Intercambiadores de Calor

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Intercambiadores de calor

Objetivos.

Mtodos para pronosticar el desempeo de los intercambiadores de calorconvencionales

Calculo del tamao y tipo de intercambiador adecuado para una tarea especfica.

En este captulo se estudiar:

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Los intercambiadores de calor son dispositivos empleados el intercambio de calor entre dos fluidos separados por una superficie slida y abarca un amplio rango de configuraciones de flujo.

Introduccin.

Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y recibendiferentes nombres:

Intercambiador de Calor: Realiza la funcin doble de calentar y enfriar dos fluidos. Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. Enfriador: Enfra un fluido por medio de agua. Calentador: Aplica calor sensible a un fluido. Re-hervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de

reebulicin que se necesita para la destilacin. (Los hay de termosifn, de circulacinforzada, de caldera,...)

Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del lquido

Tipos de intercambiador. De Doble tubo

Compuesto por dos tubos concntricos;

Un fluido circula por el espacio anular comprendido entre los dos tubos y el otro circula otro a distinta temperatura.

Intercambian calor entre si a travs de la misma pared y como consecuencia de esto ambas corrientes varan su temperatura a lo largo del equipo hasta alcanzar la salida.

Estos se usan cuando los requisitos de rea de transferencia son pequeos.

3

T

L

T

L

T

L

T

L

T

L

T

L

Curvas caractersticas de evolucin de temperaturas en intercambiadores de doble tubo.

a)Flujo en corriente paralela

b) Flujo en contracorriente

c) Condensacin de un fluido puro

e) Desupercalentamiento -condensacin

f) Condensacin y subenfriamiento

g) Condensacin de una mezcla

T

Ld) Evaporacin de

un liquido puro



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Conexin en paralelo Conexin en serie

Un paso por la coraza y paso por los tubos

Los deflectores son usados para establecer un flujo cruzado e inducir una mezclaturbulenta del lado de la coraza, ambos refuerzan la transferencia de calor porconveccin.

el numero de pasos por los tubos y por la coraza puede variarse.

Tipos de Intercambiadores. De Coraza y tubos

Varios tubos internos encerrados en otro de mayor dimetro (coraza).

La placa de tubos est unida a los cabezales que actan como colectores ydistribuidores del fluido que circula por los tubos

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Intercambiador de Coraza y tubos

Un paso por la coraza,dos pasos por los tubos

Dos pasos por la coraza. cuatro pasos por los tubos

Pasos de un intercambiador

Deflectores, pasos y disposiciones de tubos de los intercambiadores de calor de casco y tubos

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Los deflectores de flujo se montan dentro del casco orientando el movimiento del fluido en la direccin perpendicular al eje de los tubos y soportando a los mismos.

Los deflectores segmentados son placas circulares perforadas que son atravesadas por los tubos de casi el mismo dimetro de casco a las cuales se realiza un corte horizontal o vertical

Pasos de un intercambiador

Se separan como mnimo a 1/5D y como mximo a 1D

Existen fugas a travs del rea libre de los deflectores y entre los deflectores y el casco

Patrones de circulacin de flujo dentro del casco

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Tipos de Cabezales y Cascos segun TEMA

Un intercambiador de calor de casco y tubo conforme a TEMA se identifica con tresletras, el dimetro en pulgadas del casco y la longitud nominal de los tubos en pulgadas.

La primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los tipo A (Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son los ms comunes.

La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La ms comn es la E (casco de un paso), la F de dos pasos es mas complicada de

mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las perdidas de presin en el casco. El tipo K es el rehervidor de caldera utilizado en las torres de fraccionamientos.

La tercera letra nos indica el tipo de cabezal del extremo posterior, Los de tipo S, T y U son los ms utilizados. El tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el dimetro del cabezal es

mayor que el del casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal flotante sin contra-brida) puede sacarse sin desmontar, pero

necesita mayor dimetro de casco para la misma superficie de intercambio. El tipo U (haz de tubos en U) es el mas econmico, pero a la hora de mantenimiento

necesita una gran variedad de tubos en inventario.

Tipo de intercambiador de casco y tubosTipos de Cabezales y Cascos segn TEMA

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1. Cabezal estacionario, canal2. Cabezal estacionario, casquete3. Pestana de cabezal estacionario, canal o casquete4. Cubierta de canal5. Tobera de canal estacionario 6. Lamina estacionaria de tubo7. Tubos8. Casco9. Cubierta del casco10. Brida del casco , extremo del cabezal estacionario11. Brida de; casco, extremo del cabezal posterior12. Tobera del caso13. Brida de la cubierta del casco14. Junta de expansin15. Lmina de cierre tubular del flotador16. Cubierta del cabezal flotador17. Brida del cabezal flotador18. Dispositivo de apoyo del cabezal flotador19. Anillo de cizalla dividida20. Brida de apoyo dividida

21. Cubierta del cabezal flotador, exterior.22. Faldn de lamina de cierre tubular del flotador23. Brida del prensaestopas24. Empaque25. Anillo seguidor de empaque26. Anillo de cierre hidrulico27. Bielas y espaciadores28. Desviadores transversales o placas de apoyo29. Desviador de choque30. Desviador longitudinal31. Separador de paso32. Conexin de ventila33. Conexin de drenaje34. Conexin de instrumentos35. Oreja de izaje36. Taln elevador37. Mnsula de soporte38. Vertedero39. Conexin de nivel de liquido

Los intercambiadores de casco y tubo de TEMA descritos a continuacin tienen la siguiente descripcin de sus componentes principales:

Tipo de intercambiador . De Coraza y tubosTipos de Cabezales y Corazas segn TEMA

Es el modelo ms comn, tiene casco de un paso, tubos de doble paso con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo. tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus caractersticas son: Permite la expansin trmica de los tubos respecto al casco. Permite el desmontaje en lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos. Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separacin modifican la

velocidad en el casco y su perdida de carga. el flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos.

Intercambiador de casco y tubosIntercambiador de cabezal flotante interno (tipo AES)

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Este intercambiador no tiene apenas diferencia entre ambos extremos, es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la velocidad dentro de los tubos, lo que reduce el coeficiente de transmisin de calor.

los cabezales pueden quitarse para limpiar el interior de los tubos. Tiene junta de expansin en casco. Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco, pudiendo usarse la

limpieza qumica, para la superficie externa de los tubos alojados dentro del casco.

Intercambiador de casco y tubosIntercambiador de placa de tubos fijo (tipo BEM)

Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede desmontarse para limpieza.

Tiene el inconveniente de necesitar ms mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.

Intercambiador de casco y tubosIntercambiador de cabezal flotante exterior (tipo AEP)

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el conjunto de tubos en U permite un fcil desmontaje del conjunto de tubos. Tiene el inconveniente a la hora de sustituir un tubo daado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos .

Intercambiador de casco y tubosIntercambiador de cabezal y tubos integrados (tipo CFU)

Este intercambiador se caracteriza por la configuracin del casco. El conjunto de tubos puede ser tambin A-U, dando lugar al AKU. El vertedero a la derecha de los tubos mantiene el liquido hirviente sobre los tubos. El vapor sale por la tobera superior y el liquido caliente sale por la tobera inferior.

Intercambiador de casco y tubosRehervidor de caldera (tipo AKT)

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Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues disminuye la prdida de carga

El desviador central divide el flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a travs de los tubos para enfriarse.

Parte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede utilizarse como enfriador.

Intercambiador de casco y tubosCondensador de flujo dividido (tipo AJW)

Tipo de diseoTubos en U

(tipo U)

Placa de tubos fija

( Tipo L,M,N)

Cabezal flotante de

arrastre(tipo T)

Cabezal flotante anillo

linterna(Tipo W)

Cabezal flotante anillo

partido(tipo S)

Cabezal flotante con

prensaestopa(tipo P)

Costo relativo creciendo desde A

hasta E A B C C D E

Forma de lograr la expansin diferencial

Los tubos sedilatan libremente

Junta de dilatacin en carcasa

Cabezal flotante

Cabezalflotante

Cabezal flotante

Cabezal flotante

Haz extrable Si No Si Si Si Si

Tubos individualmente reemplazables

Solo en las filas mas externas

Si Si Si Si Si

Tubos limpiables interiormente

Difcil mecnicamente puede hacerse qumicamente

Si mecnica o qumicamente





Limpieza exterior de tubos en

arreglos triangulares

Solo qumicamente

Solo qumicamente

Solo qumicamente

Solo qumicamente

Solo qumicamente

Solo qumicamente

Limpieza exterior de tubos en arreglo

cuadrado


Solo qumicamenteSi mecnica o qumicamente




Numero de pasos en los tubos

Cualquier numero par de pasos es

posibleNo hay limitaciones

No hay limitaciones ( para un solo paso requiere

empaquetadura)

Limitado a uno o dos pasos

No hay limitaciones ( para un solo paso requiere

empaquetadura)

No hay limitaciones

Eliminacin de juntas internas

Si Si No Si No Si

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Una placa metlica corrugada de espesor delgado sirve como superficie de transferencia de calor entre los fluidos que circulan a ambos lados de la misma

Se agregan placas adicionales para armar el equipo, formando los canales por donde circulan los fluidos.

Las placas se mantiene separadas por medio de juntas de elastmeros. Todo el conjunto se mantiene estanco mediante tornillos pasantes uniendo los

cabezales o marcos

Tipos de Intercambiador de placas

Tipos de Intercambiador. De placas

Las juntas alojadas en los acanaladuras laterales de cada utilizan materialeselsticos como caucho natural estireno neopreno, caucho nitrilo , vitn, butilosilicona se adhieren con un pegamento resistente (cemento).

Las juntas son seleccionadas segn la temperatura mxima de operacin y a suresistencia qumica para los materiales a manejar ( grasas hidrocarburos alifaticos,acidos alcalis, hipoclorito de sodio, soluciones, etc.)

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Las placas metlicas delgadas (mayormente de acero inoxidable) son estampadasen frio y poseen corrugaciones caractersticas de cada modelo de placas a fin depromover la suficiente turbulencia en el flujo aumentando la transferencia de calory su resistencia estructural.

La seleccin de la placa depender de los coeficientes de transferencia de calor y la cada de presin admisible


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ServicioPropiedades fsicas del

productoCoeficientes de transferencia

Cada de presin especifica

Viscosidad cinemtica[m2/s]Capacidad calorfica[J/m3K]Conductividad trmica[W/mK]

Placa de corrugacin transversal

Corrugacin en espina de pez

m de columna liquida por unidad de transferencia

Agua a agua o vapor

= 0,6 x 10-6

.c = 4,18 x 106

k = 0,623.100-3.900 3.000-3.700 1,5-3

Solucin acuosa viscosa a agua o

vapor

= 50 x 10-6

.c = 3,97 x 106

k = 0,391.000-1.200 700-800 11-20

Aceite mineral a agua o vapor

= 50 x 10-6

.c = 2,09 x 106

k = 0,11450-580 300-350 15-30

Aceite mineral a aceite mineral

= 50 x 10-6

.c = 2,09 x 106

k = 0,11210-270 120-190 18-40

Aceite mineral a agua o vapor

= 100 x 10-6

.c = 2,09 x 106

k = 0,11330-400 190-290 22-51

Solvente organicoa agua o vapor

= 1 x 10-6

.c = 2,09 x 106

k = 0,191.850-2.100 1.500-1.950 2,5-3

Aceite vegetal a agua o vapor

= 100 x 10-6

.c = 2,09 x 106

k = 0,15870-1.000 810-930 7-10

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Intercambiadores de calor a placas semi-soldados

Las placas se sueldan en pares y cada par esta equipado con juntas que le permitenacoplarse con otros similares.

El conjunto resultante permite el mantenimiento y limpieza de los canales de uno delos fluidos (el ms inocuo) mientras que los canales del segundo fluido (el ms agresivo)estn hermticamente cerrados.

Usado como condensadores o evaporadores de sistemas de refrigeracin


Condensadores

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Evaporadores

Estos equipos poseen un arreglo complejo de tubos con aletas o placas para generarun rea superficial por unidad de volumen muy grande, poseen pequeos paso deflujo y operan en flujo laminar

Se emplean cuando uno de los fluidos es un gas normalmente con un bajocoeficiente convectivo.

Tipos de Intercambiadores. Compactos

(a) Tubo con aletas (tubos planos con aletas de placa continuas) (b) tubos con aletas ( tubos circulares, aletas de placa continuas) (c) Tubos con aletas ( tubos circulares aletas circulares)(d) Aletas de placa ( un solo paso)(e) Aletas de placa ( multipaso)

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Anlisis del intercambiador de calor

Derivan de balances de energa Son independientes del diseo del equipo Relacionan la velocidad de transferencia de calor

con los flujos msicos de las corrientes fra y caliente y las cadas y/o aumentos de temperatura en ambas corrientes

Es una ecuacin cintica de transferencia de calor permite calcular el rea del equipo

El coeficiente global (U) se puede modificar de acuerdo al diseo del equipo

Lograr el coeficiente global (U) ms elevado posible compatible con las restricciones impuestas por el proceso

h h c c

h h c p,c i o

c c h p ,h o i

m i m i

m i m c (T T )

m i m c (T T )

= =

=

mq U A T=

i oU f ( h ,h )=

Ecuaciones empleadas para el calculo y diseo de in tercambiadores de calor

Coeficiente global de transferencia de calor .

Un requisito esencial para el diseo y/o el calculo de desempeo de losintercambiadores de calor .

Los factores que contribuyen incluyen la conveccin y conduccin asociados aambos fluidos y la pared solida de separacin, as como tambin el uso potencial dealetas sobre ambos lados y del ensuciamiento de las paredes , que dependen deltiempo.

Los subndices c y h usados para designar a los fluidos caliente (hot) y frio (cold ),respectivamente, la expresin mas general para coeficiente global (U) es:

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ), ,

1 1 1

1 1 1

c h

f c f hw

o o o oc c h h

UA UA UA

R RR

UA hA A A hA

= =

= + + + +

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Flujo de calor hacia:

o desde

Gas(en reposo)

Gas(que fluye)

Lquido (en reposo)

Lquido (que fluye) Agua

Otros lquidos

Lquido en ebullicin Agua

Otros lquidos

Gas (por conveccin natural)

Aire habitacin/externo

a travs de un cristal

Supercalentadores Cmara de combustin Caldera de vapor

Gas (que fluye)

Intercambiadores de calor para gases

Caldera de gas

Lquido (conveccin natural) Bao de aceite para calentamiento

Serpentn de enfriamientocon agitacin

Lquido (que fluye)Agua

Otros lquidos

Calentador central de radiador

Enfriadores de gasSerpentn de calentamiento en

un recipienteagua/agua sin agitacin

con agitacin

Intercambiador de calorAgua/agua

Agua/otros lquidos

Evaporadores de refrigeradores

Vapor que se condensaAgua

Otros lquidos

Radiadores de vapor

Calentadores de aireCamisa de vapor alrededor de recipiente con agitador, agua

Otros lquidos

Condensadores de vapor de agua/agua

con vapor/agua

Evaporadores de vapor de agua/agua

vapor de agua/otros lquidos

5 15eh = 10 100eh = 50 1.000eh = eh 1.000 3.000= eh 3.500 60.000=

eh 1.000 20.000=

21=U103 =U

radiacin

U

+= 4010

3010 =U

5010 =U

50 10.000eh = 25 500U = 500 1.500U =

3.000 10.000eh =

eh 500 3.000=

155 =U

5010 =U

50 250U =

500 2.000U =

900 2.500U =

200 1.000U =

5.000 30.000eh =

1.000 4.000eh =

205 =U

5010 =U

300 1.000U =

500150 =U 300 1.000U =

1.500 6.000U =

300 2.000U =

5 15eh = radiacin

U

+= 4010

10 100eh =

500 3.000eh =

1.000 4.000U =

Valores representativos del coeficiente global de transferencia de calor para varias aplicaciones [W/m2K]

300 1.000U =

t

Tq

R

=

fRo

it f ,i f ,o

i i o o

despreciable

Dln D1 1R R R

h A h A 2 k L

= + + + +

64748

14243

A medida que el equipo se va ensuciando (obstrucciones por impurezas, formacin demoho reacciones entre el fluido y el material de la pared) la resistencia R f seincrementa y produce una disminucin de la transferencia de calor,

Para impedir esta circunstancia se disean los equipos anticipando la formacin dedepsitos o incrustaciones.

Se hace una estimacin preliminar del valor que puede alcanza ste.

fsucio limpio

1 1R

U U= sucio

flimpio

1U

1R

U

=+

Coeficiente global de transferencia de calor .Resistencia de Ensuciamiento

Limpio Sucio

Depsitos

fi i o o

1 1R

h A h A= + +

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TIPO DE ENSUCIAMIENTO

DESCRIPCIN

Particulado Consiste en la acumulacin de partculas slidas contenidas en

alguna de las corrientes involucradas. La naturaleza de dichas partculas puede ser orgnica o

inorgnica y con una gran variedad de tamaos.

