INTERCAMBIADORES DE CALOR (CONCEPTOS) · Intercambiadores de calor de flujo cruzado Clasificación...

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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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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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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 vaporizacion

Generadores 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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Intercambiador de doble tubo

Intercambiador de coraza y tubo

Intercambiador de calor de placas

Intercambiadores 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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Versátil

Manejan altas presiones

Disponibles en muchos tamaños

Fácilmente modificables para

mantenimiento

U Comparable con

intercambiadores de tubo y coraza

Grandes, pesados, y caros por

unidad de área

Intercambiadores de tubo y

coraza son menos caros para

áreas > 30 m2

Pros Contras

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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 coraza

Tipos:

- 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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Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.

Amplio intervalo de

operación , tamaños, y

en especial

1.8 < A < 3 millon

ft2 bajo costo/ ft2

Inflexibles una vez

instalados

Pros Contras

Intercambiador de tubos y carcaza

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Intercambiador de tubos y carcaza

Intercambiador serie

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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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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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Intercambiadores de calor de placas

Desarrollados para la industria

alimenticia

Especialmente 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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r1

r2

T1

T2Ecuación de Fourier:

dTq kA

dr= −

2A rLπ=

2

1 12

oTr

r T

qkdT

rLπ= −∫ ∫

2 1

2 1

2 ( )

ln( / )

Lk T Tq

r r

π −=

Ecuaciones básicas de diseño

r3

T3

Resistencias térmicas:

3atot

T TR

q

−=

q

T3 T2 T1 Ta

RaR1R2

Ley enfriamiento Newton

2 1

1 2

( )

ln( / )

2

T Tq

r r

Lkπ

−=

2 11

ln( / )

2

r rR

Lkπ= 3 2

2

2

ln( / )

2

r rR

Lkπ=

1

1

( ) 1

1 2

aa

a

T Tq R

r Lh

hA

π−

= → =

3 22 1

1

ln( / )ln( / )1

2 2 2tot

a

r rr rR R

r Lh Lk Lkπ π π= = + +∑

r1

r2

T1

T2

Ta

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Resistencias térmicas:

3 22 1

1

ln( / )ln( / )1

2 2 2tot

a

r rr rR R

r Lh Lk Lkπ π π= = + +∑

3

3 22 1

1

( )

ln( / )ln( / )1

2 2 2a

Ta Tq

r rr r

r Lh Lk Lkπ π π

−=

+ +

r3

T3

qT3 T2 T1 Ta

RaR1R2

r1

r2

T1

T2

T

Coeficiente global de transferencia de calor

1global

q UA T UAR

= ∆ → =

Coeficiente total de transferencia de calor Uo

Cuando el calor fluye desde un fluido que circula por un lado de un

tubo 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 tubo

referida 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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Coeficiente global de transferencia

0( )

ln( / )1 1

2

f i f oo i

i i i o o o

Ti Tq

R Rr r

h A A Lk A h Aπ

−=

+ + + +

Ai

Ao

Ti

To

ri

ro

hi

ho

*

* *** *

1

ln( / )

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

=+ + + +

1

ln( / ) 1

2

of i oo o o i

f o

i i i o

UR AA A r r

Rh A A Lk hπ

=+ + + +

1global

q UA T UAR

= ∆ → =

( )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 i

T T−( )

oH cT T−

Flujo Paralelo o co-correinte

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( )

1 1( )

h c

h c

h c h c

T T T

d T dT dT

dq dqd T dq

C C C C

∆ = −

∆ = −

⎛ ⎞∆ = − − → − +⎜ ⎟

⎝ ⎠

Th

Tc

Th+dTh

Tc+dTc

dqh h h h h

c c c c c

dq m Cp dT C dT

dq 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 h

hi ho

c co ci c

co ci

hi ci ho co

d TU dA

T C C

TUA

T C C

qq C T T C

T T

qq C T T C

T T

T UAT T T T

T q

⎛ ⎞∆= − +⎜ ⎟∆ ⎝ ⎠

⎛ ⎞⎛ ⎞∆= − +⎜ ⎟⎜ ⎟∆⎝ ⎠ ⎝ ⎠

= − → =−

= − → =−

⎛ ⎞∆= − − − −⎜ ⎟∆⎝ ⎠

∫ ∫

1

2

hi ci

ho co

T T T

T T T

− = ∆− = ∆

2 1

2 1ln( / )

T Tq UA

T T

∆ − ∆=

∆ ∆

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( )hi coT T−H

T

CT( )ho ciT T−

Flujo contra-corriente

2

1

ho ci

hi co

T T T

T T T

− = ∆− = ∆

2 1

2 1ln( / )

T TLMTD

T 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

Ti

to

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 entre

el fluido frio y caliente

2 1 1 2

2 1

2 1

( )

( )

c pc c c h h

h ph c c

h h

q

m 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 TP

m C T T T T

− −= =

− −

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Ft= 1 Flujo equivalente a contracorriente

Ft<1 debido a que la configuracion en paralelo no es tan efectiva

como la contracorriente

o i

i i

t tP

T t

−=

i o

o i

T TR

t t

−=

MTD= F*LMTD

Grafica para calcular FT

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Reglas para el FT

Generalmente evitar diseños con FT

<0.75

Conduce 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), F

Tdebe

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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Toti

to

to

Intercambiador 1-2 en serie

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Problema:

Para las siguientes temperaturas terminales,

calcule la diferencia de temperatura media efectiva (MTD)

200180200200to 200To250

100280100300ti 100Ti 350

Fluido

Frio

Fluido

Calien

Fluido

Frio

Fluido

Calien

Fluido

Frio

Fluido

Calien

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Análisis del intercambiador de calor

Método la diferencia de temperatura media logarítmica

Método 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 LMTD

T TLMTD

T T

T T T TP R

T T T T

F P R arregloφ

=∆ − ∆

=∆ ∆

− −= =

− −=

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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

CC

C=

* min

max

CC

C=

* min

max

CC

C=

* min

max

CC

C=

, , , ,

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 Tq

q C T T C T T

T T

ε

ε

− −= →

− −

Método eficiencia NTU

Calcule el numero de unidades de transferencia

* min

max

CC

C=

* min

max

CC

C=

* min

max

CC

C=

min

AUNUT

C=

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Condiciones de flujo

Flujo 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

ReDiV GDiρ

µ 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 turbulento

Re <= 2.000 Flujo laminar

2100< Re < 10000 zona transición

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ch L

Nuk

=

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)

PrCp

k

µ=

K = conductividad térmica del fluido

Cp= 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 salida0.14

1/3

1/31.86*(Re Pr)p

dNu

L

µµ

⎛ ⎞⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

µp= viscosidad a la temperatura de la pared

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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 temperaturas

calóricas 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 T

T 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

suspendidos

que se depositan sobre el área de transferencia. El ensuciamiento

por

sedimentación 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, que

origina 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.