Intercambiadores (2014-1)
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Intercambiadores de Calor Eliana Jara Morante Mayo 14 de 2014 18 - 22 horas
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Intercambiadores de Calor
Eliana Jara Morante
Mayo 14 de 2014 18 - 22 horas
Contenido
Equipos de transferencia de calor Intercambiadores de calor Tubulares Flujo a contracorriente Flujo a co-corriente
Tubo y coraza Análisis de intercambiadores de calor
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Intercambiador de calor Equipos empleados en la industria para calentar o
enfriar Se pueden clasificar en:
Intercambiadores de no-contacto Intercambiadores de contacto
3
Intercambiadores de calor
4
Intercambiadores de calor de placas
5
Medio
Productos
Milk in
1. Calentamiento 2. Regeneración 3. Enfriamiento 4. Enfriamiento
1 2 3 4
Intercambiadores de calor de placas
Ventajas. Mantenimiento es simple y
puede desmantelarse rápida y fácilmente para inspección
Tiene un diseño sanitario adecuado para alimentos
Se puede aumentar fácilmente la capacidad agregando más platos al conjunto
Se puede calentar o enfriar los productos hasta de 1°C de diferencia entre fluidos y con mejor inversión 6
Construidas de placas finas con canales por donde circula el fluido
Usados para la transferencia de calor en sistema con corrientes gas-líquido y con presencia de dos fases
Intercambiador de calor tubular Son de doble tubo. Un tubo localizado dentro de otro
alineados concéntricamente. Adecuado para áreas de transferencia pequeña (50 m2) Se recomienda cuando se opera a alta presión Las corriente de fluidos pasan uno por el tubo interno y
el otro por el espacio anular y pueden ser: Corriente paralela Contracorriente
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Caso especial Existen casos especiales en los
cuales un tercer tubo se ensambla
El producto fluye en el espacio anular interno y el fluido de calentamiento por el tubo interno y el espacio anular externo
Intercambiador de calor tubular Se usan en la industria de procesos: Aire acondicionado Refrigeración y criogenia Recuperación de calor Generadores eléctricos Condensadores de vapor Torres de enfriamiento Cristalización Lechos fluidizados
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Jugo de naranja: Se requiere calentar de 93°C a 4°C y luego re-enfriar a 4°C
Queso cottage: Enfriar con agua de 46 a 18°C
Helados: enfriar con amonia de 12 a 0.5°C
Intercambiador de calor tubular
9 Fluido A in
Fluido A in
Fluido A out
Fluido A out
Fluido B out
Fluido B out Fluido B in
Fluido B in
• Contracorriente
• Co-corriente
dq
Intercambiador de calor de flujo paralelo
10
x
y
Ch
Cc
Th Th+dTh
Tc
dA
Tc+dTc
dx
ΔT1 ΔT2
dTh
dTc
ΔT dq
ThCh
TcCc
Th,outc
Tc,out
Th,in
Tc,in
Intercambiador de calor de flujo paralelo Consideraciones de balance: El intercambiador de calor está aislado de sus
alrededores: el intercambio ocurre solo entre los fluidos La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante Los cambios de energía potencial y cinética son
despreciables Los calores específicos del fluido se puede considerar
constantes El coeficiente global de transferencia de calor es constante
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Intercambiador de calor de flujo paralelo
El calor transferido está dado por:
Considere que:
12
dq
Intercambiador de calor de flujo contracorriente
13
x
y
Ch
Cc
Th Th+dTh
Tc
dA
Tc+dTc
dx
ΔT1
ΔT2
dTh
dTc
ΔT dq
ThCh
TcCc
Th,out
Tc,in
Th,in
Tc,out
dq
Intercambiador de calor de flujo contracorriente
El calor transferido
Considerar que:
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Intercambiador de calor tubulares
Casos especiales
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T
x
Ch∞
Cc∞ ΔT1=ΔT2
Ch>>Cc o vapor que se condensa
Líquido que se evapora o Ch<<Cc
Intercambiador de calor en contracorriente con capacitancias de flujo constante Ch=Cc
Ch= Cc
Intercambiador de calor tubular
Tubo y coraza
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Coraza
Coraza
Tubo Tubo
Un paso en la coraza y 2 pasos en tubo Dos pasos en la coraza y 4 pasos en tubo
Problema 1 Un intercambiador de calor de tubos concéntricos en
contracorriente se usa para enfriar el aceite lubricante de un motor de gas industrial. El flujo de agua de enfriamiento a través del tubo interno (Di= 25 mm) es 0.2 kg/s, mientras que el flujo de aceite a través del anillo externo (Do= 45 mm) es 0.1 kg/s. El aceite y el agua entran a temperaturas de 100 y 30°C respectivamente.
