INTERCAMBIADORES DE CALOR

El diseo completo de un cambiador de calor, puede descomponerse en tres fases principales:

El anlisis trmicoEl diseo mecnico preliminarEl diseo para su contruccin y montaje

Se dar nfasis al diseo trmico, se ocupa principalmente en determinar el rea de superficie necesaria para transferir calor a una velocidad especifica a determinados niveles dados de flujo y temperatura de los fluidos

El diseo mecnico considera las temperaturas de operacin, las caractersticas de corrosin de uno o ambos fluidos, las expansiones trmicas relativas y los esfuerzos trmicos que la acompaan y la relacin del cambiador de calor con otros equipos que intervenga.

El diseo para la fabricacin traduce las caractersticas y dimensiones fsicas a una unidad que pueda construirse a bajo costo. Es preciso hacer la seleccin de materiales, acabados y cubierta, elegir el dispositivo mecnico ptimo, especificar los procedimientos de fabricacin e instalacin

Tipos bsicos de cambiadores de calorFlujo paraleloFlujo contracorrienteFlujo cruzado o transversal

Pueden existir tres tiposFlujo de fluido sin mezclarUno de los fluidos sin mezclarLos fluidos se mezclan

En general existen de acuerdo a su construccin:De tubo y corazaDe placa plana

Diferencia media de temperaturaGeneralmente las temperaturas de los fluidos en un cambiador de calor no son constantes, sino que varan de un punto a otro a medida que el calor pase del fluido mas caliente al fro

Distribucin de temperatura en un condensador de un paso de tubosVapor que se condensa a una temperatura constante, el otro fluido se calientarea

Distribucin de temperatura en un Vaporizador de un paso de tubosEl liquido que se esta evaporando a temperatura constante, mientras que el calor fluye de un fluido ms caliente cuya temperatura decrece conforme pasa a travs del intercambiadorrea

Distribucin de temperatura en intercambiadores de calor de flujo en cocorriente de un paso de tubos

Intercambiador en contra corriente

INTERCAMBIADOR DE CORRIENTES PARALELAS EN CONTRACORRIENTE

TIPOS BSICOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOREl intercambiador de calor ms sencillo se compone de un tubo dentro de otro tubo; este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en contracorriente como en cocorriente, circulando el fluido caliente o el fro a travs del espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubera interior.

En un flujo paralelo en cocorriente, la temperatura final del fluido ms fro nunca puede llegar a ser igual a la temperatura de salida del fluido ms caliente. Sin embargo, en un flujo en contracorriente, la temperatura final del fluido ms fro (que es el que se calienta) puede superar la temperatura de salida del fluido ms caliente (que se enfra), puesto que existe un gradiente de temperaturas favorable a todo lo largo del intercambiador de calor.

Si las dos corrientes son del mismo orden de magnitud, la velocidad del lado de la carcasa es menor que la del lado de los tubos; por esta razn se instalan placas deflectoras con el fin de disminuir la seccin de flujo del lquido del lado de la carcasa y obligarlo a circular en direccin cruzada a la bancada de tubos en vez de hacerlo paralelamente a ellos; de esta forma se consigue un coeficiente de transferencia de calor ms elevado en flujo cruzado que en circulacin paralela a los tubos.

Los tubos se fabrican en todos los metales corrientes con un determinado dimetro exterior y un definido espesor de pared, segn el nmero BWG.Los tubos se disponen segn una ordenacin triangular o rectangular (regular); cuando el lado de la carcasa tiene gran tendencia a ensuciarse no se utiliza la disposicin triangular por cuanto los espacios entre tubos son de difcil acceso, cosa que no sucede en la disposicin cuadrada, que a su vez provoca una menor cada de presin en el lado de la carcasa que la disposicin triangular.Las normas TEMA especifican una distancia mnima de centro a centro de los tubos de 1,25 veces el dimetro exterior de los mismos para la disposicin triangular y una anchura mnima de las calles de limpieza de 1/4 de pulgada para la disposicin cuadrada.

