Para el diseño preliminar de una planta piloto, calcule la huella del intercambiador como su longitud total instalada multiplicada por su ancho máximo instalado, y luego añada los espacios libres de acceso y mantenimiento necesarios a su alrededor. La envolvente del intercambiador se desarrolla a partir del área de transferencia de calor requerida, el número de tubos, el diámetro de la carcasa, la longitud de los tubos, los cabezales, los soportes y las boquillas. En una disposición horizontal simple, la huella del equipo por sí solo es aproximadamente el diámetro exterior de la carcasa, incluidos los soportes, multiplicado por la longitud total de extremo a extremo.
La huella no se determina únicamente a partir de la longitud de los tubos. Primero dimensione el haz térmico, convierta la geometría del haz en un diámetro de carcasa, establezca la envolvente completa del equipo y luego reserve espacio adicional para la operación, inspección, extracción del haz de tubos, tuberías y mantenimiento.
Comience con el área de transferencia de calor requerida
Establezca el área de diseño térmico
El área de transferencia de calor requerida (A requerida) proviene de la carga del proceso y del coeficiente global de transferencia de calor seleccionado:
[ A_{\text{requerida}} = \frac{Q}{U F \Delta T_{\text{lm}}} ]
donde (Q) es la carga térmica, (U) es el coeficiente global de transferencia de calor, (F) es cualquier factor de corrección para el método de diferencia de temperatura, y (\Delta T_{\text{lm}}) es la diferencia de temperatura media logarítmica.
Para el trabajo de diseño, incluya el margen de diseño especificado antes de calcular el número de tubos. El margen debe basarse en la base de diseño del proyecto en lugar de asumirse indiscriminadamente, ya que un área excesiva puede aumentar el tamaño, el peso y el costo del equipo.
Calcule el número de tubos
El área efectiva de transferencia de calor exterior de un tubo es aproximadamente:
[ A_{\text{tubo}} = \pi d_o L_{\text{activa}} ]
Por lo tanto:
[ N_t = \frac{A_{\text{requerida}}} {\pi d_o L_{\text{activa}}} ]
donde (d_o) es el diámetro exterior del tubo y (L_{\text{activa}}) es la longitud efectiva del tubo.
El resultado debe redondearse hacia arriba hasta obtener un número de tubos factible. El número seleccionado también depende del número de pasos de los tubos, la disposición de la placa tubular, la caída de presión permitida, la velocidad del flujo y la geometría estándar del haz del fabricante.
Convierta el número de tubos en diámetro de carcasa
Seleccione la disposición de los tubos
La disposición de los tubos afecta tanto al diámetro de la carcasa como a la facilidad de mantenimiento del intercambiador.
- El paso triangular generalmente proporciona un haz compacto y una alta densidad de área superficial.
- El paso cuadrado proporciona un mejor acceso para la limpieza mecánica entre los tubos.
- El paso de los tubos se selecciona comúnmente cerca de (1.25d_o), sujeto a requisitos mecánicos, de fabricación, vibración y limpieza.
Los diámetros exteriores de tubo preliminares comunes incluyen aproximadamente 3/4 de pulgada y 1 pulgada. Se pueden seleccionar tubos más grandes para servicios sucios o altamente viscosos donde el acceso para limpieza es importante.
Estime el diámetro del haz
El diámetro del haz de tubos (D_b) se determina a partir del número de tubos, el diámetro exterior del tubo, el paso del tubo, el patrón de disposición y el número de pasos de los tubos. Para el dimensionamiento preliminar, se pueden utilizar correlaciones estándar de conteo de haces o tablas del fabricante.
Una correlación expresa el número de tubos como una función de:
[ C = \frac{D_b}{d_o} - 36 ]
Por ejemplo, la estimación de un solo paso es:
[ N_t = 1298 + 74.86C + 1.283C^2
- 0.0078C^3 - 0.0006C^4 ]
Se utilizan coeficientes separados para disposiciones de dos, cuatro y seis pasos. Estas correlaciones son adecuadas para estimaciones preliminares, pero el diámetro final de la carcasa debe provenir de un diseño mecánico detallado o del plano del proveedor.
Considere las holguras de la carcasa y la construcción
El diámetro interno de la carcasa debe exceder el diámetro del haz de tubos. El diámetro exterior de la carcasa es aún mayor debido al espesor de la pared de la carcasa, el aislamiento, el revestimiento, los accesorios externos y las tolerancias de fabricación.
Para un diseño preliminar:
[ D_{\text{carcasa,DE}} \approx D_b + 2(\text{holgura haz-carcasa})
- 2(\text{espesor pared carcasa}) ]
Esta expresión es solo una aproximación de diseño. El diámetro real de la carcasa debe tener en cuenta los deflectores, tirantes, la construcción de la placa tubular, las placas de partición de paso, la expansión diferencial y las reglas de diseño mecánico aplicables.
Determine la longitud total del equipo
Incluya la longitud activa del tubo
La longitud activa del tubo es la parte que contribuye a la transferencia de calor. Las longitudes de tubo estándar del intercambiador pueden usarse inicialmente, pero las plantas piloto a menudo imponen límites basados en el espacio disponible en el piso, el transporte, el acceso y la construcción modular.
La longitud de la carcasa no es necesariamente idéntica a la longitud del tubo. Las placas tubulares, los cabezales de canal, las cubiertas, las juntas de expansión, el espaciado de los deflectores y las proyecciones de las boquillas pueden aumentar la dimensión de extremo a extremo.
Añada cabezales y holguras finales
Una expresión preliminar práctica es:
[ L_{\text{total}} = L_{\text{activa}}
- L_{\text{cabezal frontal}}
- L_{\text{cabezal trasero}}
- L_{\text{proyecciones de boquillas y cubiertas}} ]
Si solo se dispone de una estimación simple, las tolerancias de los cabezales pueden representarse como holguras finales añadidas a la longitud activa del tubo. Para un diseño real, utilice la dimensión total del intercambiador a partir de un plano preliminar del equipo en lugar de depender de una tolerancia genérica.
La orientación importa. Un intercambiador horizontal suele tener una huella de planta rectangular larga, mientras que un intercambiador vertical puede ocupar menos área de piso pero requerir más espacio libre vertical y una zona de mantenimiento más grande.
Calcule la huella del equipo solamente
Utilice las dimensiones máximas instaladas
Para un intercambiador horizontal, la envolvente básica del equipo puede estimarse como:
[ A_{\text{equipo}} = L_{\text{total}} \times W_{\text{instalado}} ]
donde (W_{\text{instalado}}) es el ancho horizontal máximo, no necesariamente el diámetro de la carcasa desnuda.
Una primera aproximación es:
[ W_{\text{instalado}} = D_{\text{carcasa,DE}}
- 2(\text{proyección de soporte o silla}) ]
Incluya el mayor valor entre el diámetro de la carcasa, el ancho de la silla, el ancho del cabezal de canal, la proyección de la brida u otra característica externa permanente.
Añada zonas de diseño y mantenimiento
El espacio reservado en el piso debe ser mayor que la envolvente de acero del equipo:
[ A_{\text{asignada}} = (L_{\text{total}} + 2C_L) (W_{\text{instalado}} + 2C_W) ]
donde (C_L) y (C_W) son holguras específicas del proyecto para acceso, inspección, válvulas, aislamiento, tuberías y mantenimiento.
Estas holguras no son constantes universales. Deben ser definidas por el estándar de diseño de la planta, el proveedor del equipo, el método de mantenimiento y la trayectoria de extracción requerida para el haz de tubos.
Un cálculo preliminar práctico
Base de dimensionamiento de ejemplo
Suponga que un diseño preliminar produce:
- Longitud activa del tubo: 8 pies
- Diámetro del haz de tubos: 18 pulgadas
- Diámetro exterior de la carcasa: 20 pulgadas
- Longitud total del intercambiador tras añadir cabezales y proyecciones: 10 pies
- Proyección del soporte más allá de la carcasa: 4 pulgadas en total
- Holgura de diseño: 2 pies en cada extremo y 2 pies a cada lado
El ancho instalado es aproximadamente:
[ W_{\text{instalado}} = 20\text{ pulg} + 4\text{ pulg} = 24\text{ pulg} = 2\text{ pies} ]
Por lo tanto, la huella del equipo solamente es:
[ A_{\text{equipo}} = 10\text{ pies} \times 2\text{ pies} = 20\text{ pies}^2 ]
El área de piso asignada preliminar se convierte en:
[ A_{\text{asignada}} = (10 + 2 + 2)(2 + 2 + 2) = 14 \times 6 = 84\text{ pies}^2 ]
El valor de (20\text{ pies}^2) describe la envolvente física del equipo. El valor de (84\text{ pies}^2) es una tolerancia de planificación más realista para una unidad horizontal con las zonas de acceso indicadas.
Tenga en cuenta las características que cambian la huella
Incluya soportes y proyecciones externas
Las sillas, patas, marcos base, aislamiento, orejetas de elevación, cubiertas de canal, bridas y boquillas pueden controlar las dimensiones reales del plano. La proyección permanente más grande debe regir el ancho y la longitud utilizados para el diseño.
Reserve espacio para la extracción del haz de tubos
Un haz extraíble puede requerir una trayectoria de extracción recta más allá de un extremo del intercambiador. Esa trayectoria puede ser mucho más larga que la holgura del cabezal del intercambiador y puede necesitar permanecer libre de obstrucciones por otros equipos o tuberías permanentes.
