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INTERCAMBIADORES DE
CALOR
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OBJETIVOS
Describir los tipos bsicos de Intercambiadoresde calor, indicando sus aplicaciones principales ycriterios de seleccin.
Exponer el mtodo de clculo de unintercambiador de calor, identificando la superficiede intercambio, dimensiones y configuraciones detubos y cascos, y prdidas de carga.
Introduccin a la seleccin de materiales ycostes de un intercambiador de calor
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INTRODUCCIONLos intercambiadores de calor son aparatos que
facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos
que se encuentran a diferentes temperaturas y
evitan que se mezclen entre si.
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AREAS DE APLICACIN
Condensador: Condensa un vapor o mezclade vapores.
Enfriador: Enfra un fluido por medio de agua. Calentador: Aplica calor sensible a un fluido. Rehervidor: Conectado a la base de una torre
fraccionadora proporciona el calor de
reebulicinVaporizador: Un calentador que vaporiza partedel lquido
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FACTORES PARA DISEAR O SELECCIONAR
UN INTERCAMBIADOR DE CALOR
El flujo de calor
Tamao y peso Cada de presin Economa
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INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO
Este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto encontracorriente como corriente paralela, circulando elfluido caliente o el fro a travs del espacio anular,mientras que el otro fluido circula por la tubera interior.
TIPOS BASICOS DE INTERCAMBIADORES DE
CALOR
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INTERCAMBIADOR DE CARCAZA Y TUBO
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INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS
En el enfriamiento o calentamiento de gases esinteresante utilizar un intercambiador de calor en flujocruzado, en el que uno de los fluidos (lquido o gas)circula por el interior de los tubos, mientras que al otrofluido (gaseoso) se le obliga a circular perpendicularmente al haz de tubos
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El flujo del fluido exterior puede realizarse mediante conveccin
forzada o libre; el gas que circula por el exterior de los tubos seconsidera de tipo de mezcla, mientras que el fluido del interior delos tubos se considera sin mezclar; el flujo del gas exterior es conmezcla porque puede moverse libremente entre los tubos cuandointercambia calor, mientras que el fluido del interior de los tubosest confinado y no puede mezclarse con ningn otro flujo ocorriente durante el proceso de intercambio de calor
INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS
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COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TRMICAGLOBAL
Una de las primeras cuestiones a realizar en el anlisistrmico de un intercambiador de calor de carcasa ytubos consiste en evaluar el coeficiente de transferenciatrmica global entre las dos corrientes fluidas.
El coeficiente de transferencia trmica global entre unfluido caliente a temperatura TC y otro fro a temperaturaTF separados por una pared plana se define mediante laecuacin:
AhkA
L
AhR
UA
TTUAQ
Fc
i
ii
FC
11
11
3
1
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COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TRMICAGLOBAL
En el caso de un intercambiador de calor formado por dos tubos concntricos, el rea dela superficie de intercambio trmico es: Ai = 2 riL
Ae = 2 reL
de forma que, en general:
eF
ie
ic AhkL
rr
Ah
UA
ei
1
2
ln1
1
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COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TRMICAGLOBAL
Si el coeficiente de transferencia trmica globalviene referido a la superficie exterior Ae el valorde Ue ser:
mientras que si viene referido a la superficie
interior Ai ser:
eFi
ee
iiC
e
e
hrr
kr
rhr
U
1ln
1
eFe
i
i
ei
iC
i
hr
r
r
r
k
r
h
U
ln1
1
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FACTORES DE SUCIEDAD
Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficientede transferencia de calor global de un intercambiador decalor al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento,teniendo slo en cuenta el anlisis trmico; durante elfuncionamiento con la mayora de los lquidos y conalgunos gases, se van produciendo gradualmente unaspelculas de suciedad sobre la superficie en la que serealiza la transferencia trmica, que pueden ser dexidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera,lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto que sta
suciedad origina se conoce con el nombre deincrustaciones, y provoca un aumento de la resistenciatrmica del sistema.
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La resistencia trmica del depsito se puede determinar,generalmente, a partir de ensayos reales o de laexperiencia.
Transmisin de calor entre la cmara de combustin y elagua de una caldera con incrustaciones calcreas
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FACTORES DE RESISTENCIA POR ENSUCIAMIENTO NORMALESTipo de fluido Requiv (m2K/W)
Agua de mar por debajo de 325K 0,0009
Agua de mar por encima de 325K 0,0003
Agua de alimentacin de calderas por encima de 325K 0,0005
Agua de ro 0,001-0,004
Agua condensada en un ciclo cerrado 0,0005
Agua de torre de refrigeracin tratada 0,001-0,002
Gasleo ligero 0,0020
Gasleo pesado 0,0030
Asfalto 0,0050
Gasolina 0,0010
Queroseno 0,0010
Soluciones custicas 0,0020
Fluido hidrulico 0,0010
Sales fundidas 0,0005
Gases de escape de un motor 0,010
Aceite combustible 0,0050Aceites vegetales 0,0030
Vapores de alcohol 0,0001
Vapor, cojinetes sin aceite 0,0005
Vapor, con aceite 0,0010
Vapores refrigerantes, con aceite 0,0020
Aire comprimido 0,0010
Lquido refrigerante 0,0010
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Si se realizan ensayos de rendimiento en unintercambiador limpio y se repiten despus deque el aparato haya estado en servicio durantealgn tiempo, se puede determinar la resistenciatrmica del depsito ( factor de incrustracin: Rf )mediante la relacin:
teorico
f
Func
UR
U1
1
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Siendo
La expresin del coeficiente global de
transmisin de calor Ufunc. en funcionamiento alcabo de un tiempo, referida a la seccinexterior Ae es:
i
e
ci
equiv
ce
Limpio
i
e
ieSucio
A
A
hR
h
UA
A
RRR 11
1
;....
ici
e
i
eiequive
ce
func
Ah
A
A
ARRR
h
U
1
1
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ANALISIS TERMOICO DE UNINTERCAMBIADOR DE CALOR
Un balance de energa ideal (sin considerar prdidas trmicas), seestablece: Calor perdido es igual al calor ganado.
Si se toma a ambos lados de la pared un elemento de superficie dA,en una misma seccin transversal se puede suponer que ambosfluidos toman las temperaturas TC y TF en estos elementosdiferenciales.
Haciendo T = TC - TF es evidente que la cantidad de calor quepasar del fluido caliente al fluido fro, por unidad de tiempo es:
1221 FFpFFCCpCC TTCmTTCmQ
FpFFCpCC dTCmdTCmTUdAdQ
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DISTRIBUCIN DE TEMPERATURAS EN INTERCAMBIADORES DE CALORCON FLUJOS EN CONTRACORRIENTE Y DE UN SOLO PASO DE TUBOS
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MTODOS DE ANLISIS TRMICO DEINTERCAMBIADORES DE CALOR
Existen dos mtodos, estos son:
1. Mtodo de diferencia de temperatura media
logartmica ( F-LMTD)donde:
F: factorde correccin y se encuentra en tablas
para diferentes configuraciones
2. Mtodo de efectividad- NTUes recomendable usarlo cuando las temperaturas de
salida de los fluidos no son conocidos
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FACTOR DE CORRECCIN DE LA (LMTD)
Cuando se tienen intercambiadores muy complejos,como los montajes en carcasa y tubos, con variospasos de tubos por cada carcasa, o variascarcasas, y en el caso de intercambiadores de flujo
cruzado, la deduccin analtica de una expresinpara la diferencia media de temperaturas resultamuy compleja.
mTUAFQ
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DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA
Calculamos la transferencia de calor en el arreglo de doble tubo con:
Donde
U coeficiente total de transferencia de calor A rea de superficie para transferencia de calor consistente con la
definicin de U
Tm diferencia de temperatura media conveniente a travs delintercambiador de calor
mTUAQ
12
21
1221
ln
FC
FC
FFCC
m
TT
TT
TTTTT
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La expresin anterior se simplifica utilizando lassiguientes relaciones adimensionales:
Coeficiente de efectividad:
Relacin de capacidades trmicas:
que permiten obtener la diferencia media de latemperatura como una funcin de F(P,Z).
11
21
CF
FF
TT
TTP
12
21
FF
CC
TT
TTZ
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MTODO DE EFECTIVIDAD- NTU
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FACTORES DE CORRECCIN DE LA(LMTD) PARA ALGUNOS
INTERCAMBIADORES
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador en contracorriente (1-2), o un mltiplo parde pasos de tubos
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (1-3), con dos de los pasos encontracorriente
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador en contracorriente (2-4)y un mltiplo par de pasos de tubos
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (3-2), o un mltiplo par de pasos de tubos
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (4-2), o un mltiplo par de pasos de tubos
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (6-2), o un mltiplo par de pasos de tubos
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un paso de tubos
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de ambos fluidos y un paso de tubos
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un mltiplo de 2 pasos
de tubos
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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un mltiplo de 2 pasos
de tubos
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EJERCICIOS