Tema 1. intercambiadores de calor.

Prof.Ing. Alis Morillo

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALFRANCISCO DE MIRANDA

AREA DE TECNOLOGIACOMPLEJO ACADEMICO EL SABINODEPARTAMENTO DE ENERGETICA

CATEDRA: OPERACIONES UNITARIAS I

DEFINICIÓN

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Es un equipo de transferencia de calor empleado en procesos químicos con la finalidad de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso

CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Según de tipo de servicio

De acuerdo al proceso de transferencia De acuerdo a los mecanismos de

transferencia de calor De acuerdo al numero

de fluidos involucrados De acuerdo a la

disposición de los fluidos De acuerdo a la

compactación de la superficie De acuerdo al tipo de

construcción

CLASIFICACIÓN: SEGÚN SERVICIO

SEGÚN SU SERVICIO

RefrigeradorEnfrían una corriente de proceso con un liquido refrigerante a fin de obtener temperaturas menores que las que se obtendrían con un enfriador

CondensadorCondensan una corriente

de proceso

EnfriadorEnfría una corriente de proceso

con agua o aire

CalentadorCalientan una corriente

de proceso

RehervidorVaporiza una

corriente de proceso

Generador de VaporProducen vapor de agua y se conocen como calderas

d e recuperación de calor

VaporizadorConvierte liquido a vapor. Cuando

el liquido es diferente al agua

SobrecalentadorCalienta un vapor por encimade condiciones de saturación

CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN

• Es uno de los diseños más simples• Consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente

circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos.

• Este es un tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil.

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

Multitubular


• Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por fuera de un haz de tubos, actúa como medio refrigerante para condensar y/o enfriar el fluido que va por dentro de los mismos.

• Se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire sehace soplar perpendicularmente al eje de los tubos

ENFRIADORES DE AIRE


INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL

Estos intercambiadores se originaron en Suecia hace mas de 40 años para ser utilizados en la industria del papel y son llamados también SHE debido a sus siglas en inglés: Spiral Heat Exchanger.

Su diseño consiste en un par de láminas de metal enrolladas alrededor de

un eje formando pasajes paralelos en espiral por entre los cuales fluye cada sustancia.

Son muy utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos y líquidos con

sólidos en suspensión, así como también en operaciones de condensación y vaporización.

INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL


INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Es el más utilizado en las refinerías y plantas químicas en general debido a que:• Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen.• Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños.• Es bastante fácil de limpiar y de reparar.• Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con

cualquier aplicación.

Haz de tubos dentro de una carcaza cilíndrica, con presencia de deflectores para generar turbulencia y soportar los tubos. El arreglo de tubos es paralelo al eje longitudinal de la carcaza y puede estar fijo o ser de cabezal flotante. Tubos internos lisos o aleteados

INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO

INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Carcaza cilíndrica

Boquilla de la carcaza

Boquilla para los tubos

Boquilla de la carcaza

Tubos

Placa de tubos flotante

Boquilla para los tubos

Deflectores transversales (baffles)

Divisor de paso o

baffles longitudinal

Cabezal flotante

CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Se diseñan

TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association

Clase R Clase C Clase B

Petróleo y aplicaciones relacionadas

Procesos químicos

Propósitos generales

Según estándares publicados por Asociación de Fabricantes de intercambiadores tubulares

Intercambiadores de carcaza y tubo

APLICABLE :Diámetro interno de la carcaza (DIC) ≤ 1,524 mm (60 in)Presión ≤ 207 bar (3000Psi) DIC*Presión ≤ 105000 mm bar (60000 in psi)


Designación de intercambiadores

X X X

Cabezal anterior Cabezal

posterior

Tipo de carcaza


Tienen las dos placas de tubos soldadas a la carcaza

De cabezal fijo:Tubos en forma de U

Tienen solo una placa donde se insertan los tubos en forma de U

De Cabezal flotante:Tiene una sola placa de tubos

sujeta a la carcaza

Según su construcción mecánica


De cabezal flotante

Tipo BEM

Tipo CFUDe Cabezal fijo

Tipo AESTubos en forma de U

ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

TUBOS Proporcionan la superficie de transferencia de calor entre un fluido que fluye dentro de ellos y otro que fluye sobre su superficie externa

