La placa tubular es un componente fundamental de un intercambiador de calor. Es la barrera principal entre los fluidos y presiones del lado tubular y del lado carcasa. Un diseño adecuado de una placa tubular es necesario para garantizar la seguridad y fiabilidad del intercambiador de calor. Las placas tubulares son circulares con un patrón de orificios uniformemente distribuidos en la mayor parte de los casos. El coste de taladrado y escariado de los orificios para los tubos, así como el coste total de la placa tubular de una determinada dimensión, tendrá una relación directa con el coste del intercambiador de calor.
Las placas tubulares se pueden unir a la carcasa y los cabezales mediante soldadura (integrales) o con pernos (juntas selladas) o con una combinación de las mismas en seis tipos posibles:
1. Tanto el lado carcasa como el lado tubular son integrales con la placa tubular (figura a). 2. Placa tubular integral con la carcasa y con junta en el lado tubular, extendida como una brida (figura b).
3. Integral con la carcasa y con junta en el lado tubular (figura c). 4. Con junta tanto en el lado carcasa como en el lado tubular (figura d).
5. Placa tubular con junta en el lado de la carcasa e integral con el canal, extendida como una brida (figura e).
6. Con junta en el lado carcasa e integral en el lado tubular (figura f).
Figura 92: Tipos de unión entre la carcasa, la placa tubular y el cabezal
Los tubos se unen a la placa tubular mediante diversos métodos, siendo los más comunes la expansión, la soldadura y la soldadura fuerte. La expansión de los tubos en la placa es el método de unión más utilizado y es adecuado para un gran número de servicios, con o sin ranuras (grooves), las cuales favorecen la unión. Sin embargo, en determinadas situaciones
146 en las que las tensiones son muy elevadas, o si las presiones son tales que podrían producirse fugas significativas, o cuando no esté permitida la contaminación entre fluidos, los tubos se deben soldar a la placa tubular.
Figura 93: Tipos de unión tubo-placa tubular
Siendo una estructura de tipo placa, ésta resiste la presión lateral por flexión, mientras que las “cargas de membrana”, es decir, las fuerzas que actúan en el plano de la placa, son despreciables. Por tanto, la placa tubular es un elemento estructural que geométricamente se puede aproximar por una superficie bidimensional y que trabaja predominantemente a flexión. Los factores que determinan el espesor de la placa tubular son los siguientes:
1. Distancia entre centros de tubos adyacentes (pitch) y patrón de disposición.
2. La manera en que la deformación de la placa tubular está influenciada por el soporte proporcionado por el haz tubular a las placas tubulares. Para las mismas condiciones de proceso y el mismo diámetro de la placa tubular, el espesor de la misma disminuye en el orden de los siguientes tipos de intercambiadores:
a. Tubos en “U” b. Cabezal flotante. c. Placas fijas
3. Temperaturas medias de metal de la placa tubular, tubos y carcasa. 4. Número de tubos y sus dimensiones.
5. Método de unión de los tubos a las placas tubulares.
6. Método de unión de las placas tubulares a la carcasa y cabezales. 7. Espesor de carcasa y cabezales.
La placa tubular se calcula según ASME VIII div.1, Parte UHX. Los cálculos son complejos y en la actualidad no es habitual realizarlos manualmente. Todos los requerimientos de los códigos para el cálculo de la placa tubular están integrados en el programa Aspen Exchanger Design and Rating, por lo que esta herramienta proporcionará las dimensiones y características de la placa tubular de la manera más optimizada posible. A continuación se destacan algunas características de la placa tubular según su tipo de unión a la carcasa y cabezal. Como se indicó en el apartado anterior, las placas tubulares tanto del intercambiador
147 de sales fundidas como de aceite térmico son integrales con la carcasa y el cabezal, debido a las condiciones de diseño.
Placa tubular integral
Se puede reducir el espesor de la placa tubular.
Se reduce la posibilidad de fugas.
Tiene en cuenta la rigidez que ofrece la carcasa, por lo tanto, hay que dejar la distancia de carcasa, con espesor homogéneo y libre de discontinuidades indicada:
𝐿𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 = 1.8√𝐷𝑠𝑡𝑠
Puede tener una porción extendida que actúe como brida según ASME VIII div.1 UHX- 9.5.
En la práctica, pocas ingenierías cumplen con esta indicación de ASME VIII div.1 UHX. Generalmente, no se podría cumplir con los requisitos de diseño térmico. Para solucionarlo, se debería cambiar de tipo de unión de placa tubular a carcasa o realizar un estudio FEM (método de los elementos finitos).
Placa tubular simplemente apoyada
Figura 95: Placa tubular con junta en ambos lados Figura 94: Placa tubular integral
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Permite la extracción del haz tubular para su mantenimiento.
No tiene en cuenta la rigidez de la carcasa, por lo que se puede colocar elementos cerca de ella sin tener en cuenta la distancia mínima libre de discontinuidades.
Puede tener una porción extendida que actúe como brida para evitar el uso de un anillo de prueba (ASME VIII div.1 UHX-9.5).
En algunos casos se puede reducir el espesor de placa tubular reduciendo la longitud sin soportar equivalente en los tubos. De la misma forma, hay que estudiar el caso de pandeo de tubos.
Casos especiales
Cuando no se cumplen las indicaciones de UHX, se debe realizar otro tipo de estudio para determinar el espesor de la placa tubular según ASME VIII div. 2.
No se debe usar los cálculos de UHX en los siguientes casos: o Placas no circulares.
o Espesores no uniformes (excepto porción extendida). o Placas no uniformemente perforadas.
o Presiones no uniformes. o Casos especiales.