La cada de presin en el lado de la carcasa, para una distribucin de tubos con deflectores, se puede estimar por la ecuacin de Delaware, como suma de las siguientes aportaciones, Cada de presin en las secciones de entrada y salida Cada de presin asociada a las secciones interiores delimitadas por los deflectoresCada de presin asociada con el cortocircuito y las fugas

en la que es la cada de presin uniforme en la batera de tubos, Ndef es el nmero de deflectores y k* una constante del orden de 0,2 a 0,3, que indica que la cada de presin real es slo un 20% a un 30% de la que se obtendra en la misma batera de tubos si el flujo fuese uniforme.

INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOSEn el enfriamiento o calentamiento de gases es interesante utilizar un intercambiador de calor en flujo cruzado, en el que uno de los fluidos (lquido o gas) circula por el interior de los tubos, mientras que al otro fluido (gaseoso) se le obliga a circular perpendicularmente al haz de tubos; el flujo del fluido exterior puede realizarse mediante conveccin forzada o libre; el gas que circula por el exterior de los tubos se considera de tipo de mezcla, mientras que el fluido del interior de los tubos se considera sin mezclar; el flujo del gas exterior es con mezcla porque puede moverse libremente entre los tubos cuando intercambia calor, mientras que el fluido del interior de los tubos est confinado y no puede mezclarse con ningn otro flujo o corriente durante el proceso de intercambio de calor.

COEFICIENTE U DE TRANSFERENCIA TRMICA GLOBALUna de las primeras cuestiones a realizar en el anlisis trmico de un intercambiador de calor de carcasa y tubos consiste en evaluar el coeficiente de transferencia trmica global entre las dos corrientes fluidas. Sabemos que el coeficiente de transferencia trmica global entre un fluido caliente a temperatura TC y otro fro a temperatura TF separados por una pared plana se define mediante la ecuacin,

Si el coeficiente de transferencia trmica global viene referido a la superficie exterior Ae el valor de Ue ser y Ai es Ui.

FACTOR DE SUCIEDAD Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de transferencia de calor global de un intercambiador de calor al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento, teniendo slo en cuenta el anlisis trmico; durante el funcionamiento con la mayora de los lquidos y con algunos gases, se van produciendo gradualmente unas pelculas de suciedad sobre la superficie en la que se realiza la transferencia trmica, que pueden ser de xidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto que sta suciedad origina se conoce con el nombre de incrustaciones, y provoca un aumento de la resistencia trmica del sistema; normalmente el fabricante no puede predecir la naturaleza del depsito de suciedad o la velocidad de crecimiento de las incrustaciones, limitndose nicamente a garantizar la eficiencia de los intercambiadores limpios.

U limpio es el coeficiente global de transmisin de calor del intercambiador limpio, respecto a la seccin exteriorUsuc. es el coeficiente global de transmisin de calor del intercambiador despus de producirse el depsitohce es el coeficiente de conveccin medio del fluido en el exterior del tubohci es el coeficiente de conveccin medio del fluido en el interior del tuboRe es la resistencia unitaria del depsito de suciedad en el exterior del tuboRi es la resistencia unitaria del depsito de suciedad en el interior del tuboRequiv es la resistencia unitaria del tubo, en la que se han considerado los depsitos de suciedad interior y exterior, y el material del tubo, en (m2 K / W), basada en el rea de la superficie exterior del tubo.Ae/Ai es la relacin entre la superficie exterior y la interior del tubo.

La resistencia trmica del depsito se puede determinar, generalmente, a partir de ensayos reales o de la experiencia. Si se realizan ensayos de rendimiento en un intercambiador limpio y se repiten despus de que el aparato haya estado en servicio durante algn tiempo, se puede determinar la resistencia trmica del depsito (o factor de incrustacin) RSuc mediante la relacin,

Factores de incrustacinSi las pruebas de rendimiento se hacen en un cambiador limpio y se repite despus de que la unidad ha estado en servicio durante cierto tiempo, la resistencia trmica del deposito puede determinarse a travs de la relacin:

U = Unidad de conductancia del cambiador limpioUa = Conductancia despus de formarse las incrustacionesRd = Unidad de resistencia trmica de la costra de incrustaciones

Los factores de incrustacin deben aplicarse de la siguiente manera:

Ud = Coeficiente total de tranferencia de calor en (BTU / h pie2 F) del diseo basado en la unidad de rea de la superficie exterior del tuboh0 = Conductancia promedio por unidad de superficie, del fluido sobre el lado exterior de la tubera (BTU / h pie2 F)hi = Conductancia promedio por unidad de superficie del fluido, en el lado interior de la tubera (BTU / h pie2 F)Ro = Unidad de resistencia de incrustaciones sobre el lado exterior de la tubera (h pie2 F / BTU).Ri = Unidad de resistencia de incrustaciones en el lado interior de la tubera (h pie2 F / BTU).Rk = Unidad de resistencia exterior de la tubera (h pie2) de superficie exterior del tubo (F / BTU).A0 / Ai = razn de la superficie exterior del tubo a la superficie interior del tubo.

Diferencia media de temperaturaGeneralmente la temperatura de los fluidos en un cambiador de calor no son constantes, sino que varan de un punto a otro a medida que el calor pasa del fluido ms caliente al ms fro. Aun para una resistencia trmica constante, la velocidad del flujo de calor variara a lo largo de la trayectoria de los cambiadores porque su valor depende de la temperatura.

Para el anlisis de la distribucin de flujo en intercambiadores se tomara un intercambiador de flujo paralelo como ejemplo.

Siendo:A = rea de transferencia de calor medida desde la entrada del intercambiador (pie2) (m2)mF, mC = tasa de flujo masico de los fluidos fro y caliente (lb / h) (kg /h)dT = TC TF = diferencia de temperatura local, entre fluido caliente y fro en la posicin A tomada desde la entrada (F) (C)U = Coeficiente local total de transferencia de calor entre los dos fluidos

TRANSMISIN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO, A TEMPERATURAS VARIABLES, A TRAVS DE UNA PARED

se denomina temperatura media logartmica (LMTD), Logarithmic mean temperature diferencie.La ecuacin anterior se poda haber demostrado tambin, considerando que la diferencia de temperaturas del fluido es funcin de q, y vara entre DT2 y DT1, por lo que,

FACTOR DE CORRECCIN DE LA (LMTD)

Cuando se tienen intercambiadores muy complejos, como los montajes en carcasa y tubos, con varios pasos de tubos por cada carcasa, o varias carcasas, y en el caso de intercambiadores de flujo cruzado, la deduccin analtica de una expresin para la diferencia media de temperaturas resulta muy compleja.

El coeficiente de efectividad Pes un indicativo de la eficiencia del intercambio trmico, y puede variar desde 0, en el caso en que la temperatura se mantenga constante en uno de los fluidos, a la unidad, en el caso en que la temperatura de entrada del fluido ms caliente, sea igual a la de salida del fluido ms fro, TC1 = TF2.

Relacin de capacidad trmicaDesde un punto de vista econmico, y para cualquier intercambiador, cuando la relacin de capacidades calorficas sea Z < 0,75 no se debe utilizar ese tipo de intercambiador, ya que no seguira exactamente las suposiciones hechas en la construccin de las grficas;

Para la aplicacin de los factores de correccin en flujos paralelos carece de importancia el que sea el fluido ms caliente, o el ms fro, el que fluya por el interior de los tubos. Si la temperatura de cualquiera de los fluidos permanece constante, P = 0, carece tambin de importancia el sentido del flujo, puesto que F ser la unidad, y por lo tanto, se aplicar directamente el (LMTD).

Si en un intercambiador de flujos cruzados la temperatura de uno de los fluidos es constante, se aplica directamente el (LMTD) sin factor de correccin, como si los flujos fuesen en contracorriente; Pero si la temperatura de los dos fluidos es variable, las condiciones no se pueden asimilar a las del flujo en contracorriente, sino que se considera como flujo cruzado y, por lo tanto, habr que proceder a su rectificacin mediante el factor F de correccin correspondiente.

