equipos de transferencia de calor

EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Presenta:DR. MIGUEL ANGEL MORALES CABRERA

FEBRERO 2016

Equipos de Transferencia de Calor

Prof. Jesús F. Ontiveros

El entendimiento, operación y optimización de las transformaciones de materias primas aproductos de mayor valor agregado, por ganancia o beneficio social, son el principal campo dedesarrollo de los Ingenieros Químicos.

Materias Primas Proceso Producto

terminado

Físicos(Operaciones Unitarias)

Químicos

Fenómenos de Transporte(base de las operaciones unitarias)

Fenómenos de Transporteacoplados a reacciones químicas

MomentumCalor Masa

INGENIERO QUÍMICO

PROCESO QUÍMICO

Diagrama de flujo del proceso del procesode separación del MCB

EQUIPOS DE TRANSFERENCIADE CALOR

CLASIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Función• Evaporadores• Calentadores• Enfriadores• Intercambiadores• Refrigeradores• Condensadores• Rehervidores• Calderas

Proceso de Transferencia• Contacto Directo

• Contacto Indirecto

Clasificación�Según el proceso de Transferencia[3]

Contacto Directo Contacto Indirecto

�Según la geometría de construcción[3]

Tubos Platos Superficies Extendidas





Geometría

• Tubos

• Platos

• Superficies Extendidas

Flujo

• Paralelo

• Contracorriente

• Cruzado













Clasificación�Según el arreglo del flujo[3]

Paralelo Contracorriente Flujo Cruzado

�Según el mecanismo involucrado[3]

Monofásico Evaporación Condensación









INTERCAMBIADORES DE CALOR

Clasificación

• Doble Tubo

• Tubo y Coraza

• Placas y Juntas

Componentes Principales

Coraza

INTERCAMBIADORESDE DOBLE TUBO

Caracteristicas• Se usa cuando el área de

intercambio requerida es menor a 50m2

• Configuración apropiada para manejo de fluidos a altas presiones

• Arreglos en serie y en paralelo

• Adición de aletas (superficies extendidas) en tubo interno

Desventajas• Costosos• Dificultad de limpieza• Emplean mucho espacio

Intercambiadores Tubulares

� Doble Tubo[2,3]

•Se usa cuando el área de intercambio es menor a 50m

2

•Configuración adecuada para manejar fluidos a altas presiones.

•Arreglos en serie y en paralelo

•Adición de aletas en tubo interno

Int. Multitubo

× Costosos× Díficiles de limpiar por el lado tubo

×Ocupan mucho espacio

INTERCAMBIADORESDE TUBO Y CORAZA

Caracteristicas• Más empleados en la

industria de procesos• Alcanzan áreas entre 50m2 y

700 m2

• Mayor rigurosidad en el diseño

• Corazas (8–48 pulg)• Tubos (3/4–1 pulg)• Longitud (8, 10, 16, 20 pies)

Intercambiadores Tubulares

�Coraza y Tubo[2,3]

•Intercambiador más utilizado en la industria de procesos

•Áreas entre 50 y 700m2.

•Mayor rigurosidad en el diseño “T.E.M.A.”

Int. Coraza y Tubo tipo AES

Coraza

INTERCAMBIADORESDE PLACAS Y JUNTAS

Caracteristicas• Alcanzan áreas entre 50m2 y

2000 m2

• Presiones de hasta 350 psi (25 bar) y T interiores a 250 oC

• Amplio uso en la industria de alimentos

• Compactos• Fáciles de limpiar• Flexibilidad• Economía

ETAPAS DE DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

DEFINCIÓN DEL PROBLEMA

SELECCIÓN DEL TIPO DE INTERCAMBIADOR

SELECCIÓN DE PARAMETROS DE DISEÑO

CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR

CÁLCLULO DE LA CAIDA DE PRESIÓN

EVALUACIÓN

MATERIALES, DISEÑO MECÁNICO, COSTO

ENSUCIAMIENTO

• CORROSIÓN• CRISTALIZACIÓN• BIOLOGICO• QUÍMICO

Ensuciamiento

�D

efin

ició

n

�C

ateg

oría

s [3

]

