manual de cambiadores de calor

Manual de:

OPERAIRIO ESPECIALISTA PAILERO

(TÉCNICAS Y PROCEDIMIENTOS DE REPARACIÓN Y MANTENIMIENTO A

Cambiadores de Calor)

Realizado por: Ing. Maximiliano García Calderón

Instructor Profesional Certificado

No. de Certificación: 0302688

ALTA ANTE STPS: GACM-510511CV8 0005

Poza Rica, Ver. Julio de 2013

Ing. Maximiliano García Calderón. Instructor Profesional Certificado

E-mail: [email protected]

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I: IMPORTANCIA DE LOS CAMBIADORES DE CALOR EN LA

OPERACIÓN DE LAS PLANTAS DE PROCESO.

Uno de los principales problemas en las plantas de proceso industrial, es la

transmisión eficiente de calor.

La Tecnología Industrial aprovecha la propiedad de transmisión de calor,

utilizando para ello aparatos diseñados para distintos fines; tales como enfriar,

calentar, condensar o evaporar; estos aparatos tienen la designación común de

Cambiadores de Calor.

El nombre de Permutadores o Cambiadores de Calor, tiene por objeto

transferir o dar calor a un fluido de mayor temperatura a uno de menor

temperatura, o sea, pasar calor de un fluido caliente a uno frío. Esta

transferencia de calor puede ser a cualquier temperatura y presión. Los fluidos

pueden ser gases o líquidos para propósitos de transferencia de calor y

eliminar la contaminación de los fluidos, estos estarán siempre separados por

una pared generalmente metálica.

Con una transmisión eficiente de calor obtenido por medio de los cambiadores

de calor se ahorra combustible que sería necesario para calentar líquidos y

gases por requerimientos del proceso.

Aprovechamiento de las necesidades de proceso en las plantas industriales.

Para obtener los productos finales hay necesidad de contar con medios de

elevar o bajar temperaturas de los productos intermedios según se requiera a

través del proceso.

Lo anterior se logra mediante cambiadores de calor combinado.

Aprovechando las diferentes fases cuando se cuenta con líquidos, gases fríos o

calientes.

Tenemos como ejemplo los siguientes pasos:

a.- Calentar fluidos con un gas que se necesita enfriar.

b.- Calentar fluidos con el vapor de escape que ya ha sido aprovechado en

alguna otra fase del proceso.



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c.- En un fluido o producto terminado, aprovechando su contenido de calor

para calentar otro fluido que lo requiera.

d.- Evaporar fluidos aprovechando vapor de escape.

e.- Condensar un gas caliente con un fluido que requiere ser elevado a

cierta temperatura mediante el aprovechamiento adecuado de las

necesidades del proceso, existiendo un ahorro económico.

La Industria Petrolera utiliza en sus instalaciones de proceso, tales como

refinerías o plantas petroquímicas un gran número de equipos en los que se

efectúan una transferencia de calor y en consecuencia el porcentaje que

representa en el costo de operación de las mismas es bastante elevado.

Esta clase de equipo, es responsable del funcionamiento económico y flexible

de la planta, como son los casos concretos de las plantas de destilación

combinadas con petróleo crudo y las reductoras de viscosidad de residuo, pues

algunos de los puntos principales de su diseño son:

a: Obtener el mayor aprovechamiento de la energía térmica en el proceso.

b: Evitar el paro y el arranque de la planta en forma frecuente y de gran

duración por el mantenimiento excesivo.

Con el objeto de lograr tal funcionamiento, el Ingeniero de Proceso al efectuar

el diseño de la Planta debe tomar en cuenta los criterios de diseños

mencionados en los párrafos anteriores, los cuales traducen:

1: La proporción del arreglo del equipo de transferencia de calor y de los

equipos relacionados con ellos, de tal manera que el aprovechamiento

de la energía térmica se lleve a cabo en la forma más eficiente posible.

2: La selección o el diseño del equipo en la forma más rigurosa o

detallada, considerando no solo las variables de diseño específico en

cada una de ellas, sino que además deberán diseñarse de manera que a

pesar de ciertas situaciones de operación de emergencia de la planta ,

puede seguir teniendo un funcionamiento eficiente.



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El diseño del equipo de transferencia deberá tender a minimizar el

mantenimiento de las mismas, con el objeto de evitar hasta donde sea

posible los tiempos muertos o la disminución de la capacidad de la

planta.

De acuerdo a estas razones la optimización del arreglo y el diseño del equipo

de transferencia de calor, se encuentra plenamente justificado en la realización

de la mayoría de los Proyectos de Petróleos Mexicanos.

El Ingeniero de Diseño deberá conocer y analizar minuciosamente la validez y

confiabilidad de las correlaciones disponibles para el dimensionamiento

termodinámico del Cambiador de Calor.

Así como los aspectos relacionados con la fabricación y mantenimiento de la

unidad con el objeto de que el equipo sea diseñado realistamente y cumpla

satisfactoriamente al servicio deseado.



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II: TIPOS DE CAMBIADORES DE CALOR SEGÚN SU

CONSTRUCCIÓN.

Las condiciones de operación, las características de los fluidos que

intercambian calor, además de la gran cantidad de equipos requeridos en cada

proceso, han impulsado a el diseño de una gran variedad de Cambiadores de

Calor, para seleccionar el tipo más adecuado, eficiente y económico para cada

necesidad en particular.

A continuación se enumeran algunos de los diferentes tipos de Cambiadores

de Calor de acuerdo a su Construcción:

CAMBIADORES DE CALOR DE HAZ DE TUBOS EXPUESTOS

Pueden estar formados por un solo tubo o por un haz de tubos pero sin

carcaza.

El tipo de un solo tubo se utiliza en forma eficiente para calentar o enfriar

fluidos, en recipientes de proceso o de almacenamiento. Estos son los más

sencillos, tanto por su diseño como por su construcción, ya que generalmente

se fabrican de tubería comercial y pueden armarse en el sitio de uso. Un

ejemplo de este tipo de cambiador se observa en la figura No. 2.1.

El tipo de Haz de Tubos se utiliza en forma muy eficiente, principalmente para

dar calentamiento a un fluido contenido en un tanque o para calentar el líquido

que se extrae de él. Los tipos más comunes son los mostrados en las figuras

2.2 y 2.3.

En la figura 2.2 se observa un cambiador de Haz que nos sirve únicamente

como calentador del fluido contenido en el tanque.



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TUBOS CONCÉNTRICOS.

La construcción sencilla de esta cambiador, permite tener área de transferencia

de calor a bajo costo. Sus principales componentes son, un tubo en el interior

de otro de mayor diámetro, lo que permite el flujo de una corriente por el tubo

interno, y otra por el anulo. Tanto la tubería como las conexiones que

permiten ensamblar las horquillas o secciones del cambiador son estándar, por

lo que el equipo puede armarse en el lugar de uso. Tiene flexibilidad para

diseñarse a contracorriente pura y con arreglos en serie o paralelo. En

servicios con áreas menores a 200 ft2 son más económicos y eficientes que un

cambiador del tipo Haz - Envolvente, siempre y cuando se disponga de

espacio suficiente en la planta, ya que ocupan mayor área que éstos.

En la figura No. 2.4 se muestra un enfriador de este tipo.

Es frecuente el uso de aletas en los tubos interiores con el objeto de aumentar

la eficiencia en la transmisión de calor.

La relación de área de un tubo liso entre el interior y el exterior, varía de 1.1 a

1.5 veces, dependiendo del diámetro y el calibre de los tubos. Con el uso de

aletas, la relación entre el área externa varía de 3 a 40 veces el área interior,

dependiendo del tipo de aleta que se le anexe.

Las figuras 2.5, 2.6, 2.7 y 2.8 nos representan la variedad de tipos de aletas

más conocidos.

TIPO BAYONETA

Este cambiador consiste en pares de tubos concéntricos con el tubo exterior

sellado en uno de sus extremos. El fluido entra a la unidad por el tubo interno

y retorna por el anulo, y tanto el tubo exterior como el interior se sujetan a

cabezales o carretes estacionarios separados y se colocan en tanques o

recipientes para efectuar el intercambio de calor que se lleva a cabo

principalmente a través de la superficie del tubo exterior.



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Como los tubos pueden moverse libre e independientemente cuando hay

expansión térmica, éste tipo de equipo puede usarse cuando la diferencia de

temperaturas entre los fluidos sea grande.

La figura No. 2.9, nos representa un equipo del tipo Bayoneta.

CAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE

El cambiador de calor enfriado con aire, se hace especialmente más atractivo

en lugares donde el agua es escasa o en donde el tratamiento de la misma es

muy costoso.

Son enfriadores que consisten principalmente en uno o más haces de tubos,

uno o varios ventiladores para mover el aire, una estructura para sostener las

partes componentes y una serie de accesorios que en conjunto forman el

equipo.

Los haces son en forma rectangular y consisten de 2 a 10 hileras de tubos

aletados con arreglo triangular, los extremos de los tubos son rolados o

soldados a los espejos de los cabezales. Aunque generalmente la fluxería

(tubos) son redondos, en algunas ocasiones se diseñan con fluxería elíptica.

Las aletas son transversales, sujetas al tubo y construidas generalmente de

Aluminio por ser este un material ligero y además, con buenas características

de Transferencia de Calor.

Se pueden diseñar unidades de Tiro Forzado y de Tiro Inducido, como se

puede observar en las figuras 2.10 y 2.11.

A este tipo de equipos se le conoce también con el nombre de “Soloaires”.



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CAMBIADORES DE HAZ - ENVOLVENTE.

Se puede considerar a este equipo, como el Cambiador de Calor por

excelencia, ya que es el más utilizado y frecuentemente se le considera un

Standard con el que pueden compararse otros equipos.

Existen tres tipos de construcción en el diseño de este equipo y son:

A: Espejos fijos.

B: Tubos en “U”.

C: Cabezal flotante.

Los cuales más adelante se verán en forma más concreta.



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III: TIPOS DE CAMBIADORES DE CALOR DE ACUERDO A SU

FUNCIÓN.

Como se enunció con anterioridad, los Cambiadores de Calor del tipo Haz -

Envolvente, son el prototipo de ellos, por lo cual en este capítulo se hará

mención de los diferentes tipos de Cambiador de Calor de acuerdo a la

función que desempeña este prototipo.

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Se conoce con este nombre a los equipos destinados a recuperar calor de una

corriente y cederla a otra, sin que existan cambios de estado físico. Este tipo

de Cambiador de Calor puede diseñarse casi para cualquier rango de

temperatura, un ejemplo de ellos se ilustra en la figura No. 3.1.

CONDENSADORES

Este tipo de equipo, generalmente tiene una forma diferente en la envolvente,

ya que lleva en la parte inferior, una campana o recolector de condensado.

El uso de este equipo es indispensable en las plantas de proceso industriales,

por ejemplo, para condensar el vapor procedente de las Turbinas que, además

de bajar la presión de salida, se recupera el condensado para utilizarse como

agua de alimentación a calderas, obteniendo con ello una gran economía, la

figura No. 3.2, nos representa uno de los tipos de condensadores.

CONDENSADORES DE EYECTOR

Son equipos de gran capacidad para recuperar el vapor, condensándolo para

aprovecharlo en forma adecuada. Este es el objetivo que se persigue al recurrir

al uso de los Eyectores de Vacío, ya que producen una potente succión dentro

de la Coraza y alrededor de los tubos, para eliminar y mantener el vacío

creado por la condensación del vapor.



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Los Eyectores (figura No. 3.3), consisten en un venturi conectado por un lado

al vapor de alta presión y por el otro, al interior de la coraza del condensador.

Al expansionarse el vapor en el difusor del venturi, extrae con gran fuerza una

parte de los vapores del interior de la coraza.

Los condensadores para gran capacidad, son de varios pasos. Por lo general,

en los Turbogeneradores se instalan de dos pasos dobles, o sea que tienen dos

entradas del fluido de enfriamiento y dos salidas, en la figura No. 3.4 se

observa este tipo de equipo.