INTERCAMBIADORES DE CALOR, MTODO DE LA EFICIENCIA

EFICACIA DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOREn muchas situaciones lo nico que se conoce es la descripcin fsica del intercambiador, como el nmero y tamao de los tubos, nmero de pasos de tubos, nmero de pasos por la carcasa, etc, y las temperaturas de entrada de los fluidos TC1 y TF1. Se puede obtener una ecuacin de la transferencia de calor en la que no intervenga ninguna de las temperaturas de salida de los fluidos, haciendo uso del concepto de eficacia e del intercambiador que se define en la forma,

La eficiencia compara la velocidad de transferencia trmica real, que es la absorbida por el fluido que se calienta, con la velocidad de transferencia trmica mxima que podra transmitirse en un intercambiador en contracorriente de superficie de intercambio infinita, cuyos lmites viene impuestos por el Segundo Principio de la Termodinmica, que tiene en cuenta los focos trmicos a las temperaturas extremas TF1 (foco fro) y TC1 (foco caliente).

Sea:En un intercambiador en contracorriente de superficie de intercambio infinita, con CF < CC, resulta que TF2 TC1 y el valor de En un intercambiador en contracorriente de superficie de intercambio infinita, con CC < CF, resulta que TC2 TF1 y el valor de

La velocidad mxima posible de transferencia trmica descrita en el denominador es la que se obtendra en un intercambiador de calor en contracorriente, con superficie de transferencia trmica infinita.En estas circunstancias, si no existen prdidas trmicas, se pueden presentar dos situaciones,

Cuando se cumpla que,la temperatura de salida del fluido que se enfra TC2, sera igual a la temperatura de entrada del fluido ms fro, TF1.

A su vez, cuando se cumpla,y la temperatura de salida del fluido ms fro TF2, sera igual a la temperatura de entrada del fluido ms caliente TC1.En ambas situaciones se observa que para superficie de intercambio infinita la eficiencia es del 100%.

Una vez conocida la eficiencia de un intercambiador de calor, se puede determinar directamente la velocidad de transferencia trmica Q y las temperaturas de salida de los fluidos, mediante la ecuacin,

que es la relacin bsica de este anlisis, y expresa la velocidad de transferencia trmica en funcin de la eficacia , (cuyo valor hay que determinar), de la capacidad trmica mnima Cmin. y de la diferencia de temperaturas de entrada de los dos fluidos, que son datos del problema.

A su vez, conocidos la geometra del intercambiador A, su coeficiente global de transmisin de calor U, las velocidades del flujo uF y uC, y las capacidades calorficas de los fluidos CC y CF, se pueden calcular directamente las temperaturas de salida a partir de , conocidas las temperaturas de entrada, sin necesidad de recurrir a soluciones de tipo iterativo.

por lo que si se pone que, Cmin = mn (CC, CF), resulta que la mxima transferencia de calor en cualquier tipo de intercambiador esEn consecuencia se puede poner,

FLUJOS PARALELOS EN COCORRIENTE

Cuando CF sea el mnimo, CC ser el mximo, y la eficacia del intercambiador ser,

y si fuese al contrario, CC el mnimo, y CF el mximo, se obtiene,

Por consiguiente, la eficacia e del intercambiador de calor para flujos paralelos del mismo sentido se puede poner, en general, en la forma,en la que el valor, se denomina Nmero de unidades de transferencia trmica, (number of heat transfer units), y es una medida del valor de la capacidad de transferencia de calor del intercambiador; el valor del rendimiento del intercambiador a partir del NTU se determina mediante grficas, como la indicada en la Fig .3, para flujos paralelos en cocorriente.

FLUJOS PARALELOS EN CONTRACORRIENTEPartimos de la misma definicin de la eficacia, en la que hay que introducir los valores correspondientes a y ; haciendo un anlisis semejante,

Intercambiadores de flujo equilibradoLas capacidades trmicas de las corrientes caliente y fra son aproximadamente iguales, por lo que, Cmin. = Cmx.Para un intercambiador cocorriente:

Para un intercambiador en contracorriente:

VALORES DE LA EFICIENCIA TERMICA Y DEL NTU PARA ALGUNAS CONFIGURACIONES DE FLUJOS DE CARCASA Y TUBOS, Y FLUJOS CRUZADOS

Una sola corriente y todo tipo de intercambiadores cuando Flujos paralelos en cocorriente

Flujos paralelos en contracorriente

Intercambiadores de carcasa y tubos, 1 paso por la carcasa y un nmero par de pasos por tubos

Intercambiadores de carcasa y tubos, n pasos por la carcasa y un nmero par de pasos por tubos, 2n, 4n, 6n,...

