DISEO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBO Y CORAZA

Ing. Vicente Adum Gilbert

SISTEMAS TRMICOS I

FIMCP-ESPOL

QU ES UN INTERCAMBIADOR DE CALOR?

Equipo utilizado para transferir calor entre dos fluidos que se encuentran a diferentes temperaturas y que estn separados por una frontera slida.

DISEAR un intercambiador de calor significa encontrar el tamao adecuado de esa frontera slida que garantice una determinada tasa de transferencia de calor.

PARTES DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA

(ICTC)

PARTES DE UN ICTC

ESPEJOS (Tube Sheet)

Espejo de un IC de dos pases, (haz de tubos flotante).

Espejo de un IC de un solo pase (haz de tubos fijo).

ESPEJOS (Tube Sheet)

Los huecos son rimados para garantizar expansin perfecta (acabado y tolerancia).

ESPEJOS (Tube Sheet)

Espejo de un IC de alta presin (700 psi). Aire en tubos, agua en coraza. Material espejo: acero al carbono. Material tubos: AISI-304 (inoxidable).

Espejo de condesador de refrigerante R22. Refrigerante en la coraza, agua mar en tubos. Material espejo: AISI-316 (inox). Material tubos: Cupronickel 7030.

HAZ DE TUBOS (Tube Bundle)

Haz de tubos en U. Enfriador de aceite de trefilacin Aceite en coraza, agua en tubos. Material tubos: cobre. Material baffles: acero al carbono.

Haz de tubos en U. Material tubos: AISI-304 Material baffles: AISI-304 Material espejo: AISI-304.

HAZ DE TUBOS (Tube Bundle)

Haz de tubos en U de tipo flotante; enfriador de aceite de trefilacin; aceite en coraza agua en tubos. Material tubos: cobre; material espejos: acero al carbono; material empaque: neopreno. Dos pases de tubos.

DESVIADORES (Baffles)

Haz de tubos durante el ensamble. Primero se ensambla la estructura, conocida como haz de baffles.

DESVIADORES (Baffles)

Los Baffles introducen una componente de flujo cruzado.

Aumentan la turbulencia, por tanto, aumentan la transferencia de calor pero tambin aumentan la cada de presin.

Sirven como soporte estructural para los tubos.

BAFFLES Y SEPARADORES (Spacers)

Ntense aqu las varillas y separadores tubulares (spacers) que permiten ensamblar el haz de baffles.

TUBOS

Tubos con aletas integrales externas.

(maquinadas directamente en tubo).

Material: Cupronickel 9010

Tubos con aletas externas tipo L-foot

Material tubo: cobre.

Material aletas: aluminio.

CABEZAS (Heads)

Cabeza frontal tipo B (TEMA), para IC de dos pases de tubos.

Cabeza posterior tipo M (TEMA) para Evaporador de R22 (en tubos).

CABEZAS (Heads)

Interior de cabeza frontal de un ICTC de cuatro pases (aftercooler de compresor).

Cabeza posterior de un ICTC de un solo Pase, tipo M (TEMA) (aftercooler de un compresor).

CORAZA O CARCASA (Shell)

Coraza de un aftercooler de alto flujo y baja presin. Coraza tipo E segn TEMA.

CORAZA O CARCASA (Shell)

Las corazas no son siempre de seccin circular. Este caso es de seccin rectancular. Recuperador de calor experimental para calderas pirotubulares.

CORAZA O CARCASA (Shell)

PROCESO DE DISEO DE ICTC

INICIO

Anlisis Termodinmico

Prediseo

Diseo de Forma FIN

Todo Ok?

SI

NO

Seleccin de

Materiales

(Temps y un flujo)

(Q, temps, flujos)

(A, L_tubos, U)

(Delta P)

(L tubos o A_nueva)

(Decisin en base a criterios,

valores tpicos, experiencia y

restricciones)

Anlisis de Transferencia

de calor

(Re, Nu, Pr, U, etc.)

Cada de Presin

(Mecnica de Fluidos)

(A aprox.)

(d, N, D, baffles,

Arreglo tubos, etc.)

ANLISIS TERMODINMICO

Consiste en determinar los parmetros que NO DEPENDEN DE LA FORMA del intercambiador.

Temperaturas de entrada y salida (4).

Flujos (2).

Calor Transferido (1).

ESQUEMA Y SUPESTOS

Estado estable

Sistema adiabtico.

DEP = DEC = 0

W = 0

BALANCE DE ENERGA Qa = m a ( ha,o ha,i)

Qb = m b ( hb,o hbi )

Qa = Qb

m a ha = m b hb

m a Cpa Ta = m b Cpb Tb

m a ha = m b Cpb Tb

Si sustancias son incompresible y Cp es constante:

Si UNA sustancia es incompresible con Cp constante (y la otra no):

V. C. #1

V. C. #2

(h son las entalpas)

PREDISEO

PREDISEO

OBJETIVO: Obtener una idea del tamao del intercambiador (REA APROXIMADO).

Usar coeficientes aproximados basados en experiencia (tablas)

Q = Uo A DTLM

Se obtiene de tablas compiladas a partir de miles de intercambiadores de calor correctamente diseados

VALORES DE Uo PARA PREDISEO

Fluidos orgnicos

ACLARACIN: FLUIDOS ORGNICOS

Orgnicos ligeros (m

DISEO DE FORMA

DISEO DE FORMA

Implica asignar ciertos parmetros dimensionales preliminares, de tal manera que el equipo pueda ser ANALIZADO trmicamente (datos para primera iteracin).