Biolgico Microorganismos como bacterias y algas, u organismos como

pueden incrustarse en ciertas partes del intercambiador, generalmente cuando el agua de mar se emplea como fluido en los equipos de intercambio.

Corrosin Si la corriente de fluido es corrosiva, entonces puede reaccionar

con la superficie del intercambiador con la que este en contacto y generar ensuciamiento.

Cristalizacin Cuando existen sales disueltas en alguna corriente, y debido al

calentamiento o enfriamiento se sobrepasa la condicin de saturacin, entonces dichas sales se depositan en la superficie del intercambiador

Reacciones qumica

Algunos depsitos se forman por reaccin qumica que ocurre en alguna corriente como resultado, por ejemplo, de la accin cataltica de la superficie del intercambiador. Procesos como polimerizaciones y craqueos son ejemplos tpicos


20

1 1

c

RfU U

= +

1 1 1

c o ioU h h= + iio i

o

Dh h

D= 1 1 1

io o

RfU h h

= + +

Al calcular U, uno de los tres sumandos de la expresin

sea de un orden de magnitud superior a los otros.

Entonces es la resistencia controlante y U coincidir prcticamente con laresistencia pelicular correspondiente. As por ejemplo:

o ioh h1

oh Rf oU h=


En este caso todos los esfuerzos para mejorar el diseo del equipo debern estardirigidos a mejorar este coeficiente , dado que cualquier modificacin que mejore hiotendr poco efecto sobre el valor de U.

Temperatura del medio calefactor Hasta 115C 115-205 C

Temperatura del agua 52C o menos ms de 52C

AguaVelocidad del agua [m/s] Velocidad del agua [m/s]

1 menos ms de 1 1 menos ms de 1

Agua de mar..Aguas salobres................................................................Torre de enfriamiento y tanque con roco artificial:Agua de reposicin tratadaSin tratar.............

Agua de la ciudad o de pozo..........................................

Agua de ro:-Mnimo..............-Promedio..Lodosa o turbia..Dura (ms de 15 granos/gal).........Enfriamiento de mquinas..............................................Destilada o de circuito cerrado condensado..............Alimentacin tratada para calderas..Purga de calderas

0,000090,0004

0,00020,0005

0,0002

0,00040,00050,00050,00050,0002

0,000090,00020,0004

0,000090,0002

0,00020,0005

0,0002

0,00020,00040,00040,00050,0002

0,000090,000090,0004

0,00020,0005

0,00040,0009

0,0004

0,00050,00070,00070,00090,0002

0,000090,00020,0004

0,00020,0004

0,00040,0007

0,0004

0,00040,00050,00050,00090,0002

0,000090,00020,0004

*Las cifras de las ltimas dos columnas se basan en una tempera tura del medio calefactor de 115C a 205C. Si la temperatura de este medio es mayor de205C, y se sabe que el medio enfriador forma depsitos, ests ci fras deben modificarse convenientemente

Resistencias de Ensuciamiento para Agua (valores en m2 K / W)

21

ACEITES [m 2K/W]

Fuel oil N2Fuel oil N 6Aceite para transformadoresAceite lubricante para mquinasAceites para templado

0,00040,00090,00020,00020,0007

LIQUIDOS

Lquidos refrigerantesFluidos hidrulicosFluidos trmicos- orgnicosSales fundidasAmoniaco liquidoAmoniaco liquido ( contaminado com aceite de cojinetes)Soluciones de cloruro de calcio

0,00020,00020,00020,000090,00020,00050,0005

GASES Y VAPORES

Gas de hornos de coque, gas manufacturadoGas de escape de mquinas dieselVapor de agua (sin aceite)Vapor de escape (con aceite)Aire comprimidoVapores refrigerantes en los condensadores de los ciclos frigorficosVapores de amoniacoVapores de gas carbonicoVapor de cloroHumos de combustin de carbnHumos de combustion de gas natural

0,0020,0020,000090,00040,00020,00040,00020,00020,00040,0020,0009

Resistencias de Ensuciamiento para Fluidos Industr iales [m 2K/W]

2 2i o

i i o o

V Vm( i z g ) m( i z g ) q w

2 2+ + + + = & & h h,i h,o h h h,i h,o

c c,o c,i c c c,o c,i

q m (i i ) m cp (T T )

q m (i i ) m cp (T T )

= = = =

& &

& &

mq U A T=

Para disear o predecir el rendimiento es necesario relacionar la transferencia de calorcon las cantidades como las temperaturas de entrada y salida del fluido, el coeficienteglobal y el rea de transferencia.

