intercambiadores ifc 2004 · intercambiadores de calor 8 un paso por carcasa y dos pasos por tubo...
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Intercambiadores de calor 1
INTERCAMBIADORES DE CALOR
1. Introducción
2. Clasificación de intercambiadores de calor
3. Diferencia de temperaturas representativa del intercambiador
4. Coeficiente global de transferencia
5. Métodos generales de diseño de equipos de intercambio
Intercambiadores de calor 2
1. INTRODUCCIÓN
EQUIPO DE INTERCAMBIO:Dispositivo que permite la transmisión térmica de un sistema físico a otro.
EJEMPLO:
Balances de energía:
Q1 = m · cp· (t2-t1) Q2 = M · Cp · (T1-T2)
Ecuación de transferencia:
dQ = dA· U ·(T- t);
Q = A · Um ·∆θrep.
t2m, cp, t1
M, Cp, T1 T2
A
T1
T2
t1
t2
T
t
dA
1.1. DEFINICIÓN Y EJEMPLOS
dA)tT(UQ
A∫ ⋅−⋅=
Intercambiadores de calor 3
1.2. PROBLEMA DE DISEÑO
Selección del modelo básico de intercambiador
Datos:Calor a transferirCaudales fluidosTemperaturas fluidosPérdida de carga máxima
Cálculo de:Superficie transferenciaDisposición geométricaPérdida de carga
Dado el equipo, determinar prestaciones cuando cambian condiciones de operación
- Selección de materiales, espesores- Procesos de mecanizado y constructivos
PROBLEMA TÉRMICO E HIDRÁULICO
PROBLEMA MECÁNICO
1.3. PROBLEMA DE FUNCIONAMIENTO
Intercambiadores de calor 4
2. CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES
Según el proceso de transferencia:- Contacto directo- Contacto indirecto
- Transferencia directa- Con almacenamiento- Lecho fluido
Según su construcción:- Tubular
- Doble tubo- Carcasa y Tubos
- Flujo cruzado- Espiral- Placas- Superficie aleteada (tubular o de placas)- Regenerativo
- Estático- Dinámico
Según la compacidad:- Compactos ( )- No compactos ( )
Según la disposición de flujos:- Paso único
- Equicorriente- Contracorriente- Cruzado
- Paso múltiple
Según el mecanismo de transferencia:- Convección / Convección- Convección / Cambio de fase- Cambio de fase / Cambio de fase- Convección / Radiación
Según la aplicación:- Economizadores, precalentadores, recuperadores - Hornos- Generador de vapor - Evaporadores, condensadores, torre de refrigerigeración.- Colector solar- Heat-pipe
β ≥ 700 2 3 m / m
β < 700 2 3 m / m
Intercambiadores de calor 5
DOBLE TUBO
MULTITUBULAR
Cabezal deretorno
Codo
Tubo externoTubo interno
Prensa estopa
Prensa estopa
Corriente interna
Corriente externa
2.1. INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO
Intercambiadores de calor 6
Salida de los tubos
Salida de la carcasa
Entrada en la carcasa
Entrada de los tubos
2.2. INTERCAMBIADOR DE CARCASA Y TUBOS
Intercambiadores de calor 7
Intercambiador de placa tubular fija
Intercambiador con haz tubular en U
Intercambiador con placa tubular flotante
Intercambiadores de calor 8
Un paso por carcasa y dos pasos por tubo (1-2)
Dos pasos por carcasa y cuatro pasos por tubo (2-4)
Dos pasos por carcasa y dos pasos por tubo (2-2)
