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1
INTERCAMBIADORES DE CALOR
(CONCEPTOS)
Intercambiador de calor
Los intercambiadores de calor son equipos de transferencia de calor. Pueden clasificarse según su construcción o el servicio que prestan.
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2
Refigerador: utiliza un refrigerante para enfriar un fluido hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara agua.Condensador: unidades de carcaza y tubo que se utilizan para la condensacion de vapores de desecho. (contacto directo)Enfriador: unidad en la cual una corriente del proceso intercambia calor con agua o aire sin cambio de fase
Clasificación de intercambiadores de calor según el servicio
Calentador: aumenta la entalpia de una corriente sin cambio de fase.Rehervidor: un vaporizador que provee calor latente de vaporizacionGeneradores de vapor: (calderas)Sobrecalentador: calienta el vapor por encima de la temperatura de saturacion.Vaporizador: convierte el liquido en vapor. ( liquidos diferentes al agua)
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3
Intercambiador de doble tuboIntercambiador de coraza y tuboIntercambiador de calor de placasIntercambiadores de calor de flujo cruzado
Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.
Intercambiador de doble tubo: están constituidos por uno o mas tubos en forma de U, encerrados dentro de otro tubo que hace papel de carcaza. Las secciones de doble tubo permiten un flujo en contracorriente y co-corriente. Soportan hasta presiones de 16500 kPa en el lado de la carcaza y 103400 kPa en tubos. Estos intercambiadores se justifican económicamente si el área requerida es
menor de 30 m2
Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.
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4
VersátilManejan altas presionesDisponibles en muchos tamañosFácilmente modificables para mantenimientoU Comparable con intercambiadores de tubo y coraza
Grandes, pesados, y caros por unidad de áreaIntercambiadores de tubo y coraza son menos caros para áreas > 30 m2
Pros Contras
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5
Intercambiador de doble tubo en serie
Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.
Intercambiador carcaza y tubo: consiste en un haz de tubos paralelos encerrados en una carcaza cilíndrica llamado corazaTipos:- Cabezal fijo: tiene ambos extremos del cabezal de tubos sujetos a la carcaza.- Cabezal móvil: tiene un solo extremo del cabezal de tubos sujeto a un extremo, y el otro a un cabezal móvil.
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6
Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.
Amplio intervalo de operación , tamaños, y en especial
1.8 < A < 3 millonft2 bajo costo/ ft2
Inflexibles una vez instalados
Pros Contras
Intercambiador de tubos y carcaza
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7
Intercambiador de tubos y carcaza
Intercambiador serie
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8
Cabezal
Carcaza
Deflectores
Boquilla de canal
Boquilla de la coraza
Componentes de un intercambiador de tubo y carcaza
Boquilla canalBoquilla de la carcaza
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9
Barras tirantesDeflectores transversales
Bafle
Intercambiador de calor de platos : consiste en una serie de placas finas con corrugación que separa los fluidos
Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.
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10
Intercambiadores de calor de placas
Desarrollados para la industria alimenticiaEspecialmente útil donde la corrosión, sedimentación, limpieza y esterilización son importantes. EL flujo es altamente turbulento ⇒ alto U’s, Fácil de desmantelar y limpiar
Pros
• Limitado a temperaturas modestas y bajas presiones <25 bar
• Los empaques son caros y deben ser re-usables.
