INTERCAMBIADORES DE CALOR (CONCEPTOS) - · PDF file3 Intercambiador de doble tubo Intercambiador de coraza y tubo Intercambiador de calor de placas Intercambiadores de calor de flujo

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INTERCAMBIADORES DE CALOR

(CONCEPTOS)

Intercambiador de calor

Los intercambiadores de calor son equipos de transferencia de calor. Pueden clasificarse según su construcción o el servicio que prestan.

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Refigerador: utiliza un refrigerante para enfriar un fluido hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara agua.Condensador: unidades de carcaza y tubo que se utilizan para la condensacion de vapores de desecho. (contacto directo)Enfriador: unidad en la cual una corriente del proceso intercambia calor con agua o aire sin cambio de fase

Clasificación de intercambiadores de calor según el servicio

Calentador: aumenta la entalpia de una corriente sin cambio de fase.Rehervidor: un vaporizador que provee calor latente de vaporizacionGeneradores de vapor: (calderas)Sobrecalentador: calienta el vapor por encima de la temperatura de saturacion.Vaporizador: convierte el liquido en vapor. ( liquidos diferentes al agua)

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Intercambiador de doble tuboIntercambiador de coraza y tuboIntercambiador de calor de placasIntercambiadores de calor de flujo cruzado

Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.

Intercambiador de doble tubo: están constituidos por uno o mas tubos en forma de U, encerrados dentro de otro tubo que hace papel de carcaza. Las secciones de doble tubo permiten un flujo en contracorriente y co-corriente. Soportan hasta presiones de 16500 kPa en el lado de la carcaza y 103400 kPa en tubos. Estos intercambiadores se justifican económicamente si el área requerida es

menor de 30 m2

Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.

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VersátilManejan altas presionesDisponibles en muchos tamañosFácilmente modificables para mantenimientoU Comparable con intercambiadores de tubo y coraza

Grandes, pesados, y caros por unidad de áreaIntercambiadores de tubo y coraza son menos caros para áreas > 30 m2

Pros Contras

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Intercambiador de doble tubo en serie

Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.

Intercambiador carcaza y tubo: consiste en un haz de tubos paralelos encerrados en una carcaza cilíndrica llamado corazaTipos:- Cabezal fijo: tiene ambos extremos del cabezal de tubos sujetos a la carcaza.- Cabezal móvil: tiene un solo extremo del cabezal de tubos sujeto a un extremo, y el otro a un cabezal móvil.

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Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.

Amplio intervalo de operación , tamaños, y en especial

1.8 < A < 3 millonft2 bajo costo/ ft2

Inflexibles una vez instalados

Pros Contras

Intercambiador de tubos y carcaza

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Intercambiador de tubos y carcaza

Intercambiador serie

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Cabezal

Carcaza

Deflectores

Boquilla de canal

Boquilla de la coraza

Componentes de un intercambiador de tubo y carcaza

Boquilla canalBoquilla de la carcaza

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Barras tirantesDeflectores transversales

Bafle

Intercambiador de calor de platos : consiste en una serie de placas finas con corrugación que separa los fluidos

Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.

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Intercambiadores de calor de placas

Desarrollados para la industria alimenticiaEspecialmente útil donde la corrosión, sedimentación, limpieza y esterilización son importantes. EL flujo es altamente turbulento ⇒ alto U’s, Fácil de desmantelar y limpiar

Pros

• Limitado a temperaturas modestas y bajas presiones <25 bar

• Los empaques son caros y deben ser re-usables.

Contras

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r1r2

T1

T2Ecuación de Fourier:dTq kAdr

= −

2A rLπ=

2

1 12

oTr

r T

q kdTrLπ

= −∫ ∫

2 1

2 1

2 ( )ln( / )Lk T Tq

r rπ −

=

Ecuaciones básicas de diseño

r3

T3

Resistencias térmicas:

3atot

T TRq−

=

qT3 T2 T1 Ta

RaR1R2

Ley enfriamiento Newton

2 1

1 2

( )ln( / )

