell disminuye resultando en un menor coste 



Típicamente tubos se emplean en 8, 12, 15, y 20 pies de largo. La limpieza mecánica se limita a tubos de 20 pies y más cortos, aunque intercambiadores estándar pueden ser construidos con tubos de hasta 40 pies. Hay, al igual que con cualquier cosa límites de la duración de los tubos pueden ser.

 Shell-a diámetro de tubo de longitud

proporción debería dentro de los límites de 1.5 a 1.15



Longitud máxima de tubo está dictada por

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 

Longitud diseños arquitectónicos del tubo Transporte (A unos 30 metros). • El diámetro de los dos cohetes de refuerzo está dictada por el tamaño más

pequeño túnel de carretera entre la ubicación del fabricante y Florida. hah científica!

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Longitud Tubo y placa de deformación de cabecera del tubo 



La expansión térmica de las necesidades de tubos operativos deben tenerse en cuenta para intercambiadores de calor que  cargas térmicas cíclicas opera a temperaturas elevadas Sin deformar la Shell pared alargamiento tubo debido a pared de Deformació causas de expansión térmica: bóveda n

 deformación de la placa de cabecera  la deformación de la pared Shell cerca de la placa de cabecera



resistencia a la fatiga del tubo, placa de cabecera y de la cáscara conjunta de las necesidades para ser considerado cuando se utiliza

 tubos más largos  temperaturas

secundarios tubo de alta

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La deformación de la placa de cabecera

Cabecera sin deformar la placa de Forma 2

Longitud Desplazamiento ampliada de un intercambiador de calor del tubo

Elementos de carcasa y tubo bajo carga térmica

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

disposición de los tubos disposición de los tubos se

Triangular

Plaza girada

caracteriza por el ángulo incluido entre los tubos.

 Dos tipos estándar de los diseños de tubo son el cuadrado y la equilátero triángulo. • paso triangular (30o layout) es mejor para la transferencia de calor y el área superficial por unidad de longitud

PAG T

PAGT

(Densidad mayor tubo.) • paso cuadrado (45 y 90 diseños) es necesario para la limpieza mecánica.

 Nótese que los 30 °, 45 ° y 60 ° están escalonadas, y 90 ° es en línea. 

Cuadrado Triángulo girado

Para las tasas de paso del tubo y de flujo idénticos, los diseños de

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disposición tubo en orden de coeficiente de de transferencia de calor del ladolos de tubos la cáscara y la caída de presión decreciente son: 30 °, 45 °, 60 °, 90 °.

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Disposición de los tubos Continuado disposición 90 ° tendrá el menor



La coeficiente transferencia de calor y la caída de presión más bajo.

de



El paso cuadrado (90 ° o 45 °) se utiliza cuando es necesaria en el lado de la carcasa de chorro o limpieza mecánica. En ese caso, se proporciona un carril de limpieza mínimo de ¼ pulg. (6,35 mm).

 El paso cuadrado generalmente no se utiliza en el diseño de hoja de cabecera fija, porque la limpieza no es factible. 

El paso triangular proporciona una disposición más compacta, por lo general resulta en la cáscara más pequeña, y la hoja de cabecera más fuerte para un área de flujo del lado de la cáscara especificado.

 Se prefiere cuando la diferencia de presión de funcionamiento entre los dos fluidos es grande. TFD-HE13 - Shell y tubo de calor Exchager Diseño

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

tubo de tono La selección de paso del tubo es un compromiso entre una  cerca de tono (pequeños valores de Pt/reo) para aumentar la transferencia de calor del lado de la cáscara y superficie y un

compacidad,

 paso abierto (grandes valores de Pt/ do) Para enchufar disminuido-lado de la carcasa y la facilidad en la limpieza del lado de la cáscara. 

PT paso del tubo se elige de manera que la relación de paso es de 1,25
 Cuando los tubos son para cerrar entre sí (Pt/reo menos de 1,25), la placa de cabecera (placa de tubos) se convierte a débil para la laminación adecuada de los tubos y hacer que las juntas con fugas. 

lugares de disposición de tubos y tubos están estandarizados para intercambiadores de calor industriales.

 Sin embargo, estos son reglas generales y pueden ser “violados” para diseños de intercambiadores de calor personalizado. TFD-HE13 - Shell y tubo de calor Exchager Diseño

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referencias 

Fundamentos de calor Intercambiador de Diseño Ramesh K. Shah y Dusan Sekulic John Wiley & Sons, 2003



Los intercambiadores de calor compactos, 3rd Edición WM Kays & AL Londres



Intercambiadores de calor, Selección Evaluaciones y Diseño Sadik Kakac y Hongtan Liu CRC Press, 2ª edición, 2002



Shell y tubo intercambiador de calor de diseño de software para aplicaciones educativas. En t. J. Engng. Ed. Vol. 14, No. 3, p 217-224, 1998 KC Leong, KC Toh, YC Leong

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referencias

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Wolverine tubo de transferencia de calor Data Book www.wolverine.com

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APÉNDICE

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Los datos dimensionales para Commercial Tubo

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65

Los datos dimensionales para Commercial Tubo

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