Particulado

Biológico

Corrosión

Cristalización

Químico

Prim

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Tiem

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és

Ensuciamiento

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TIEMPO DESPUES

PRIMER DIA

, .. '. ',' 616 ." . TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA

FIGURA 11 -9

El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos que se encuentran en un fluido sobre las superficies de transferencia de calor. El lector puede observar este tipo de incrustación incluso en su casa. Si revisa las superficies interiores de su tetera después de un uso prolongado, es proba-ble que advierta una capa de depósitos de calcio sobre las superficies en las cuales ocurre la ebullición. Esto se presenta en especial en zonas en donde el agua es dura. Al raspar se desprenden las escamas de ese tipo de depósitos y las superficies se pueden limpiar de ellos por medio de un tratamiento quími-co. Imagine ahora el lector esos depósitos minerales formándose sobre las su-perficies interiores de los finos tubos de un intercambiador de calor (figura 11-9) y el efecto perjudicial que pueden tener sobre el área de paso del flujo y sobre la transferencia de calor. Con el fin de evitar este problema potencial, el agua en las plantas generadoras y de procesos se trata en forma extensa y se elimina su contenido sólido antes de permitir que circule por el sistema. Las partículas de ceniza sólida que se encuentran en los gases de combustión y que se acumulan sobre las superficies de los precalentadores de aire crean pro-blemas semejantes.

Otra forma de incrustación, la cual es común en la industria de procesos químicos, es la corrosión y otra la incrustación química. En este caso las su-perficies se incrustan por la acumulación de los productos de las reacciones químicas sobre ellas. Esta forma de incrustación se puede evitar recubriendo los tubos metálicos con vidrio o usando tubos de plástico en lugar de los me-tálicos. Los intercambiadores también pueden incrustarse por el crecimiento de algas en los fluidos calientes. Este tipo de incrustación se conoce como in-crustación biológica y se puede impedir mediante el tratamiento químico.

En las aplicaciones donde es probable que ocurra, la incrustación debe con-siderarse en el diseño y selección de los intercambiadores de calor. En esas aplicaciones puede ser necesario seleccionar un intercambiador más grande y, por ende, más caro, para garantizar que satisfaga los requisitos de diseño de transferencia de calor incluso después de que ocurra la incrustación. La lim-pieza periódica de los intercambiadores y el tiempo de suspensión de activi-dades resultante son inconvenientes adicionales asociados con la incrustación.

Es obvio que el factor de incrustación es cero para un nuevo intercambiador, y aumenta con el tiempo a medida que se acumulan los depósitos sólidos so-bre la superficie del mismo. El factor de incrustación depende de la tempera-tura de operación y de la velocidad de los fluidos, así como de la duración del servicio. La incrustación se incrementa al aumentar la temperatura y dismi-nuir la velocidad.

Incrustación por precipitación de partículas de ceniza sobre los tubos de un sobrecalentador, (Tomado de Sream, Its Generarion, alld Use, Babcock alld Wilcox Co" 1978, Impreso con autorización,)

http://carlos2524.jimdo.com/

VELOCIDAD DETRANSFERENCIA DE CALOR

𝑄 = 𝑈𝐴∆𝑇𝑙𝑛

𝑄 = 𝑚𝑐𝑝 ∆𝑇

FENÓMENOS DE TRANSPORTE

TERMODINÁMICA

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR GLOBAL(COEFICIENTE DE PELÍCULA)

- Incluye efectos de conducción y convección, y- Efectos de ensuciamiento: resistencia adicional

• GEOMETRÍA CILÍNDRICA

• GEOMETRÍA CARTESIANA

Coeficiente de Película� Análisis de las Resistencias Involucradas

Geometría Tubular

Geometría Placas

� Simplificaciones� ¿Cómo determinar “h”?

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+⋅

=

o

ie

e

i

e

i hk

rrr

rr

h

U

1ln

1

1

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

⋅∆⋅

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AA

h

U11

1

Coeficiente de Película� Análisis de las Resistencias Involucradas

Geometría Tubular

Geometría Placas

� Simplificaciones� ¿Cómo determinar “h”?

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1

Las placas, soportadas por una barra guía su-perior, son sostenidas en un armazón que se tija mediante tomillos.

Las lumbreras y los empaques hacen que los fluidos se muevan en canales alternados.

-CAPíTULO 1 i -- -.. -

Tomillo de apriete

Los empaques especiales en las placas de los extre-mos impiden que los flu idos entren en contacto con los armazones.

Un empaque montado sobre cada placa sella el canal entre ella y la placa siguiente.

Las placas A y B se disponen en forma alternada.

La barra guía rectangular inferior garantiza una alineación abso luta de las placas, impidiendo el movimiento lateral.

FIGURA 11 -6 Intercambiador de calor

de placas y armazón, de líquido hacia líquido.

(Cortesía de Trante Corp.)

del fluido caliente hacia la pared por convección, después a través de la pared por conducción y, por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección. Cualesquiera efectos de la radiación suelen incluirse en los coefi-cientes de transferencia de calor por convección.