Se encuentran disponibles en varios metales como:acero de bajo carbono, cobre, aluminio, 70-30 cobre-níquel, acero inoxidable

Arreglo triangular Arreglo triangular rotado

El fluido de la carcaza debe ser limpio El arreglo triangular rotado raramente se usa por las altas caídas de presión

que generan


Arreglo cuadrado Arreglo cuadrado rotado

El fluido de la carcaza debe ser sucio Se prefiere cuando la limpieza mecánica es critica

Espaciado de tubos (Pitch) 〉1.25*Diámetro externo del tubo

• En las refinerías se prefieren tubos de 20 pie de longitud• Los haces no removibles usan siempre arreglos triangulares (30°)

Cuanto más largo es un intercambiador, menos tubos contiene, menor es el diámetro de la carcaza,

su diseño es más simple y menor es su costo.

SELECCIÓN DEL ANGULO DEL PITCH


DEFLECTORES

Soportar el haz de tubos.

Restringir la vibración de los tubos debido a los choques con el fluido.

Canalizar el flujo de fluidos por la carcasa originando turbulencia para

lograr mayore s efectos de trasferencia de calor.


Distancia centro a centro entre deflectores adyacentes

B1/5 DC < B > DC

Doble Segmentado

Tipos de Deflectores

Segmentado La altura de la ventana expresada como un porcentaje del diámetro de la carcasa, se den omina CORTE DEL DEFLECTOR.

Para deflectores segmentados el corte está entre 15-40%

El mejor resultado se obtiene con 25% de corte.


TIPO DE CARCAZA

TIPO F

Un paso por la carcasa Dos paso por la carcasa con bafle longitudinal

TIPO E

LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS

Cuando se opera con un fluido muy corrosivo debe hacerse circular por el interior

de los tubos para evitar la corrosión de todo el intercambiador

Para los fluidos con un alto factor de ensuciamiento, es conveniente hacerlo

circular por los tubos donde se puede mantener un mejor control de la velocidad

que puede reducir este efecto.

En servicios de alta temperatura se fabrican los tubos de aleaciones

convenientes que reduzcan la expansion termica y se hace circular el fluido

caliente por el interior de ellos.

Los fluidos con mayor presión deben generalmente colocarse por los tubos.

Los fluidos muy viscosos deben colocarse fuera de los tubos para

obtener altos coeficientes de transferencia de calor, por crearse alli mayor

turbulencia.

El fluido de menor flujo masico se coloca fuera de los tubos, ya que alli

se somete a mayor turbulencia, mejorandose el coeficiente de

transferencia de calor.

LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Ti > ToETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR1. Convección desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes del mismo.

2. Conducción del interior al exterior del tubo.

3. Convección desde el exteriordel tubo al fluido.

h i

Ts

ho

To

Ti

hi.Ai1Ri

Ln(ro / ri) 2. .K.L

Rcond

1ho.Ao

Ro

1Rtotal

hi.Ai

Ln(ro / ri) 1

2. .K.Lho.Ao


ho.Aohi.Ai

1 Ln(ro / ri) 1 Rtotal

2. .K.L

RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNA

Aoho.Ao

1hi.Ai

1 ri Ln(ro / ri) ro Rtotal

Ai2. .K.L

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL

1Rtotal

U *.A*

* Basado en cualquier área


COEFICIENTE LIMPIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Aoho.Ao

hi.AiAi

1

A*A*.roA*.Ln(ro / ri)

A*.riA* U *

2. .K.L

Es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se coloca por primera vez en servicio.

REFERIDA AL ÁREA EXTERNA

hohi.AiAi

1 Ao Ao.ri Ao.Ln(ro / ri) 1

ro

Uo

2. .K.L


11

Uc Rio Ro rw F

h. pie .F BTU

F 0.0001

2

1donde

Relación Uo y Uc

1

Uo Uc

Uc11 rio ro

F1

Rio Ro rw F1

Uc > Uo siempre

Resistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosión

Q U .A.ΔT

Relación básica que sirve para calcular los intercambiadores de calor


Diferencia de temperatura media logarítmica

Disposición de fluidos

ContracorrienteLos fluidos fluyen en dirección opuestas

e l uno del otro

Flujo en Paralelo o Cocorriente

Ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y sal

en por el otro extremo

La diferencia de temperaturas en cada punto del intercambiador constituye la fuerza impulsora mediante la cual se transfiere el calor. En el intercambiador los fluidos pueden viajar en contracorriente, paralelo, flujo cruzado o una combinación de ellas, experimentado variaciones de temperatura que no son lineales a lo largo de su recorrido en el intercambiador. Así, la diferencia de temperatura entre los fluidos diferirá punto a punto en el intercambiador.


To

w Ti

w

to

w ti

w

T

Ti

to

To

ti

0 L

Intercambiador de doble tubo en contracorriente

LMTD =(T - t ) - (T - t ) i o o i

i⎛ T - t

ln⎜ ⎞⎝ To - t i ⎠

o⎟

Termodinámicamente es una disposición superior a cualquier otra .


W Ti

wti

W To

wto To

to

ti

0 L

Intercambiador de doble tubo en paralelo o corrienteT

Ti

LMTD =(T - t ) - (T - t ) i i o o

iln ⎜⎛ T - t i ⎞⎝ To - t o ⎠

⎟


Para las diferentes configuraciones de flujo mostradas a continuación, calculela diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)

A. ContracorrienteFluido caliente Ti= 300 °F entra To= 200 °F sale

Fluido frío to=150 °F sale ti=100 °F entra

LMTD =(300 - 150) - (200 - 100)

ln⎜⎛ 300 - 150⎞⎝ 200 - 100⎠

⎟LMTD =

(Ti - t o ) - (To

- t i )

i oln⎜⎛ T - t ⎞⎝ To - t i ⎠

⎟

LMTD = 123.32 °F


a continuación, calcule laPara las diferentes configuraciones de flujomostradas diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)

B. ParaleloFluido caliente Ti= 300 °F entra To= 200 °F sale

Fluido frío to=150 °F sale ti=100 °F entra

LMTD =(300 - 100) - (200 - 150)

ln⎜⎛ 300 - 100⎞⎝ 200 - 150⎠

⎟LMTD =

(Ti - t i ) - (To

- t o )

⎛ T - t ⎞⎝ To - t o ⎠

ln ⎜ i i ⎟

LMTD = 108.2 °F

Cuando hay combinados de flujos, como en un intercambiador distinto de 1:1

MTD LMTD

Ft

Ft =1 Flujo equivalente a contracorriente Para cualquier arreglo, FT < 0.75 Inaceptable


Fluido por la carcaza

Ti Entrada

Fluido por los tubos

t o Salida

Entrada

Fluido por los tubosFluido por la carcaza

To Salida

t*

t i

Intercambiador 1-2 carcaza y tubo


Intercambiador 2-2 carcaza y tubo

Fluido por los tubos(salida)

Fluido por los tubos(entrada)

Fluido por la carcaza(entrada)

Fluido por la carcaza(salida)


Intercambiador 1-2 en serie

toTi

Toti


FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 1-2)


FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 2-4)

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO

Calcular la cantidad de calor intercambiado (Q)

Q m *Cps *(Ti To) m *Cpt *(ti to)

Calcular la diferencia de temperatura media efectiva

MTD Ft * LMTD

Asumir el coeficiente global de transferencia de calor Uo

Calcular el área basada en Uo supuesto

A =Q

Uo * MTD

tc

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO

Determinar las dimensiones físicas del intercambiador a partir del área calculada

Calcular el coeficiente global de transferencia de calor Uo

hohi.AiAi

1 Ao Ao.ri Ao.Ln(ro / ri) 1

ro

Uo

2. .K.L

Calcular la caída de presión a través del intercambiador

Calcular el área de transferencia basada en Uo calculado y MTD

Comparación del área de transferencia calculada con el paso anterior

Repetir los cálculos hasta igualar las área de transferencia

Tema 1. intercambiadores de calor.

Engineering

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