En base al rea aproximada se asigna: - Dimetro tubos. - Arreglo de tubos (en lnea, triangular). - Nmero de Tubos (ver siguiente slide). - Espacio entre Baffles (B). - Nmero de pases, etc. - Dimetro coraza (ver siguientes slides).

DISEO DE FORMA

A es dato (del prediseo o iteracin previa).

do: dimetro exterior del tubo.

L: longitud de los tubos.

Nt: Nmero de tubos.

Primero, seleccionar d_o (medidas de tubos estndar).

Luego, asumir L. (referencia: tubos comerciales estndar miden 6 m). Se usa L6.

A = do L N t

ESTIMACIN PRELIMINAR DEL DIMETRO DE LA CORAZA (APROX)

CL: constante por arreglo de tubos (Layout) CL = 1.0 (90 y 45)

CL = 0.87 (30 y 60)

CTP: constante por pasos de tubos (Tube passes).

CTP = 0.93 (un pase de tubos)

CTP = 0.90 (dos pases de tubos)

CTP = 0.85 (tres pases de tubos).

PT = ST/do (paso transversal).

2/12)(

637.0

L

dPA

C

CD oTo

TP

Ls

ST

ANLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

TRANSFERENCIA DE CALOR

Q = Uo A F DTLM Q Calor transferido [W]

Uo Coeficiente Global de transferencia de calor basado en rea externa [W/m2-K].

A rea de total de los TUBOS [m2].

DTLM Diferencia de temp media logartmica [C].

F Factr de correcin de DTLM

A DEBE SER DETERMINADO

DTLM: Tubos Concntricos

FLUJO PARALELO

CONTRAFLUJO

DTLM

T1 = Th,i Tc,o

T2 = Th,o Tc,i

TLM = T2 T1

lnT2

T1

T1 = Th,i Tc,i

T2 = Th,o Tc,oFLUJO PARALELO

CONTRAFLUJO

DTLM: ICTC No hay forma de definir PUNTUALMENTE si los fluidos estn en flujo paralelo, contraflujo o cruzado dentro de un ICTC. Por tanto, es necesario corregir el DTLM con un factor F que es funcin de los pases del IC y de los ratios de temperatura.

FACTOR CORRECCIN F para DTLM

Cuando hay baffles del lado de la coraza, el flujo cambia constantemente de cruzado a contraflujo (o a paralelo).

Cuando hay pases del lado de los tubos el flujo se alterna entre paralelo y contraflujo.

No hay como definir una x claramente (como en el caso de los tubos concntricos).

Por tanto, DTLM debe ser modificada por medio de factor F para incluir estos efectos.

FACTOR F (1)

FACTOR F (2)

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA CALOR (Uo)

ro y ri Radios exterior e interior de los tubos. hi y ho Coeficientes interno y externo de T. calor. Rfi y Rfo Resistencias por ensuciamiento (FOULING). k Conductividad del material del tubo.

(ESTA FRMULA ES VLIDA SOLAMENTE PARA SUPERFICIES NO ALETEADAS)

CLCULO DE COEFICIENTES CONVECTIVOS

Para calcular h_i y h_o debe aplicar las correlaciones adecuadas de transferencia de calor segn el caso que se presente.

Puede usar las correlaciones aprendidas durante este curso.

Si hay solo LQUIDO o GAS (sin cambio de fase) del lado de la coraza y hay baffles, entonces puede usar la correlacin de McADAMS o el mtodo BELL-DELLAWARE para calcular h_o.

CALCULO DE RESISTENCIAS POR FOULING (ENSUCIAMIENTO)

Los IC nuevos no estn sucios... Por qu incluir resistencias por fouling?

Los IC se ensucian progresivamente. Es conveniente disear el equipo considerando las condiciones de operacin reales.

Las resistencias por fouling se obtienen de tablas (TEMA). Dependen del fluido y Temperaturas de operacin.

En operacin, se debe hacer mantenimientos peridicos de los IC para eliminar fouling.

RESISTENCIAS POR FOULING EN AGUA

FOULING FLUIDOS INDUSTRIALES (1)

FOULING FLUIDOS INDUSTRIALES (2)

EFECTOS DEL FOULING (CASO CRTICO)

Fouling severo por durezas del agua y mantenimiento nulo. Agua en tubos, aceite en coraza.

Fouling en espejo y tapa de ICTC (incrustaciones de calcio y magnesio).

El ensuciamiento tiene el efecto de disminuir la transferencia de calor y aumentar la cada de presin de IC en operacin. Normalmente se produce por un tratamiento de agua deficiente o nulo (falta de ablandamiento).

EFECTOS DEL FOULING (CASO CRTICO)

Corte de la seccin en U de tubos de acero al carbono con fouling severo, do = 19.05 mm (3/4 inch). Incrustaciones de calcio y magnesio de 2 mm de espesor, aprox.

BIBLIOGRAFA RECOMENDADAS

TEMA; Standards of the tubular exchanger manufacturer association; 8th ed.; 1999.

Kakac, S.; Heat exchangers: selection, rating and thermal design; CRC press; 2nd ed.; 2002.

Adum, V.; Diseo asistido por computadora, construccin y prueba de un Intercambiador de calor; ESPOL; 2000.