La red de resistencias térmicas asociada con este proceso de transferencia de calor comprende dos resistencias por convección y una por conducción, como se muestra en la figura 11-7. En este caso, los subíndices i y o represen-tan las superficies interior y exterior del tubo interior. Para un intercambiador de calor de tubo doble, la resistencia térmica de la pared del tubo es

In (DolD¡) Rpared = 27TkL (11-1)

en donde k es la conductividad térmica del material de la pared y L es la lon-gitud del tubo. Entonces la resistencia térmica total queda

1 In (DolD¡) l R = Rtotal = R¡ + Rpared + Ro = h.A- + 2 kL + h A

1 1 7T o o (11-2)

A¡ es el área de la superficie interior de la pared que separa los dos fluidos Y Aa es el área de la superficie exterior de esa misma pared. En otras palabras, A¡ y Aa son las áreas superficiales de la pared de separación mojada por los fluidos interior y exterior, respectivamente. Cuando uno de los fluidos fluye adentro de un tubo circular y el otro afuera de éste, se tiene A¡ = 7TD¡L Y Ao = 7TDaL (figura 11-8).

En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combi-nar todas las resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria del flu-

frío

caliente

cia de calor

Fluido frío

FIGURA 11 -7 Red de resistencias térmicas asociada

con la transferencia de calor en un inter-cambiador de calor de tubo doble.


“El área de transferenciade calor A, es el parámetro

de diseño”

Convección interna, conducción y convección externa

COMO CALCULAR EL COEFICIENTE DE TRANFERENCIA DE CALOR CONVECTIVO

(CASO CONVECCIÓN INTERNA)Coeficiente de PelículaCorrelación Ecuación Restricciones

Correlación de Prandtl

Régimen Turbulento. Tuberías Circulares.

Correlación de Gnielinski

10000<Re<5000000, 0.5<Pr<200Tuberías Circulares

CorrelaciónModificada de Dittus-Boelter

0.5<Pr<1; Re>5000. Gases. Tuberías Circulares

Correlación de Sieder- Tate

0.48<Pr<16700Régimen Laminar

Líquidos. Tuberías Circulares

--- L/D>60 , Pr>0.6Régimen Turbulento

Líquidos. Tuberías Circulares

--- 30<L/D<120 , 7000<Re<300000

Régimen TurbulentoAire. Tuberías Circulares

( ) ( )1Pr2/7.81PrRe)2/(

5.0 −⋅⋅+⋅⋅

=f

fNu

( ) ( )1Pr2/7.1207.1PrRe)2/(

3/25.0 −⋅⋅+⋅⋅

=f

fNu

14.03/1PrRe86.1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅⋅⋅=

wLdNu

µµ

5.08.0 PrRe023.0 ⋅⋅=Nu

14.03/18.0 PrRe023.0 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅=

wNu

µµ

55.01

01

PrRe023.0 4.08.0

−=→>

=→<

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅⋅=

nTTw

nTTw

TTNu

nw

2)28.3ln(Re)58.1( −−⋅=f

___ _____ _____ ", " ',.' TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA

O"M ""Mg"/W rtÉlcJ h - 2(a + b) - a + b

FIGURA 8-4 El diámetro hidráulico D" = 4A!p se define en tal forma que se reduce al diámetro común para los tubos circulares,

Laminar Turbulento

t Inyección de tinta

FIGURA 8-5 En la región de transición, el flujo cambia aleatoriamente entre laminar y turbulento.

Note que la temperatura media Tm de un fluido cambia durante el calentamien-to o el enfriamiento. Asimismo, las propiedades del fluido en el flujo interno suelen evaluarse en la temperatura media del fluido con respecto a la masa, la cual es el promedio aritmético de las temperaturas medias en la admisión y la salida; es decir, Tb = (Tm, i + Tm, e)/2.

Flujos laminar y turbulento en tubos El flujo en un tubo puede ser laminar o turbulento, dependiendo de las condi-ciones del mismo. El flujo de fluidos sigue líneas de corriente y, como conse-cuencia, es laminar a velocidades bajas, pero se vuelve turbulento conforme se incrementa la velocidad más allá de un valor crítico. La transición de flujo laminar a turbulento no ocurre de manera repentina; más bien, se presenta so-bre algún intervalo de velocidad, donde el flujo fluctúa entre laminar y turbu-lento antes de volverse por completo turbulento. La mayor parte de los flujos en tubos que se encuentran en la práctica son turbulentos. El flujo laminar se encuentra cuando fluidos intensamente viscosos, como los aceites, fluyen en tubos de diámetro pequeño o pasos angostos.

Para el flujo en un tubo circular, el número de Reynolds se define como

pVprornD Re = f.L

VpromD v (8-5)

en donde Vprom es la velocidad promedio del flujo, D es el diámetro del tubo y JJ = fJv/ p es la viscosidad cinemática del fluido.

Para el flujo por tubos no circulares, el número de Reynolds así como el nú-mero de Nusselt y el factor de fricción se basan en el diámetro hidráulico Dh,

definido como (figura 8-4)

(8 -6)

donde Ac es el área de la sección transversal del tubo y p es su perímetro. El diámetro hidráulico se define en tal forma que se reduce al diámetro común D para los tubos circulares, ya que

Tubos circulares:

Por supuesto, resulta conveniente tener valores precisos de los números de Reynolds para los flujos laminar, de transición y turbulento, pero, en la prác-tica, este no es el caso. Esto se debe a que la transición de flujo laminar a tur-bulento también depende del grado de perturbación que ese flujo recibe por parte de la aspereza de la superficie, las vibraciones del tubo y lasfluctuacio-nes en el flujo. En las condiciones más prácticas, el flujo en un tubo es la-minar para Re < 2 300, turbulento para Re > 10 000 y, en los valores inter-medios, de transición. Pero se debe tener presente que, en muchos casos, el flujo se vuelve completamente turbulento para Re > 4000, como se discute en el 'Tema de interés especial", al final de este capítulo. Cuando se diseñan redes de tuberías y se determina la potencia de bombeo, se aplica un enfoque conservador y se supone que los flujos con Re > 4000 son turbulentos.

En el flujo de transición éste oscila entre laminar y turbulento de manera aleatoria (figura 8-5). Se debe tener presente que, en tubos muy lisos, se pue-de mantener el flujo laminar con números de Reynolds mucho más altos, pa-ra evitar las perturbaciones del flujo y las vibraciones del tubo. En experimentos cuidadosamente controlados de esa manera, se ha mantenido el flujo laminar con números de Reynolds de hasta 100000.


___ _____ _____ ", " ',.' TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA

O"M ""Mg"/W rtÉlcJ h - 2(a + b) - a + b

FIGURA 8-4 El diámetro hidráulico D" = 4A!p se define en tal forma que se reduce al diámetro común para los tubos circulares,

Laminar Turbulento

t Inyección de tinta

FIGURA 8-5 En la región de transición, el flujo cambia aleatoriamente entre laminar y turbulento.

Note que la temperatura media Tm de un fluido cambia durante el calentamien-to o el enfriamiento. Asimismo, las propiedades del fluido en el flujo interno suelen evaluarse en la temperatura media del fluido con respecto a la masa, la cual es el promedio aritmético de las temperaturas medias en la admisión y la salida; es decir, Tb = (Tm, i + Tm, e)/2.

Flujos laminar y turbulento en tubos El flujo en un tubo puede ser laminar o turbulento, dependiendo de las condi-ciones del mismo. El flujo de fluidos sigue líneas de corriente y, como conse-cuencia, es laminar a velocidades bajas, pero se vuelve turbulento conforme se incrementa la velocidad más allá de un valor crítico. La transición de flujo laminar a turbulento no ocurre de manera repentina; más bien, se presenta so-bre algún intervalo de velocidad, donde el flujo fluctúa entre laminar y turbu-lento antes de volverse por completo turbulento. La mayor parte de los flujos en tubos que se encuentran en la práctica son turbulentos. El flujo laminar se encuentra cuando fluidos intensamente viscosos, como los aceites, fluyen en tubos de diámetro pequeño o pasos angostos.

Para el flujo en un tubo circular, el número de Reynolds se define como

pVprornD Re = f.L

VpromD v (8-5)

en donde Vprom es la velocidad promedio del flujo, D es el diámetro del tubo y JJ = fJv/ p es la viscosidad cinemática del fluido.