2

T Tq r rLkπ

−=

2 11

ln( / )2

r rRLkπ

= 3 22

2

ln( / )2

r rRLkπ

=

1

1

( ) 11 2

aa

a

T Tq Rr Lh

hAπ

−= → =

3 22 1

1

ln( / )ln( / )12 2 2tot

a

r rr rR Rr Lh Lk Lkπ π π

= = + +∑

r1r2

T1

T2

Ta

12

Resistencias térmicas:

3 22 1

1

ln( / )ln( / )12 2 2tot

a

r rr rR Rr Lh Lk Lkπ π π

= = + +∑

3

3 22 1

1

( )ln( / )ln( / )1

2 2 2a

Ta Tq r rr rr Lh Lk Lkπ π π

−=

+ +

r3

T3

qT3 T2 T1 Ta

RaR1R2

r1r2

T1

T2

T

Coeficiente global de transferencia de calor

1globalq UA T UA

R= ∆ → =

Coeficiente total de transferencia de calor Uo

Cuando el calor fluye desde un fluido que circula por un lado de untubo a otro fluido que circula por el otro lado del tubo, dicho calor debe vencer las resistencias:

• Rio resistencia de la película laminar del fluido en el interior del tuboreferida al área externa del tubo

• rio resistencia ( factor de ensuciamiento) del material extraño depositado en el interior del tubo

• rw resistencia de la pared del tubo• ro resistencia del material extraño depositado en el exterior tubo• Ro resistencia de la película laminar del fluido en el exterior tubo

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Coeficiente global de transferencia

0( )ln( / )1 1

2f i f oo i

i i i o o o

Ti Tq R Rr rh A A Lk A h Aπ

−=

+ + + +

Ai

Ao

Ti

To

ri

ro

hi

ho

** *** *

1ln( / )2

f i f oo i

i i i o o o

UR A A RA r rA A

h A A Lk A h Aπ

=+ + + +

1ln( / ) 12

of i oo o o i

f oi i i o

U R AA A r r Rh A A Lk hπ

=+ + + +

1globalq UA T UA

R= ∆ → =

( )2/U W m K⎡ ⎤= ⎣ ⎦

La ecuación Q=A*U*(Ti-To) se aplica solamente a un punto particular donde el gradiente de temperatura esta definido como (Ti-To). Para aplicar esta ecuación a un intercambiador, donde las temperaturas de ambas corrientes cambian se expresa en forma no muy rigurosa, pero aceptable para la mayoría de los cálculos ingenieriles como:

* *Q Uo Ao LMTD=

:LMTD Diferencia de temperatura media logarítmica

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Diferencia de temperatura media logaritmica (LMTD)

Suposiciones:-Las propiedades de las corrientes son constantes-El intercambio de calor se realiza en estado estacionario-Cada corriente tiene un calor especifico constante-El coeficiente global de transferencia de calor es constante-La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante-No hay perdida de calor-El flujo es en contra- o co-corriente

HT

CT

L0

T

( )H C iT T−( )

oH cT T−

Flujo Paralelo o co-correinte

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( )

1 1( )

h c

h c

h c h c

T T Td T dT dT

dq dqd T dqC C C C

∆ = −

∆ = −

⎛ ⎞∆ = − − → − +⎜ ⎟

⎝ ⎠

Th

Tc

Th+dTh

Tc+dTc

dq h h h h h

c c c c c

dq m Cp dT C dTdq m Cp dT C dT

= − = −= =

Ahora sustituyendo

1 1( )h c

d T U TdAC C

⎛ ⎞∆ = − ∆ +⎜ ⎟

⎝ ⎠

dq UdA T= ∆

Integrando

2

1

2

1

( ) 1 1

1 1ln

( ) ( )

( ) ( )

ln [( ) ( )]

h c

h c

h hi ho hhi ho

c co ci cco ci

hi ci ho co

d T U dAT C C

T UAT C C

qq C T T CT T

qq C T T CT T

T UA T T T TT q

⎛ ⎞∆= − +⎜ ⎟∆ ⎝ ⎠

⎛ ⎞⎛ ⎞∆= − +⎜ ⎟⎜ ⎟∆⎝ ⎠ ⎝ ⎠

= − → =−

= − → =−

⎛ ⎞∆= − − − −⎜ ⎟∆⎝ ⎠

∫ ∫

1

2

hi ci

ho co

T T TT T T

− = ∆− = ∆

2 1

2 1ln( / )T Tq UAT T

∆ − ∆=

∆ ∆

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( )hi coT T−HT

CT( )ho ciT T−

Flujo contra-corriente

2

1

ho ci

hi co

T T TT T T

− = ∆− = ∆

2 1

2 1ln( / )T TLMTDT T

∆ − ∆=

∆ ∆

Ejemplo:

Para la siguiente configuración calcule la diferencia de temperatura media logarítmica.