Equivalencia de un equipo 2-4 con dos equipos 1-2 en serie
Intercambiadores de calor 9
Deflectores de discos
Deflectores de impacto o distribución
Tipos de carcasa según TEMA
Deflectores horizontales
Intercambiadores de calor 10
Disposición de los tubos en placa tubular
Paso triangular normal
Paso triangular invertido
Paso cuadrado normal Paso cuadrado invertido
Disposición de deflectores longitudinales según el número de pasos por tubo
(1) Tabiques de distribución en la placa tubular: cabezal frontal
(2) Tabiques de distribución en la placa tubular: cabezal posterior
Intercambiadores de calor 11
Cabezal de distribución
Deflector transversal
Placa tubular
Haz tubularEnvolvente
Cabezal de distribución
Deflector transversal
Placa tubular
Haz tubular
Envolvente
Soporte
Cabezal de distribución
Deflector transversal
Placa tubular
Haz tubular
Envolvente
Soporte
Tubuladura fluido interior
Tubuladura fluido exterior
Intercambiadores de calor 12
Intercambiadores de calor 13 Intercambiadores de calor 14
Intercambiadores de calor 15 Intercambiadores de calor 16
2.3. INTERCAMBIADOR DE FLUJO CRUZADO
Intercambiadores de calor 17
2.4. INTERCAMBIADOR EN ESPIRAL
Intercambiadores de calor 18
Intercambiadores de calor 19 Intercambiadores de calor 20
Paso único
Paso múltiple
2.5. INTERCAMBIADOR DE PLACAS
Intercambiadores de calor 21
Tipos de placas
Intercambiadores de calor 22
Esquema de montaje de intercambiador de placas
Intercambiadores de calor 23
2.6. SUPERFICIES ALETEADAS
Intercambiadores de calor 24
2.7. COMPACIDAD
Intercambiadores de calor 25
2.8. EVAPORADORES
Intercambiadores de calor 26
2.9. CONDENSADORES
Intercambiadores de calor 27
2.10. TORRES DE REFRIGERACIÓN
Intercambiadores de calor 28
2.11. GENERADORES DE VAPOR
Intercambiadores de calor 29
2.12. INTERCAMBIADOR REGENERATICO
Intercambiadores de calor 30
COLECTOR SOLAR
Intercambiadores de calor 31
HIPÓTESIS•Intercambiador adiabático•Régimen permanente.•Propiedades físicas de los fluidos constantes (Tc, tc ).•Temperatura de los fluidos homogénea en cada paso.•Conducción axial despreciable.•Coeficiente global de transferencia de calor constante (U = cte)
repTUAdA)tT(UQ θ∆=⋅−= ∫
dA)tT(UQ
A∫ ⋅−⋅=
ECUACIONES
Ecuación de transferencia:
−=
−=
)tt(mcQ
)TT(MCQ
esp2
sep1Balances de energía:
CÁLCULO DE ∆θREP PARA
1. Intercambiador en equicorriente2. Intercambiador en contracorriente3. Intercambiador de carcasa y tubos
3. DIFERENCIA DE TEMPERATURA REPRESENTATIVA DEL INTERCAMBIADOR
3.1. INTRODUCCIÓN
Intercambiadores de calor 32
3.2. INTERCAMBIADOR EN EQUICORRIENTE
T2M, T1
T2m, t1
TT1
TT2
dA AT
∆Te∆Ts
A
tt2
t1
TddQ)mc
1
MC
1( dQ
dtmc
dQ dtmcdQ
dTMC
dQ dTMCdQ
TdAUdA)tT(UdQ
pp
pp
pp
∆−=⋅ε=+⇒
=⇒⋅=
−=⇒⋅−=
∆⋅=−⋅=
BALANCE EN UN ELEMENTO DIFERENCIAL
UAe
A
0
T
T
eTT dAUT
Td
dAUT
Td
TddATUdA)tT(UdQ
e
ε−∆
∆
⋅∆=∆⇒⋅ε=∆∆
−
ε=∆∆
−⇒ε∆
−=∆⋅=−⋅=
∫∫
EVOLUCIÓN TEMPERATURAS FLUIDO FRÍO Y CALIENTE