Para el flujo por tubos no circulares, el número de Reynolds así como el nú-mero de Nusselt y el factor de fricción se basan en el diámetro hidráulico Dh,

definido como (figura 8-4)

(8 -6)

donde Ac es el área de la sección transversal del tubo y p es su perímetro. El diámetro hidráulico se define en tal forma que se reduce al diámetro común D para los tubos circulares, ya que

Tubos circulares:

Por supuesto, resulta conveniente tener valores precisos de los números de Reynolds para los flujos laminar, de transición y turbulento, pero, en la prác-tica, este no es el caso. Esto se debe a que la transición de flujo laminar a tur-bulento también depende del grado de perturbación que ese flujo recibe por parte de la aspereza de la superficie, las vibraciones del tubo y lasfluctuacio-nes en el flujo. En las condiciones más prácticas, el flujo en un tubo es la-minar para Re < 2 300, turbulento para Re > 10 000 y, en los valores inter-medios, de transición. Pero se debe tener presente que, en muchos casos, el flujo se vuelve completamente turbulento para Re > 4000, como se discute en el 'Tema de interés especial", al final de este capítulo. Cuando se diseñan redes de tuberías y se determina la potencia de bombeo, se aplica un enfoque conservador y se supone que los flujos con Re > 4000 son turbulentos.

En el flujo de transición éste oscila entre laminar y turbulento de manera aleatoria (figura 8-5). Se debe tener presente que, en tubos muy lisos, se pue-de mantener el flujo laminar con números de Reynolds mucho más altos, pa-ra evitar las perturbaciones del flujo y las vibraciones del tubo. En experimentos cuidadosamente controlados de esa manera, se ha mantenido el flujo laminar con números de Reynolds de hasta 100000.


468 TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA

Ts = constante

Flujo laminar completamente desarrollado

FIGURA 8-22

u (r)

En el flujo laminar en un tubo con temperatura superficial constante tanto el factor de fricción como el coeficiente de transferencia de calor permanecen constantes en la región completamente desarrollada.

Si en la deducción de la ecuación 8-53 se considerara la conducción de calor en la dirección x, daría un término adicional aa2T1ax2, el cual sería igual a ce-ro, ya que aTlax = constante y, por tanto, T = T(r). Por'lo tanto, en este caso, se satisface con exactitud la suposición de que no se tiene conducción de ca-lor axial.

Al sustituir la ecuación 8-54 y la relación para el perfil de velocidad (ecua-ción 8-41) en la 8-43, da

(8-55)

la cual es una ecuación diferencial ordinaria de segundo orden. Su solución general se obtiene mediante la separación de las variables e integrar dos veces, para dar

(8-56)

La solución deseada para el problema se obtiene al aplicar las condiciones de frontera aTlax = O en r = O (debido a la simetría), y T = Ts' en r = R. Se ob-tiene

(8-57)

La temperatura media de la masa T¡n se determina al sustituir las relaciones de los perfiles de velocidades y de temperaturas (ecuaciones 8-41 y 8-57) en la ecuación 8-4 y llevar a cabo la integración. Esto da

(8-58)

Al combinar esta relación con tis = h(Ts - Tm) da

24 k 48 k k h = ui? = UD = 4.36 15 (8-59)

o bien,

Tubo circular, laminar (qx = constante): hD Nu = T = 4.36 (8-60)

Por lo tanto, para el flujo laminar completamente desarrollado en un tubo circular sujeto a flujo de calor constante en la superficie, el número de Nusselt es constante. No se tiene dependencia con respecto a los números de Reynolds o de Prandtl.

Temperatura superficial constante Se puede realizar un análisis semejante para el flujo laminar completamente desarrollado en un tubo circular para el caso de temperatura superficial cons-tante Ts• En este caso el procedimiento de solución es más complejo, ya que se requieren iteraciones, pero la relación del número de Nusselt que se obtiene es igualmente simple (figura 8-22):

Tubo circular, laminar (Ts = constante) : hD Nu = - = 366 k . (8-61)


Número de Reynolds

Número de Nusselt

QUE DEBO SABER PARA DISEÑAR EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR???

Principalmente:• Fundamentos de transferencia de Momentum y Calor• Termodinámica• Identificación de Mecanimos de Transferencia de

Calor• Conocimiento para la estimación de Coeficientes de

Transporte• Ingeniería y Ciencia de los Materiales• Ingeniería Económica

BIBLIOGRAFÍA

• Geankoplis Ch., (2006). Procesos de Transporte y Principios de Procesos de Separacion. 4a Edicion. Mexico, CECSA.

• Cengel Y.A., (2007). Transferencia de Calor y Masa: Un Enfoque Práctico. 3ra. Edición. México, Mc Graw Hill.

• Perry R. H. and Green D. W., (2010). MANUAL DEL INGENIERO QUIMICO. Seccion 10. “Transferencia de Calor”. Seccion 11. “Equipos de Transferencia de Calor”. 7a edicion. Espan a, Mc Graw Hill.

equipos de transferencia de calor

Engineering