¿Qué longitud debe tener el tubo si la temperatura de salida del aceite debe ser 60°C?
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Problema 1
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dq Aceite Th
Th+dTh
Tc
dA
Tc+dTc Agua
Do/2
Di/2
• maceite= 0.1 kg/s • magua= 0.2 kg/s • Th= 100°C
Di/D0 Nui Niv
0 -- 3.66 0.05 17.46 4.06 0.10 11.56 4.11 0.25 7.37 4.23 0.50 5.74 4.43 1.00 4.86 4.86
Problema 1
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Tabla : Número de Nusselt para flujo laminar completamente desarrollado en un anillo de tubos circulares con una superficie aislada y la otra a temperatura constante
0.556
Problema 2 Vapor con 90% de calidad a una presión de 143.27 kPa, condensa
en el espacio anular de un intercambiador de 5 m de longitud de doble tubo. El alimento líquido fluye a razón de 0.5 kg/s en el interior del tubo interno. El tubo interno tiene un diámetro de 5 cm. El calor específico del alimento líquido es de 3.9 kJ/kg-°C. La temperatura de entrada del alimento líquido es 40°C y a la salida tiene una temperatura de 80°C.
Calcule el coeficiente global de transferencia de calor Si la resistencia a la conducción de calor causado por el tubo
interno de acero es despreciable y el coeficiente convectivo en el lado del vapor es grande ( infinito), estime el coeficiente convectivo para el alimento líquido en el tubo interno del intercambiador de calor.
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Problema 2
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dq Vapor Th
Th+dTh
Tc
dA
Tc+dTc Alimento
Do/2
Di/2
• mvapor= 0.1 kg/s • malimento= 0.5 kg/s • Th,in= 110°C • Tc,in= 40°C • Tc,out= 80°C
• Di= 5 cm • L= 5 m
• Cpalimento= 3.9 kJ/kg-C • Cpagua= 4.18 kJ/kg-°C
Problema 3 Un alimento líquido (Cp= 4.0 kJ/kg-°C) fluye en la tubería interna de
un intercambiador de calor tubular. El alimento líquido entra al intercambiador de calor a 20°C y sale a 60°C. El alimento fluye a 0.5 kg/s. En la sección anular, circula agua caliente a 90°C que entra a contracorriente a un flujo de 1 kg/s. El calor específico promedio del agua es 4.18 kJ/kg-°C. Asuma condiciones de estado estacionario.
Calcule la temperatura de salida de agua La diferencia media logarítmica Si el coeficiente de transferencia de calor global es 2000 W/m2-°C y
el diámetro de la tubería interna es 5 cm. Calcular la longitud del intercambiador de calor
Repita los cálculos de la configuración en paralelo
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Problema 4
Determine el coeficiente de transferencia global a 30 cm de la entrada de un intercambiador de calor donde el aceite de motor fluye a través de los tubos con un diámetro de 0.5 pulg. El aceite fluye con una velocidad de 0.5 m/s y la temperatura del fluido es de 30°C mientras que le temperatura local en la pared del tubo es de 60°C.
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Intercambiador de calor de tubo y coraza
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Intercambiador de calor de tubos y coraza con un paso por la coraza y un paso por los tubos (modo de operación a contracorriente)
Intercambiador de calor de tubo y coraza
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Intercambiador de calor de tubos y coraza con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos
Intercambiador de calor de tubos y coraza con dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos
Intercambiador de calor compactos
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Cubiertas de intercambiador de calor compactos. (a) Tubos planos con aletas de placa continua. (b) Tubo circulares con aletas de placa continua. (c) Tubos circulares con aletas circulares. (d) Aletas de placa un solo paso. (e) aletas de placa multipaso
Métodos para calcular la efectividad térmica
Cuatro métodos El método ε-
NTU P-NTU LMTD Ψ-Р
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Análisis del intercambiador de calor: Relación de capacidades caloríficas
La capacitancia de un fluido se define por el producto de la capacidad calorífica con la masa: 𝐶ℎ = �̇�ℎ𝐶𝐶ℎ 𝐶𝑐 = �̇�𝑐𝐶𝐶𝑐
La relación de ambas capacitancias:
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Análisis del intercambiador de calor: Método de eficiencia NUT
Para definir la eficiencia de un intercambiador de calor se debe conocer la transferencia de calor máxima posible (qmax)
Esto se alcanza en un intercambiador de calor a contracorriente de longitud infinita
En este intercambiador de calor uno de los fluidos experimentaría la diferencia de temperaturas máximas
Se obtiene la ecuación:
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Análisis del intercambiador de calor: Método de eficiencia NUT
La eficiencia se define como la razón entre la transferencia real de calor para un intercambiador de calor y la transferencia de calor máxima posible:
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Análisis del intercambiador de calor: Método de eficiencia NUT
Para cualquier intercambiador de calor
NUT se define con el número de unidades de transferencia
La eficiencia:
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Coeficiente global de transferencia de calor Valores representativos de U
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Combinación de fluidos U [W/m2-K] Agua con agua 850 – 1 700
Agua con aceite 110 - 350
Condensador de vapor (agua en tubos) 1 000 – 6 000
Condensador de amoniaco (agua en tubos) 800 -1400
Condensador de alcohol (agua en tubos) 250 -700
Intercambiador de calor de tubos con aletas (agua en aire, aire en flujo cruzado)
25 - 50
Coeficiente de transferencia global
Definidos en función a las áreas en contacto Área exterior
Área interior
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Problema 5 Se debe diseñar un intercambiador de calor de coraza y tubos para
calentar 2.5 kg/s de agua de 15 a 885°C. El calentamiento se realiza al hacer pasar aceite de motor disponible a 160°C, a través del lado de la coraza del intercambiador. Se sabe que el aceite proporciona un coeficiente promedio de convección ho= 400 W/m2-K en el exterior de los tubos. Diez tubos conducen el agua a través de la coraza, cada tubo tiene pared delgada de diámetro de D= 25 mm, y ha sido dispuesto para efectuar 8 pasos por la coraza. Si el aceite sale del intercambiador a 100°C.
¿Cuál es el flujo necesario? ¿De qué longitud deben ser los tubos para llevar a cabo el
calentamiento que se desea?.
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Problema 5 Intercambiador de calor de coraza y tubos para 1 paso en la coraza y cualquier múltiplo de dos
pasos de tubos (2, 4, 8, etc. pasos)
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Problema 6 Gases de escape calientes que entran a un
intercambiador de calor de tubo con aletas de flujo cruzado a 300°C y salen a 100°C, se usan para calentar agua presurizada a una velocidad de flujo de 1 kg/s de 35 a 125°C. El calor específico del gas de escape es aproximadamente 1000 J/kg-K y el coeficiente global de transferencia de calor que se basa en área superficial del lado del gas es Uh= 100 W/m2-K.
Determine con el uso del NUT el área superficial Ah del lado del gas que se requiere
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Problema 6 Eficiencia de un intercambiador de calor de flujo cruzado de un solo paso con ambos fluidos sin
mezclar
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Problema 7 Un intercambiador de calor de tubo y coraza con deflectores se usa
para enfriar aceite. Agua de enfriamiento entra en los tubos a 25°C a un flujo de 8.154 kg/s y sale a 32°C. La entrada y la salida de temperaturas del aceite de motor son 65°C y 55°C respectivamente. El intercambiador de calor tiene un diámetro de 12.25 plg. (ID) en la coraza y los tubos tienen un diámetro de 0.652 plg. (ID) y 0.75 plg (OD). Se tiene en total 160 tubos dispuestos en una forma triangular de 15/16 in (pitch).
El factor de ensuciamiento Rf0=1.76×10-4 m2-K/W, AoRo= 1.084×10-5 m2-K/W , ho= 686 W/m2-K. Ao/Ai=1.1476 y Rh=0.00008 m2-K/W.
Encuentre el coeficiente de transferencia de calor dentro del tubo
El área total de transferencia de calor del intercambiador de calor usando el método LMTD
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Resumen Se definió los intercambiadores de calor y los tipos más comunes
usados en la industria
Intercambiadores de calor:
Tubulares de doble tubo Contracorriente
Co-corriente
Tubulares de tubo y coraza
Se desarrolló los métodos de análisis de intercambiadores de calor Capacitancia
NUT
Eficiencia
40