Contras
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11
r1r2
T1
T2Ecuación de Fourier:dTq kAdr
= −
2A rLπ=
2
1 12
oTr
r T
q kdTrLπ
= −∫ ∫
2 1
2 1
2 ( )ln( / )Lk T Tq
r rπ −
=
Ecuaciones básicas de diseño
r3
T3
Resistencias térmicas:
3atot
T TRq−
=
qT3 T2 T1 Ta
RaR1R2
Ley enfriamiento Newton
2 1
1 2
( )ln( / )
2
T Tq r rLkπ
−=
2 11
ln( / )2
r rRLkπ
= 3 22
2
ln( / )2
r rRLkπ
=
1
1
( ) 11 2
aa
a
T Tq Rr Lh
hAπ
−= → =
3 22 1
1
ln( / )ln( / )12 2 2tot
a
r rr rR Rr Lh Lk Lkπ π π
= = + +∑
r1r2
T1
T2
Ta
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12
Resistencias térmicas:
3 22 1
1
ln( / )ln( / )12 2 2tot
a
r rr rR Rr Lh Lk Lkπ π π
= = + +∑
3
3 22 1
1
( )ln( / )ln( / )1
2 2 2a
Ta Tq r rr rr Lh Lk Lkπ π π
−=
+ +
r3
T3
qT3 T2 T1 Ta
RaR1R2
r1r2
T1
T2
T
Coeficiente global de transferencia de calor
1globalq UA T UA
R= ∆ → =
Coeficiente total de transferencia de calor Uo
Cuando el calor fluye desde un fluido que circula por un lado de untubo a otro fluido que circula por el otro lado del tubo, dicho calor debe vencer las resistencias:
• Rio resistencia de la película laminar del fluido en el interior del tuboreferida al área externa del tubo
• rio resistencia ( factor de ensuciamiento) del material extraño depositado en el interior del tubo
• rw resistencia de la pared del tubo• ro resistencia del material extraño depositado en el exterior tubo• Ro resistencia de la película laminar del fluido en el exterior tubo
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13
Coeficiente global de transferencia
0( )ln( / )1 1
2f i f oo i
i i i o o o
Ti Tq R Rr rh A A Lk A h Aπ
−=
+ + + +
Ai
Ao
Ti
To
ri
ro
hi
ho
** *** *
1ln( / )2
f i f oo i
i i i o o o
UR A A RA r rA A
h A A Lk A h Aπ
=+ + + +
1ln( / ) 12
of i oo o o i
f oi i i o
U R AA A r r Rh A A Lk hπ
=+ + + +
1globalq UA T UA
R= ∆ → =
( )2/U W m K⎡ ⎤= ⎣ ⎦
La ecuación Q=A*U*(Ti-To) se aplica solamente a un punto particular donde el gradiente de temperatura esta definido como (Ti-To). Para aplicar esta ecuación a un intercambiador, donde las temperaturas de ambas corrientes cambian se expresa en forma no muy rigurosa, pero aceptable para la mayoría de los cálculos ingenieriles como:
* *Q Uo Ao LMTD=
:LMTD Diferencia de temperatura media logarítmica
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Diferencia de temperatura media logaritmica (LMTD)
Suposiciones:-Las propiedades de las corrientes son constantes-El intercambio de calor se realiza en estado estacionario-Cada corriente tiene un calor especifico constante-El coeficiente global de transferencia de calor es constante-La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante-No hay perdida de calor-El flujo es en contra- o co-corriente
HT
CT
L0
T
( )H C iT T−( )
oH cT T−
Flujo Paralelo o co-correinte
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15
( )
1 1( )
h c
h c
h c h c
T T Td T dT dT
dq dqd T dqC C C C
∆ = −
∆ = −
⎛ ⎞∆ = − − → − +⎜ ⎟
⎝ ⎠
Th
Tc
Th+dTh
Tc+dTc
dq h h h h h
c c c c c
dq m Cp dT C dTdq m Cp dT C dT
= − = −= =
Ahora sustituyendo
1 1( )h c
d T U TdAC C
⎛ ⎞∆ = − ∆ +⎜ ⎟
⎝ ⎠
dq UdA T= ∆
Integrando
2
1
2
1
( ) 1 1
1 1ln
( ) ( )
( ) ( )
ln [( ) ( )]
h c
h c
h hi ho hhi ho
c co ci cco ci
hi ci ho co
d T U dAT C C
T UAT C C
qq C T T CT T
qq C T T CT T
T UA T T T TT q
⎛ ⎞∆= − +⎜ ⎟∆ ⎝ ⎠
⎛ ⎞⎛ ⎞∆= − +⎜ ⎟⎜ ⎟∆⎝ ⎠ ⎝ ⎠
= − → =−
= − → =−
⎛ ⎞∆= − − − −⎜ ⎟∆⎝ ⎠
∫ ∫
1
2
hi ci
ho co
T T TT T T
− = ∆− = ∆
2 1
2 1ln( / )T Tq UAT T
∆ − ∆=
∆ ∆
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16
( )hi coT T−HT
CT( )ho ciT T−
Flujo contra-corriente
2
1
ho ci
hi co
T T TT T T
− = ∆− = ∆
2 1
2 1ln( / )T TLMTDT T
∆ − ∆=
∆ ∆
Ejemplo:
Para la siguiente configuración calcule la diferencia de temperatura media logarítmica.