Flujos cruzados con mezcla en un fluido, y el otro sin mezclar

INTERCAMBIDOR DE CALOR DE PLACAS

Plato soldado de intercambiador de calor.

Gasket de placas de intercambiador de calor.

Gasket de placas de intercambiador de calor.

CabezalBarra superiorSeparadorPaquete de placasTapa inspeccinColumna de SoportePernos de amarreBarra inferiorPlaca

Tuerca de aprieteArandela de fijacinPlaca GasketPerno de aprieteBarra superiorBarra inferior

Intercambiador de calor de placa. Arreglo de flujo en circuito

Arreglo en serieArreglo en circuito UArreglo en circuito ZArreglo complejo 2 pasos 1 pasoArreglo complejo 3 pasos 1 paso

Construccin de intercambiador de calor de placasUn intercambiador de calor de placa consiste en un nmero de placas de transferencia de calor las cuales son sujetas y puestas entre placas fijas y una placa liberadora de presin para formar una unidad completa. Cada placa de transferencia de calor tiene un gasket el cual provee dos sistemas de canales separados.

.

El arreglo de los gasket (el campo y anillo de gasket) da como resultado un flujo simple a travs de los canales, entonces el medio primario y secundario estn en flujo contracorriente. El medio no puede ser mezclado debido al diseo de los gasket.

Las placas son corrugadas lo cual crea turbulencia en los fluidos a medida que fluye a travs de la unidad. Esta turbulencia, en asociacin con la razn de volumen del medio al tamao del intercambiador de calor, da un coeficiente de transferencia de calor efectivo.

Un principio similar es empleado en la construccin de intercambiadores de calor soldados. En lugar de gasket de elastmeros tcnicas especiales de soldadura son utilizadas para dar el mismo resultado

PlacaPegadoGasketFluido 1Fluido 2

DiagonalParalelo

El marco es unido, este consiste en un marco y las placas de presin, barras guas superior e inferior y las conexiones.

La placa final es la primera placa en ser colgada en el marco.

Luego las placas correspondientes a las especificaciones y son posicionados en el marco.

Los pernos de tensin son instalados y el paquete de placas es apretado por medio de una llave de tuercas o cualquier otra herramienta adecuada.

Entrada del primer medio en el lado izquierdo y salida del segundo medio en el lado derecho.

Intercambiadores de calor de placas con gasket parados directamente sobre el suelo.

Intercambiadores de calor soldados amarrados a la pared.

El intercambiador de placas se compone de un nmero variable de placas, en funcin de la demanda de calor que se necesita cubrir. Dichas placas presentan un diseo que permite encajar las unas con las otras formando con su unin, los canales de fluidos necesarios para el intercambio. El intercambiador de placas se monta encima de dos ejes, superior y otro inferior, que une las distintas placas y las fijas con respaldos, anteriores y posteriores en planchas de acero carbono de 2 de espesor.

De acuerdo con la disposicin de las placas se forman dos canales de flujo independientes, uno para el fluido caliente y otro para el fro. A travs de las conexiones, cada fluido circula por su canal permitiendo el intercambio de calor, debido a la diferencia de temperaturas entre ellos.

En un ICP las superficies de separacin de los medios consiste en un paquete, provistas de juntas, comprimidas mediante pernos entre la placa fija y la placa mvil de un bastidor.Las placas pueden ser de corrugacin horizontal proporcionando canales sin puntos de contacto, aptos para lquidos, conteniendo slidos en suspensin o de corrugacin angular con mltiples puntos de contacto, lo que permite el trabajo a altas presiones

Ventajas del IPC en relacin al intercambiador convencional de coraza y tuboAltos coeficientes globales de transferencia de calor (U)= 2000 5000 (kcal / h m2 C)(U)= 410 1025 (BTU / h pie2 F)

En aplicaciones agua agua que se logra debido a la turbulencia alcanzada a un bajo Re.La turbulencia impide que se formen incrustaciones y favorece la transferencia de calor.Esto combinado con el espesor de las placas contribuye a alcanzar coeficientes altos.

