intercambiadores de calor

UNIDAD V.- Intercambiadores de calor.

5.1.- Introducción.

Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo utilizado para transferir calor de un líquido procesado a otro. En un tipo de intercambiador, los hidrocarburos procesados circulan a través de tubos rodeados por aire o agua fría, de forma similar al radiador de un automóvil.

Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

Los intercambiadores de calor se clasifican en 4 tipos.

Intercambiadores de:

1. Doble Tubo.2. Carcaza y Tubo.3. Flujo Cruzado.4. Compacto.

En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.

En un intercambiador de calor en contra flujo la temperatura de salida del fluido frío puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frío es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.

5.2.- Coeficiente global de transferencia de calor.

La temperatura superficial o los flujos de calor no son especificados para los intercambiadores de calor. Esta complicación es resuelta mediante la utilización del Coeficiente Global de Transferencia de Calor. Este coeficiente es definido en términos de la resistencia térmica total a la transferencia de calor entre dos fluidos. Cuando consideramos fluidos de un intercambiador de calor fluyendo fuera y dentro de un tubo.

De manera que podemos escribir que:

Donde 0 U , designa al coeficiente global de transferencia de calor, referido al área externa, y de igual forma, i U se refiere al coeficiente global de transferencia de calor referido al área interna. Dicha distinción es necesaria, debido a que el área disponible para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando se avanza radialmente.

En la tabla siguiente se muestra valores típicos del coeficiente globalde Transferencia de calor, U

Situación Física U [W /m2k]

Factores de impureza representativos:

La cantidad η0 se denomina eficiencia superficial global efectiva de la temperatura de una superficie con aletas. Se define de modo que, la transferencia de calor es:

Con:

Si se emplea una aleta recta o de alfiler de longitud L, y se supone extremo adiabático:

donde m = (2h/kt)1/2 y t el espesor de la aleta.

5.3.- Factor de suciedad.

Las superficies de transferencia de calor de un intercambiador de calor pueden llegar a recubrirse con varios depósitos presentes en las corrientes o las superficies pueden corroerse como resultado de la interacción entre los fluidos y el material empleado en la fabricación y diseño del intercambiador.El efecto global se representa generalmente mediante un factor de suciedad o resistencia de suciedad, Rf. Que debe incluirse junto con las otras resistencias térmicas para obtener el coeficiente global de transferencia de calor.Los factores de suciedad se tienen que obtener experimentalmente, la determinación de los valores de “U” del intercambiador de calor, tanto en condiciones de limpieza como en suciedad.

El factor de suciedad queda definido entonces como:

Rf: 1/Sucio – 1/Limpio

Se debería destacar que el valor de “U” viene determinado en muchos casos por solo uno de los coeficientes de transferencia de calor por convección.En la mayoría de los problemas prácticos la resistencia a la conducción es pequeña comparada con la resistencia a la convección. Si uno de los valores de “h” es notablemente mas bajo que otro tenderá a dominar en la ecuación de “U” donde:

Ui: Coeficiente global de transferencia de calor interna.Ue: Coeficiente global de transferencia de calor externa.Ui 1 + Ai.Ln(re/ri) + Ai . 1hi 2kL Ae . heUe 1Ae. 1 + Ae.Ln(re/ri) + 1Ai . hi 2kL he

Donde,

hi: Nu.K he: 1.32 T 1/4d d ¼

5.4.- Tipos de intercambiadores de calor.

Estos son dispositivos que facilitan la transferencia de calor de una corriente de fluido a otra.Los procesos de producción de energía, refrigeración, calefacción y acondicionamiento de aire, elaboración de alimentos, elaboración de productor químicos, y el funcionamiento de casi todos los vehículos dependen de diversos tipos de intercambiadores de calor.

Los intercambiadores se clasifican normalmente de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción.

Intercambiador de calor de tubos concéntricos. Flujo paralelo. Contraflujo.

Fig. 5.4.1. Intercambiador de calor de tubos concéntricos.

