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

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