INTERCAMBIADOR DE CALOR Es un dispositivo diseado para transferir calor entre dos medios, que estn separados por una barrera o que se encuentren en contacto.

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Los intercambiadores de calor se clasifican en cuatro clases: 1- Arreglo del flujo Flujo paralelo Contraflujo Flujo cruzado 2- Tipo de construccin Doble tubo Tubo y coraza Compactos

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Intercambiadores de calor de tubos concntricos

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Intercambiadores de calor de flujo cruzado

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Intercambiador de calor de tubo y coraza

Intercambiador de calor de tubo y coraza con un paso por coraza y tubos (contraflujo cruzado)

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Intercambiador de calor de tubo y coraza

Intercambiador tubular

4/15/12 Generador de vapor

Calentador de fuel oil

Intercambiadores de calor compactos

Cubiertas de intercambiadores de calor compactos

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Intercambiador compacto, tipo espiral para alta presin (40 barg). Dimensiones 3.3 m de altura y 45 Tm de peso.

Coeficiente global de transferencia de calor Para los intercambiadores de calor tubulares:

1 1 1 = = UA Ui Ai Uo A o '' R'' 1 1 1 f,i ln(Do /Di ) R f,o = + + + + UA hi Ai Ai 2kL Ao ho A o

donde Ai = DiL y Ao = DoL

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Valores representativos del coeficiente global de transferencia de calor

Combinacin de fluidos Agua con agua Agua con aceite Condensador de vapor (agua en tubos) Condensador de amonaco (agua en tubos) Condensador de alcohol (agua en tubos) Intercambiador de calor de tubos con aletas (agua en tubos, aire en flujo cruzado)

U [W/m2.K] 850 - 1700 110 - 350 1000 - 6000 800 - 1400 250 - 700 25 - 50

Anlisis trmico de un intercambiador de calor

El objetivo de un anlisis trmico en un intercambiador de calor es el de ser capaces de expresar el calor transferido, q, del fluido caliente al fluido fro, en trminos del coeficiente global de transferencia de calor. El rea de transferencia de calor A, y las temperaturas de entrada y salida de los fluidos caliente y fro. 4/15/12

Para la transferencia total de calor entre los fluidos caliente y fro se plantea un balance de energa global. Si la prdida del intercambiador con los alrededores es despreciable, as como los cambios de energa potencial y cintica, este da por resultado:&(i q =m h h,i i h,o ) &(i q =m c c,o i c,i )

donde i especfica es la entalpa del fluido. Si los fluidos no experimentan cambio de fase y se suponen calores especficos constantes, estas expresiones se pueden escribir como& q = mh c p,h (Th,i - Th,o ) & q = m c c p,c (Tc,o - Tc,i )

Se desea obtener una expresin que relacione el calor total transferido en el intercambiador con la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y fro

q = UATm

Existen dos metodologas de anlisis trmico de intercambiadores de calor: 1- Mtodo F-DTML 2- Mtodo -NUT 4/15/12

Anlisis del intercambio de calor: Mtodo de la diferencia de temperatura media logartmica, F DTML Considerando un intercambiadores de calor de contraflujo o contra-corriente

La forma de Tm se puede determinar mediante la aplicacin de un balance de energa para elementos diferenciales de fluidos caliente y fro. Los balances de energa y anlisis subsecuentes estn sujetos a las siguientes suposiciones simplificadoras: 1- El intercambiador de calor est aislado 2- La conduccin axial a lo largo de los tubos es insignificante 3- Los cambios de energa cintica y potencial son despreciable 4- Los calores especficos y el coeficiente global de transferencia de calor son 4/15/12 constantes

Al aplicar un balance de energa a cada uno de los elementos diferenciales de la figura, se tiene

& dq = m h c p,h dTh Ch dTh & dq = m c c p,c dTc C c dTc

donde Ch y Cc son las capacitancias trmicas de los flujos caliente y fro, respectivamente. La transferencia de calor a travs delTdA superficial dA tambin se puede dq = U rea expresar como T Th -Tcd( T ) = dTh dTc

Sustituyendo dTh y dTc de las expresiones anterioresd( T ) = dq

(

1 1 Cc Ch

)

Reemplazando dq e integrando a lo largo del intercambiador, entre los 4/15/12 extremos 1 y 2

1

2

1 1 d( T ) = U Cc Ch T

(

) )

2

1

dA

T ln 2 = UA T 1

()

1 1 Cc Ch

Sustituimos ahora Ch y Cc de los balances globales para cada fluido T ln 2 = UA T 1

(

Tc ,o Tc,i q

Th,i Th,o q

=

UA q

((T

h,o Tc ,i

) ( Th,i Tc,o ) )

Para un intercambiador en contraflujo las diferencias de temperaturas en los puntos extremos sonT Th,1 Tc,1 = Th,i Tc,o 1 T2 Th,2 Tc,2 = Th,o Tc,i

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q = UA

T2 T1 T ln 2 T1

La diferencia de temperatura media apropiada es la diferencia de temperatura media logartmica Tml.

q = UATml

dondeTml = T2 T1 T1 T2 = T T ln 2 ln 1 T1 T2

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Comparando las diferencias de temperaturas medias logartmicas para intercambiadores de calor de tubo y coraza de flujo paralelo y contraflujo vemos que

Tml,Contra-fluido > Tml,Fluido-paralelo

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Datos del intercambiador de calor tiles

Nmero de pasos por tubera Nmero de pasos por la carcasa Nmero de tubos Material de los tubos ( conductividad trmica, propiedades del

material)

Dimetro exterior tubos Dimetro de la carcasa Dimetro interior tubos Longitud de tubo

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Clculo de los coeficientes de conveccinEl anlisis de la conveccin en una capa lmite es compleja, por lo que es frecuente el empleo del anlisis dimensional o tcnicas analgicas. La obtencin del coeficiente de pelcula se realiza por correlacin derivada del anlisis dimensional Nu: es el nmero de Nusselt Pr: es el nmero de Prandtl Re: es el nmero de Reynolds L: es una longitud caracterstica h: es el coeficiente de pelcula K: coeficiente de conductividad trmica del fluido

Conocido el numero de tubos intercambiador A = NDL, 4/15/12 N : numero de tubos

Condiciones especiales de operacin

a) T T

b) T

c)

1

2

x

1

2

x

1

2

x

Condiciones especiales de intercambiadores de calora)

Ch >> Cc o vapor que se condensa, Ch Lquido que se evapora Ch