Intercambiador de calor de carcasa y tubos

Estructura del intercambiador de calor de carcasa y tubos

Se compone de componentes como la carcasa, el haz de tubos de transferencia de calor, las placas tubulares, los deflectores (baffles) y los cabezales de distribución (canales de distribución). La carcasa suele tener forma cilíndrica y contiene en su interior el haz de tubos, cuyos extremos están fijados en las placas tubulares. Los dos fluidos, caliente y frío, que realizan el intercambio de calor circulan: uno por el interior de los tubos, denominado fluido del lado de los tubos, y el otro por el exterior de los tubos, dentro de la carcasa, denominado fluido del lado de la carcasa. Para aumentar el coeficiente de transferencia de calor del fluido del lado de la carcasa, suelen instalarse varios deflectores en el interior de esta. Los deflectores aumentan la velocidad del fluido del lado de la carcasa, obligándolo a atravesar el haz de tubos transversalmente en múltiples ocasiones siguiendo una trayectoria determinada, lo que incrementa el grado de turbulencia del fluido. Los tubos de intercambio pueden disponerse en las placas tubulares en forma de triángulo equilátero o de cuadrado. La disposición en triángulo equilátero es más compacta, el fluido del lado de la carcasa presenta mayor turbulencia y el coeficiente de transferencia de calor es mayor. En la disposición en cuadrado, cada vez que el fluido atraviesa el haz de tubos una vez se denomina un paso por tubos; cada vez que atraviesa la carcasa una vez se denomina un paso por carcasa. En el diagrama se muestra el intercambiador más simple de un paso por carcasa y un paso por tubos, denominado intercambiador tipo 1-1. Para aumentar la velocidad del fluido en el interior de los tubos, se pueden instalar placas divisorias en los cabezales de distribución de ambos extremos, dividiendo todos los tubos en varios grupos. De esta manera, el fluido pasa solo por una parte de los tubos cada vez, recorriendo el haz de tubos de ida y vuelta múltiples veces; esto se denomina múltiples pasos por tubos. Del mismo modo, para aumentar la velocidad del fluido del lado de la carcasa, también se pueden instalar deflectores longitudinales en el interior de la carcasa, forzando al fluido a atravesar el espacio de la carcasa múltiples veces; esto se denomina múltiples pasos por carcasa. Los múltiples pasos por tubos y por carcasa pueden combinarse.

Tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos

Debido a la diferente temperatura de los fluidos del interior y exterior de los tubos, la temperatura de la carcasa y la del haz de tubos del intercambiador también son diferentes. Si la diferencia de temperatura entre ambas es grande, se generarán grandes tensiones térmicas en el interior del intercambiador, lo que puede provocar la curvatura o rotura de los tubos, o que estos se desprendan de las placas tubulares. Por lo tanto, cuando la diferencia de temperatura entre el haz de tubos y la carcasa supera los 50 °C, es necesario adoptar medidas de compensación adecuadas para eliminar o reducir las tensiones térmicas. Según las medidas de compensación adoptadas, los intercambiadores de calor de carcasa y tubos pueden clasificarse en los siguientes tipos principales:

①　Intercambiador de calor de tubos fijos: Las placas tubulares de ambos extremos del haz de tubos están integradas con la carcasa. La estructura es simple, pero solo es adecuada para operaciones de intercambio de calor donde la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el frío no es grande y el lado de la carcasa no requiere limpieza mecánica. Cuando la diferencia de temperatura es ligeramente mayor y la presión del lado de la carcasa no es demasiado alta, se puede instalar un anillo de expansión (lente de dilatación) elástico en la carcasa para reducir la tensión térmica.

②　Intercambiador de calor de cabezal flotante: La placa tubular de un extremo del haz de tubos puede flotar libremente, eliminando por completo las tensiones térmicas. Además, todo el haz de tubos puede extraerse de la carcasa, lo que facilita la limpieza mecánica y el mantenimiento. El intercambiador de calor de cabezal flotante es de uso bastante extendido, aunque su estructura es más compleja y su coste más elevado.

③　Intercambiador de calor de tubos en U: Cada tubo de intercambio está doblado en forma de U, y sus dos extremos se fijan en dos zonas diferentes de la misma placa tubular, formando dos compartimentos (entrada y salida) gracias a un tabique divisorio en el interior del cabezal de distribución. Este tipo de intercambiador elimina por completo las tensiones térmicas, su estructura es más simple que la del tipo de cabezal flotante, pero el lado de los tubos es difícil de limpiar.