Anlisis de un intercambiador de calor

Balances globales de energa para los fluidos caliente y fro de un intercambiador de calor de dos fluidos.

22

Las hiptesis bajo las cuales puede calcularse tericamente un cambiador de calor, son las siguientes :

Se considerar un coeficiente global de transmisin constante para todo el intercambiador, el coeficiente global medio (U).

Si alguno de los fluidos experimenta un cambio de estado, este cambio tendr lugar a lo largo de todo el intercambiador y no en una parte de ste.

Los caudales msicos de ambos fluidos se consideran constantes. Las propiedades termofsicas de los fluidos se considerarn constantes a lo largo

de todo el cambiador.

El intercambio de calor se realizar nicamente en el sentido de la normal a la superficie de intercambio. (no existen prdidas por carcasa).

En cualquier seccin transversal del cambiador, los fluidos, en cada uno de los pasos que efecte, pueden caracterizarse por una y solo una temperatura.

Anlisis de un intercambiador de calor

Las temperaturas y su diferencia varan a lo largo del equipo conforme se transfiere calor entre ambas corrientes.

h p h h c p c c h c

h h c c

dq m c , dT m c , dT UA(T T )

dq C dT C dT

= = =

= =Un balance de energa aplicado a un volumen diferencial permite relacionar las diferencias de temperatura en cada corriente a lo largo del equipo. + flujo paralelo

- flujo contracorriente

Anlisis de un intercambiador de calor.Diferencia de temperatura media logartmica (DTML)

h c localT (T T ) =

23

La transferencia de calor en intercambiadores de calor se obtiene aplicando unamodificacin de la Ley de enfriamiento de Newton usando una diferencia de temperaturamedia logartmica que se produce entre ambos fluidos

2

1

T

h cT

d( T ) 1 1U dA

T C C

=

2 1

2

1

ln

T Tq UA

TT

=

1 h,i c ,iT T T =

2 h,o c,oT T T =

1 h,i c ,oT T T =

2 h,o c,iT T T =

Anlisis de un intercambiador de calor.Diferencia de temperatura media logartmica (DTML)

El uso de TML es una aproximacin porque en la prctica U no es constante ni uniforme

La variacin de temperatura a lo largo del intercambiador de calor es exponencial

Donde T1 es la diferencia de temperatura entre los dos fluidos en un extremo delintercambiador de calor y T2 en el en extremo opuesto

Corrientes Paralelas

Contra Corriente

Distribucin de temperatura para un intercambiador de calor en flujo paralelo.

Diferencia de temperatura media logartmica (DTML)

1 h,i c ,iT T T =

2 h,o c,oT T T =

24

Distribucin de temperatura para un intercambiador de calor en contra flujo.

Diferencia de temperatura media logartmica (DTML)

1 h,i c ,oT T T =

2 h,o c,iT T T =

El factor de correccin Ft Para intercambiadores ms complejos de pasos mltiples se corrige TML para un

flujo en contracorriente mediante un factor de correccin F t en funcin de dosparmetros P y R.

T es la temperatura del lado de la coraza y t es la temperatura del lado deltubo independientemente si circula el fluido fro o caliente por el interior de losmismos.

o i i o

i i o i

t t T TP R

T t t t

= =

P es una medida de la eficacia del calentamiento o enfriamiento y puede variarentre 0 con la temperatura constante de uno de los fluidos hasta 1 en el caso quela temperatura de entrada del fluido caliente sea igual a al temperatura de salidadel fluido fro.

R es la relacin de las capacitancias trmicas (m.cp) de los fluidos. Esta es iguala la relacin del cambio de temperatura dentro de la coraza y el cambio detemperatura dentro de los tubos.

,ML ML CFT F T =

,ML CFq U A T F=

Mtodo de la diferencia de temperatura media logar tmica (DTML)

( )( )( )

2

2

2

11ln

1 ( )

2 1 11 ln

2 1 1

PR

R PF

P R RR

P R R

+ = + + + + +

( , )F F R P=

25

Factor de correccin para un intercambiador de calor de coraza y tubo con una coraza y cualquier mltiplo de dos pasos de tubo (dos, cuatro, etc., pasos de tubo).

Para valores de Ft menores que 0,7 o 0,8 la pendiente de las curvas es prcticamentevertical y Ft disminuye drsticamente con una pequea modificacin de los parmetros.