Ventajas del IPC en relacin al intercambiador convencional de coraza y tuboEconoma de costos de calentamientoLos altos coeficientes de transferencia de calor en sistemas de flujo en contra corriente producen diferencias de temperaturas (10 C) en comparacin a los de tubos (5 C)Luego el IPC recupera hasta el 90 % de calor y el de tubos solo el 50 %.Esto tiene como consecuencia que el IPC requiere menos agua de refrigeracin y el empleo de bombas y tuberas de menor capacidad.

Ventajas del IPC en relacin al intercambiador convencional de coraza y tuboAlta turbulenciaLas corrugaciones realizadas en las placas, pueden inducir a un flujo turbulento, a un nmero de Re entre (10 800) dependiendo de las corrugaciones.Para tuberas lisas el flujo turbulento Re > 2100

Ventajas del IPC en relacin al intercambiador convencional de coraza y tuboFlexibilidadLa experiencia ha demostrado que es difcil determinar exactamente los datos de proceso en la etapa inicial del proyecto.En intercambiadores de haces de tubos el resultado suele ser un sobre dimencionamiento hasta del 30 % ya que este no se puede ampliar ni reducir.El IPC tiene una flexibilidad que hace que se puede evitar el sobre dimencionamiento ya que las placas son unidades independientes que pueden ser sacadas, adicionadas o rearregladas segn se desee

Ventajas del IPC en relacin al intercambiador convencional de coraza y tuboTamao compactoEl tamao de un IPC respecto a un intercambiador convencional que sea capaz de efectuar la misma operacin es bastante menor, luego el espacio requerido para la instalacin es menor.

Ventajas del IPC en relacin al intercambiador convencional de coraza y tuboPesoEl peso de un IPC, vaco es un factor importante para el transporte y la instalacin.El peso en funcionamiento cuando esta lleno de liquido es importante en la construccin de la instalacin.El IPC pesa de 5 -6 veces menos que el intercambiador convencional de tubos en el mismo trabajo

Ventajas del IPC en relacin al intercambiador convencional de coraza y tuboVolumen que contieneEl volumen de liquido contenido es pequeo comparado con el intercambiador de tubos.Esto constituye un factor importante cuando se trabaja con un medio costoso, tambin responde ms rpidamente a una variacin de temperatura y proporciona por lo tanto un control ms rpido del proceso

Ventajas del IPC en relacin al intercambiador convencional de coraza y tuboCorrosinCuando las aguas de refrigeracin son corrosivas. Las aleaciones de acero inoxidable y cobre tiene una vida til limitada, pero los IPC de titanio ofrece una duracin til prcticamente ilimitada para todo tipo de aguas de refrigeracin

Material de las placasLas placas se fabrican de materiales que pueden trabajar en fro, sin preocuparse de sus caractersticas de unin.Los materiales ms comunes son:Acero inoxidableTitaneoNquel moneyIncaloyHastelloy CBronce fosforadoNquel cobreTitaneo estabilizado

El espesor de las placas varia de (0,5 3) (mm) El promedio de separacin entre placas va de (1,5 5) (mm).Las reas superficiales totales hasta 1500 (m2)

Parmetros geomtricos1. Dimetro hidrulico2. rea de flujo Af Es el rea disponible entre dos placas o canal, se determina una vez que la corrugacin en la placa esta realizada:Af = w * bw = Ancho de la placa entre juntasb = Separacin entre placas

Parmetros geomtricos3. Permetro mojado (PM) PM = 2*(w+b)Como la separacin entre placas es pequea en comparacin con el ancho b

Parmetros geomtricosEl rea libre de flujo por corriente se puede obtener a partir de:AC = NC * W * b Donde Nc es el nmero de canales por corriente, W es el ancho de placa.

El nmero de placas trmicas, Np, es igual a:NP = NT - 2 Donde NT es el nmero total de placas.

El nmero de canales trmicos por corriente se obtiene a partir de:

Parmetros geomtricosEl nmero total de placas trmicas se puede obtener a partir del rea total de transferencia de calor, AT y el rea por placa:

El nmero de Reynolds, Re, est definido de la siguiente manera:

Donde es el flujo msico de la corriente y es la viscosidad.

rea total de transferencia de calorAT = Ae * NPNP = Nmero de placas trmicas que transfieren calor (nmero total de placas menos 2 placas una en cada lado extremo)Ae = rea efectiva o rea de transferencia de calor desarrollada = Ap * FAp = rea de una placa proyectadaF = Factor que depende del estampado que tenga la placa, el cual aumenta la superficie efectiva de transferencia de calor, segn la forma, tamao y frecuencia de loas corrugaciones.

Cada de presinLa cada de presin total en un intercambiador de placas tiene las siguientes componentes: cada de presin debida a la friccin, a los cambios de velocidad, a los cambios de direccin y a los cambios de altura. De stas, la que tiene mayor influencia en el comportamiento trmico del equipo es la que se origina por la friccin.

Cada de presin

Donde G es el flujo msico por unidad de rea, L es la longitud de la placa y es el factor de friccin que como se presenta en la Ec. Anterior, puede expresarse en la forma generalizada de la siguiente manera:

= x * Re-y

De la ecuacin anterior se puede observar que una vez definido el tipo de placa y sus caractersticas geomtricas, es posible determinar el rea libre de flujo para una corriente en funcin de la cada de presin permitida. Con este valor es posible calcular el nmero de pasajes por corriente que se requieren para maximizar el uso de la cada de presin. El nmero de pasajes calculados que son necesarios para cumplir con la carga trmica o pasajes trmicos (NCH). Este valor debe ser contrastado con el nmero de pasajes que son necesarios para cumplir con la carga trmica o pasajes trmicos (NCT).

Modelo de flujoSe le llama modelo de flujo a todo lo que caracteriza el arreglo divisin y distribucin de flujo.Arreglo de flujoSe llama arreglo de flujo al cuociente (NP1/NP2)donde NP1 es el nmero de pasos o recorrido vertical que realiza el total del flujo (1) de igual manera NP2 es del flujo (2)

Transferencia de calor en IPCLa transferencia de calor ocurre por conveccin desde el fluido ms caliente a la superficie slida, por conduccin a travs del solido y luego por conveccin desde la superficie al fluido ms fro.El diseo del intercambiador de calor comienza generalmente con la determinacin del rea requerida para transferir el calor necesario entre las corrientes fluidas.

Tf

Cuando los intercambiadores has estado en servicio por algn tiempo se les depositan incrustaciones, aadiendo dos resistencias que se incluyen en el calculo del coeficiente global UEsta resistencia reduce el valor U y el calor requerido no podr transferirse por A .Para obviar esto es costumbre disear estos equipos anticipando la incrustacin introduciendo una resistencia Rd que es igual a la suma de las resistencias de los depsitos de ambos fluidos.Se obtienen de datos basados en experiencias.

El margen de diseo (M) es calculado como:

Siendo:Uc = Coeficiente de transferencia de calor limpio (Rd =0)

Rd = Factor de incrustacin

U = Coeficiente de transferencia de calor de diseo

Incrustacin y factor de incrustacinLa tolerancia de incrustacin puede ser expresada por el margen de diseo (M), o como un factor de incrustacin Rd expresado en unidades o

El diseo de un intercambiador de calor de placa entrega mayor turbulencia, por eso la eficiencia trmica es mayor

Ejemplo para un intercambiador (agua agua) de placa es U = 6.000 7.500

mientras que para un intercambiador de tubo y coraza esU = 2.000 2.500

Para las mismas condicione de M = 20 25 %

Caractersticas Termo HidrulicasEn el diseo de intercambiadores de calor el aspecto de mayor importancia es el relacionado con el clculo de los coeficientes individuales de calor y los factores de friccin de los diferentes tipos de superficies que se pueden emplear. Por lo general, esta informacin est disponible en forma de correlaciones empricas o semiempricas.

