Intercambiadores de Calor (2013-1)
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INTERCAMBIADORES DE CALOR
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera sólida o que se encuentren en contacto.
Q
INTERCAMBIADORES DE CALOR
APLICACIONES DE INGENIERIA
Destiladores
Caldera
Conversor eléctrico
Aire acondicionado
Colector solar
Torres de enfriamiento
INTERCAMBIADORES DE CALOR
CLASIFICACIÓN
1. RECUPERADORES Y REGENERADORES RECUPERADORES REGENERADORES
Bajas capacidades, pero baratos
INTERCAMBIADORES DE CALOR
CLASIFICACION 2. PROCESO DE TRANSFERENCIA
CONTACTO INDIRECTO: No existe contacto entre el fluido caliente y el frio
CONTACTO DIRECTO: Existe un contacto intimo entre los dos fluidos
CONTACTO INDIRECTO
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Contacto directo
Torres de enfriamiento
CLASIFICACION 2. PROCESO DE TRANSFERENCIA
Lugares con alta humedad no funcionan bien
INTERCAMBIADORES DE CALOR
CLASIFICACION 3. ARREGLO DE FLUJOS
Flujo cruzado
Flujos no mezclados Un flujo mezclado, un flujo no mezclado
INTERCAMBIADORES DE CALOR
CLASIFICACION 4. GEOMETRIA
Tubulares
Tubos en U
Tubos concéntricos
Colector solar por termosifón
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Placas
CLASIFICACION 3. GEOMETRIA
ALTAS CAPACIDADES Termosoldados o con juntas
INTERCAMBIADORES DE CALOR
CLASIFICACION 5. MECANISMO DE TRANSFERENCIA
Una fase Dos fases: Evaporacion o condensacion
INTERCAMBIADORES DE CALOR
SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Debe satisfacer las especificaciones del proceso y sobrepasar las condiciones de servicio que necesita la planta. Debe resistir la corrosión y las condiciones medio ambientales. Debe permitir su fácil mantenimiento y el remplazo fácil de componentes dañados. Debe ser costeable. La instalación, operación y mantenimiento, incluyendo las perdidas de producción durante tiempos caídos, deben tener un costo bajo. Debe considerar las limitaciones por las dimensiones del lugar, inventario y servicio de mantenimiento.
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Coeficiente global de transferencia de calor U
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
El área de transferencia de calor A, debe de satisfacer las condiciones de operación del proceso especifico
En el caso de intercambiadores de calor hay 4 diferentes temperaturas y debemos de buscar una “global”
INTERCAMBIADORES DE CALOR
FACTOR DE ENSUCIAMIENTO
fo es ocasionado por la precipitación de sólidos, corrosión, incrustaciones e incrustaciones biológicas
fohk
Mh
U
SOLMENF
+++= 11
1
INTERCAMBIADORES DE CALOR
ANALISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
DISEÑO DE INTERCAMBIA-DORES DE CALOR
∆TML
NTU Principalmente se conoce el área de transferencia de calor, y se calculan las temperaturas de salida
Principalmente se tienen las temperaturas de entrada y salida, entonces se calcula el área
INTERCAMBIADORES DE CALOR
METODO DE LA DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA
Calculo de la ∆Tml para un intercambiador de calor simple en flujo en cocorriente
INTERCAMBIADORES DE CALOR
METODO DE LA DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA
1. Partiendo de un balance de energía en cocorriente
4. Sustituyendo las ecuaciones y arreglando:
2. Restando las temperaturas:
3. Ec. de transferencia de calor δQ = U dA (Th – Tc)
INTERCAMBIADORES DE CALOR
METODO DE LA DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA
5. Integrando entradas y salidas
)( ,, ENTCSALCCC TTcpmQ −=Q
TTcpm
ENTCSALC
CC
)(1 ,, −=
)( ,, SALHENTHHH TTcpmQ −=Q
TTcpm
SALHENTH
HH
)(1 ,, −=
6. Utilizando un balance de energía global y sustituyendo en 5
Para flujos en contracorriente
∆T1 = TH,IN – TC,OUT
∆T2 = TH, OUT – TC, IN
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Cuando el espesor es pequeño y k es alta
Q = UAS ∆TML
CASOS EN LAS CORRIENTES DE TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Tambien en casos en que la ∆T1 y ∆T2 sean no mas del 40%, se pude utilizar la diferencia media aritmetica, que dar un error menos al 1% con respecto a la dtml
INTERCAMBIADORES DE CALOR
FACTOR DE CORRECCION
Para intercambiadores de flujos de multiples pasos y flujo cruzado es mas complejo el desarrollo por lo cual se agrega un FACTOR DE CORRECCION
INTERCAMBIADORES DE CALOR
ANALISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
METODO DE LA ∆TML Pasos:
1. Se conoce el tipo de IC apropiado (no el tamaño), por que se conoce U
2. Se conocen las temperaturas (∆T ent-sal y Flujos)
3. Calcular la ∆Tml
4. Calcular el área
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROBLEMA
Si el coeficiente global de transferencia de calor para un intercambiador de tubos concéntricos es de 640 W/m2 °C, determine la longitud requerida utilizando el Método de ∆TML
Cp (agua) = 4.18 kJ/kg C
Cp (agua geotermica) = 4.31 kJ/kg C Respuesta: 108 mts
INTERCAMBIADORES DE CALOR
METODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU
1. Partiendo de un balance de energía (paso 5 del método ∆TML)
2. Haciendo C = m Cp 1
3. Si igualamos QC = QH
2
INTERCAMBIADORES DE CALOR
METODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU
4. Manipulando la definición de EFECTIVIDAD
3
EFECTIVIDAD: Es la razón de la transferencia de calor real de un intercambiador entre la razón máxima posible que se puede transferir
INTERCAMBIADORES DE CALOR
METODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU
5. Combinando las ecuaciones 1, 2 y 3
La ecuación anterior puede expresarse como sigue:
NTU es el numero de unidades de transferencia de calor
INTERCAMBIADORES DE CALOR
METODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU
PASOS:
• Se conoce Cp, flujos y área del IC
• Se conoce la TENT,CAL y TENT, FRIA
• Se calcula CMIN y QMAX
• Se calcula NTU y ε por tablas
• Calculo de las temperaturas de salida
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROBLEMA
Un intercambiador de flujo cruzado consta de 40 tubos de pared delgada de 1 cm de diámetro ubicados en un ducto con sección transversal de 1 m x 1 m. Entra agua fría (cp = 4.18 kJ /kg C y ρ = 1000 kg/m3) a los tubos a 18 C con una velocidad promedio de 3 m/s, en tanto que al canal entra aire caliente (cp = 1 kJ/kg C y ρ = 1 kg/m3) a 130 C a una velocidad promedio = 12 m/s. Si el coeficiente global de transferencia de calor es de 130 W/m2 C, determine las temperaturas de salida de los dos fluidos y la razón de la transferencia de calor.
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Se va a calentar aceite de motor (cp = 2100 J/kg C) de 20 C hasta 60 C, a razón de 0.3 kg/s, en un tubo de cobre de pared delgada y de 2 cm de diámetro, por medio de vapor de agua en condensación que se encuentra fuera a una temperatura de 130 C (hfg= 2174 kJ/kg). Para un coeficiente de transferencia de calor total de 650 W/m2. Determine la velocidad de transferencia de calor y la longitud de requerida del tubo para lograrlo.