Contracorriente
Fluido Caliente Fluido Frio
300 F entra 100 F sale
200 F sale 150 F sale
(300 150) (200 100)(300 150)ln(200 100)
LMTD − − −=
⎛ ⎞−⎜ ⎟−⎝ ⎠
( )Hi coT T−HT
cT( )Ho ciT T−
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Intercambiadores de calor de paso multiple
2 pasos en tubo 1 cacaza
Ti
Toti
to
Intercambiador de calor 1-2
Intercambiador 1-2 carcaza tubo
Ti
To
ti
to
Ti
Tito
ti
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El LMTD es valido para flujos en corriente y contracorriente. Para los demás tipos de intercambiador es necesario hacer una corrección.
MTD= F*LMTD
Se define R= Relacion de las capacidades termicas entreel fluido frio y caliente
2 1 1 2
2 1
2 1
( )
( )
c pc c c h h
h ph c c
h h
qm C T T T TR qm C T T
T T
− −= = =
−−
P= relación entre el calor real calculado con el fluido frio y la cantidad máxima de calor que pudiera recibir el fluido frio si el intercambiador tuviera un área infinita y saliera en equilibrio
2 1 2 1
1 1 1 1
( ) ( )( ) ( )
c pc c c c c
c pc h c h c
m C T T T TPm C T T T T
− −= =
− −
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19
Ft= 1 Flujo equivalente a contracorrienteFt<1 debido a que la configuracion en paralelo no es tan efectivacomo la contracorriente
o i
i i
t tPT t
−=
−
i o
o i
T TRt t
−=
−
MTD= F*LMTD
Grafica para calcular FT
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20
Reglas para el FT
Generalmente evitar diseños con FT <0.75Conduce a áreas muy grandes, usualmente se puede encontrar otro arreglo que trabaje mejor
Para una simple coraza, con cualquier numero de pasos en tubo (1-2n), FT debe ser mayor que 0.9
Intercambiadores coraza tubo 2-2
∆Tm= F*LMTD
Toti
to bafle
Bafles longitudinales: permiten obtener flujos siempre en contracorrientes
2 pasos en carcaza 2 pasos en tubo
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21
Toti
to
to
Intercambiador 1-2 en serie
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22
Problema:Para las siguientes temperaturas terminales,
calcule la diferencia de temperatura media efectiva (MTD)
200180200200to 200To250100280100300ti 100Ti 350
FluidoFrio
FluidoCalien
FluidoFrio
FluidoCalien
FluidoFrio
FluidoCalien
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23
Análisis del intercambiador de calor
Método la diferencia de temperatura media logarítmicaMétodo de eficiencia NUT
Temperatura media logarítmica
1 2
1 2
2 1 1 2
1 1 2 1
* *
ln( / )
;
( , , )
c c h h
h c c c
Q U A LMTDT TLMTDT T
T T T TP RT T T T
F P R arregloφ
=∆ − ∆
=∆ ∆
− −= =
− −=
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24
Método eficiencia NTU
Defina la relación de capacidades, donde Cmin y Cmax son el mas pequeño y mas grande de Ch y Cc , respectivamente
Definir la eficiencia, como la razón entre la transferencia real de calor para un intercambiador de calor y la transferencia de calor máxima posible
* min
max
CCC
=
* min
max
CCC
=* min
max
CCC
=
* min
max
CCC
=
, , , ,
max min , , min , ,
min , ,
( ) ( )=
( ) ( )Q= C ( )
h h i h o c c o c i
h i c i h i c i
h i c i
C T T C T Tqq C T T C T T
T T
ε
ε
− −= →
− −
−
Método eficiencia NTU
Calcule el numero de unidades de transferencia
* min
max
CCC
=
* min
max
CCC
=* min
max
CCC
=
min
AUNUTC
=
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25
Condiciones de flujoFlujo Laminar: se caracteriza por un movimiento suave de capas de fluido, desplazándose una sobre la otra sin mezclarse, la velocidad en un punto dado es constante y sigue un perfil constante
Flujo Turbulento: se caracteriza por el intercambio y mezcla del fluido en la direccion radial de una parte del fluido a otra, la velocidad en un punto dado fluctua en un valor promedio