Contracorriente

Fluido Caliente Fluido Frio

300 F entra 100 F sale

200 F sale 150 F sale

(300 150) (200 100)(300 150)ln(200 100)

LMTD − − −=

⎛ ⎞−⎜ ⎟−⎝ ⎠

( )Hi coT T−HT

cT( )Ho ciT T−

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Intercambiadores de calor de paso multiple

2 pasos en tubo 1 cacaza

Ti

Toti

to

Intercambiador de calor 1-2

Intercambiador 1-2 carcaza tubo

Ti

To

ti

to

Ti

Tito

ti

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El LMTD es valido para flujos en corriente y contracorriente. Para los demás tipos de intercambiador es necesario hacer una corrección.

MTD= F*LMTD

Se define R= Relacion de las capacidades termicas entreel fluido frio y caliente

2 1 1 2

2 1

2 1

( )

( )

c pc c c h h

h ph c c

h h

qm C T T T TR qm C T T

T T

− −= = =

−−

P= relación entre el calor real calculado con el fluido frio y la cantidad máxima de calor que pudiera recibir el fluido frio si el intercambiador tuviera un área infinita y saliera en equilibrio

2 1 2 1

1 1 1 1

( ) ( )( ) ( )

c pc c c c c

c pc h c h c

m C T T T TPm C T T T T

− −= =

− −

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Ft= 1 Flujo equivalente a contracorrienteFt<1 debido a que la configuracion en paralelo no es tan efectivacomo la contracorriente

o i

i i

t tPT t

−=

−

i o

o i

T TRt t

−=

−

MTD= F*LMTD

Grafica para calcular FT

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Reglas para el FT

Generalmente evitar diseños con FT <0.75Conduce a áreas muy grandes, usualmente se puede encontrar otro arreglo que trabaje mejor

Para una simple coraza, con cualquier numero de pasos en tubo (1-2n), FT debe ser mayor que 0.9

Intercambiadores coraza tubo 2-2

∆Tm= F*LMTD

Toti

to bafle

Bafles longitudinales: permiten obtener flujos siempre en contracorrientes

2 pasos en carcaza 2 pasos en tubo

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Toti

to

to

Intercambiador 1-2 en serie

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Problema:Para las siguientes temperaturas terminales,

calcule la diferencia de temperatura media efectiva (MTD)

200180200200to 200To250100280100300ti 100Ti 350

FluidoFrio

FluidoCalien

FluidoFrio

FluidoCalien

FluidoFrio

FluidoCalien

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Análisis del intercambiador de calor

Método la diferencia de temperatura media logarítmicaMétodo de eficiencia NUT

Temperatura media logarítmica

1 2

1 2

2 1 1 2

1 1 2 1

* *

ln( / )

;

( , , )

c c h h

h c c c

Q U A LMTDT TLMTDT T

T T T TP RT T T T

F P R arregloφ

=∆ − ∆

=∆ ∆

− −= =

− −=

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Método eficiencia NTU

Defina la relación de capacidades, donde Cmin y Cmax son el mas pequeño y mas grande de Ch y Cc , respectivamente

Definir la eficiencia, como la razón entre la transferencia real de calor para un intercambiador de calor y la transferencia de calor máxima posible

* min

max

CCC

=

* min

max

CCC

=* min

max

CCC

=

* min

max

CCC

=

, , , ,

max min , , min , ,

min , ,

( ) ( )=

( ) ( )Q= C ( )

h h i h o c c o c i

h i c i h i c i

h i c i

C T T C T Tqq C T T C T T

T T

ε

ε

− −= →

− −

−

Método eficiencia NTU

Calcule el numero de unidades de transferencia

* min

max

CCC

=

* min

max

CCC

=* min

max

CCC

=

min

AUNUTC

=

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Condiciones de flujoFlujo Laminar: se caracteriza por un movimiento suave de capas de fluido, desplazándose una sobre la otra sin mezclarse, la velocidad en un punto dado es constante y sigue un perfil constante

