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INTERCAMBIADORES DE CALOR (CONCEPTOS) · PDF file Intercambiadores de calor de flujo cruzado Clasificación de intercambiadores de calor según configuración. Intercambiador de doble

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  • 1

    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.

  • 2

    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 vaporizacion

    Generadores de vapor: (calderas)

    Sobrecalentador: calienta el vapor por encima de la temperatura de saturacion.

    Vaporizador: convierte el liquido en vapor. ( liquidos diferentes al agua)

  • 3

    Intercambiador de doble tubo

    Intercambiador de coraza y tubo

    Intercambiador de calor de placas

    Intercambiadores 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.

  • 4

    Versátil

    Manejan altas presiones

    Disponibles en muchos tamaños

    Fácilmente modificables para

    mantenimiento

    U Comparable con

    intercambiadores de tubo y coraza

    Grandes, pesados, y caros por

    unidad de área

    Intercambiadores de tubo y

    coraza son menos caros para

    áreas > 30 m2

    Pros Contras

  • 5

    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 coraza

    Tipos:

    - 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.

  • 6

    Clasificación de intercambiadores de calor según configuración.

    Amplio intervalo de

    operación , tamaños, y

    en especial

    1.8 < A < 3 millon

    ft2 bajo costo/ ft2

    Inflexibles una vez

    instalados

    Pros Contras

    Intercambiador de tubos y carcaza

  • 7

    Intercambiador de tubos y carcaza

    Intercambiador serie

  • 8

    Cabezal

    Carcaza

    Deflectores

    Boquilla de canal

    Boquilla de la coraza

    Componentes de un intercambiador de tubo y carcaza

    Boquilla canal Boquilla de la carcaza

  • 9

    Barras tirantes Deflectores 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.

  • 10

    Intercambiadores de calor de placas

    Desarrollados para la industria

    alimenticia

    Especialmente 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

  • 11

    r1 r2

    T1

    T2Ecuación de Fourier:

    dT q kA

    dr = −

    2A rLπ=

    2

    1 1 2

    oTr

    r T

    q kdT

    rLπ = −∫ ∫

    2 1

    2 1

    2 ( )

    ln( / )

    Lk T T q

    r r

    π − =

    Ecuaciones básicas de diseño

    r3

    T3

    Resistencias térmicas:

    3a tot

    T T R

    q

    − =

    q

    T3 T2 T1 Ta

    RaR1R2

    Ley enfriamiento Newton

    2 1

    1 2

    ( )

    ln( / )

    2

    T T q

    r r

    Lkπ

    − =

    2 1 1

    ln( / )

    2

    r r R

    Lkπ = 3 2

    2

    2

    ln( / )

    2

    r r R

    Lkπ =

    1

    1

    ( ) 1

    1 2

    a a

    a

    T T q R

    r Lh

    hA

    π −

    = → =

    3 22 1

    1

    ln( / )ln( / )1

    2 2 2 tot

    a

    r rr r R R

    r Lh Lk Lkπ π π = = + +∑

    r1 r2

    T1

    T2

    Ta

  • 12

    Resistencias térmicas:

    3 22 1

    1

    ln( / )ln( / )1

    2 2 2 tot

    a

    r rr r R R

    r Lh Lk Lkπ π π = = + +∑

    3

    3 22 1

    1

    ( )

    ln( / )ln( / )1

    2 2 2 a

    Ta T q

    r rr r

    r Lh Lk Lkπ π π

    − =

    + +

    r3

    T3

    q T3 T2 T1 Ta

    RaR1R2

    r1 r2

    T1

    T2

    T

    Coeficiente global de transferencia de calor

    1 global

    q UA T UA R

    = ∆ → =

    Coeficiente total de transferencia de calor Uo

    Cuando el calor fluye desde un fluido que circula por un lado de un

    tubo 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 tubo

    referida 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

  • 13

    Coeficiente global de transferencia

    0( )

    ln( / )1 1

    2

    f i f oo i

    i i i o o o

    Ti T q

    R Rr r

    h A A Lk A h Aπ

    − =

    + + + +

    Ai

    Ao

    Ti

    To

    ri

    ro

    hi

    ho

    *

    * *** *

    1

    ln( / )

    2

    f i f oo i

    i i i o o o

    U R A A RA r rA A

    h A A Lk A h Aπ

    = + + + +

    1

    ln( / ) 1

    2

    o f i oo o o i

    f o

    i i i o

    U R AA A r r

    R h A A Lk hπ

    = + + + +

    1 global

    q 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

  • 14

    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 i

    T T− ( )

    oH c T T−

    Flujo Paralelo o co-correinte

  • 15

    ( )

    1 1 ( )

    h c

    h c

    h c h c

    T T T

    d T dT dT

    dq dq d T dq

    C 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 dT

    dq m Cp dT C dT

    = − = − = =

    Ahora sustituyendo

    1 1 ( )

    h c

    d T U TdA C C

    ⎛ ⎞ ∆ = − ∆ +⎜ ⎟

    ⎝ ⎠

    dq UdA T= ∆

    Integrando

    2

    1

    2

    1

    ( ) 1 1

    1 1 ln

    ( ) ( )

    ( ) ( )

    ln [( ) ( )]

    h c

    h c

    h hi ho h

    hi ho

    c co ci c

    co ci

    hi ci ho co

    d T U dA

    T C C

    T UA

    T C C

    q q C T T C

    T T

    q q C T T C

    T T

    T UA T T T T

    T q

    ⎛ ⎞∆ = − +⎜ ⎟∆ ⎝ ⎠

    ⎛ ⎞⎛ ⎞∆ = − +⎜ ⎟⎜ ⎟∆⎝ ⎠ ⎝ ⎠

    = − → = −

    = − → = −

    ⎛ ⎞∆ = − − − −⎜ ⎟∆⎝ ⎠

    ∫ ∫

    1

    2

    hi ci

    ho co

    T T T

    T T T

    − = ∆ − = ∆

    2 1