Intercambiador de calor de flujo cruzado. Con aletas y ambos fluidos sin mezclar. Sin aletas con un fluido mezclado y el otro sin mezclar.

Fig. 5.4.2. Intercambiador de calor de flujo cruzado.

Intercambiador de calor de tubos y coraza. Con un paso por la coraza y un paso por los tubos (modo de operación contraflujo cruzado).

Fig. 5.4.3. Intercambiador de calor de tubos y coraza.

Cubiertas de intercambiadores de calor compactos.Tubo con aletas (tubos planos, aletas de placa continuas). Tubo con aletas (tubos circulares, aletas de plata continuas). Tubos con aletas (tubos circulares, aletas circulares). Aletas de placa (un solo paso). Aletas de placa (multipaso).

Fig. 5.4.4. Cubiertas de intercambiadores de calor compactos.

Intercambiador de calor de lámina de cierre tubular fija.Se utilizan con mayor frecuencia que los de cualquier otro tipo. Por lo común, se extienden más allá del casco y sirven como bridas a alas que se sujetan con pernos los cabezales del lado de los tubos. Utiliza una construcción de tipo de empaque ciego y éste no es accesible al mantenimiento o el reemplazo, este tipo de unidad se utiliza para condensadores superficiales de vapor, que funcionan en él vació.El cabezal de lado del tubo se puede soldar a la lámina tubular, para cabezales de tipo C y N. Este tipo de construcción es menos costosa que B y M o A y L, y le ofrece dé todos modos la ventaja que los tubos se pueden examinar y reemplazar sin tocar las conexiones de tuberías del lado del tubo. No hay limitaciones para el número de pasos del lado de los tubos. Los tubos pueden llenar por completo el casco del intercambiador de calor.

Fig. 5.4.5. Intercambiador de calor de lámina de cierre tubular fija.

Intercambiador de calor de tubo en U; El haz de tubo consiste en una lámina tubular estacionaria, tubos en U, desviadores o placas de soporte y espaciadores y tirantes apropiados. El haz de tubo se puede retirar del casco del intercambiador. Se proporciona un cabezal de lado del tubo y un casco con cubiertas integrada, que se suelda al casco mismo. Cada tubo tiene libertad para dilatarse o contraerse, sin limitaciones debidas a la posición de los otros tubos. Tiene la ventaja de proporcionar franqueo mínimo entre el límite exterior y interior del casco, para todas las construcciones de haces de tubos desmontables, reduce el número de juntas. En la construcción para altas presiones, esta característica es muy importante, puesto que reduce tanto el costo inicial como el de mantenimiento.

Fig. 5.4.6. Intercambiador de calor de tubo en U.

El calentador de succión de tanque; contiene un haz de tubo en U. Este tipo de diseño se utiliza con frecuencia en tanques de almacenamiento de aire libre, para combustoleos pesados, alquitrán, melazas y fluidos similares, cuya viscosidad se debe reducir para permitir el bombeo adecuado. Un extremo del casco del calentador está abierto y el líquido que se calienta pasa por la parte externa de los tubos.

Fig. 5.4.7. Calentador de succión de tanque. Intercambiadores de anillo de cierre hidráulico; Esta construcción es la menos costosa

de los tipos de tubos y haz desmontable. Los fluidos del lado del casco y el lado del tubo se retienen mediante anillos de empaque distintos separados por un anillo de cierre hidráulico y se instalan en la lámina tubular flotante. Este tipo lleva orificio de purga y luego cae al piso, las fugas en los empaques no darán como resultado la mezcla de los dos fluidos al interior del intercambiador. La anchura de la lámina tubular flotante tiene que ser suficientemente grande para dejar margen para los empaques, el anillo de cierre hidráulico y la dilatación diferencial. El espacio entre el franqueo entre el límite del tubo exterior y la parte interior del casco, es ligeramente mayor para los intercambiadores de tubo en U y el de lámina tubular fija. El uso de un faldón de lámina tubular flotante incrementa este espacio de franqueo. Sin el faldón, el franqueo debe dejar un margen para la distorsión de orificio tubular durante el laminado, cerca del borde exterior de la lámina tubular o para la soldadura del extremo del tubo en la lámina tubular flotante.

Intercambiador de cabezal flotante exterior; El fluido del casco se retiene mediante anillos de empaque, que se comprimen dentro de un prensaestopas, mediante un anillo seguidor de junta, esta construcción de haz desmontable acomoda la expansión diferencial entre el casco y los tubos y se utiliza para servicio del lado del casco. No hay limitaciones sobre el número de pasos del lado de los tubos o su presión y su temperatura de diseño, este diseño se utiliza con mayor frecuencia en las plantas químicas. El faldón del casco y el tubo flotante, cuando está en contacto con los anillos del empaque, tiene un acabado fino de maquinado. Se inserta un anillo dividido de corte en una ranura de faldón de la lámina tubular flotante. Una brida de respaldo, deslizante que se mantienen en servicio mediante una anillo de corte, se sujeta con pernos en la cubierta exterior del cabezal flotante. La cubierta del cabezal flotante suele ser un disco circular.

Fig. 5.4.8. Intercambiador de cabezal flotante exterior.

Intercambiador de tubo de bayoneta; Este tipo de intercambiador es útil cuando hay una diferencia de temperatura considerable entre los fluidos del lado del casco y el del

tubo, puesto que todas las partes sujetas a la dilatación diferencial tienen libertad para moverse independientemente unas de otras. Esta construcción única no sufre fallas debida a la congelación del condensado del vapor, puesto que el vapor en el tubo interno de funcionamiento intermitente. Los costos son relativamente altos, puesto que sólo los tubos de gas exteriores transmiten calor al fluido del lado del casco. Los tubos internos no tienen soportes. Los extremos se apoyan en placas de soporte o desviadores tradicionales.

Fig. 5.4.9. Intercambiador de tubo de bayoneta.

Intercambiadores de tubo en espiral: Consisten en un grupo de serpientes devanados en espiral, que se conectan en general mediante múltiples. Las características incluyen el flujo a contracorriente, la eliminación de las dificultades provocadas por la dilatación diferencial, un tamaño pequeño y una velocidad constante.

Fig. 5.4.10. Intercambiadores de tubo en espiral.

Intercambiadores de calor de teflón. Existen intercambiadores de calor de casco y tubo de teflón con tubos de resina de fluorocarbono de teflón, químicamente inerte. Los tubos mayores se utilizan primordialmente cuando las limitaciones de caída de presión

o las partículas reducen la eficiencia de los tubos menores. En general, estos intercambiadores de calor funcionan con caídas más altas de presión que las unidades tradiciones y son más apropiados para fluidos relativamente limpios. Puesto que son químicamente inertes, los tubos tienen muchas aplicaciones en las que otros materiales se corroen. Los intercambiadores de calor son de paso simple, con diseño de flujo a contracorriente y haces de tubos desmontables. Los haces de tubos se componen de tubos rectos y flexibles de teflón, unidos unos a otros en láminas tubulares integrados en forma de panal. Los tubos individuales se separan mediante bandas de teflón a las que se sueldan. Los haces se sellan dentro de los cascos mediante anillos en O y se pueden desmostar con facilidad del casco.

Intercambiadores de tuberías dobles. Se utilizaron por muchos años, sobre todo para índices de flujos bajos y gamas de temperaturas elevadas. Esas secciones de tuberías dobles están bien adaptadas para aplicaciones a altas temperaturas y presiones elevadas, debido a sus diámetros relativamente pequeños que permiten el empleo de bridas pequeñas y secciones delgadas de paredes, en comparación con los equipos ordinarios de casco y tubo.

Fig. 5.4.11. Intercambiadores de tuberías dobles.

5.5.- Temperatura media logarítmica.

Los intercambiadores de calor son dispositivos que sirven para calentar o enfriar un fluido ,

mediante el intercambio de calor que se realiza entre dos o más fluidos separados entre sí por una superficie sólida transmisora de calor. Dentro de estos intercambiadores de calor uno de los tipos más sencillos y fáciles de estudiar experimentalmente está constituido por los intercambiadores de calor en serie o en paralelo, de paso simple.

La ecuación general que gobierna la transferencia de calor entre el fluido de mayor temperatura y el de menor temperatura es la siguiente:

Q = U A ðT ML

Donde:

U : Coeficiente total de transferencia de calor basado en el área exterior A de la tubería de menor diámetro.Q : Velocidad de transferencia de calor entre el fluído más caliente y el más frío.ðTML : Diferencia media logarítmica entre los fluídos en circulación.

ðT ML = ( Tmax - T min )/ [ Ln ( Tmax / Tmin)]

El término diferencia media logarítmica de temperatura se presenta debido a que la temperatura de uno de los dos fluidos en consideración varía de acuerdo con su recorrido en la dirección de flujo. A través de una longitud L, en un punto donde L = 0 existirá un T entre los dos fluidos y en un punto donde L = L existirá otra T realizándose la medición de L en el sentido del flujo de uno de los dos fluidos. Indiferente del sentido recorrido , Tmax. Será el T mayor y el T min. Será el T menor en cada uno de los puntos citados.Entre los fluidos en circulación se cumplirá la ley de conservación de la energía, de tal modo que el calor cedido por uno de ellos al enfriarse, será tomado por otro al calentarse . Considerando por ejemplo, que el fluido que circula por la tubería interior varía su temperatura durante el intercambio de calor, se podrá calcular la velocidad de transferencia de calor, si se conoce la cantidad de masa de fluido que circula durante un tiempo determinado, su calor específico promedio y las temperaturas iniciales y finales.

Si además mediante el uso de termocuplas determinamos las temperaturas de los dos fluidos al comienzo y al final de la longitud de recorrido en estudio y medimos el área total de transferencia de calor correspondiente a dicha longitud , podemos calcular el valor del coeficiente total de transferencia de calor, que será la única incógnita de la ecuación de transferencia de calor.Esto podemos repetir para diversas situaciones experimentales y tendremos oportunidad de obtener las variaciones del coeficiente total de transferencia de calor en relación con las variables que deseamos estudiar.

5.6.- Método del Nut.

Se usa para calcular la velocidad de transmisión de calor en Intercambiadores de calor (especialmente en contracorriente) cuando no hay información suficiente para calcular la

Diferencia de Temperaturas Media Logarítmica (DTML).

5.7.- Intercambiadores de calor compactos.

Este es un grupo de intercambiadores desarrollados con el objetivo de disminuir elvolumen de los equipos.

Uno de los más utilizados es el de tipo placa:

5.8.- Análisis de propiedades en los intercambiadores de calor.

Para el diseño térmico de un Intercambiador de Calor se hace un balance de calor entre los fluidos calientes y fríos sobre la superficie de intercambio térmico:

En un caso sin cambio de fases:

Además si consideramos la ley de enfriamiento de Newton:

La diferencia media de temperatura Δtm correcta se debe determinar.

Intercambiador de calor en flujo paralelo.

•En este caso el fluido frío y el fluido caliente circulan en la misma dirección, así ΔTmes grande al comienzo y disminuye con x. En este Intercambiadorde calor la temperatura de

salida del fluido frío nunca excede la temperatura de salida del fluido caliente.

•Flujo paralelo:

Balance de calor suponiendo:

•el intercambiador de calor esta aislado•conducción axial a lo largo del tubo es despreciable

•cambio de energía cinética y potencial despreciables•calores específicos de los fluidos constantes•el coeficiente global de intercambio térmico convectivoes constante

El flujo de calor que atraviesa la superficie también se puede expresar como:

5.9.- Consideraciones sobre el diseño de intercambiadores de calor.

Las fases a seguir en el diseño de un intercambiador de calor son:

1.- Comprobar el BALANCE DE ENERGÍA, hemos de conocer las condiciones del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones, propiedades físicas de los fluidos,...

2.- Asignar las corrientes al tubo y casco.

3.- Dibujar los diagramas térmicos.

4.- Determinar el número de intercambiadores en serie.

5.- Calcular los valores corregidos de la diferencia media de temperaturas (MTD).

6.- Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los tubos.

7.- Estimar los coeficientes de película y de suciedad. Calcular los coeficientes globales de transmisión de calor.

8.- Calcular la superficie de intercambio estimada.

9.- Seleccionar el tamaño del casco (utilizando dos pasos en tubo).

10.- Calcular las perdidas de presión en el lado del tubo y re calcular el número de pasos para cumplir con las perdidas de presión admisibles.

11.- Asumir la separación entre desviadores y el área de paso para conseguir la perdida de presión en casco admisible.

12.- Re calcular los coeficientes de película en el lado del tubo y del casco utilizando las velocidades másicas disponibles.

13.- Re calcular los coeficientes globales de transmisión de calor y comprobar si tenemos suficiente superficie de intercambio.

14.- Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequeña revisar los estimados de tamaño de carcasa y repetir las etapas 9-13.

Problemas:

1.- Un intercambiador de calor de flujos cruzados, con ambos fluidos con mezcla, tiene una

superficie de intercambioA igual a 8,4 m2; los fluidos que se utilizan son los siguientes:Aire, de calor específico 1005 Joules/kg°CAgua, de calor específico 4180 Joules/kg°CEl aire entra en el intercambiador a 15°C, a razón de 2 kg/segEl agua entra a 90°C a razón de 0,25 kg/segEl coeficiente global de transmisión de calor vale 250 W/m2°C.Determinar:a) Las temperaturas de salida de ambos fluidos.b) El calor intercambiado.

Solución:

a) Temperaturas de salida de ambos fluidos.

b) Calor intercambiado.

2.- Determinar el área de intercambio térmico que se necesita para que un intercambiador de calor construido con un tubo de 25,4 mm de diámetro exterior, enfríe 6,93 kg/seg de una

solución de alcohol etílico al 95 por % , cp=3.810 Joules/kg°K, desde 65,6°C hasta 39,4°C, utilizando 6,3 kg de agua por segundo a 10°C.Se supondrá que el coeficiente global de transferencia térmica basado en el área exterior del tubo es de 568 W/m°C.El problema se realizará en los siguientes supuestos:a) Carcasa y tubo con flujos en equicorrienteb) Carcasa y tubo con flujos en contracorrientec) Intercambiador en contracorriente con dos pasos en carcasa y 4 pasos de tubos de 72 tubos en cada paso, circulando el alcohol por la carcasa y el agua por los tubosd) Flujo cruzado, con un paso de tubos y otro de carcasa, siendo con mezcla de fluido en la carcasa. Solución:

a) Tubo y carcasa con flujos en equicorriente.

Transferencia de calor (no hay pérdidas):

en la que TF2 es la temperatura de salida del agua; despejando se obtiene:

b) Carcasa y tubo con flujos en contracorriente.

c) Intercambiador en contracorriente con dos pasos en carcasa y 4 pasos de tubos de 72

tubos en cada paso,circulando el alcohol por la carcasa y el agua por los tubos.

Temperatura media del flujo en contracorriente(LMTD) = 29,37ºC

Factor de corrección LMTD (intercambiador en contracorriente), 2 pasos por la carcasa y un múltiplo de dos pasos de tubos

d) Flujo cruzado, con un paso de tubos y otro de carcasa, siendo con mezcla de fluido en

la carcasa.

Temperatura media del flujo en contracorriente (LMTD) = 29,27ºC

Factor de corrección para la LMTD en el caso de intercambiadores en flujo cruzado,con mezcla de fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla en el otro fluido, y un paso de tubos.