Caractersticas Termo HidrulicasLas caractersticas trmicas se presentan en funcin de nmeros adimensionales como son: el nmero de Nusselt (Nu), el nmero de Stanton (St) y el factor de Colburn (j=St*Pr2/3), en funcin del nmero de Reynolds (Re). Las caractersticas de friccin se reportan en trminos del factor de friccin contra el nmero de Reynolds. La informacin disponible en la literatura abierta de este tipo de parmetros es muy escasa debido a que tanto mtodos de diseo como caractersticas termo hidrulicas son propiedad industrial.

hC y hf indican la resistencia de la delgada pelcula laminar del fluido que existe: estos coeficientes se calcula:

Estos rangos son obtenidos empricamente por distintos autores con distintos tipos d ICP.Una relacin ampliamente adaptable para rgimen turbulento es:

Las siguientes correlaciones fueron reportadas por Shah y Focke (1988) para la placa tipo Chevron P31 de la compaa Alfa Laval:NU = 0,729 * Re1/3 * Pr1/3 para Re 7 (1) 0,380 * Re2/3 * Pr1/3 para Re > 7 y

17,0* Re-1 para Re < 10 = 6,29* Re-0,57 para 10 < Re < 101 (2) 1,141* Re-0,20 para 101 < Re < 855 0,581* Re-0,10 para Re > 855

Diferencia media logartmica de temperaturaT1 = temperatura media entrada de fluido calienteT2 = Temperatura media salida de fluido calienteT3 = Temperatura media entrada fluido froT4 = Temperatura media salida fluido enfriamiento

Numero de unidades de transferencia de calor NUTPara decidir cual tipo de placa ser la mas adecuada para un servicio se utiliza el NUT, que indica el grado de dificultad del trabajo de transferencia de calor.Se define como el valor absoluto de la diferencia de temperatura dividida por la temperatura impulsara media logartmicaNTU, tambin conocido como el factor de perfomance o longitud trmica

A mayor NUT mayor numero de pasos. En principio se puede considerar el numero de pasos igual al entero mas prximo al valor NUT.A mayor numero de pasos, mayor cada de presin total.Existe un requerimiento de cada de presin mxima total ligada al aspecto econmico operacional de funcionamiento.

Las placas denominadas rgidas (HARD) son las mas adecuadas para altos valores de NUT (donde se requiere que la diferencia de temperatura final sea pequea) Debido a que este tipo de placas proporciona una alta recuperacin de calor, pero implica una gran perdida de presin, este tipo de placa es generalmente larga y angosta.Las placas denominadas flexibles (SOLF) son mejores para trabajo que requieren bajos valores de NTU (aproximado a 1).El rango general de este parmetro NTU es (0,5 3)Una placa con NTU alto es corrugada con ngulo obtuso, cada de presin grande.Una placa con NTU bajo es corrugado con ngulo agudo y ofrece menor resistencia al flujo

Aplicaciones

Algunos usos tpicos de intercambiadores de calor de placas

Calefaccin centralizada.Enfriamiento centralizado.Toma de agua caliente.Calentamiento solar.Calentamiento de piscinas.Recuperacin de calor (motor de enfriamiento)Control de temperaturas para criaderos de peces.Industria del acero-enfriamiento de horno.Industria generadora-enfriamiento central.Industria qumica-enfriamiento de procesos.

Agua/agua

Material de la placa

Agua/aceiteAlgunos usos tpicos de intercambiadores de calor de placas

Enfriamiento de aceite hidrulico.Enfriamiento de aceite para templado.Enfriamiento de aceite de motor en bancos de motores de prueba.Con aceite sinttico puede ser necesario gaskets especiales..Los intercambiadores de calor de placas pueden funcionar con aceites teniendo viscosidades tan altas como 2.500 cp. Emulsiones que tambin pueden ser usadas en intercambiadores de calor de placas y puede ser tratadas como agua cuando las concentraciones son menores a 5%.

Material de la placa

Agua/glicolCuando existe un riesgo de congelamiento, se aade glicol al agua.Glicol tiene una diferente capacidad de calentamiento desde el agua y es por ello que necesita de alguna manera un rea de mayor transferencia de calor para cumplir con los mismos servicios. En la otra mano, las propiedades fsicas de los varios tipos de glicol son bastantes similares.Ejemplos de glicol:- Glicol etileno (mono, di o tri).- Glicol propileno.

Algunos usos tpicos de intercambiadores de calor

Como un intercooler en una bomba de calor.Produccin de enfriamiento de agua en fbricas de comida.Enfriamiento de aire en circuitos de aire acondicionado.Sistema de calefaccin solar.Material de la placa