Flujo Turbulento: se caracteriza por el intercambio y mezcla del fluido en la direccion radial de una parte del fluido a otra, la velocidad en un punto dado fluctua en un valor promedio

El régimen del flujo existente se caracteriza por el numero de Reinold

Re DiV GDiρµ µ

= =

donde:

3

2

Di Diametro interno del tubo (m)V = Velocidad promedio del fluido en el tubo ( m/s)

= Densidad del fluido ( kg/m ) = Viscosidad del fluido (kg/m.s)

G= velocidad masica (kg/s.m )

ρµ

=

Re > 10000 Flujo turbulentoRe <= 2.000 Flujo laminar2100< Re < 10000 zona transición

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ch LNuk

=

Numero de Nusselt: coeficiente adimensional de transferencia de calor

Numero de Prandtl: coeficiente adimensional formado a partir de las propiedades del fluido, cociente entre a viscosidad cinemática y la difusividad térmica. (tabulados)

Pr Cpk

µ=

K = conductividad térmica del fluidoCp= calor especifico del fluido

0.8 0.40.023*Re PrNu =

Flujo turbulento: ( Dittus y Boelter) : aplicable en diferencias moderadas entre la pared y el fluido

Para 0.5 < Pr < 100 104 < Re <5x106

Flujo laminar: ( Sieder y Tate) : propiedades evaluadas a la media aritmética de la diferencias de temperatura de entrada y salida

0.141/31/31.86*(Re Pr)

p

dNuL

µµ

⎛ ⎞⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

µp= viscosidad a la temperatura de la pared

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Temperatura calórica

( )c salida c entrada salidaT T F T T= + −

Para el fluido caliente se expresa

Para el fluido frio

( )c entrada c salida entradat t F t t= + −

Las propiedades de transporte de fluido se evalúan a las temperaturascalóricas respectivas. (fluidos alta viscosidad )

Fc se calcula con los rangos de temperatura del fluido caliente y frió y la densidad API (grafica 17 Kern):

1 2

1 2

h h h

c c c

T T TT T T

∆ = −∆ = −

Gravedad API

50100

Rango temperatura

kc

/tc th∆ ∆

kc0.01

10

Fc

Kc mayor = pelicula controlante

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Factor de obstrucciónLa resistencia a la transferencia de calor debida al ensuciamiento son causadas por sedimentos, polímetros y otros depósitos.Mecanismo de ensuciamientoEnsuciamiento por sedimentación:Algunas corrientes en particular el agua contienen sólidos suspendidosque se depositan sobre el área de transferencia. El ensuciamiento porsedimentación depende de la velocidad del fluido.Ensuciamiento por inversión de la solubilidad:Ciertas sales presentes en las aguas, son menos solubles en aguas calientes que en fria, ej: sulfato de calcio. Si la temperatura de la superficie es mayor que la temperatura de saturacion de la sal esta precipita.

Mecanismo de ensuciamientoEnsuciamiento por reacción química:Ocurre cuando hay reacción química en una de las corrientes, queorigina la producción de una fase sólida cerca de la superficie.Ensuciamiento por corrosión:Si una corriente corroe el metal de la superficie de transferencia.Ensuciamiento biológico:Aguas que contienen organismos que se adhieren a la superficies sólidas

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Criterios para el diseño de intercambiadores:

•El ensuciamiento no es usualmente severo por debajo del los 120 C.•El ensuciamiento es mas severo cuando los hidrocarburos se calientan•Vaporización en un intercambiador puede causar ensuciamiento severo.•Altas velocidades tienden a reducir el ensuciamiento•La alimentación a los reformadores catalíticos y plantas de desintegración catalítica, muchas veces se ven afectadas por un proceso de ensuciamiento severo debido a las reacciones orgánicas con oxigeno, que ocurre mientras alimentación se encuentra almacenada en los tanques.

Temperatura de la pared

0.14

w

µφµ

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

Coeficiente de corrección por viscosidad

viscosidad a la temperatura de la paredwµ =

En el caso de líquidos, la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura.