intercambiadores de calor

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCION DE ESTUDIOS DE PROGRADO E INVESTIGACIÓN

FABRICACIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL
DE UN INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA

TÉSIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON
ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA

PRESENTA:
ING. RAFAEL FLORES GONZÁLEZ

DIRECTOR:
DRA. RITA AGUILAR OSORIO

MEXICO, D.F. 2007ÍNDICE
AGRADECIMIENTOS
RESUMEN
ABSTRAC
NOMENGLATURA
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS

iv
v
vi
vii
xiv
xvii

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1 Introducción
1.2 Objetivos

1
4

CAPÍTULO 2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
DE TUBO Y CORAZA
Introducción
5
Normas, códigos y manuales
5
Diseño, Materiales y fabricación
13
Métodos Analíticos para determinar el Coeficientede Transferencia de Calor y la
Caída de presión de un intercambiador de calor de tubo y coraza
17
Trabajos experimentales del comportamiento térmico y de la caída de presión de un
intercambiador de calor de tubo y coraza
25

CAPÍTULO 3
3.1
3.2
3.3

SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL INTERCAMBIADOR DE
CALOR DE TUBO Y CORAZA
Introducción
39
Componentes del intercambiador de calor
39
Análisis yselección de los componentes del intercambiador de calor
40
3.3.1 Coraza
40
3.3.2 Arreglo de tubos
42
3.3.3 Mamparas
45
3.3.4 Barras de soporte y espaciadoras
49
3.3.5 Espejos
49
3.3.6 Cabezales
51
3.3.7 Tapas
53
3.3.8 Bridas
54
3.3.9 Boquillas
55

CAPÍTULO 4

FABRICACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y
CORAZA
4.1 Introducción
57
4.2 Criterio para la selección de los materiales de los componentesdel intercambiador
de calor
57
4.3 Selección de los materiales de los componentes del intercambiador de calor
58
4.3.1 Coraza
58
4.3.2 Arreglo de tubos
60
4.3.3 Mamparas
62
i

4.3.4 Barras de soporte y espaciadoras
4.3.5 Espejos
4.3.6 Cabezales
4.3.7 Canal
4.3.8 Tapas
4.3.9 Bridas
4.3.10 Boquillas
4.4 Diseño mecánico del intercambiador de calor de tubo y coraza
4.4.1 Condiciones iniciales para eldiseño mecánico
4.4.2 Coraza
4.4.3 Arreglo de tubos
4.4.4 Mamparas
4.4.5 Barras de soporte y espaciadoras
4.4.6 Espejos
4.4.7 Cabezales
4.4.8 Canal
4.4.9 Tapas
4.4.10 Bridas
4.4.11 Boquillas
4.4.12 Placa de choque
4.4.13 Accesorios
4.5 Procedimiento de fabricación del intercambiador de calor
4.5.1 Maquinas herramientas utilizadas para la fabricación
4.5.2 Maquinado y barrenado de la coraza
4.5.3Maquinado y barrenado de las mamparas y espejos
4.5.4 Maquinado y barrenado de la placa de choque
4.5.5 Maquinado y barrenado de los cabezales
4.6 Ensamble del intercambiador de calor
4.6.1 Ensamble de la coraza, mamparas y tubos
4.6.2 Ensamble de los cabezales
4.6.3 Ensamble del equipo completo
CAPÍTULO 5

5.1
5.2

5.3

5.4
5.5

63
64
65
65
66
67
68
69
69
69
70
72
78
78
79
79
80
82
83
85
85
8989
93
96
101
102
104
104
107
108

VALIDACIÓN
EXPERIMENTAL
DEL
COMPORTAMIENTO
TÉRMICO Y DE LA CAÍDA DE PRESIÓN DEL INTERCAMBIADOR
DE CALOR
Introducción
109
Trabajo experimental
109
5.2.1 Descripción del equipo
109
5.2.2 Descripción del intercambiador de calor de tubo y coraza
113
Instrumentación
114
5.3.1 Flujo
114
5.3.2 Temperatura
114
5.3.3 Presión
115
Condiciones para el trabajo experimental
116Procedimiento experimental
116
5.5.1 Mediciones
116
5.5.2 Procedimiento de arranque
117
ii

5.6

5.7

5.8

Cálculo de la caída de presión
5.6.1 Caída de presión en la coraza
5.6.2 Caída de presión en los tubos
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor
5.7.1 Coraza
5.7.2 Tubos
Cálculos experimentales del intercambiador de calor
5.8.1 Transferencia de calor
5.8.2 Coeficiente de transferenciade calor de la coraza

118
118
136
136
136
136
138
138
138

CAPÍTULO 6 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
6.1 Consideraciones para el análisis
141
6.1.1 Resultados de la selección de componentes del intercambiador de calor 141
6.1.2 Resultados de la selección del material de los componentes del intercambiador
de calor
142
6.1.3 Resultados del diseño mecánico del intercambiador de calor
142
6.2...