ENFRIADORES

Comprenden en este tipo de equipo, los que usan un fluido de enfriamiento tal

como aire o agua y los que usan líquidos refrigerantes tales como amoniaco,

propano, etc., en cuyo caso se les conoce con el nombre de “Chillers”, en los

cuales por dentro de los tubos pasa la corriente que se va a enfriar, a

temperaturas inferiores al ambiente o a 0ºC, y estos están sumergidos en el

líquido refrigerante contenido en el cuerpo del equipo controlándose su nivel y

con una cámara de vaporización, por lo que se puede observar en la figura No.

3.5, que el diámetro del haz de tubos es inferior al diámetro interior de la

envolvente y excéntrico. En este tipo de equipos, se suprime el cabezal

flotante para evitar la ruptura de los espárragos de sujeción, debido a la

contracción que existe ocasionada por las bajas temperaturas a las cuales

trabaja, utilizándose generalmente tubos en “U” o serpentines únicos.



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EVAPORADORES, REHERVIDORES O RECALENTADORES

Este tipo de equipo se construye en forma vertical, con envolventes de

diámetro amplio con relación al haz de tubos, se usan principalmente para

proveer vapores de calentamiento y arrastre en torres, reactivadores,

regeneradores, etc., como corriente de calentamiento se utiliza vapor

recalentado o alguna corriente de proceso que pueda ceder el calor necesario

para vaporizar el líquido de proceso o para producir vapor, en cuyo caso se les

conoce con el nombre de calderetas.

Un recalentador o evaporador de haz de tubos con cabezal flotante y del tipo

horizontal, se muestra en la figura No. 3.6.



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IV: COMPONENTES Y DESCRIPCIÓN DE CADA UNA DE LAS

PARTES DE CAMBIADORES DE CALOR DEL TIPO

HAZ - ENVOLVENTE

Un Cambiador de Calor del tipo Haz - Envolvente, está compuesto por cuatro

partes principales, siendo estas, Haz de Tubos o Núcleo, Envolvente, Cabezal

o Carrete Frontal y Cabezal posterior (de retorno o de salida, según sea el

caso).

De acuerdo con la Norma T. E. M. A., (Tubular Exchanger Manufacturers

Association), es recomendable que el tamaño y tipo de Cambiador de Calor, se

designe mediante números y letras respectivamente, tal como se indica a

continuación.

El tamaño de la unidad se designa por números que indican el diámetro

nominal de la unidad, que corresponde al diámetro interior de la envolvente

dado en pulgadas, redondeando al entero más cercano, y a la longitud nominal

que para unidades de haz de tubos rectos, corresponde a la longitud total real

de los tubos y para unidades con haz de tubos en “U”, se toman como base los

tubos exteriores del haz, siendo la longitud desde el extremo del tubo hasta el

inicio de la curva que nos forma el retorno “U”.

El tipo de Cambiador de Calor se designa por letras que describen el Cabezal

o Carrete de entrada, la Envolvente y el Cabezal de Retorno o Salida, en el

orden mencionado.

La figura No. 4.1 muestra la nomenclatura utilizada por el T. E. M. A., para

indicar los tipos de Cambiadores de Calor y las figuras No. 4.2, nos

ejemplifican las designaciones para una serie de equipos.



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A continuación se describen cada una de las partes constitutivas de un equipo:

TUBOS

Los tubos son los componentes básicos de los Cambiadores de Calor, ya que

son los que proveen la superficie de transferencia de calor entre los fluidos

que van dentro y fuera de ellos.

Entre los materiales más utilizados para su fabricación se encuentran; el acero

al carbono, aceros de baja aleación, acero inoxidable, admiralty, cupro -

níquel, inconel, metal Muntz, aluminio y el cobre.

Los tubos para Cambiadores de Calor no deberán confundirse con tubos de

acero u otro tipo de tubería comercial obtenida por extrusión a tamaños

nominales de tubería de acero. Esto es, el diámetro exterior de los tubos para

Cambiadores de Calor, pertenece al diámetro nominal, en tanto que en tubería

para otros usos, el diámetro nominal no es el diámetro exterior, ahora bien, los

diámetros nominales para tubería de Cambiadores de Calor se pueden obtener

con diferentes espesores de pared definidos por el calibrador Birmingham para

alambre, que en la práctica se refiere al Calibrador BWG.

En la Tabla No. 4.1, se listan los tamaños más utilizados.

Los orificios en los espejos no deben taladrarse muy cerca uno de otro, ya que

una franja demasiado estrecha de metal entre tubos adyacentes debilitaría

estructuralmente el cabezal de tubos o espejo.

A la distancia entre centro y centro de tubería se le conoce en algunos lugares

como “pitch” o “paso”, los arreglos que normalmente se utilizan son: el

triangular, triangular girado a 30º, cuadrado y cuadrado girado a 45º.

El arreglo triangular se utiliza generalmente en Cambiadores de Calor cuyo

fluido por fuera de los tubos sea limpio, ya que este tipo de arreglo no nos

permite la limpieza mecánica, sin embargo la limpieza se puede realizar

mediante el uso de solventes químicos.

El arreglo cuadrado se recomienda cuando el fluido que circula fuera de los

tubos sea sucio o donde la caída de presión por el lado de la carcaza o



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envolvente este muy limitado, además de que se pueden llevar a cabo la

limpieza mecánica tanto como la química.

Los arreglos de la fluxería se muestran en la figura No. 4.3.

El tipo de arreglo de fluxería determina el diámetro de la envolvente, además

de influir en éste, el número de pasos tanto por tubos como por envolvente.

En general, cuando se diseña la distribución de los tubos en un Cambiador, lo

que se busca es obtener una mayor área de transferencia de calor con los tubos

contenidos en una área seccional dada, pero a su vez permitir la limpieza

interior y exterior de los tubos. Cuando se requiere dar limpieza interior a la

fluxería, los diámetros menores que deben utilizarse son los de 3/4”.

La longitud de los tubos está dada por la disponibilidad comercial y van en

dimensiones desde 8, 10, 12, 16, 20 y 24 pies usualmente, aunque se pueden

obtener tuberías de una longitud hasta de 48 pies. Otros factores que afectan la

longitud de los tubos, son la disponibilidad de espacio en la planta y cuando se

tenga restricción en la caída de presión permitida. Usualmente conviene

seleccionar tubos largos, ya que el diseño resultante es más económico que

uno de tubos cortos con una área equivalente.

Respecto al espesor recomendado de los mismos, se anexa la Tabla No. 4.2,

extraída de la norma T. E. M. A., donde se verá que además de ser función del

diámetro del tubo, lo es también del material de construcción.

ESPEJOS

Son placas circulares que son barrenadas y ranuradas para la colocación de

tubos, los empaques, varillas tensoras y el círculo de tornillos para que

embone con la envolvente (cuando se requiera). Los tubos son sostenidos en

su lugar al ser insertados en los orificios practicados a los espejos y

posteriormente son rolados o soldados a éste. Sin embargo, cuando se desea

evitar el mezclado entre los fluidos debido a fugas en los barrenos del espejo,

se pueden utilizar espejos dobles (con un considerable aumento del costo), el

espacio entre los espejos queda abierto a la atmósfera a fin de que la fuga de

cualquiera de los fluidos pueda ser rápidamente detectada.



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El espejo, en adición a sus requerimientos mecánicos, deberá soportar el

ataque corrosivo de ambos fluidos y deberá ser electroquímicamente

compatible con el material de tubos y el material del carrete. Normalmente se

construyen de acero inoxidable cuando se va a trabajar con fluidos oxidantes,

corrosibles y a altas presiones, aunque algunos espejos se hacen de acero al

carbono con una capa delgada de aleación resistente a la corrosión. Las figuras

No. 4.4, 4.5 y 4.6, muestran la unión tubo - espejo.

ENVOLVENTES Y BOQUILLAS

La envolvente es el recipiente del fluido externo a los tubos y las boquillas son

la entrada y salida de él. La envolvente tiene una sección circular y está

construida comúnmente de placas que son roladas a las dimensiones

requeridas y soldadas longitudinalmente. Las envolventes menores de 24” se

pueden construir de tubería comercial. La redondez de la envolvente es

importante al fijar el diámetro máximo de los deflectores y el efecto de la fuga

entre envolvente y deflector.

En Cambiadores grandes, la envolvente deberá ser cuando sea posible, de

acero al carbono por razones de economía, aunque se pueden utilizar

aleaciones por demandas debido a la corrosión o a esfuerzos por altas

temperaturas.

La boquilla de alimentación con frecuencia cuenta con una mampara de

choque colocada inmediatamente bajo la entrada para dispersar el chorro del

fluido, a fin de que no golpeé y erosione las primeras hileras de tubos.

Otro arreglo para lograr la distribución, es el uso de cinturones de distribución,

generalmente cuando la boquilla de entrada es grande, aunque el uso de este

cinturón encarezca inicialmente al equipo (ver figura No. 4.7).

En general, para fijar el diámetro de la envolvente permitido, es necesario

tomar en cuenta varios factores, entre estos están los siguientes: tipo de

carrete, presión de diseño, espacio disponible en la planta, el arreglo de la

fluxería, número de pasos con respecto a los tubos y número de tubos.



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De acuerdo con el T. E. M. A., tenemos seis diferentes tipos de envolventes: el

tipo “E”, de un solo paso; “F”, de dos pasos; “G”, flujo partido; “H”,

doblemente partido; “J”, de flujo dividido; y “K” llamada tipo “Kettle”,

mostrados en la figura No. 4.1.

Tomando como base la envolvente “E”, podemos decir que la envolvente de

dos pasos “F”, se utiliza para cuando existe cruce de temperaturas y se

pretende lograr una contracorriente pura entre los fluidos de tubos y

envolvente y lograr dos pasos en el cuerpo y más de cuatro en los tubos,

evitando la utilización de dos equipos en serie.

La envolvente tipo “G” de flujo partido, básicamente presenta las cualidades

de la envolvente “F”, su uso principal está en la condensación de vapores.

El vapor entra por la parte superior de la envolvente dividiéndose a la mitad

debido a la placa de soporte que divide a la envolvente en dos compartimentos

idénticos. Después de que el vapor pasa por la placa superior de la placa

longitudinal, cruza hacia el segundo paso de la envolvente en dirección

contraria para salir finalmente por la boquilla inferior. Las velocidades y la

longitud de la travesía, son las mismas que para una envolvente tipo “F”, la

mejoría consiste en que el condensado se mantiene por un tiempo más largo

en contacto con los tubos. Para promover su subenfriamiento se pueden

perforar los extremos de la mampara longitudinal, a fin de que el condensado

goteé encima de los tubos del paso inferior.

La envolvente tipo “H”, doblemente partida, se utiliza para reducir la caída de

presión. En condensadores la alimentación de vapor se divide en las dos

boquillas de alimentación. La envolvente se divide en dos compartimientos

separados por un soporte transversal completo en el centro de la envolvente, el

vapor fluye por cada mitad de la envolvente por encima de la mampara

longitudinal y regresa por la parte inferior hacia la boquilla de salida y

prácticamente se unen las dos salidas en una sola línea.

Un método alternativo para reducir la caída de presión en la envolvente nos la

da la envolvente tipo “J” de flujo dividido. En éstos el vapor se puede

alimentar en dos boquillas, o si se está vaporizando el fluido se alimenta en

forma contraria y se separa por medio de un soporte sólido. La mezcla fluye



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de las boquillas superiores a la inferior, pasando por las mamparas. Los

internos de ésta envolvente son más sencillos que los de doblemente partido.

La envolvente tipo Kettle “K” se utiliza para cuando se requiere generar vapor

y por lo tanto, hay que mantener parte líquida del fluido de alimentación y

dejar un espacio encima del nivel del líquido para que el vapor producido

pueda viajar a una velocidad suficientemente baja a fin de que las gotas de

líquido que arrastre tengan la oportunidad de caer.

