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AREA DE CONOCIMIENTO:OPERACIONES UNITARIAS I

TEMA 4: INTERCAMBIADORES DE CALORTEMA 4: INTERCAMBIADORES DE CALOR

Prof. : Ing. Frank M, Botero M.Prof. : Ing. Frank M, Botero M.

UNEFMIngenieríaIngenieríaAREA DEAREA DE CONOCIMIENTO:CONOCIMIENTO: OPERACIONES UNITARIAS IOPERACIONES UNITARIAS I

TEMA Nº 4: INTERCAMBIADORES DE CALOR 1PUNTO FIJO, MARZO DE 2011

UNEFMIngenieríaIngeniería

TRANSFERENCIA DE CALOR.TRANSFERENCIA DE CALOR.

DIFERENCIA DE TEMPERATURA

Sistema

(1)

Sistema

(2)Calor

21 TT

TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor es aquella ciencia que busca predecir la transferencia de

energía que puede ocurrir entre cuerposenergía que puede ocurrir entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia

de temperatura.


TEMA Nº 4: INTERCAMBIADORES DE CALOR 2

C d ió t f i d

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.CALOR.

Mecanismos de transmisión de calor

Conducción: transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin p ,intercambio, mezcla o flujo de cualquier material.

Convección natural: elConvección: transferencia de energía por acción combinada de conducción de calor,

Convección natural: el movimiento se da por la diferencia de densidades que acarrea una diferencia conducción de calor,

almacenamiento de energía y movimiento de materia.

de temperatura.

Convección forzada:cuando el movimiento esRadiación: transferencia de energía

mediada por ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos

cuando el movimiento es inducido externamente.



absorbidas por los cuerpos fríos.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.CALOR.



TRANSFERENCIA DE CALOR POR TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN.CONDUCCIÓN.

Ley de Fourier:Conductividad térmica (W m-1 grado -1):(Estado estacionario) Conductividad térmica (W·m 1·grado 1): calor que atraviesa en la dirección x un espesor de 1 m del material como consecuencia de una diferencia de 1

( )

xQ

d

grado entre los extremos opuestos

Gradiente de temperatura V l id d d fl j

X

dxdTk

Aq

p

(K/m): variación de la temperatura en la dirección indicada por x.

Velocidad de flujo de calor Watts

Superficie (m2): superficie a través de la cual tiene lugar la t i ió d l



transmisión de calor


To

rlA 2dxdTk

Aq

Recordemos:PARED CILINDRICA SIMPLE.

To

rdTrlkqr 2

Entonces:

drrlkqr 2

Integrando se obtiene:

ri

ro Integrando se obtiene:

)T - (T L K 2=Q oi

Ti

i = interioro = exteriorr radio

rr

lnQ

i

o



r = radio


BA qqq

TTTTT

PARED CILINDRICA COMPUESTA.

BA RTT

RTT

rTq 3221

T3Ka

Kb

ba RRRt rrLn

Rt i

0Ra

RbT0

Q T3

Q

T1 T2

ba

kLRt

2TTq

31

bA Lkr

rLn

Lkr

rLnq

22

2

31

2



bA kk

TRANSFERENCIA DE CALOR POR TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN.CONVECCIÓN.

Coeficiente individual de transferencia de calor.

Coeficiente deTrans. Calor.

Densidad de flujo de calor

)( TwTqh

Temperatura del fluido Temperatura de la paredt t l fl iden contacto con el fluido.




Coeficiente individual de transferencia de calor.

Valores típicos del coeficiente de convección o transferencia de calor

h (Wm-2K-1) Convección libre en aire 5-25

Valores típicos del coeficiente de convección o transferencia de calor

Convección libre en aire 5 25Convección libre en agua 500-1000 Convección forzada en aire 10-500 C ió f d 100 15000Convección forzada en agua 100-15000Agua hirviendo 2500-25000 Vapor condensando 5000-100000


TEMA Nº 4: INTERCAMBIADORES DE CALOR 9UNEFMIngenieríaIngenieríaAREA DE CONOCIMIENTO:AREA DE CONOCIMIENTO: FENÓMENOS DE FENÓMENOS DE

TRANSPORTETRANSPORTETEMA Nº 4: TRANSFERENCIA DE CALOR


Ley de enfriamiento de Newton.

ThATThAQ )(

Coeficiente deconvección

Superficie deintercambio

ThATThAQ )(

Temperatura superficial Temperatura del fluido libreTemperatura superficial Temperatura del fluido libre

T

T superficial

T fluido libreCapa límite T



APLICACIÓN DE MECANISMOS APLICACIÓN DE MECANISMOS COMBINADOS.COMBINADOS.

Coeficientes globales de transferencia de calor (U):

TUAq TUAq

TTDel ejemplo anterior:

00

41

11AhkA

xAh

TTq

ii

,

00ii

0 11

Au

En función del área externa

0

0 1hkA

xAh

Aii

O

En función del área externa



EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

Se clasifican de acuerdo:

S t ió fi ióSu construcción o configuración

Intercambiadores tipo tubo y carcasa.

Enfriador de aireEnfriador de aire.

Intercambiadores de doble tubo.



EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

Tipo de ser icio

Se clasifican de acuerdo:

Tipo de servicio.

Refrigerador.Refrigerador.

Condensador.

Enfriador.

Calentador.



Intercambiadores de tubo y carcasa Intercambiadores de tubo y carcasa clasificación.clasificación.

Según nomenclatura TEMA.

TEMA clase R para petróleo y aplicaciones relacionadas.TEMA clase C para aplicaciones de propósitos generalesTEMA clase C para aplicaciones de propósitos generales.TEMA clase B servicios químicos.

LIMITACIONES:

Diámetro int. carcasa ≤ 60 pulg.

Presión . carcasa ≤ 3000 psig.LIMITACIONES: Presión . carcasa ≤ 3000 psig.

Producto D int carcasa * Presión ≤ 60000 pulg¨x Psig.




Según su construcción mecánica:

Cabezal Fijo BEM





Tubo en U CFU





Cabezal flotante AES



Intercambiadores de tubo y carcasa.Intercambiadores de tubo y carcasa.

Anillo deBoquilla del canale y Anillo deizamiento

Boquilla del canal

Canalte o flo

tant

e

e ve

nteo

zam

ient

o

l cab

ezal

flot

ante

l ext

rem

o de

lade

car

caza

Car

caza

Def

lect

ores

trans

vers

ales Boquilla

de la carcaza

Barr

as ti

rant

es y

espa

ciad

oras

Deflectorede ch

Divisor depases

Cab

ezal

flot

ant

Plac

a de

tubo

Con

exió

n de

Anill

o de

iz

Brid

a de

Brid

a de

cubi

erta

C oreschoque

Cubierta delcanal

Placa detubo fijaBoquillas

del canalCanal dela carcaza

Silla desoporte

Silla desoporte

Conexión deinstrumento

Boquilla dela carcaza

Conexión dedrenaje

Cubierta dela carcaza



la carcaza

Elementos de un intercambiador de calor.Elementos de un intercambiador de calor.

Diámetro

áLos más usados ¾’’ y 1’’

Tubos LongitudPueden ser 12’’,16’’,20’’,24’’

Tipos




Tipos de arreglo

Tubos




Espaciado de tubos

ARREGLO De del tubo: Pt: pulg

Tubospulg

Triangular ¾1

15/161 ¼

Cuadrangular1¾1

1 ¼1

1 ¼




Espaciado de tubos. Segmentada.

Deflectores




Espaciado de tubos. Corona

Deflectores




Espaciado de tubos. Disco

Deflectores




CEspesor de 3/8´´ para 12´´‹D‹ 24´´

CarcasaEspesor de 3/8 para 12 D 24

Selección del fluido por tubo/carcasa.Selección del fluido por tubo/carcasa.Preferiblemente por los tubos:

Fluidos corrosivos o propensos a depósitos.

Agua de enfriamiento, fluidos sucios.g ,Fluidos a la presión más elevada.Fluidos más caliente.Fluido tóxico.



Fluido tóxico.

ECUACIONES BÁSICAS PARA EL INTERCAMBIADOR ECUACIONES BÁSICAS PARA EL INTERCAMBIADOR DE CALOR.DE CALOR.

CONDUCCIÓN

rrln

)T - (T L K 2 = Q

1

2

S2S1

CONVECCIÓN

r1

CONVECCIÓN

siii TTAhq 0200 TTAhq S

EL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

i RfrrLnRf 111 01

2



ooiii AhAKLAAhUA 2 0

DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA.DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA.

Ti

T∆t ∆t´ T0

t0

ti

0

TLn

TTLMTDi

i

0T

Ln i



DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA.DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA.

T

∆t

∆t´

Ti

ti

TT0

t0

0TTLMTD i

0TTLn i

0

TTLMTDTT i

0TTLMTD i



DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA.LOGARITMICA.

LmTUAq

∆T1

T´1

T´2

2

12

TLn

TTT Lm∆T2

T1

T2

1

2

TLn2



DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA EFECTIVA.DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA EFECTIVA.

Fluido por la carcaza

TFluido por los tubos

S lid Ti Entradat o Salida

t*

Entrada

Fluido por los tubosFluido por la

carcaza

To Salidat i

e.cocorrient Flujo 1iente.contracorr Flujo 1

FTFT

efectivamediatempDif

MTDMTDFTLMTD

alogaritmic media tempDifefectivamedia tempDif

LMTDMTDFT



DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA EFECTIVA.DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA EFECTIVA.



PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO DE INTERCAMBIADORES.PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO DE INTERCAMBIADORES.

Inicio

1 Cálculo de la cantidad de calor intercambiado (Q) a partir de las consideraciones de proceso.

2. Cálculo de la diferencia de temperaturamedia efectiva.

3.Asunción del coeficiente global detransferencia de calor Uo, la tabla de Uo quemuestra valores típicos para cada fluido.

4.Cálculo del área de transferecia basada en el coeficiente global de transferencia de calor Uo supuesto.

5.Determine las dimensiones físicas delintercambiador, a partir del áreacalculada.

Volver



M

M

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO DE INTERCAMBIADORES.PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO DE INTERCAMBIADORES.

Volver

6.Cálculo de la caída de presión a través del intercambiador ymodificación del diseño interno (si se requiere), para obtener unbalance razonable entre el tamaño del intercambiador y la caída depresión

7.Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor Uo a partir delas propiedades físicas de los fluidos, factores de ensuciamiento yarreglo del intercambiador.

8.Cálculo del área de transferencia basada en Uo calculado y la diferencia de temperatura media efectiva.

No

9.Comparación del área de transferencia calculada en el punto 8 con la calculada en el punto 4

AT (9)= AT(4)

Si



Fin

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