El régimen del flujo existente se caracteriza por el numero de Reinold
Re DiV GDiρµ µ
= =
donde:
3
2
Di Diametro interno del tubo (m)V = Velocidad promedio del fluido en el tubo ( m/s)
= Densidad del fluido ( kg/m ) = Viscosidad del fluido (kg/m.s)
G= velocidad masica (kg/s.m )
ρµ
=
Re > 10000 Flujo turbulentoRe <= 2.000 Flujo laminar2100< Re < 10000 zona transición
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26
ch LNuk
=
Numero de Nusselt: coeficiente adimensional de transferencia de calor
Numero de Prandtl: coeficiente adimensional formado a partir de las propiedades del fluido, cociente entre a viscosidad cinemática y la difusividad térmica. (tabulados)
Pr Cpk
µ=
K = conductividad térmica del fluidoCp= calor especifico del fluido
0.8 0.40.023*Re PrNu =
Flujo turbulento: ( Dittus y Boelter) : aplicable en diferencias moderadas entre la pared y el fluido
Para 0.5 < Pr < 100 104 < Re <5x106
Flujo laminar: ( Sieder y Tate) : propiedades evaluadas a la media aritmética de la diferencias de temperatura de entrada y salida
0.141/31/31.86*(Re Pr)
p
dNuL
µµ
⎛ ⎞⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
µp= viscosidad a la temperatura de la pared
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27
Temperatura calórica
( )c salida c entrada salidaT T F T T= + −
Para el fluido caliente se expresa
Para el fluido frio
( )c entrada c salida entradat t F t t= + −
Las propiedades de transporte de fluido se evalúan a las temperaturascalóricas respectivas. (fluidos alta viscosidad )
Fc se calcula con los rangos de temperatura del fluido caliente y frió y la densidad API (grafica 17 Kern):
1 2
1 2
h h h
c c c
T T TT T T
∆ = −∆ = −
Gravedad API
50100
Rango temperatura
kc
/tc th∆ ∆
kc0.01
10
Fc
Kc mayor = pelicula controlante
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Factor de obstrucciónLa resistencia a la transferencia de calor debida al ensuciamiento son causadas por sedimentos, polímetros y otros depósitos.Mecanismo de ensuciamientoEnsuciamiento por sedimentación:Algunas corrientes en particular el agua contienen sólidos suspendidosque se depositan sobre el área de transferencia. El ensuciamiento porsedimentación depende de la velocidad del fluido.Ensuciamiento por inversión de la solubilidad:Ciertas sales presentes en las aguas, son menos solubles en aguas calientes que en fria, ej: sulfato de calcio. Si la temperatura de la superficie es mayor que la temperatura de saturacion de la sal esta precipita.
Mecanismo de ensuciamientoEnsuciamiento por reacción química:Ocurre cuando hay reacción química en una de las corrientes, queorigina la producción de una fase sólida cerca de la superficie.Ensuciamiento por corrosión:Si una corriente corroe el metal de la superficie de transferencia.Ensuciamiento biológico:Aguas que contienen organismos que se adhieren a la superficies sólidas
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Criterios para el diseño de intercambiadores:
•El ensuciamiento no es usualmente severo por debajo del los 120 C.•El ensuciamiento es mas severo cuando los hidrocarburos se calientan•Vaporización en un intercambiador puede causar ensuciamiento severo.•Altas velocidades tienden a reducir el ensuciamiento•La alimentación a los reformadores catalíticos y plantas de desintegración catalítica, muchas veces se ven afectadas por un proceso de ensuciamiento severo debido a las reacciones orgánicas con oxigeno, que ocurre mientras alimentación se encuentra almacenada en los tanques.
Temperatura de la pared
0.14
w
µφµ
⎛ ⎞= ⎜ ⎟
⎝ ⎠
Coeficiente de corrección por viscosidad
viscosidad a la temperatura de la paredwµ =
En el caso de líquidos, la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura.