1Enginyeria del Medi RuralFacultat dEnologiaEnginyeria Tcnica Agrcola. Indstries Agrries i Alimentaries2on Curs22 INTERCAMBIADORES DE CALORTERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR2.1 - IntroduccinSe llama intercambiador de calor al dispositivo cuyo objetivo es transferir energa trmica entre dos fluidos.Tipos de intercambiadores:- regeneradores.- de tipo abierto.- de tipo cerrado o recuperadores.32 INTERCAMBIADORES DE CALORRegeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a travs del mismo espacio que posteriormente seratravesado por un fluido fro en forma alternada.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOREjemplo:42 INTERCAMBIADORES DE CALORDe tipo abierto, en ellos las corrientes fluidas de entrada fluyen hacia una cmara abierta producindose una mezcla fsica completa de las dos corrientes. Las corrientes calientes y fra que entran por separado salen mezcladas en una sola.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOREjemplos:Alimentacin a una calderaTorre de refrigeracin (transferencia de calor y masa)52 INTERCAMBIADORES DE CALORTipo cerrado, son aquellos en los que la transferencia de calor entre dos corrientes fluidas se produce sin mezclarse entre s. Las corrientesestn separadas por una pared de tubo u otra superficie. En consecuencia, la transferencia de calor ocurre por conveccindesde el fluido ms caliente a la superficie slida, por conduccin a travs del slido, y de ah por conveccin desde la superficie slida al fluido ms fro.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR62 INTERCAMBIADORES DE CALOR2.2 CLASIFICACIN DE LOS INTERCAMBIADORES2.2.1 En base a su funcinREFRIGERANTES: intercambiadores cuya funcin es enfran un fluido, dicho enfriamiento se realiza normalmente con agua o aire que se calienta hasta una temperatura fijada.CONDENSADORES: el fluido caliente entra total o parcialmente en fase vapor y se condensa saliendo en fase lquida. El enfriamiento se puede realizar calentando otro fluido de proceso, o bien, si la temperatura de condensacin es baja, por medio de aguao aire de refrigeracin.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR72 INTERCAMBIADORES DE CALORHERVIDORES: equipos en los que el fluido es calentado con el fin de producir un cambio de fase, pasando de la fase lquida a la de vapor.El calentamiento del fluido fro se realiza normalmente con vapor de agua.INTERCAMBIADORES EN GENERAL: aquellos cuya misin es intercambiar calor de un fluido a otro sin que se produzca cambio de fase entre ellos.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR82 INTERCAMBIADORES DE CALOR2.2.1 En base a su forma constructivaSEGN LAS DIRECCIONES DE LOS FLUJOS:Equicorriente o CocorrienteDe flujos paralelosContracorrienteLos de flujos paralelos, son los intercambiadores ms simple, estn constituidos por dos o ms tubos concntricos por donde circulan los flujos de los distintos fluidos.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR92 INTERCAMBIADORES DE CALORIntercambiador de calor detubo concntrico con flujo en cocorriente.Intercambiador de calor detubo concntrico con flujo en contracorriente.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR102 INTERCAMBIADORES DE CALORDistribucin de temperaturasTERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR112 INTERCAMBIADORES DE CALORIntercambiadores de flujo cruzadoLos de flujos cruzados, son aquellos en los que las corrientes fluyen transversales entre s (perpendiculares unas a otras).Flujo cruzado no mezclado Flujo cruzado mezcladoTERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR122 INTERCAMBIADORES DE CALORINTERCAMBIADORES COMPACTOSTERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR132 INTERCAMBIADORES DE CALORINTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACASPartes del intercambiador de placasFlujo en un intercambiador de placasTERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALORMayor rea de transferencia por unidad de volumen respecto a los intercambiadoresde carcasa y tubo.142 INTERCAMBIADORES DE CALORINTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBOSUno de los fluidos circula por el interior de los tubos, mientras el otro fluido se ve forzado a circular por el exterior de los tubos, en el interior de la carcasa transversalmente a ellos. As aumentamos el coeficiente de transferencia del calor entre los dos fluidos. Para conseguir este flujo cruzado, en la carcasa se colocan unas pantallas o baffles.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR152 INTERCAMBIADORES DE CALORPara la determinacin de que tipo de fluido circular por los tubos y cual por el interior de la carcasa, se tienen en cuenta las siguientes consideraciones:Si un fluido es muy corrosivo o genera ms incrustaciones en las superficies slidas, generalmente se utiliza del lado de los tubos, por su mayor facilidad de limpieza. Cada de presin y/o requerimientos de bombeo para los dos Fluidos: generalmente se encuentra la mayor cada de presin del lado de los tubos.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR162 INTERCAMBIADORES DE CALORMltiples pasos por tubos y por carcasa (I)TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALORIntercambiador de tubo y carcasa con un paso por carcasa y un paso portubo operando en contracorriente172 INTERCAMBIADORES DE CALORMltiples pasos por tubos y por carcasa (II)TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALORIntercambiadores de tubo y carcasa: a) un paso por carcasa y dos por tubosb) dos pasos por carcasa y cuatro por tubos182 INTERCAMBIADORES DE CALORMltiples pasos por tubos y por carcasa (III)TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR192 INTERCAMBIADORES DE CALOR2.3 FACTORES DE INCRUSTACIN O SUCIEDADDuranteel funcionamiento, se produce gradualmente una pelcula de suciedad sobre la superficie (xido, incrustacin de cal, deposicin deslidos,) en la que se produce la transferencia de calor.Su efecto, consiste en aumentar la resistencia trmica del sistema.Slo puede garantizarse el rendimiento de los intercambiadores limpios.La resistencia trmica adicional causada por el ensuciamiento de los intercambiadores slo puede determinarse mediante ensayos de rendimientos.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR202 INTERCAMBIADORES DE CALORU URdd1 1 =En donde:U=Coeficiente global del intercambiador limpioUd =Coeficiente global una vez formado el depsitoRd =resistencia trmica del depsito.Operando:URUdd11+=TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR212 INTERCAMBIADORES DE CALORCalor transferido incluyendo factores de ensuciamientoq = U A ATSiendo U el coeficiente global de transferencia. =+ +=+ +A=3 2 1 3 2 11;R R RUAR R RTqi i o oo coioi ciA U A UA h L krrA h= =+ +12ln11tRecordar que :TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR222 INTERCAMBIADORES DE CALORSi aparece ensuciamiento, se aadirn 2 resistencias ms al circuito trmico (ensuciamiento a ambos lados de la pared):;5 4 3 2 1R R R R RTq+ + + +A=o o i io co oo ioiii ciA U A UA h ARL krrARA hUA = =+ + + +=1 "2ln" 11tSiendo:Ri = Factor de ensuciamiento interior.Ro = Factor de ensuciamiento exterior.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR232 INTERCAMBIADORES DE CALORSi se tiene en cuenta la superficie exterior:Ao = 2t ro LEl coeficiente global de transmisin en funcin de la superficie exterior es:cooiooioii cioohRkrrrrrRr hrU1"ln"1+ + + +=TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR24Tipo de fluidoFactor de incrustacin, Rd (m2. K / W)2 INTERCAMBIADORES DE CALORFactores de incrustacin habitualesAgua de mar a menos de 325 K0,0001 Agua de mar a ms de 325 K0,0002Agua de alimentacin de calderatratada a ms de 325 K0,0002Fuel-oil0,0007Vapor0,0001Refrigerante0,0002TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR252 INTERCAMBIADORES DE CALOR2.4 ANLISIS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR2.4.1 Perfiles de temperaturaDistribucin de temperaturas enun condensador de un solo paso.Distribucin de temperaturas enun evaporador de un solo paso.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR262 INTERCAMBIADORES DE CALORDistribucin de temperaturas enco-corriente de un solo paso.Distribucin de temperaturas encontracorriente de un solo paso.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR272 INTERCAMBIADORES DE CALOR2.4.2 Diferencia de temperatura media logartmicaPara el diseo y anlisis de intercambiadores hemos de relacionar el calorintercambiado con el rea de intercambio:TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR282 INTERCAMBIADORES DE CALORDeferencia media logartmica de temperaturas. Caso de flujos paralelosBalance de energa sobre el rea diferencial dA conduce a:f f c cf pf f c pc cdT C dT C dqdT c m dT c m dq= == =m= flujo msico en kg/scp = calor especfico a presin cte. en J/kg.KT =temperatura media del seno del fluido. Subndices c y f se refieren al fluido caliente y froCc = mc cpc, capacidad trmica del fluido caliente, Cf = mf cpf, capacidad trmica del fluido fro, en W/KTERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR292 INTERCAMBIADORES DE CALORSiendo, f cT T T = ADiferenciando y sustituyendo valores:||.|

\|+ = = = Af c f cf cC CdqCdqCdqdT dT T d1 1Y sustituyendo dq por su valor:;1 1 ) (;1 1dAC CUTT dC CT dA U T df cf c||.|

\|+ =AA||.|

\|+ A = ATERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR302 INTERCAMBIADORES DE CALOR||.|

\|+ =AA}||.|

\|+ =}AAf cf cC CA UTTdAC CUTT d1 1ln;1 1 ) (122121Integrando la expresin anterior:Por otra parte, integrando las expresiones:f f c cdT C dq dT C dq = = ;co cicco ci c ci co cTT c cT TqCT T C T T C q dT C dqcoci= = =} =}) ( ) ( ;21TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR312 INTERCAMBIADORES DE CALORfo fiffi fo fTT f fT TqCT T C q dT C dqfofi= =} =}) ( ;21Para la corriente fra:Sustituyendo estas expresiones y operando:||.|

\|+ =AAqT TqT TA UTTfi foco ci12ln( ) ( ) | |fi ci fo coT T T TqA UTT =AA12lnTERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR322 INTERCAMBIADORES DE CALORTeniendo en cuenta los dos extremos del intercambiador (flujo co-corriente):121 21 2lnTTT TA U qT T T y T T Tfi ci fo coAAA A= = A = APara el flujo en contracorriente puede emplearse la misma expresin peroteniendo en cuenta que en este caso tendremos:fo ci fi coT T T y T T T = A = A1 2TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR332 INTERCAMBIADORES DE CALORComparando con:T dA U dq A =Se obtiene:121 2lnTTT TTAA A A= AQue se conoce como Diferencia de temperaturas media logartmica ,LMTD o ATlmEn el caso de contracorriente, AT ~ cte por lo tanto ATlm (c.c.) >ATlm (parl) y para unmismo valor de U, se requiere menor rea A. TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR342 INTERCAMBIADORES DE CALORINTERCAMBIADORESSIMPLES ENCO-CORRIENTETERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR352 INTERCAMBIADORES DE CALORINTERCAMBIADORESSIMPLES ENCONTRACORRIENTETERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR362 INTERCAMBIADORES DE CALOREn el caso de intercambiadores ms complejos como los: montajes de carcasa y tubo con varios pasos por tubos y/o por carcasa intercambiadores de flujos cruzados que tienen flujo con mezcla o sin mezcla resulta compleja la deduccin matemtica de una expresin para la diferencia media de temperaturas. El procedimiento usual consiste en modificar la ATlm mediante factores de correccin que pueden obtenerse grficamente. TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR372 INTERCAMBIADORES DE CALORATlm corregida = ATlm FF= factor de correccin.F es funcin de P:in t in sin t o tT TT TP, ,, ,=(Subndices: t = tubos, s = carcasa, o = salida, in = entrada)in t o to s in sps spt tT TT Tc mc mZ, ,, ,= =TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR382 INTERCAMBIADORES DE CALORFactor de correccin para un intercambiadorde carcasa y tubos con un paso por carcasay mltiples de dos por tubos (dos, cuatros,)TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR392 INTERCAMBIADORES DE CALORFactor de correccin para un intercambiadorde carcasa y tubos con un paso por carcasay mltiples de dos por tubos (dos, cuatros,)On: R = ZTERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR402 INTERCAMBIADORES DE CALORFactor de correccin para un intercambiadorde carcasa y tubos con dos pasos por carcasay mltiples de cuatro por tubos(cuatro, ocho, )TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR412 INTERCAMBIADORES DE CALORFactor de correccin para un intercambiadorde carcasa y tubos con dos pasos por carcasay mltiples de cuatro por tubos(cuatro, ocho, )On: R = ZTERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR422 INTERCAMBIADORES DE CALORFactor de correccin para un intercambiadorde flujos cruzados (paso simple) con ambosfluidos no mezclados.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR432 INTERCAMBIADORES DE CALORFactor de correccin para un intercambiadorde flujos cruzados (paso simple) con unfluido mezclado y otro no mezclado.TERMOTCNIA - TEMA 2 INTERCAMBIADORES DE CALOR