Esta zona de mantenimiento es parte de la asignación de espacio funcional de la planta piloto, aunque no sea parte de la huella de acero del intercambiador.
Tenga en cuenta las tuberías y el acceso del operador
La orientación de las boquillas y la disposición de las tuberías pueden crear una huella mayor que la del propio recipiente. Deje espacio para válvulas de aislamiento, instrumentos, drenajes, venteos, aislamiento y una ruta de acceso para el operador.
Comprensión de las compensaciones
Los intercambiadores más cortos pueden requerir diámetros mayores
Si se reduce la longitud del tubo mientras la carga permanece constante, se requieren más tubos:
[ N_t \propto \frac{1}{L_{\text{activa}}} ]
El haz y la carcasa resultantes pueden aumentar de diámetro. También se pueden utilizar pasos de tubo adicionales o deflectores para mantener la velocidad y el rendimiento de transferencia de calor, pero estos cambios pueden aumentar la caída de presión, el peso y el costo.
La compacidad puede reducir la capacidad de limpieza
Un paso triangular a menudo produce un diámetro de carcasa más pequeño y una mayor densidad de área. Sin embargo, es menos adecuado cuando las superficies de los tubos del lado de la carcasa requieren limpieza mecánica externa.
El paso cuadrado puede aumentar el diámetro del intercambiador pero proporcionar un acceso de mantenimiento más práctico.
El tamaño térmico no determina todas las necesidades de espacio
Un diámetro de carcasa pequeño no garantiza una instalación pequeña. Los cabezales, boquillas, soportes, acceso eléctrico o de instrumentación, tuberías, aislamiento y la extracción del haz pueden dominar el área asignada.
Las correlaciones preliminares tienen límites
Las correlaciones de conteo de tubos proporcionan estimaciones iniciales útiles, pero no reemplazan un plano de esquema del proveedor o un diseño mecánico. El diseño final debe basarse en dimensiones certificadas, rutas de componentes extraíbles, cargas de soporte y los estándares aplicables de recipientes a presión e intercambiadores.
Tomar la decisión correcta para su objetivo
Utilice el dimensionamiento térmico para establecer la envolvente del intercambiador, luego utilice los requisitos mecánicos y de mantenimiento para establecer la asignación real de la planta piloto.
- Si su enfoque principal es el diseño de procesos preliminar: Multiplique la longitud total instalada por el ancho máximo instalado, luego añada holguras conservadoras de acceso y tuberías.
- Si su enfoque principal es la adquisición de equipos: Especifique el área requerida, el diámetro del tubo, la longitud del tubo, la disposición, la disposición de los pasos y las caídas de presión permitidas, luego obtenga el esquema y las dimensiones de mantenimiento del proveedor.
- Si su enfoque principal es una planta piloto compacta: Evalúe cuidadosamente las longitudes de tubo más cortas y los pasos adicionales, ya que una longitud reducida puede aumentar el diámetro de la carcasa, la caída de presión, el peso y el costo.
- Si su enfoque principal es la facilidad de mantenimiento: Reserve la trayectoria completa de extracción del haz de tubos y seleccione una disposición de tubos compatible con el método de limpieza previsto.
- Si su enfoque principal es el diseño final de la instalación: Utilice las dimensiones permanentes máximas del intercambiador, la orientación de las boquillas, la geometría del soporte, el aislamiento, las tuberías y la envolvente de mantenimiento en lugar de las dimensiones de la carcasa desnuda.
Una estimación de huella confiable combina el dimensionamiento térmico, las dimensiones de la envolvente mecánica y la holgura necesaria para operar y mantener el intercambiador de forma segura.
Tabla resumen:
| Paso de planificación | Qué calcular o incluir | Por qué es importante |
|---|---|---|
| Dimensionamiento térmico | Carga térmica, coeficiente global de transferencia de calor, LMTD, margen de diseño y área requerida | Establece el tamaño del intercambiador |
| Haz de tubos | Número de tubos, diámetro, longitud, paso, disposición y pasos | Determina el diámetro del haz y el tamaño de la carcasa |
| Envolvente del equipo | DE de la carcasa, cabezales, soportes, boquillas, bridas, aislamiento y proyecciones | Define la longitud y el ancho instalados |
| Huella del equipo | Longitud total instalada x ancho máximo instalado | Representa el área física del equipo |
| Área de piso asignada | Envolvente del equipo más holguras de acceso, tuberías, operación e inspección | Apoya la operación segura y la planificación del diseño |
| Zona de mantenimiento | Trayectoria de extracción del haz de tubos y espacio de servicio sin obstrucciones | Asegura el acceso para inspección y mantenimiento |
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