En los Chiller, en los cuales el fluido dentro de los tubos es enfriado por la

vaporización de un refrigerante en la envolvente, la construcción es similar a

los Kettles con una construcción en los cabezales del tipo “U”, ya que

normalmente las temperaturas de operación son muy bajas, estas temperaturas

se denominan temperaturas criogénicas.

CANALES Y BOQUILLAS

Los canales y boquillas sirven para controlar el flujo que entra y sale por los

tubos del Cambiador de Calor. Por lo general el fluido más corrosivo va con

frecuencia de este lado, por lo que los canales y boquillas se hacen de alguna

aleación compatible con los espejos y los tubos.

Los tipos de canales de distribución se pueden clasificar en tres grupos

generales; espejos fijos, cabezal “U” y cabezal flotante.

Los cambiadores de calor con espejos fijos (nomenclatura “L”, “M” y “N” del

T. E. M. A., se diseñan con tubos rectos asegurados en sus extremos mediante

espejos soldados a la envolvente. Usualmente, los espejos son de un diámetro

mayor a la envolvente para servir como bridas en algunas ocasiones.

Debido a que no se tienen empaques en el lado de la envolvente, los equipos

de espejos fijos proveen de la máxima protección contra fugas al exterior del

fluido que va por la envolvente. Por la misma razón el haz de tubos no puede

removerse para la inspección o para efectuar la limpieza por el lado exterior de

los tubos. El claro entre los tubos exteriores del haz y la envolvente es

únicamente el requerido para la fabricación, con lo cual se puede lograr que

las áreas de fuga en la envolvente, sean mínimas.



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Las diferencias de temperatura en estas unidades, están limitadas por la

expansión térmica diferencial entre los tubos y la envolvente, debido a lo cual

algunas veces es necesario instalar una junta de expansión en la envolvente.

La necesidad de la junta (figura No. 4.8) se determina por consideraciones de

la magnitud de las expansiones diferenciales o de las condiciones críticas que

se esperan durante la operación. Las diferenciales de temperaturas aceptables

son del orden de 100ºF a 200ºF.

El lado de tubos queda accesible para el mantenimiento o remplazo de tubos.

El lado de la envolvente puede ser limpiado únicamente por un retrolavado o

con substancias químicas.

Los equipos de espejos fijos se usan principalmente en servicios donde los

fluidos que van por la envolvente son no incrustantes, tales como vapor,

refrigerantes, gases, algunas aguas de enfriamiento y corrientes de proceso

limpias.

Las ventajas que presentan estos equipos son:

1. Bajo costo por unidad de área de transferencia.

2. Tubos rectos con facilidad para limpiarse interiormente.

3. No hay juntas de empaque del lado de la envolvente.

4. Áreas de by-pass mínima entre el haz de tubo y envolvente.

5. No hay empaques internos, con lo cual se minimiza la posibilidad de

mezcla entre los fluidos debido a fallas de los empaques.

Entre las desventajas se tiene:

1. Limitados en limpieza mecánica e inspección visual por el lado de los

tubos, lo cual restringe su uso para el manejo de fluidos muy limpios por el

lado de la envolvente.



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Utilización:

En condensadores, calentadores, enfriadores y rehervidores.

Cabezal en “U” (nomenclatura T. E. M. A., “U”); en éste caso, ambos

extremos del tubo son sostenidos por el espejo único, lo que elimina el

problema de las expansiones térmicas diferenciales debido a que los tubos

están libres para expanderse. El haz de tubos puede removerse para la

inspección y limpieza, aunque puede quedar fijo soldando el espejo a la

envolvente.

Para unidades con tubos removibles, éstos equipos dan aproximadamente el

mismo claro entre los tubos exteriores y la envolvente, similares a los espejos

fijos, sin embargo, el número de orificios en el espejo para un mismo tamaño

de envolvente es menor, debido a las limitaciones de los tubos que tienen el

menor radio de curvatura. El número de pasos siempre será par, y el número

máximo está limitado únicamente por la dificultad de construcción de los

compartimentos en el cabezal de distribución.

Los canales y empaques son accesibles para el mantenimiento y emplazo, y el

haz de tubos puede removerse para la limpieza o remplazo, sin embargo el

remplazo puede hacerse únicamente en los extremos, ya que los demás

requieren soportes especiales que permitan a la “U” esparcirse para tener

acceso a los internos. El interior de los tubos puede ser limpiado mediante

herramientas especiales y únicamente cuando el radio de curvatura de los

tubos sea grande. Debido a lo anterior, los equipos de tubos en “U” se usan en

servicios de fluidos no incrustantes o donde la limpieza química sea efectiva.

Estos equipos son de particular uso para altas presiones, sin embargo, la

presión no es factor determinante para usar tubos en “U”, la limpieza y

temperatura si lo son.

Ventajas de este tipo de Cambiadores con tubos en “U”:

1. Un solo espejo.

2. El haz de tubos puede removerse para la inspección y limpieza externa de

los tubos.

3. Se minimiza el by-pass.

4. La expansión diferencial se compensa debido al doblez de los tubos.



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Desventajas:

1. Debido a su forma, la parte interna de los tubos presenta dificultad para su

limpieza.

2. Los tubos no pueden remplazarse, excepto los exteriores del haz.

3. No se puede dar menos de dos pasos.

Este tipo de equipo, se recomienda particularmente para altas presiones y

temperaturas, ya que el ahorro de un espejo disminuye considerablemente su

costo.

Cabezales flotantes (nomenclatura “P”, “S”, “T” y “W” del T. E. M. A.), estos

equipos tienen tubos rectos asegurados por espejos en ambos extremos. Uno

de estos se encuentra libre para desplazarse, lo que beneficia a la expansión

diferencial entre los tubos y la envolvente. El haz de tubos puede removerse

para inspección, remplazo y limpieza externa de los tubos. Además, el lado

interior de los tubos es accesible para el mantenimiento y limpieza, por lo que

son recomendables para servicios con fluidos sucios y para altas temperaturas.

Los tipos básicos de cabezales flotantes son:

1.- Caja Empacada (clasificación “P”):

En este equipo, el fluido de la envolvente se sella mediante empaquetadura

suave dentro de un anillo. El empaque permite el desplazamiento del espejo

flotante. Puesto que la caja empacada únicamente está en contacto con el

fluido de la envolvente, éste y el del tubo no se mezclan cuando ocurre una

fuga a través del empaque.

El número de pasos de los tubos está limitado únicamente por la construcción

y número de tubos. Puesto que el círculo límite de tubos se aproxima al faldón

del espejo flotante, los claros entre los tubos y la envolvente se dictan por el

espesor del faldón. Se recomiendan para servicios hasta de 600 psi y 600ºF, y

no son aplicables cuando las posibles fugas del fluido de la envolvente al

exterior, son indeseables.



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2.- Empacado Exterior con Cierre Hermético (clasificación “W”).

En este caso los fluidos de tubos y envolventes se sellan por empaques de

anillo o con un anillo de cierre hidráulico provisto con orificios, a fin de que la

fuga a través de alguno de los empaques sea exterior. El ancho del espejo

puede ser suficiente para permitir el doble empacado, el anillo de cierre

hidráulico y la expansión térmica diferencial. Un pequeño faldón es, algunas

veces, anexado al espejo flotante para proveer superficies de conexión para los

empaques y el anillo de cierre hidráulico.

Puesto que no se pueden colocar placas de partición para pasos en el cabezal

flotante, el número de pasos está limitado a uno o dos. El claro entre el circulo

límite de tubo y la envolvente, deben tomar en cuenta la distorsión durante el

rolado de los tubos en el borde del espejo.

Los cabezales tipo “W”, están generalmente limitados a 150 psi y 500ºF, esta

construcción no es aceptable cuando no se permite la fuga al exterior de

ninguno de los fluidos, o cuando no se tolera el mezclado de los fluidos.

3.- Cabezal de Arrastre (clasificación “T”):

Este tipo de cambiador tiene un cabezal separado y atornillado directamente al

espejo flotante. Tanto el cabezal como el espejo son de un tamaño tal que

pueden deslizar a través de la envolvente y el haz puede ser removido sin

separar la tapa del espejo flotante. El claro requerido (el cual es el mayor en

los cambiadores de calor del tipo haz - envolvente), entre el circulo límite de

tubos y el diámetro interior de la envolvente, debe ser tal que pueda tener

espacio para el empaque y la tornillería en el espejo flotante.

El número de pasos en los tubos, está limitado únicamente por la fabricación y

el número de tubos. Con pasos nones, la boquilla debe extenderse desde el

cabezal flotante hasta la cubierta de la envolvente. Se dejarán previsiones para

la expansión térmica diferencial y la remoción del haz de tubos debe hacerse

por métodos similares a juntas empacadas o fuelles. Puesto que este tipo de

cambiador requiere de empaques internos entre el espejo flotante y su cabezal,

generalmente se restringen sus aplicaciones o servicios donde se pueden

tolerar pequeñas fallas del empaque interno.



MGC 21

4.- Cabezal de Anillo Dividido (clasificación “S”):

En este diseño la cubierta del cabezal flotante está asegurada en el espejo

flotante con un anillo dividido. Esta parte, localizada más allá de donde

finaliza la envolvente, en encerrada por una cubierta de mayor diámetro. La

cubierta de la envolvente, el anillo y la cubierta del cabezal flotante, se deben

remover para deslizar el haz a través de la envolvente.

El claro entre los tubos más externos y el diámetro interno de la envolvente

que es aproximadamente igual al tipo “P” y menor que en el tipo “T”,

aproxima el diámetro interno del empaque al espejo flotante. Este tipo de

construcción tiene la misma limitación en el número de pasos, presión y

temperaturas admisibles en un tipo “T”.

Ventajas de los cabezales flotantes:

1. El haz de tubos puede removerse para limpieza mecánica exterior de los

tubos y para su inspección.

2. Tubos rectos, remplazables con facilidad y la limpieza de sus interiores se

puede llevar a cabo sin remover el haz.

3. El cabezal flotante absorbe la expansión térmica diferencial entre los tubos

y la envolvente.

Desventajas y limitaciones de los cabezales flotantes:

1. Alto costo.

2. El empaque interno en la cabeza flotante, tiene el peligro de mezclar los dos

fluidos por falla de empaque, por lo que estos equipos están limitados a

presiones medias (aproximadamente 600 psi).

La figura No. 4.9 muestra las características de cada cabezal.

Las cubiertas de los canales o tapas, pueden en ocasiones ser atornilladas a las

bridas de los canales para ser removidas para una inspección de los tubos, sin

necesidad de remover las tuberías de conexión del canal. Otras veces se

utilizan bonetes en vez de usar un canal con tapa (figura No. 4.10).

Las placas divisoras de pasos que se utilizan en el canal, es cuando se quiere

tener dos o más pasos (figura No. 4.11). Si los canales o bonetes se hacen de

hierro colado, éstas placas son integrales para que posteriormente se les de un

buen acabado con el fin de que ajusten bien los empaques que sellarán las



MGC 22

divisiones. Si son rolados los canales, estas placas van soldadas. El arreglo de

los divisores en pasos múltiples, es arbitrario, generalmente lo que se procura

es tener el mismo número de tubos en cada paso, con el fin de minimizar la

caída de presión y cumplir con la serie de consideraciones que se hacen en el

cálculo de la diferencia de temperaturas, para proveer una presión casi

uniforme en todas las partes de los empaques de sello y para minimizar la

complejidad de la fabricación y el costo.

DEFLECTORES O BAFLES

Son placas metálicas que se les da un contorno circular y tienen dos unciones,

una de ellas es la de soportar los tubos en la posición apropiada durante su

ensamble y operación, previendo la vibración de los tubos causada por

remolinos en el flujo y la otra función es, guiar el flujo de la envolvente en

forma transversal al haz de tubos, aumentando la velocidad y el coeficiente de

transferencia de calor.

El tipo de bafle más común es el segmentado, con corte vertical, horizontal o

inclinado; otros tipos son los de dona y disco y los doblemente segmentados.

Las figuras 4.12, 4.13, 4.14, 4.15 y 4.16, nos muestra los diferentes tipos de

bafles.

Los bafles segmentados; son círculos de menor diámetro que la envolvente, en

donde una porción, ya sea horizontal o vertical, ha sido recortada. La parte

cortada representa el área libre de flujo y éste corte puede variar desde un 10%

a un 35% del área de la envolvente. Las tolerancias con respecto al diámetro

interior de la envolvente, se encuentra dado en la Tabla No. 4.3.

El corte del bafle generalmente es vertical en condensadores, rehervidores,

vaporizadores e intercambiadores cuyo servicio se realiza manejando

materiales con sólidos en suspensión o fluidos pesados. Con este arreglo, los

incondensables pueden escapar o ir al tope del equipo, provocando zonas no

propicias para la transferencia de calor. También es importante el dren del

líquido que condensa.

El corte horizontal es recomendable cuando no hay cambio de fase en la

envolvente y para cualquier líquido que no contenga sólidos en suspensión. En



MGC 23

caso de que existan gases disueltos en el líquido, que se puedan desprender, no

se deberán emplear estos bafles, pero en caso de que se utilicen, deberán

dejarse canales para el paso de estos, este sistema no es conveniente cuando se

tienen cantidades considerables de gases.

Bafles de disco y dona: el perfil de flujo de estos bafles a lo largo de un

cambiador, es casi lineal (figura No. 4.15), ya que éstas se encuentran

constituidas de un mismo plato circular perforado en el centro. El anillo y el

segmento se colocan alternadamente a lo largo del haz de tubos.

Para un servicio sin cambio de fase y con fluidos limpios, estos bafles resultan

tan efectivos como los segmentados, aunque se utilizan con menor frecuencia.

No es recomendable para los casos en que existan incondensables disueltos, o

que puedan desprenderse, o en servicios con cambio de fase, ya que no se

desfogarían apropiadamente los gases o vapores mencionados al quedar

atrapados en la parte superior de la dona.

Los bafles de orificio: son poco usados, ya que están formados de un plato

circular completo con los orificios taladrados para el paso de los tubos con una

tolerancia de 1/16” a 1/8” entre el diámetro exterior del tubo y el diámetro del

orificio. El fluido debe ser muy limpio, pasa por la sección anular entre el

exterior del tubo y el diámetro taladrado. Este tipo de bafles presenta una gran

turbulencia pero muy poco flujo cruzado entre los bafles (figura No. 4.16).

Los condensadores se drenan bien y los incondensables se pueden ventear por

la parte superior, pero su escasa aplicación es debida a que su caída de presión

es alta.

Los bafles longitudinales: se utilizan del lado de la envolvente, para dividir

ésta en dos ó más pasos, o bien para dar a la carcaza la característica del tipo

“Split”.

Para evitar fugasen los bafles que dividen en pasos a la envolvente, los

métodos de sellado más comunes dependen del diámetro de la envolvente y

del servicio, se hacen por medio de soldadura, empaque atornillado, empaque

con bandas de sello (figura No. 4.17). Estos bafles deben ser generalmente del

mismo material de los bafles transversales. El material utilizado tiene

espesores que van de 1/8” a 5/8” (Tabla No. 4.4).



MGC 24

Los puntos más importantes para el diseño de los bafles, son las proporciones

de espaciamiento y corte del bafle, tomando en cuenta el diámetro de la

envolvente.

La velocidad del flujo no deberá cambiar drásticamente entre el flujo

transversal y a través de la ventana.

Para líquidos el corte de la ventana del bafle deberá permanecer entre los

límites de 20% a 35% para un comportamiento óptimo. Para gases a baja

presión, se pueden tener cortes hasta de un 40% a 45%, a fin de minimizar la

caída de presión, Los cortes muy grandes, especialmente si están relacionados

con un espaciamiento de bafles muy grande, causan un flujo altamente

ineficiente con áreas “muertas”, y un incremento potencial en el

ensuciamiento.

Una buena práctica en el diseño de espaciamientos entre bafles, es considerar

un mínimo de 20% del diámetro de la envolvente a un máximo del 100% del

diámetro de la envolvente, respetando lo recomendado en la tabla No. 4.5.

El T. E. M. A., restringe a un máximo de 36” para espaciamiento entre bafles.

Para gases a altas velocidades se utilizan bafles doblemente segmentadas,

generalmente para decrecer la caída de presión, los espaciamientos entre

bafles no deberán ser muy pequeños, ya que puede resultar un patrón de flujo

inefectivo. El efecto de partir a la mitad, es que la velocidad se reduce en

relación a la caída de presión, consecuentemente se reduce aproximadamente a

la cuarta parte de la que se tendría en un bafle segmentado. En la figura No.

4.18 se muestran algunos patrones de flujo típicos para bafles segmentados.

TENSORES

Son varillas roscadas en sus extremos o en toda su longitud y nos sirven como

guía para mantener a los espejos y bafles transversales, paralelos entre sí. El

tipo del material de que están construidos, depende del fluido que se encuentre

por el lado exterior de los tubos.



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SEPARADORES

Generalmente son tubos que van cubriendo a los tensores y que nos sirven

para darle el espaciamiento a los bafles transversales. El material de este tubo

es el mismo utilizado por la fluxería. En la figura No. 4.19 nos indica una

secuencia de colocación de tensores, separadores, espejos y bafles

transversales.



MGC 26

V: MANTENIMIENTO A CAMBIADORES DE CALOR

MANTENIMIENTO: Es el conjunto de actividades que es necesario

desarrollar para conservar equipos, unidades e instalaciones en condiciones

óptimas de servicio, prolongar su vida útil y sostener su operación al máximo

nivel de eficiencia y el menor costo.

Los objetivos del mantenimiento son: Técnico y Económico.

Los criterios para la clasificación de los tipos o sistemas de mantenimiento,

son variados. No obstante, se puede establecer una división sistemática la cual

consiste en dividir el mantenimiento en tres importantes métodos técnicos:

1.- MANTENIMIENTO CORRECTIVO.

2.- MANTENIMIENTO PREVENTIVO.

3.- MANTENIMIENTO PREDICTIVO.

EL MANTENIMIENTO CORRECTIVO se tratará en el próximo capítulo

más ampliamente.

MANTENIMIENTO PREVENTIVO

Definido como una substitución de partes, es utilizado para prevenir fallas,

alargar la vida de operación del equipo por medio de inspecciones

programadas y reemplazo periódico de las partes. Este tipo de mantenimiento,

algunas veces puede dar margen a problemas, originando además gastos extras

por cambio prematuro y sacrifico de las últimas horas de vida útil de las partes

remplazadas. Por lo tanto, es algo en lo cual fácilmente se cae en la

exageración y abuso.

MANTENIMIENTO PREDICTIVO

La técnica de descubrir el equipo en términos de una curva de vida - falla, es

la base de este tipo de mantenimiento. Su principal objetivo es el de localizar

donde aumentó considerablemente la frecuencia de falla. Agrega técnicas

científicas avanzadas para aumentar los tiempos de operación y eliminar los

trabajos innecesarios. El equipo se trabaja justo antes de la falla. Se toman



MGC 27

medidas preventivas solo en equipos cuya falla puede crear un riesgo serio o

cuyas operaciones sean especialmente críticas.

Esta técnica trae consigo un ahorro sustancial, ya que pueden identificarse las

corridas del tiempo del equipo y el trabajo de reparación puede llevarse a cabo

justamente antes de la falla, con lo que se puede alargar el tiempo entre

“paradas” y eliminar el trabajo de reparación demasiado temprano o

demasiado tarde.

BASES PARA ESTABLECER EL MANTENIMIENTO PREDICTIVO

Para establecer el Mantenimiento Predictivo deben cumplirse los siguientes

aspectos en los programas de Mantenimiento a Cambiadores de Calor:

1. Establecer las necesidades de mantenimiento para todos los equipos del

acercamiento crítico contra el no crítico.

2. Determinar la programación del Mantenimiento Óptimo.

3. Sistematizar la colección y almacenamiento de los datos mediante el

establecimiento de historia clínica de cada uno de los equipos.

4. Controlar y evaluar constantemente la eficiencia de mantenimiento.

El Mantenimiento Predictivo del Cambiador de Calor se habrá de establecer

de acuerdo con la siguiente consideración.

CENSO: Se debe contar con los datos de placa del Cambiador de Calor.

DATOS Y LECTURAS: El tipo de lectura o datos que deberá tenerse del

Cambiador de Calor como una previsión técnica de falla y donde debe ser

formada de acuerdo con los siguientes datos técnicos de diseño:

1. General, para cualquier defecto exterior visible.

2. De fugas de conexiones, cuerpo, carretes, tapas, bridas, etc.

3. De condiciones de soporte o estructuras.

4. De condiciones de alineamiento y protección.

5. De condiciones operacionales.

6. De calibración de espesores.

Una inspección visual es generalmente aceptable para los incisos 1, 2, 3 y 4.



MGC 28

Para determinar las condiciones de operación se requiere:

Tomar lecturas de temperaturas a través de termopozos instalados en las

boquillas de entrada y salida de fluidos que pasan por el interior y exterior de

los tubos.

Tomar lecturas de caídas de presión entre salidas y entradas de los fluidos,

tanto por el exterior como por el interior de la tubería.

Para la determinación de espesores se requiere:

Cuando el Cambiador se encuentra en operación, calibrar diversos puntos del

cuerpo, carretes, tapas y boquillas.

Cuando el Cambiador se encuentra desarmado, calibrar los diferentes

componentes del equipo, (cuerpo, tubos, mamparas, deflectores, espejos,

placas de choque, etc.).

FRECUENCIA: Es necesario establecer con qué frecuencia y mediante que

medios se tomarán las lecturas en el equipo, se recomienda lo siguiente:

1. Las lecturas de temperaturas se tomarán cada 15 días por medio de

termómetros bimetálicos.

2. Las lecturas de caída de presión se tomarán con la misma frecuencia que las

temperaturas mediante manómetros diferentes.

3. Las lecturas de espesores desde el exterior se tomarán cada 2 ó 3 meses con

un instrumento adecuado ultrasónico.

4. Las lecturas de los diferentes componentes del Cambiador se tomarán cada

vez que se desarme previa programación mediante Compases, Verniers y

Micrométros.

INTERPRETACIÓN: Las temperaturas y caídas de presión se toman y

registran en el formato No. 1, por los operadores que en cada planta designe el

Ingeniero de Operación y deberán ser interpretados por Ingenieros de Proceso,

Mantenimiento e Inspección. . Las lecturas de calibración de espesores serán

tomadas y registradas en un formato por personas designadas por el Ingeniero

de Inspección y deberán ser interpretadas por los Ingenieros de Mantenimiento

e Inspección.



MGC 29

El Mantenimiento que se le puede proporcionar al Cambiador de Calor cuando

está en operación, es relativamente pasivo, debido a que este equipo no

permite reparaciones correctivas cuando los fluidos están en operación.

Sin embargo las inspecciones oportunas y el mantener las condiciones de

operación en grado óptimo, es el resultado de un buen programa de inspección

y reparación preventivo.

La inspección periódica de las condiciones de operación de estos equipos, es

recomendable que se haga bimestralmente por Ingenieros especialistas de

Operación y Mantenimiento.

RETROLAVADOS DE NÚCLEOS EN LAS PLANTAS DE PROCESO

Las lecturas de presión y temperatura, tomadas periódicamente nos dan

indicaciones de la eficiencia de nuestro Cambiador de Calor. Cuando la

eficiencia es baja y nuestro Cambiador utiliza agua como medio enfriador

(fuera de los tubos), se pueden seguir dos procedimientos para elevar su nivel

de eficiencia, (esto se lleva a cabo con el equipo en operación):

I. Retrolavado.

II. Soplado a Contra Corriente.

RETROLAVADO: Es un procedimiento que tiene como finalidad desalojar

las incrustaciones o impurezas acumuladas en el interior de los tubos(figura

No. 5.1). El Cambiador en operación normal tiene las válvulas “B” y “D”

cerradas estando las “B” y “C” abiertas, para efectuar el retrolavado es

necesario mantener cerradas las válvulas “A” y “D” y abiertas las “C” y “B”,

esto ocasiona que el agua que antes entraba por “A” entra ahora por “C” y sale

con toda la suciedad por “B” simultáneamente y el cambiador queda operando

normalmente.

SOPLADO A CONTRA CORRIENTE: Este procedimiento de lavado interior

de los tubos, es parecido al anterior con la variante de que se utilizan dos

compresoras para meter aire a presión por la válvula “D”.



MGC 30

El procedimiento es el siguiente:

I. Cerrar “A” y “C”, simultáneamente.

II. Abrir “B”.

III.Abrir “D”

Después de 15 minutos de tiempo se cierra “D” y “B” y se abre “A” y “C”.

D

C

B

A

Figura No. 5.1

Retrolavado y soplado a Contra Corriente.



MGC 31

LIMPIEZA INTERIOR DE LOS TUBOS DEL NÚCLEO

El Cambiador de Calor debe ser puesto fuera de servicio dependiendo de sus

características de funcionamiento y bajo los siguientes aspectos:

a) Cuando uno o más tubos se han destruido y existe fuerte contaminación

entre ambas substancias.

b) Cuando las operaciones de temperatura no satisfacen las condiciones de

operación.

c) Cuando el número de tubos que están fuera de servicio ha llegado a un 10%

ó 15% máximo del total.

d) Cuando el debilitamiento de las paredes de las partes así lo requiera.

Una vez fuera de servicio puede ser inspeccionado y reparado de acuerdo con

los programas de limpieza.

Se considera como Mantenimiento Preventivo la limpieza del interior de la

tubería de los Cambiadores de Calor, por permitir en ese lapso, la revisión de

boquillas, niplería y estado actual del interior de carretes y tapas.

Para poder proceder a este tipo de mantenimiento se sigue la siguiente

secuencia:

a) Colocación de juntas ciegas en entradas y salidas de producto (previo

vaciado y bloqueo de válvulas).

b) Se procede a destapar al Cambiador de ambos lados.

c) Se inspecciona con detenimiento el equipo.

d) Se procede a la limpieza mecánica o con chorros de agua a presión.

e) Se recibe la limpieza por parte de un especialista de Inspección y

Seguridad.

f) Se procede a tapar el equipo.

g) Se retiran las juntas ciegas.

La limpieza interior a los haces de tubería se lleva a cabo por el procedimiento

de chorro de agua a presión o limpieza mecánica.



MGC 32

LIMPIEZA MECÁNICA

Para efectuar la limpieza interior de los tubos, cabezales y tapas, la limpieza

mecánica resulta eficiente en muchos casos. El método consiste en disparar

agua a alta presión, contra las partes metálicas, para desprender las costras

adherentes.

Esta acción es completamente escobillando con fibra o cepillo de nylon, así

como rasquetas, varillas, brocas, golpeadores, etc. Que rompen los depósitos

incrustantes. Las piezas anteriores pueden ser accionadas por motores

neumáticos, el motor permanece en la parte exterior del tubo que hace girar la

flecha hueca de acero, de suficiente longitud para alcanzar el extremo opuesto

del tubo donde van acopladas las brocas.

TURBINADO O VARILLADO

La turbina para la limpieza mecánica de los tubos del Cambiador de Calor, se

acoplan en su punta a diferentes brocas que se ajustan al diámetro interior del

tubo, en este caso se utiliza agua que pasa a través de la flecha hueca. Para

usarse el motor se cuelga de una polea con transportadores, permitiendo el

movimiento horizontal sin cambiar la altura del motor. Estos motores vienen

provistos de dos agarraderas, para control del agua y del aire.

La turbina utilizada es de 188 r.p.m. y sirve para limpiar tubos completamente

obstruidos. Se utiliza para tubos de acero y de aleación de aluminio de 0.95

cm (3/8”) a 4.45 cm. (1 3/4”) de diámetro interior.

Las cabezas limpiadoras contienen engranes flotantes o brocas. Estos tipos de

limpiadores se utilizan en tubos rectos, pues contienen juntas universales en

sus extremos.



MGC 33

LIMPIEZA CON AGUA A PRESIÓN

El agua a grandes presiones actúa enérgicamente sobre los depósitos formados

en el interior de los tubos, ocasionando su desprendimiento total.

En este procedimiento se utiliza fundamentalmente una bomba portátil de tipo

reciprocante (Hidro-Jet), que funciona a presión de 0 a 400 Kg/cm2 (5, 680

psi), con un gasto de 37 lts/min (10 gpm). Esta unidad puede servir en forma

estacionaria o transportarse a las plantas de proceso. Para la proyección de

agua se utiliza una pistola con manguera, toberas, lanzas y accesorios para alta

presión. Las toberas que rocían por detrás, son adecuadas para mangueras.

Antes de iniciar el trabajo con la bomba de limpieza a alta presión, se debe de

revisar que todas las conexiones correspondientes se encuentren a su

capacidad de funcionamiento. Los trabajos deben realizarse con trajes de

protección.

MANTENIMIENTO CORRECTIVO

Es un método antiguo que consiste en permitir que el equipo opere hasta la

falla. Aunque requiere poca planeación, es inaceptable como sistema en las

plantas industriales grandes, pues todos los trabajos se llevan a cabo sobre la

base de la emergencia que provoca un deficiente empleo de la mano de obra y

material inadecuado.

Sin embargo, este tipo de mantenimiento resulta ser más usual en la industria

mediana y chica, debido a que no es necesario un sistema moderno de

organización, pues su función es la de corregir fallas en los equipos y efectuar

reparaciones parciales o totales cuando así se requiere.

Es un conjunto de actividades que es necesario desarrollar para la reparación o

corrección de daños.

Seis razones por las que falla un Cambiador de Calor son:

1. Suciedad excesiva.

2. Aire o gas dentro del Cambiador, resultado de instalación inadecuada de

líneas, o carencia de venteo.



MGC 34

3. Condiciones de operación diferentes a la que se diseña.

4. Mala distribución de los flujos de la unidad.

5. Excesiva holgura entre los bafles y los tubos, generalmente debido a la

corrosión.

6. Diseño térmico inadecuado.

Usualmente las causas para sacar de operación un Cambiador de Calor son:

1. Caída de presión excesiva.

2. Pérdidas de eficiencia que afecta la operación de la unidad.

3. Contaminación por fuga.

4. Fuga hacia el exterior excesiva.

5. Fin de su vida útil en récords anteriores.

La caída de presión excesiva y la pérdida de eficiencia, son el resultado de la

impureza que puede circular con el fluido, mientras que la contaminación de

un fluido con el otro se debe generalmente a la corrosión. Sin embargo la

inadecuada operación de un cambiador al arrancar o parar una planta, puede

también ser causa de contaminación o fuga al exterior, aunque esta última

puede ser también debido a fallas por defectos mecánicos. De lo anterior se

deduce que podemos dividir en tres grandes grupos al estudio de las causas

que motiva la reparación o limpieza de un Cambiador de Calor.

1. Por la corrosión.

2. Por la acumulación de substancias extrañas.

3. Por mala operación.

La corrosión puede ocurrir en cualquier parte de un Cambiador y la intensidad

de la misma está directamente relacionada con la concentración de los agentes

corrosivos de los fluidos así como a la resistencia a la corrosión de los

materiales conque fueron construidos.

Uno de los principales agentes corrosivos es el azufre que se encuentra en los

hidrocarburos bajo la forma de sulfuro de hidrógeno o mercaptanos en los

procesos de refinación del petróleo y petroquímico. Ataca con facilidad las

superficies de aleaciones de cobre, adelgazándolas.

El sulfuro de hidrógeno ataca al acero al carbón cuando existen temperaturas

superiores a 500ºF y a baja temperatura si está presente la humedad.



MGC 35

Otro importante agente corrosivo es el ácido clorhídrico. Prácticamente todos

los aceites crudos contienen agua salada con cloruros de calcio, magnesio y

sodio, entre otras muchas sales. Cuando esta agua salada es calentada a

temperaturas entre 300 y 400ºF, se forma ácido clorhídrico por un proceso

llamado hidrólisis. Primeramente se forma cloruro de hidrógeno que solo es

corrosivo en presencia del agua con la que si forma el ácido clorhídrico.

El agua es un agente corrosivo por sí solo cuando lleva sólidos en suspensión

causando erosión cuando pasa con fuerza a través de espacios pequeños.

Cuando se usa vapor de agua como medio de calefacción en los calentadores y

evaporadores, el condensado puede depositar incrustaciones dentro de los

tubos. El CO2 o Bióxido de carbono y el oxígeno que contiene el condensado

son causas principales de corrosión que se puede controlar mediante

tratamiento de aguas.

Acumulación de Substancias Extrañas en los Cambiadores de Calor: La caída

de presión excesiva y la pérdida de eficiencia en los Cambiadores de Calor

son el resultado de las impurezas que pueden circular con los fluidos.

Las substancias extrañas que se acumulan en el interior de los Cambiadores de

Calor pueden dividirse en dos grupos:

1. Substancias que circulan con el producto.- Estas substancias son

generalmente de dos clases, que son las conducidas por el crudo que llega a

las plantas de proceso y que han existido con los yacimientos petrolíferos o

que las han adquirido durante el transporte y aquellas substancias olvidadas

en el interior de las torres y recipientes durante las reparaciones tales como

estopas, trapos, restos de electrodos de soldadura y las substancias químicas

que forman parte del proceso o tratamiento de las gasolinas, como son

granos y polvos de catalizadores que son arrastrados por el fluido al pasar

por los reactores y recipientes de tratamiento a los Cambiadores de Calor.

2. Substancias que Circulan en el Aire.- Muchos de los Cambiadores, se

emplean como Enfriadores y Condensadores, utilizando las aguas de los

ríos, lagos, etc., como se sabe el agua del río conduce toda clase de restos

orgánicos e inorgánicos que son succionados en grandes cantidades por las

bombas. Todas estas substancias, todas estas substancias se van



MGC 36

acumulando poco a poco hasta llegar a tapar los tubos cuando circulan por

el interior de éstos o se detienen entre el haz cuando circulan por la carcaza.

Efectos de la Mala Operación de los Cambiadores de Calor. Los fluidos

deben ser conducidos al interior de los tubos y carcaza de tal manera que

primero se introduzca el fluido frío y posteriormente y poco a poco el fluido

caliente, para evitar choques térmicos y mal funcionamiento posterior del

equipo.

Esto es muy importante particularmente cuando los gradientes de temperatura

de operación son grandes. La aplicación súbita de las altas temperaturas causa

desigual dilatación en los tubos y ello puede ocasionar fugas u otros daños.

Los cambios bruscos de temperaturas, aflojan los espárragos o tornillos y

separan las juntas.

Medida Preventiva: En Cambiadores de Calor de varios pasos, la temperatura

varía entre ellos, de esta manera varía también la dilatación de los tubos en los

diferentes pasos. Los Cambiadores están diseñados de tal forma que los

esfuerzos producidos por estas diferencias de expansión están dentro de los

límites de seguridad cuando se trabaja a temperatura normal del equipo.

Para ello se usa pasta Garlock roja del tipo “A” y se acostumbra reapretar el

equipo una vez que alcance su temperatura de operación.



MGC 37

SECUENCIA DEL DESARMADO DE UN CAMBIADOR DE CALOR EN

LAS PLANTAS DE PROCESO

El mantenimiento de los Cambiadores de Calor en las plantas de operación se

realiza de acuerdo a la siguiente secuencia:

Cuando en alguna planta de proceso surge algún problema o necesidad que

determine la reparación y limpieza de un Cambiador. El grupo coordinado del

sector de operación elabora una solicitud de trabajo al personal de

mantenimiento.

Existe un reglamento de ordenes de trabajo, en estos formatos se finca con

precisión la responsabilidad del personal que interviene en la elaboración,

ejecución de obra y en la autorización de las ordenes de trabajo.

En general tiende a agilizar el trámite administrativo para la ejecución de las

obras y además permitirá a los niveles de organización ejercer un control

adecuado.

La aplicación separa en dos grupos su relación de ordenes de trabajo.

1. El grupo de ordenes que se entrega al personal de mantenimiento.

2. El grupo de ordenes entregados al taller para la reparación de piezas.

La solicitud ya elaborada se entrega al personal de mantenimiento y bien

planea y programa los trabajos de campo determinando el tiempo según los

recursos existentes tanto humanos como materiales y es cuando se debe

trabajar por medio de la ruta crítica.

Mantenimiento solicita el pedido de personal de campo de acuerdo con la

planeación y a través de Asesoría Técnica de Materiales solicita el trabajo de

ensamble (espárragos, tuercas, juntas, soportes, instrumentos y conexiones

roscadas) y entrega al taller por medio de una orden de taller la reparación,

limpieza y prueba del equipo.

Previa colocación adecuada de andamios se procede a la colocación de las

juntas ciegas, estas deberán ser de lámina lisa y suficiente espesor que

garantice hermeticidad durante la prueba hidrostática, se deberán tomar todas

las medidas de seguridad.



MGC 38

Quitar tapa a carrete, carcaza y carrete posterior.- Todas las tapas deberán

contar con orejas de carga y deberán inspeccionarse las soldaduras antes de

cualquier maniobra. Deberán dejarse cuando menos 4 espárragos opuestos

diametralmente para ser quitado hasta que el estrobo de carga sea

cuidadosamente tensado sin ejercer demasiado esfuerzo. Ya tensado el estrobo

de carga se aflojan los espárragos finales sin quitar las tuercas, deberán ser

despegadas las tapas por medio de sus tornillos extractores o con gatos para

bridas, la costumbre de palanquear con tubos o barretas en la abertura de

unión deberá desecharse ya que un movimiento brusco daña las juntas. Una

vez despegada la tapa hay que inspeccionar la junta para ver si se encuentra

desprendida de sus dos caras de asiento, puede ser retirada o si se encuentra

adherida a una sola cara y no se dañará al quitar totalmente la tapa, si se

encuentra adherida a sus dos caras en zonas diferentes debe despegarse con

rasqueta en la totalidad de una de sus caras, hecho lo anterior se puede retirar

la tapa.

Se realiza el mismo trabajo para la tapa posterior.

Quitar el Carrete.- Quitar esta pieza con dos estrobos suficientemente largos

para librar la tubería que sale de la boquilla superior, para quitar los

espárragos y cuidar la junta.

Sacar el núcleo.- Esta actividad implica una cuidadosa maniobra cuyos pasos

se dan a continuación:

a) Colocar el riel o vigueta de extracción en el espejo frontal fijado

fuertemente a este por medio de sus espárragos que se introducen en los

barrenos roscados que para tal efecto deben tener todos los Cambiadores de

Haz Removible. Entre el riel de extracción y el espejo, deberá colocarse una

tira de lámina de hule semiduro con un ancho de 1.5 veces el ancho del riel

para que no se dañen los extremos de los tubos.

b) En el centro del riel se colocará un grillete de tamaño adecuado al peso del

haz, para que ahí se enlace el extremo del cable del malacate que deberá

comunicar el jalón. Cuando convenga y sobre todo en los Cambiadores

Elevados el jalón del malacate no irá directo, sino a través de una polea

fijada en un poste de tubería rellena de concreto que se insertará

verticalmente en los hoyos que se encuentran en el piso frente a cada



MGC 39

Cambiador. En los Cambiadores más altos montados sobre estructuras

metálicas se hará necesario por lo menos dos poleas, una en el piso frente al

malacate y la otra al nivel del centro del Cambiador frente a éste. Deberá

tenderse un cordón de seguridad que proteja el área de maniobra para evitar

un accidente por algún reventón del cable.

c) El jalón del malacate deberá ser lento y constante hasta que el Haz

sobresalga de la carcaza una distancia de tres veces el ancho de cinturón de

carga (eslinga), que se usará para cargarlo. Si el Haz no cede al jalón se

emplea un gato hidráulico en la parte posterior de la carcaza, se empuja el

Haz por el centro del espejo posterior a través de una placa metálica y

lámina de hule semiduro. En este caso una sola persona deberá coordinar el

jalón del malacate y el empujón del gato. Si el Haz no cede se recomienda

un lavado químico por fuera de los tubos antes de volver a intentar la

extracción.

d) Cuando el Haz se encuentra afuera tres veces el ancho de la eslinga, se

colocará éste, suspendiéndolo por medio de una grúa, la cual se situará en

posición tal que pueda girar la pluma cargando el Haz, mientras se continúa

extrayendo de la carcaza.

e) Cuando con auxilio del malacate y grúa, se tenga el Haz fuera de la carcaza

una distancia de 0.5 veces la longitud de los tubos más tres veces el ancho

de la eslinga, se suspenderá la extracción del núcleo. En este punto se

apoyará el espejo frontal en un banco adecuado de soporte que permite

librar de la carga a la grúa.

f) Ya apoyado el haz en sus espejos, el frontal en un soporte y el posterior aún

dentro de la carcaza, la eslinga debe llevarse a una posición cuya línea de

acción pase por el centro de gravedad del Haz. Este deberá estar situado no

precisamente a la mitad de la longitud del Haz, sino ligeramente cargado

hacia el espejo de mayor peso. Cuando se carga un Haz con su tapa flotante

colocada, deberá tomarse en cuenta el peso de ésta y el peso de los

espárragos.

g) Con el cinturón de carga en el centro de gravedad del Haz, la grúa sola se,

encargará de extraer totalmente el haz, colocándolo sobre el carro especial

de transporte, si se va a llevar al taller o sobre soportes (bancos o

durmientes) que reciban los bafles del Haz. Nunca se debe permitir que los

soportes lastimen a los tubos. Los espejos deben quedar libres para

cualquier intervención posterior sobre ellos.

h) En los Cambiadores que cuentan con instalación fija de monoriel y

diferenciales, se usarán dos eslingas, uno para cada diferencial. En estos



MGC 40

casos el sostenimiento del haz durante su extracción, es diferente a lo

anteriormente, ya que los diferenciales, además de repartirse el peso del

Haz pueden viajar a lo largo del monoriel, solo hay que cuidar que el centro

de cada eslinga se coloque a una distancia del espejo más cercano de 1.5 a 2

veces el ancho de ellos.

Una vez que se ha extraído el núcleo, ingresa al taller de Cambiadores de

Calor y se procede a la limpieza del núcleo y posteriormente a la reparación

y/o reposición de partes.

DESARMADO DE NÚCLEOS CON TUBOS EN “U” O, DE CABEZAL

FLOTANTE

En caso de determinar el cambio total de la tubería previa inspección , se

procede al desarmado del núcleo, realizando la siguiente secuencia:

a.- Corte de tubería: El corte de la tubería se realiza con cincel neumático en

caso de ser de acero al carbono, la forma más rápida y económica para

quitarlos, es cortarlos con soplete desde el exterior, protegiendo de la

flama los tubos buenos mediante hojas de láminas, en caso de que sea

parcial el cambio de tubería. Se pueden hacer varios cortes en cada tubo y

sacarlos en secciones, después los extremos expansionados se eliminan

con botadores del tamaño adecuado al tubo, accionados por martillos

neumáticos, tratándose de tubos de acero de aleación, acero inoxidable,

admiralty y cupro-níquel, el corte con flama deja de ser efectivo por lo que

se deberá usar entonces un cortador neumático de cuchillas centrífuga por

el interior de los tubos. En el caso que necesite remover tubos aislados o

tubos en zonas interiores, se deberá usar por un extremo, un equipo

hidráulico con espiga extractora del tamaño adecuado a las dimensiones

del tubo y por el otro extremo un botador con martillo neumático.

b.- Antes de proceder a colocar los tubos nuevos se deberán hacer los

siguientes pasos:

1. Eliminar todas las rebabas metálicas que están atrapadas entre los tubos de

buen estado y en los palacios del espejo.

2. Limpiar con algún solvente la superficie del palacio.

3. Rectificar el palacio con ranurador, si es necesario.



MGC 41

4. Medir el diámetro de cada palacio con el objeto de ajustar el rolado

posterior.

5. Lijar los tubos nuevos, lijando sus extremos en forma radial.

6. Limpiar los barrenos de los deflectores.

TIPO “CEN” O INTEGRAL

En caso de ser un Cambiador de Calor del tipo integral o de Haz de tubos

fijos, generalmente se procede su reparación en la planta de proceso.

La reparación se lleva a cabo en la planta porque es muy difícil sacar la

carcaza del circuito de la planta, o de la descarga de alguna máquina ya que

los espejos frontal y posterior, van integrados a la carcaza del equipo.

El uso más común de este tipo de Cambiadores, es como Condensadores de

Superficie, aunque los hay como calentadores o enfriadores de producto.

La secuencia del desarmado de un Cambiador de Calor de este tipo es la de

quitar las tapas para inspeccionar el estado en que se encuentra la tubería, en

caso de necesitar cambio parcial de tubería, la extracción de tubos se lleva a

cabo con una máquina hidráulica conocida en el medio petrolero como

“Jenny”, la cual extrae el tubo sin dañar el palacio ni la cara del espejo, una

vez que se colocaron los tubos necesarios se procede a rolar la tubería al

espejo.

Una vez terminada esta actividad, se procede a realizarle la prueba de

hermeticidad para checar que el rolado esté en buenas condiciones y no vaya a

existir una contaminación de fluidos.

Hay ocasiones en que lo práctico es colocar tapones, por cuestiones de tiempo

y necesidad del equipo en el proceso.



MGC 42

REPARACIÓN DE CADA UNA DE LAS PARTES DE LOS

CAMBIADORES DE CALOR

Reparación de bafles, mamparas y espejos.- La calibración de espesores de

estos elementos debe ser motivo de primordial interés, sobre todo en los

equipos que manejan fluidos corrosivos, pues por lo general no se intervienen

hasta que están en su límite de retiro.

Cuando los espejos llegan a su límite de retiro, ello implica prácticamente

desechar el núcleo, ya que es la pieza más costosa. Si la corrosión de los

espejos es muy rápida, cabe pensar en cambiar de especificación de los

materiales de construcción.

Reparación de tensores y separadores de bafles.- Estos elementos de función

primordialmente mecánica, deben mantenerse en buen estado para conservar

la rigidez estructural del núcleo. Deberán remplazarse todos los tirantes y

separadores que se encuentren doblados.

Simultáneamente se harán las reparaciones, si son necesarias, de los siguientes

elementos del Cambiador de Calor.

Reparar la tapa flotante.- El principal problema en la reparación de estas

tapas cuando son de acero al carbono y van unidas a un espejo de aleación de

bronce, es similar al problema de los carretes distribuidores, solo que aquí es

más crítico por trabajar a mayor temperatura. La corrosión galvánica se

presenta en todo el asiento, la reconstrucción del asiento circunferencial y no

mayores de 5 cm de largo en cada aplicación para evitar la distorsión de la

pieza. Por la misma razón se debe evitar el excesivo calentamiento, con el

mismo fin a intervalos regulares se debe comprobar el diámetro de la tapa. El

material depositado debe estar suficientemente abultado para que el

maquinado posterior en el torno permita dejar caras sin defectos, para poder

ser montada la tapa en las mordazas del torno, debe previamente soldarse en la

superficie cóncava, a una misma distancia del centro sobre ejes

perpendiculares.

Cuatro piezas de ángulo estructural de lados iguales, del tamaño adecuado al

peso de la tapa, con la línea del vértice hacia afuera y perpendicular al eje que

corresponda, las mordazas descansarán sobre la superficie exterior de cada

pieza angular en el lado perpendicular a la brida de la tapa.



MGC 43

Estas piezas angulares deberán quitarse después de maquinada la tapa para

que no sea obstáculo en la dilatación lineal del Haz, ni interfieran en el

montaje de la tapa posterior de la carcaza (si estas piezas angulares se colocan

del tamaño y en forma adecuada, pueden servir para reparaciones posteriores).

Es recomendable sustituir las tapas flotantes de los condensadores y

enfriadores que sean de acero al carbono por unas de material compatible al

del espejo en el que van montadas.

Reparar el carrete distribuidor.- Es común encontrar en los condensadores y

enfriadores que las mamparas del carrete distribuidor están corroídos y

erosionados principalmente en las orillas que aprisionan las juntas contra el

espejo frontal. La práctica que se debe seguir en estos casos es cambiar las

mamparas y no parcharlos.

La colocación de ánodos y la protección con pintura son efectivos solamente

en períodos cortos, sin embargo deberán seguirse usando siempre que se

coloque una mampara nueva, debe ser previamente cepillada y encuadrada en

el taller mecánico. Si el caso lo amerita, debe tomarse el asiento

circunferencial, debe estudiarse la posibilidad de galvanizar los carretes

distribuidores.

Reparar la carcaza.- Siempre que el tiempo lo permita, las zonas desgastadas

de una carcaza, deben ser remplazadas, evitándose los parches sobrepuestos,

las soldaduras interiores deberán esmerilarse a paño. Es muy importante el

registro de espesores de una carcaza, ya que cuando el desgaste es parejo o

abarca grandes zonas, es preferible remplazarlas.

Reparar tapa posterior.- Deberán seguirse los lineamientos apuntados para la

carcaza.

Reparar tapa del carrete.- Cuando se trata de enfriadores y condensadores es

frecuente encontrar corrosión generalizada en la tapa del carrete, deben

rectificarse los asientos en el cepillo y torno, se deberán proteger con pintura y

ánodos.



MGC 44

Limpieza de espárragos.- En caso de estar en buen estado, se procede a

limpiarlos con un cepillo de cerdas de alambre y posteriormente se recorren

para tenerlos preparados para cuando se necesiten.

Acondicionar juntas.- Se revisarán las juntas metálicas, previa limpieza y se

determinará si podrán ser útiles nuevamente para entrar en servicio o si es

necesario el cambio. En caso de ser juntas de cartón Garlock de 1/8” de

espesor, se cambiarán sin excusa ya que son útiles para un solo apriete de

caras de juntas.

Si es necesaria la reparación de cada una de sus partes, primero se les da el

mantenimiento o reparación pertinente y, si es el caso, la reposición de las

mismas.

Una vez que se han realizado el mantenimiento, reparación o reposición de

partes, se procede al armado del núcleo como se indica a continuación.

1. Nivelar correctamente el espejo fijo.

2. Colocación de los tensores, separadores y bafles.

3. Entubado.

4. Rolado y/o soldado de tubería.

Es importante la nivelación del espejo fijo, ya que es la base para el armado

del núcleo y siempre nos servirá de guía. Una vez que se ha nivelado, se

procede a la colocación de los tensores que se atornillan en los barrenos

practicados en el espejo para tal fin y, posteriormente se colocan los

separadores y bafles. Una vez realizado lo anterior, se procede a entubar el

núcleo y finalmente colocar el espejo flotante si es necesario ya que si se trata

de un núcleo con tubos en “U”, tan solo necesita el espejo fijo.

El armado final del núcleo se lleva a cabo cuando se le coloca la placa de

choque y posteriormente se realiza el rolado y/o soldado de la tubería a el o

los espejos. Se conoce con el nombre de “rolado de tubería”, a la expansión

que se le proporciona a los extremos de los tubos que están en contacto con el

o los espejos por medio de unos barrenos denominados “palacios”.

Para rolar los tubos, es necesario conocer el diámetro interior del tubo, su

calibre así como el diámetro del palacio. Un procedimiento de cálculo



MGC 45

empírico del rolado pero que da buenos resultados en la práctica, se realiza

utilizando las siguientes fórmulas:

Dr = Di + tol. + X% e

Dr = Di + tol. + 1% Dp

Siendo:

tol. = Dp - Do

e = Do - Di

Dr = Diámetro rolado.

Do = Diámetro exterior.

Dp = Diámetro del palacio.

Di = Diámetro interior del tubo

X = el porcentaje de acuerdo al material de fabricación de los tubos

Acero al carbono = 7 %

Acero inoxidable = 5 %

Admiralty = 8 %

Cupro - níquel = 10 %



MGC 46

La siguiente figura nos indica la secuencia para el armado del núcleo

Espejo Tensores separadores

Fijo bafles

Placa

de

choque Dirección de colocación de las piezas

Tubería

Espejo flotante

Secuencia del Armado del Núcleo ( con espejo flotante)



MGC 47

En caso de que el núcleo solo haya sido programado para limpieza, de acuerdo

a la inspección de campo, se procede a llevar a cabo la limpieza del núcleo de

acuerdo a lo mencionado con respecto al lavado y sopleteado a presión, o en

caso de tener en el taller el proceso de turbuladores, se llevará a cabo

preferentemente con este último proceso.

Una vez realizado ya sea el mantenimiento, reparación y/o reposición de

partes y armado del núcleo, o tan solo el lavado del núcleo se lleva éste a la

planta donde se va a instalar en su debida carcaza.

COLOCACIÓN DEL NÚCLEO EN SU CARCAZA SITUADA EN LAS

PLANTAS DE PROCESO

Antes de introducir el haz en su carcaza, es necesario colocar la junta núcleo-

carcaza, manteniéndola en posición mediante algún compuesto sellante.

El primer paso para colocar el haz en su carcaza es cargarlo con una grúa

mediante una eslinga en el centro de gravedad del núcleo y previa prueba

hidrostática hecha por personal del taller.

La grúa deberá estar en posición tal que pueda girar su pluma para introducir

el haz en la carcaza, hasta que la eslinga esté a punto de tocar la tubería

superior que conecta con el carrete o con la brida frontal de la carcaza según

sea el caso.

Se colocará un soporte que reciba el espejo frontal y que permita a la grúa

soportarlo, se coloca la eslinga a una nueva posición lo más cercano posible al

espejo frontal.

Con la grúa nuevamente cargando al núcleo en su nueva posición, el haz ahora

deberá ser empujado con la defensa posterior de un camión grúa colocando un

madero entre defensa y núcleo, hasta que el espejo toque con la carcaza

apretando la junta. Durante esta maniobra deberá cuidarse de que la junta no

se desprenda de su posición, una sola persona deberá dirigir esta maniobra.

Si el espejo frontal no queda nivelado, hay que proceder a girar el haz dentro

de la carcaza, lo cual se logra colocando en el espejo el riel de extracción que



MGC 48

deberá llevar grilletes en los extremos para que sean usados como brazos de

palanca, la grúa tira a través de un estrobo del extremo necesario según la

dirección de giro. En este paso deberá comprobarse la nivelación del espejo

con un nivel de gota aplicado a alguna ranura de dicho espejo.

En los cambiadores elevados, para la introducción del haz en la carcaza, se usa

un sistema de poleas para jalar la parte posterior del haz, también puede

utilizarse un gato hidráulico.

Una vez colocado el núcleo, se procede a adherir la junta carrete-núcleo del

lado del carrete de distribución y se procede a la colocación del carrete

mediante unos estrobos suficientemente largos para librar la tubería que sale

de la boquilla superior.

Colocación de la tapa posterior.- Esta actividad se lleva a cabo mediante una

grúa y generalmente dos personas que son las que se encargan de la

colocación de la junta y el amarre de bridas llevando un apriete uniforme para

todas las uniones, como se aprecia en la figura siguiente.

11 5 8 1 2 FORMA DIAMETRAL

9 10 DE APRETAR 3 4 LOS ESPÁRRAGOS 7 6 12

PRUEBAS DE HERMETICIDAD

Una vez concluido lo anterior se procede a realizar las pruebas de

hermeticidad correspondientes, para que el inspector determine la recepción

del equipo.



MGC 49

PRUEBA HIDROSTÁTICA

Los componentes de un Cambiador de Calor se unen para formarlo mediante:

1. Soldadura.

2. Bridas con sus empaques y espárragos respectivos.

3. Rolado de tubería.

Por tal motivo, una vez fabricado el equipo, es preciso probar estas unidades

con el objeto de verificar que no existan orificios, poros o grietas por donde

puedan existir fugas de los fluidos de trabajo.

El código ASME VIII, División 1, en su párrafo UG - 99 establece que todo

recipiente cuya fabricación ha sido finalizada, deberá ser sometido a una

prueba hidrostática, con excepción de los siguientes casos, donde se hace

necesaria una prueba neumática:

Los recipientes que desde su diseño hayan sido destinados a prueba

neumática.

Aquellos donde sus apoyos no presentan seguridad para resistirlos llenos de

agua.

Los equipos que ofrezcan problemas para eliminar la humedad que pueda

ser nociva para las condiciones de servicio, sin embargo, las partes que lo

constituyen deben haber sido previamente probados, dentro de lo posible a

la presión requerida.

PRESIÓN MÍNIMA DE PRUEBA (PMP)

La prueba hidrostática se llevará a cabo a una presión mínima de 1.5 veces la

presión máxima permisible de trabajo (PMPT), señalada en el equipo,

multiplicada por el cociente del vapor del esfuerzo permisible a la temperatura

de prueba entre aquel que corresponda a la temperatura de diseño.

La presión máxima permisible de trabajo, es la presión manométrica máxima

permisible en la parte crítica de un recipiente terminado, en posición de

operar.



MGC 50

Esta presión se determina de la manera siguiente:

Calcular la más alta presión permisible de cada elemento del equipo, a partir

de sus espesores nominales sin incluir a la corrosión y haciendo uso de los

esfuerzos permisibles a la temperatura de prueba, proporcionados por la

subsección “C” del Código.

Tomar el valor calculado más pequeño. A este se le llama también “Base para

la presión de prueba calculada” (PB).

PMPT = PB

Cuando no se calcule la “PMPT”, esta puede considerarse igual que la presión

de diseño.

Presión de prueba calculada (Pp).

Si el fabricante y el comprador del equipo están de acuerdo, puede llevarse a

cabo la prueba hidrostática mediante la presión de prueba calculada (PB), la

cual se determina multiplicando la presión máxima permisible de trabajo por

1.5 y reduciendo este valor en una cantidad igual a la presión de columna del

fluido que actúa sobre el elemento considerado para la “PMPT”.

Pp = 1.5 PMPT - H

donde:

H = Altura de la columna líquida.

= Peso específico del fluido.

PRESIÓN MÁXIMA DE PRUEBA

Cualquier presión de prueba mayor a la mínima puede ser empleada, pero

debe tenerse mucho cuidado, ya que la sección VIII DIVISIÓN 1, párrafo UG

- 99 del Código, no especifica un límite superior, sin embargo recurriendo al

uso de una válvula de alivio que funciona a 1 1/3 veces la presión mínima de

prueba.



MGC 51

PRESIÓN HIDROSTÁTICA EN EQUIPOS DE CONSTRUCCIÓN

ESPECIAL

En los equipos que constan de dos ó más comportamientos y están sometidos

a diferentes presiones, como son los cambiadores de calor, la prueba

hidrostática se hará por uno de los métodos siguientes:

1. Los equipos cuyos comportamientos han sido diseñados para operar

independientemente se probarán como recipientes distintos, es decir no se

verán afectados por la presión de compartimiento adyacente.

2. Los equipos diseñados para vacío total o parcial serán sujetos a una prueba

hidrostática interna o cuando no sea posible, a una prueba neumática. La

prueba se llevará a cabo con una presión igual o mayor a 1.5 veces la

diferencia entre la presión atmosférica normal y la mínima presión absoluta

interna de diseño.

APLICACIÓN DE LA PRUEBA HIDROSTÁTICA A LOS

CAMBIADORES DE CALOR

La prueba hidrostática de los Cambiadores de Calor, cae dentro de los

servicios de construcción especial, ya que la carcaza y el canal han sido

diseñados bajo su presión correspondiente. Por lo tanto, se hace una prueba

por el lado canal y otra por la carcaza. La forma de realizar la prueba depende

del tipo de equipo, sobre todo si es con espejos fijos o de haz removible.

La presión debe ser aplicada gradualmente hasta la mitad de la Presión de

Prueba, de ahí en adelante se aplicarán incrementos de aproximadamente la

décima parte de la presión de prueba, dichos incrementos de presión, serán

dados en intervalos de tiempo suficientes para que la nueva presión aplicada

se haga uniforme sobre todas las paredes del equipo. Cuando se alcanza la

Presión de Prueba, ésta se mantiene un tiempo suficiente (30 minutos como

mínimo), para llevar a cabo la inspección de las juntas y conexiones.

La forma de realizar la prueba en los Cambiadores de Calor, depende de su

tipo, pueden considerarse dos tipos, que son:

1. De haz removible. (S, T, P y W).

2. De espejos fijos, donde el cabezal de retorno pueden ser: “L”, “M”, o “N”.



MGC 52

Los Cambiadores del tipo en “U”, pueden ser de haz removible (cuando el

carrete frontal es del tipo “A” o “B”) y de espejo fijo (carrete tipo “C”).

PRUEBA NEUMÁTICA

La prueba neumática puede ser usada en lugar de la prueba hidrostática,

cuando se presenten los siguientes casos:

1. Para Cambiadores en donde sus apoyos no presentan seguridad para

resistirlos llenos de agua.

2. Para equipos que ofrecen problemas para eliminar humedad que puede ser

nociva para las condiciones de servicio, sin embargo las partes

constituyentes deben haber sido previamente probadas dentro de lo posible

a lo requerido.

La presión de prueba neumática debe ser al menos igual a 1.25 veces la

presión de trabajo máxima permisible del recipiente.

La presión en el recipiente deberá ser incrementada gradualmente, pero no

más de la mitad que la presión de prueba. De ahí en adelante, la presión de

prueba será incrementada en etapas aproximadamente de un décimo de la

presión de prueba, hasta que la presión de prueba ha sido alcanzada. Entonces

la presión será reducida a un valor de 4/5 de la presión de prueba y sostenida

un tiempo suficiente para permitir la inspección.

La inspección visual del recipiente a 4/5 de la presión de prueba requerida

puede ser desechada a condición de que:

1. Una prueba de fuga de gas adecuada será aplicada.

2. Sustitución de la prueba de fuga de gas, de acuerdo entre el fabricante y el

inspector del comprador.

3. Todas las costuras ocultas por el ensamble, deberán ser examinadas

visualmente por el trabajador antes del ensamble.

4. El recipiente no debe contener substanciales letales.



MGC 53

CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS D. E. BWG esp. Ai Se Si Peso D. I. I M. S. R C DE/DI Stm

3/4 10 0.134 0.1825 0.1963 0.1262 0.884 0.482 0.0129 0.0344 0.2229 285 1.556 0.260

3/4 12 0.109 0.2223 0.1963 0.1393 0.748 0.532 0.0116 0.0309 0.2229 347 1.410 0.220

3/4 14 0.083 0.2679 0.1963 0.1529 0.592 0.584 0.0098 0.0262 0.2376 418 1.284 0.174

3/4 16 0.065 0.3019 0.1963 0.1625 0.476 0.620 0.0083 0.0221 0.2433 471 1.210 0.140

3/4 18 0.049 0.3339 0.1963 0.1707 0.367 0.652 0.0067 0.0178 0.2484 521 1.150 0.108

7/8 10 0.134 0.2892 0.2291 0.1589 1.061 0.607 0.0221 0.0505 0.2662 451 1.441 0.312

7/8 12 0.109 0.3390 0.2291 0.1720 0.891 0.657 0.0196 0.0449 0.2736 529 1.332 0.262

7/8 14 0.083 0.3948 0.2291 0.1856 0.704 0.709 0.0164 0.0374 0.2815 616 1.234 0.207

7/8 16 0.065 0.4359 0.2291 0.1950 0.561 0.745 0.0137 0.0312 0.2873 680 1.174 0.155

7/8 18 0.049 0.4742 0.2291 0.2034 0.432 0.777 0.0109 0.0249 0.2925 740 1.126 0.127

1 8 0.165 0.3526 0.2618 0.1754 1.462 0.670 0.0392 0.0784 0.3009 550 1.493 0.430

1 10 0.134 0.4208 0.2618 0.1916 1.237 0.732 0.0350 0.0700 0.3098 656 1.366 0.364

1 12 0.109 0.4803 0.2618 0.2047 1.037 0.782 0.0307 0.0615 0.3174 749 1.279 0.305

1 14 0.083 0.5463 0.2618 0.2183 0.813 0.834 0.0253 0.0507 0.3255 852 1.199 0.239

1 16 0.065 0.5945 0.2618 0.2278 0.649 0.870 0.0210 0.0419 0.3314 927 1.149 0.191

1 1/4 8 0.165 0.6648 0.3272 0.2409 1.921 0.920 0.0847 0.1355 0.3880 1037 1.359 0.565

1 1/4 10 0.134 0.7574 0.3272 0.2571 1.598 0.982 0.0741 0.1186 0.3974 1182 1.273 0.470

1 1/4 12 0.109 0.8375 0.3272 0.2702 1.329 1.032 0.0642 0.1027 0.4052 1305 1.211 0.391

1 1/4 14 0.083 0.9229 0.3272 0.2838 1.033 1.084 0.0521 0.0833 0.4136 1440 1.153 0.304

1 1/4 16 0.065 0.9852 0.3272 0.2932 0.823 1.120 0.0426 0.0682 0.4196 1537 1.116 0.242

1 1/2 10 0.134 1.1920 0.3927 0.3225 1.995 1.232 0.1354 0.1806 0.4853 1860 1.218 0.575

1 1/2 12 0.109 1.2910 0.3927 0.3356 1.618 1.282 0.1159 0.1546 0.4933 2014 1.170 0.476

1 1/2 14 0.083 1.398 0.3927 0.3492 1.258 1.334 0.0931 0.1241 0.5018 2181 1.124 0.370

1 1/2 16 0.065 1.474 0.3927 0.3587 0.996 1.370 0.0756 0.1008 0.5079 2299 1.095 0.293

2 11 0.120 2.433 0.5236 0.4608 2.410 1.760 0.3144 0.3144 0.6660 3795 1.136 0.709

2 13 0.095 2.573 0.5236 0.4739 1.934 1.810 0.2586 0.2586 0.6744 4014 1.105 0.569

En donde:

Literales Significado Unidades D. E. Diámetro exterior del tubo. in

BWG Calibre

esp Espesor de pared del tubo in

Ai Área interna in2

Se Superficie externa por pié de longitud pie2

Si Superficie interna por pié de longitud pie2

peso peso por pié de longitud (acero al carbono) lbs

D. I. Diámetro interior in

I Momento de Inercia in4

M. S. Módulo de Sección in

R Radio de giro in

DE/DI Relación de diámetros

Stm Área transversal in2

Tabla No. 1



MGC 54

DIÁMETROS Y CALIBRES DE TUBERÍA LISA ESTÁNDAR

D. E.

in

Cobre y Aleaciones de

Cobre

Acero al Carbono

Aluminio y Aleaciones

de Aluminio

Otras

Aleaciones

BWG

Mínimo

Espesor

in

BWG

Mínimo

Espesor

in

BWG

Mínimo

Espesor

in

3/4

18

16

14

0.049

0.065

0.083

16

14

12

0.065

0.083

0.109

18

16

14

0.049

0.065

0.083

1

16

14

12

0.065

0.083

0.109

14

12

10

0.083

0.109

0.134

18

16

14

12

0.049

0.065

0.083

0.109

1 1/4

14

12

10

0.083

0.109

0.134

14

12

10

0.083

0.109

0.134

16

14

12

10

0.065

0.083

0.109

0.134

1 1/2 14

12

0.083

0.109

12

10

0.109

0.134

14

12

0.083

0.109

2 14

12

0.083

0.109

12

10

0.109

0.134

14

12

0.083

0.109

Notas:

1. Los diámetros y calibres remarcados son los recomendados.

2. Se puede utilizar un BWG promedio en lugar del mínimo recomendado.

3. Las características de la tubería se muestra en la Tabla No. 1.

Tabla No. 2

Diámetro interno nominal de la envolvente en

pulgadas

Tolerancia

(Ds - Db) en pulgadas

08 - 13

14 - 17

18 - 23

24 - 39

40 - 54

55 y >

0.100

0.125

0.150

0.175

0.225

0.300

Tabla No. 3

Tolerancia entre el diámetro de la envolvente (Ds) y el diámetro del bafle (Db)



MGC 55

Diámetro

interno nominal

Distancia entre placas segmentadas y

Espesores de placas (pulgadas)

(pulgadas) 12 y < 13 - 18 19 - 24 25 - 30 31 - >

08 - 14

15 - 28

29 - 38

39 - >

1/8

3/16

1/4

1/4

3/16

1/4

5/16

3/8

1/4

3/8

3/8

1/2

3/8

3/8

1/2

5/8

3/8

1/2

5/8

5/8

Tabla No. 4

Espesores de Mamparas.

Longitud máxima sin soportar (pulgadas)

Material de tubos y límites de temperatura en ºF

Diámetro

externo

del tubo

(pulgadas)

Acero al carbono y aleaciones (750)

Aleaciones bajas (850)

Níquel Cobre (600)

Níquel (850)

Ni. - Cr. - Fe (1000)

Aluminio y aleaciones de aluminio.

Cobre y aleaciones de cobre.

a temperaturas máximas

permitidas

por él.

3/4

1

1 1/4

1 1/2

2

60

74

88

100

125

52

64

76

87

110

Tabla No. 5

Máxima separación entre mamparas.



MGC 56

Figura No. 2.1

Serpentín de Calentamiento.



MGC 57

Entrada Vapor Pared del tanque

( Crudo )

Salida

Vapor Succión.

Figura No. 2.2

Calentador de Succión

Entrada

Vapor

Pared del Tanque ( Crudo )

Salida

Vapor

Figura No. 2.3

Calentador de tanque



MGC 58

Salida de la Prensa estopa Envolvente

Entrada al tubo

Interior

Salida

del tubo

Interior

Cabezal

de Retorno

Entrada a la

Envolvente

Figura No. 2.4

Cambiador de Calor del Tipo Doble Tubo

(Horquillas)

Figura No. 2.5

Aleta Transversal

Figura No. 2.6

Aleta Longitudinal Externa

Figura No. 2.7

Aleta Longitudinal Interna



MGC 59

Vapor Vapor

Agua

Vapor Vapor

Figura No. 2.9

Cambiador de Calor del Tipo Bayoneta

Soloaire Tiro Inducido

Figura No. 2.10

Aire hacia

el Ventilador

Soloaire Tiro Forzado

Figura No. 2.11

Aire hacia

el Equipo



MGC 60

Figura No. 3.1

Vapor

Nivel

Condensado

Figura No. 3.2



MGC 61

Ey

C. E

S’ S

4 2

3 1

E’ E

C

E’ - E: Entradas del Fluido Refrigerante.

S’ - S: Salidas del Flujo Refrigerante.

C. E.: Condensadores Estacionarios.

Ey: Eyector.

C: Condensado.

A: A la Atmósfera.

Condensador de Eyector

Figura No. 3.4



MGC 62

Arreglos de Tubos en los Cambiadores de Calor

Triangular Triangular Cuadrado Cuadrado

Rotado a 30º Rotado a 45º

Figura No. 4.3

Tubo Rolado al Espejo Tubo Soldado al Espejo

Figura No. 4.4 Figura No. 4.5

Unión de Espejos Dobles.

Figura No. 4.6



MGC 63

Cinturón de Vapor.

Figura No. 4.7

Cinturón de Vapor

Ayuda a distribuir uniformemente el Vapor a la entrada del Haz de Tubos

y ayuda a Reducir la Erosión de los Tubos

Junta de Expansión.

Figura No. 4.8

Junta de Expansión en la Envolvente.

Se deben colocar en Unidades con Espejos Integrados al Cuerpo

y cuando se tengan Diferenciales de Temperatura Altos.

manual de cambiadores de calor

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