No resulta seguro trabajar en esta zona y se aconseja no disear con un factor menor a0,75


Factor de correccin para unintercambiador de un solo paso en flujocruzado con ambos fluidos sin mezclar

Factor de correccin para un intercambiadorde calor de un solo paso en flujo cruzadocon ambos con un fluido mezclado y otrosin mezclar

Factor de correccin para un intercambiadorde calor de coraza y tubo con dos pasos porla coraza y cualquier mltiplo de cuatropasos de tubo (cuatro, ocho, etc., pasos detubo).


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Mtodo de la eficiencia y nmero de unidades de tra nsferencia (-NUT)

El mtodo TML es til cuando se conocen las temperaturas y flujos msicos de lascorrientes de entrada y salida.

Si solo se conocen las temperaturas de entrada se deben emplear iteraciones medianteensayo y error.

Para obtener una ecuacin para la razn de transferencia que no incluya cualquiera de lastemperaturas de salida se introduce el concepto de eficiencia de un intercambiador ().

La mxima transferencia de calor se consigue en intercambiador de calor operado encontracorriente de longitud infinita para el que

mx h,i c ,iT T T =

El cambio de temperatura mayor se producir en aquel fluido que posea la menorcapacitancia trmica

c h c h c,o h,i

c h c h h,o c ,i

C C dT dT T T

C C dT dT T T

< > =

> < =

mx c h,i c ,i

mx mn h,i c ,imx h h,i c,i

q C (T T )q C (T T )

q C (T T )

= = =

h h,i h,o

mn h ,i c ,i

C (T T )

C (T T )

=

c c,o c,i

mn h ,i c ,i

C (T T )

C (T T )

=

mn

UANUT

C

El nmero de unidades de transferencia (NUT) es una medida de la magnitud de latransferencia de calor en el intercambiador. Relaciona la mxima diferencia detemperatura.(Th,i-Tc,i) con respecto a la fuerza impulsora media TML

Cuanto ms elevado sea su valor ms se aproxima a su lmite termodinmico.

La eficiencia se define como la razn entre la cantidad de calor real y la mxima posible

mx

q

q = 0 1

En la practica el valor de se encuentra entre 0,6 a 0,9.

Mtodo de la eficiencia y nmero de unidades de tra nsferencia (-NUT)

mL

mx mn h,i c ,i

UA Tq

q C (T T )

=

h,i c ,i

mn mL

(T T )UANTU

C T

=

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1 exp[ (1 )]

1r

r

NUT C

C +=

+

1 exp[ (1 )]( 1)

1 exp[ (1 )]r

rr r

NUT CC

C NUT C += Areal el equipo no podr transferir la cantidad de calor deseada , de modo quela temperatura de salida Th,o ser mayor a la deseada y Tc,o ser menor a la propuesta

Si Acalculada< Areal el equipo podr transferir una cantidad de calor mayor a la propuesta

,calculada

ML CF

qA

U T F=

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1) Conocer las condiciones del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones,propiedades fsicas de los fluidos, y comprobarlas mediante el balance de energa.

2) Asignar las corrientes al tubo y casco.

3) Dibujar los diagramas trmicos.

4) Determinar el nmero de intercambiadores en serie.

5) Calcular los valores corregidos de la diferencia media de temperaturas (MTD).

6) Seleccionar el dimetro, espesor, material, longitud y configuracin de los tubos.

7) Estimar los coeficientes de pelcula, de suciedad, y el coeficiente global detransferencia de calor.

8) Calcular la superficie de intercambio estimada.

9) Seleccionar el tamao del casco (utilizando dos pasos en los tubo).

10) Calcular las perdidas de presin en el lado del tubo y recalcular el nmero de pasospara cumplir con las perdidas de presin admisibles.

11) Asumir la separacin entre desviadores y el rea de paso para conseguir la perdida depresin admisible en el casco.

12) Recalcular los coeficientes de pelcula en el lado del tubo y del casco utilizando lasvelocidades msicas disponibles.

13) Recalcular los coeficientes globales de transmisin de calor y comprobar sitenemos suficiente superficie de intercambio.

14) Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequea revisar los estimados detamao de carcasa y repetir las etapas 9-13.

Fases en el diseo de un intercambiador de calor de casco y tubo

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Preguntas

Comentarios

Gracias por la atencin !!!!

Intercambiadores de Calor

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