INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

Los intercambiadores de calor son dispositivos que facilitan la transferencia de calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas. En la mayoría de intercambiadores de calor, una pared sólida separa los dos fluidos, los cuales no están en contacto directo uno con el otro.

Los intercambiadores de doble tubo son el tipo más clásico de intercambiador de calor. Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U.

Cuando se arregla en dos pasos, la unidad se llama horquilla.

Está constituido por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto a la dirección del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuración en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo entremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos.

El intercambiador de doble tubo es extremadamente útil, ya que se puede ensamblar en cualquier taller de plomería a partir de partes estándar, proporcionando superficies de transferencia de calor a bajo costo.

Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies, la longitud efectiva es la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor y excluye la prolongación del tubo interior después de la sección de intercambio.

La principal desventaja en el uso de los intercambiadores de doble tubo es la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple. Cuando se usa con equipo de destilación en un proceso industrial, se requiere gran número de ellos. Esto requiere considerable espacio, y cada intercambiador de doble tubo introduce no menos de 14 puntos en donde pueden ocurrir fugas. El tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles limpieza periódica son prohibitivos comparados con otros tipos de equipo. Sin embargo, los intercambiadores de doble tubo encuentran su mayor uso en operaciones donde la superficie total de transferencia requerida es pequeña, 100 a 200 ft2 o menos. Este tipo de intercambiador es útil principalmente para velocidades de flujo bajas.

Existen intercambiadores de doble tubo en espiral, en los cuales la presión en el tubo interior es de 4500 psig y en el anulo de 2000 psig. Debido a su longitud, la singular trayectoria del flujo y su alta eficacia, estos cambiadores de calor son una opción ideal para el enfriamiento o condensación de vapor.

PARTES INTERNAS

Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las tes tienen boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del anulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor.

Tubos concéntricos:

T conectora: Cabezal de retorno:

Codo en U: Estoperos:

Manómetro: Se utilizan para medir la presión del vapor o gas (cuando se utiliza como fluido de calentamiento).

Medidor de flujo: Indica el flujo del fluido que esta fluyendo por el intercambiador.

Termocuplas: Sirven para determinar la temperatura en determinadas secciones del intercambiador.

IMAGENES

FUNCIONAMIENTO

En un intercambiador de calor participan dos o más corrientes de proceso, unas actúan como fuentes de calor y las otras actúan como receptores del calor, el cual se transfiere a través de las paredes metálicas de los tubos que conforman el equipo (contacto indirecto).

Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos, permitiendo el intercambio de calor.

Cuando existe una diferencia de temperatura entre un tubo y el fluido que circula por él, se transfiere calor entre la pared del tubo y el fluido.

La configuración del intercambiador se debió determinar en el diseño del intercambiador dependiendo de los fluidos y las temperaturas del proceso.

USOS

El intercambiador de doble tubo puede ser usado para calentamiento o refrigeración.

Puede utilizarse en diferentes aplicaciones como:

Industria de Proteínas Pastelería y Dulces Productos Lácteos y UHT Bebidas refrescantes y zumos Frutas y Verduras

Comidas Preparadas/Pre-cocinadas Farmacia Higiene Personal Aplicaciones medioambientales: tratamiento de residuos y evaporación

ECUACIONES DE DISEÑO

Balance de energía

Calculo de Temperatura Media Logarítmica

Donde:

Calculo área de flujo en el anulo.

Calculo diámetro equivalente en anulo.

Calculo velocidad de flujo másico

Calculo Número de Reynolds.

Coeficiente de película para los fluidos ignorando el factor de corrección por viscosidad

Corrección de coeficiente de película.

Calculo de coeficiente total de calor limpio.

Calculo de coeficiente total de diseño.

Calculo superficie requerida para la transferencia de calor.

CALCULO CAIDA DE PRESION

Calculo factor de fricción.

Calculo de perdidas de presión por fricción

Calculo diámetro equivalente para la caída de presión.

Calcula de perdidas de presión por entrada y salida para el anulo.

Calculo perdida de presión total para el anulo.

NOMENCLATURA

aa: Área de flujo en el ánulo, m2

A: Superficie de transferencia de calor, m2

Cp: Calor específico fluido caliente, kJ/kg°KD1: Diámetro externo tubo interno, mD2: Diámetro interno tubo externo, mDI: Diámetro interno, mDE: Diámetro externo, mDe: Diámetro equivalente, m

f: Factor de fricción, N*m/m2*s*ºKg: Aceleración de la gravedad, m/s2

Ga: Velocidad de flujo másico, kg/sm2

Gt: Velocidad de masa, kg/s*m2

h0: Coeficiente de transferencia de calor para el anulo, N*m/m2*s*ºKhi0: Coeficiente de transferencia de calor corregido, N*m/m2*s*ºKhi: Coeficiente de transferencia de calor , N*m/m2*s*ºKLMTD: Diferencia Media de Temperatura, ºKm: Masa de fluido caliente, kgn: Número de pasosq: Caudal de fluido caliente a enfriar, kg/hQ: Cantidad de calor entregado por el fluido caliente, kJ/sRD: Factor de obstrucción, sm2K/JRe: Numero de ReynoldsT1: Temperatura de entrada fluido caliente, ºKT2: Temperatura de salida fluido caliente, ºKt1: Temperatura de entrada fluido frío, ºKt2: Temperatura calculada de salida de fluido frío, ºKUc: Coeficiente total limpio, N*m/m2*s*ºKUD: Coeficiente total de diseño, N*m/m2*s*ºKW: Flujo de fluido frío requerido, kg/hμ: Viscosidad, kg/msρ: Densidad, kg/m3

ΔFa: Pérdidas de presión por fricción, PaΔFl: Pérdidas de presión por entrada y salida para el ánulo, PaΔPa: Pérdidas de presión total para el ánulo, Pa

BIBLIOGRAFIA

Gooding, N. Manual de Prácticas Operaciones Unitarias II Universidad nacional de Colombia. Departamento de Ingeniería Química. 1998.

Incropera, F. Fundamentos de Transferencia de Calor. Cuarta Edición, Prentice Hall, México, 1999.

Kern, D. Q. Procesos de Transferencia de Calor. Primera Edición, CECSA, México, 1965.

http://proenergia.com/id27.html

http://web.usal.es/~tonidm/DEI_07_comp.pdf

http://www.frro.utn.edu.ar/~modeladoeningenieria/libros/termodinamica/ capitulos/T18.pdf