UAe11
p
p
pp
eTRTRTtt)-(TtT )TT(Rtt mc
MCR
)tt(mc)TT(MC :energía de balance Del
ε−⋅∆+−+=+=⇒−⋅+=⇒=
−=−
11
11
R1
eTRRTtt
R1
eTRTtT
UAe11
UAe11
+⋅∆⋅−+
=+
⋅∆++=
ε−ε−
Intercambiadores de calor 33
CONCLUSIONES
R1
RTttT 11
++
==1. Si A↑ ⇒ ∆T↓ ⇒ T↓ y t↑2. Si A→∝ ⇒ ∆T → 0 ⇒3. Eficiencia marginal ↓
BALANCE EN EL INTERCAMBIADOR COMPLETO
θ∆=
∆∆∆−∆
=ε∆−∆
=
∆−∆=−+−=⋅ε⇒
−=
−=
θ∆=
AU)
T
Tln(
TTAU
TTQ
TTttTTQ )tt(mcQ
)TT(MCQ
AUQ
s
e
see
se
se122112p
21p
e
)T
Tln(
TTDTLM
s
e
se
∆∆∆−∆
==θ∆
Válido para U = Cte
DTLMAUAUQ rep ⋅=θ∆⋅=
Intercambiadores de calor 34
3.3. INTERCAMBIADOR EN CONTRACORRIENTE
T2M, T1
T2 m, t1
T
T1
TT2
dA AT
∆Te
∆Ts
A
t
t2
t1
BALANCE EN UN ELEMENTO DIFERENCIAL
UAe
UAe12
UAe12
ppp
p
eTT
R1
eTRRTtt ;
R1
eTRTtT
: a llega se egrandoInt
0
TddQ)mc
1
MC
1( dQ
dtmcdQ
dTMCdQ
TdAUdA)tT(UdQ
δ−
δ−δ−
⋅∆=∆−
⋅∆⋅+−=
−⋅∆+−
=
≤≥δ
∆−=⋅δ=−⇒
⋅−=
⋅−=
∆⋅=−⋅=
δ>0 δ=0 δ<0
CONCLUSIONES
mezcla12 T
R-1
RTttT ; 0T 0)( A ≠
−==→∆⇒≠δ∞→1. Si
2. Si θ∆==∆=∆=δ cteTT ; 0 e
Intercambiadores de calor 35
BALANCE EN EL INTERCAMBIADOR COMPLETO
ECCC DTLMDTLM >
T
T1
T2
ATA
t2
t1
T
T1
T2
AT
t2
t1
)T
Tln(
TTDTLM
s
e
se
∆∆∆−∆
==θ∆
Válido para U = Cte
DTLMAUAUQ rep ⋅=θ∆⋅=
CONTRACORRIENTE (CC) EQUICORRIENTE (EC)
Intercambiadores de calor 36
•Patrón de flujo mezcla equicorriente-contracorriente•No es posible emplear DTLM•Se busca factor F<1
cerep DTLMF ⋅=θ∆
bt’
a
Te ts
Tste
bt’
a
Te ts
Tste
Ts
Te
t’
ts
te
Intercambiador a contracorriente en el que se mantienen temperaturas de entrada y salida y los caudales de los fluidos
3.4. INTERCAMBIADOR DE CARCASA Y TUBOS
CONTRACORRIENTE EQUIVALENTE (CE)
DIFERENCIAS CON CONTRACORRIENTE Y EQUICORRIENTE
•a: equicorriente•b: contracorriente
•a: contracorriente•b: equicorriente
Ts
Te
t’
ts
te
Intercambiadores de calor 37
Influencia del cruzamiento en el valor F
Obtenida para T1=280ºC, ; T2=200ºC, ; t2-t1=50ºC
Comparación de equipos 2-4 y 1-2, trabajando en las mismas condiciones
ti
T1 t2
T
2
t1
T
2
t1 ti1
T2t1
(2)(I)
(II)
ti2
T1t2
(1)(III)
(IV)
ti3
Intercambiadores de calor 38
0.5 1 a
f(α)
∆θg
∆θa
1
0.5DTLM
1 T
T ;
)/1ln(
1TDTLM
e
se <
∆∆
=ααα−
⋅∆==θ∆
)2
1(T
2
TTe
sea
α+⋅∆=
∆+∆=θ∆=θ∆
TTT eseg α⋅∆=∆⋅∆=θ∆=θ∆
MEDIA ARITMÉTICA ENTRE ENTRADA Y SALIDA
MEDIA GEOMÉTRICA ENTRE ENTRADA Y SALIDA
DIFERENCIA DE TEMPERATURA LOGARÍTMICA MEDIA
3.5. OTRAS DIFERENCIAS DE TEMPERATURA
Intercambiadores de calor 39
•Realmente U ≠cte •Si U lineal ⇒ U=U0(1+a⋅(T-t))
•Para intercambiador a equicorriente (extensible a otras configuraciones)
BALANCE EN UN ELEMENTO DIFERENCIAL
entrada de sección la en global eCoeficient ; )Ta1(UU
salida de sección la en global eCoeficient ; )Ta1(UU
TU
TULnAU
:obtiene se salida yentrada entre entre ndograInte
dtmcdQ
dTMCdQ
TdA)Ta1(UdA)tT(UdQ
eoe
sos
se
esTo
p
p
0
∆⋅+=∆⋅+=∆∆
=⋅ε
⋅=
⋅−=∆∆⋅+=−⋅=
BALANCE EN EL INTERCAMBIADOR COMPLETO
)TU
TU(Ln
TUTUAQ
se
es
seesT
∆∆
∆−∆⋅=
Cuando U varía linealmente con (T-t) ya no es aplicable
DTLMAUQ ⋅⋅=
.
4. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA
4.1. INTRODUCCIÓN
CONCLUSIÓN
Intercambiadores de calor 40
•Colburn busca coeficiente medio Um , tal que sea válida
•Las temperaturas calóricas son aquellas a las que se produce Um
DTLMAUQ m ⋅=
CÁLCULO DE TEMPERATURAS CALÓRICAS
[ ]
)tt(Ftt
)TT(FTT
)tT(aUU Si
)
TU
TU(Ln
TUTUDTLMU
Cc
CC
ccom
se
es
seesm
121
212
1
−⋅+=−⋅+=−+⋅=
∆∆
∆−∆=⋅
T
Tr ;
U
UUk ;
k
1
rlg
)k1lg(1
)1r/(rk/1F
e
s
s
sec
cc
cc ∆
∆=
−=−
++
−+=
VENTAJAS DE TEMPERATURAS CALÓRICAS
•Las temperaturas calóricas permiten evaluar las propiedades de los fluidos para calcular Re y las pérdidas de carga del equipo•Las temperaturas calóricas permiten utilizar simplificaciones útiles
INCONVENIENTES DE TEMPERATURAS CALÓRICAS
•Se necesita calcular Us y Ue, coeficientes globales a la entrada y salida del intercambiador, para obtener Fc y las temperaturas calóricas
4.2. TEMPERATURAS CALÓRICAS
Intercambiadores de calor 41
SIMPLIFICACIONES EN EL CÁLCULO DE LAS TEMPERATURAS CALÓRICAS
1. Uno de los fluidos muy viscosos respecto al otro
hfv<<hfs
sec h
hhk
−=
2. Gradientes de temperatura pequeños
2
ttt ;
2
TTT 5.0F
Cº60tt
Cº60TT
Cº30DTLM21
c21
cc
12
21+
=+
=⇒=⇒
<−<−<
3. DTLM del orden de la diferencia entre las calóricas
se
sccc TT
TDTLMF DTLMtT Si
∆−∆∆−
=⇒≈−
Intercambiadores de calor 42
Uo: Coeficiente global de transferencia basado en la superficie exterior (W/m2 K)∆θR: Diferencia de temperatura representativa en el intercambiador(K)Ai: Superficie interior del tubo (m2)Ao: Superficie exterior del tubo con aletas (m2)ηo: Eficiencia modificada de aletaRT: Resistencia térmica total (K/W)Rt: Resistencia térmica de la pared del tubo (K/W)Rsi: Resistencia de ensuciamiento interior (K/W)Rso: Resistencia de ensuciamiento exterior (K/W)Fsi: Factor de ensuciamiento interior (m2 K/W)Fso: Factor de ensuciamiento exterior (m2 K/W)
AihiFsi
AohoFso
CALOR TRANSFERIDOQ = Uo Ao ∆θR = ∆θR/RT
4.3. CÁLCULO DEL GOEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA
CARACTERÍSTICAS
•Intercambiador con aletas en la superficie exterior•Resistencias de ensuciamiento en ambas superficies
DEFINICIONES
Intercambiadores de calor 43
FACTORES DE ENSUCIAMIENTO
•Tabulados Rs = Fs/A•A: Superficie en la que se considera la resistencia de ensuciamiento
soo
toioooo
sotosio
ioo
ooooo
sot
i
si
iiooT
o
Fh
1RA
h
1
h
1FRAF
h
1
U
1
Ah
1
A
FR
A
F
Ah
1AAR
U
1
+η
++=η
+η
+++=
η
+η
+++⋅=⋅=
CÁLCULO DE U
•Si Fsio = Fso = 0:
ooto
ioL h
1RA
h
1
U
1
η++=
•Si Fsio o Fso distinto de cero:
sLs
FU
1
U
1+=
El factor de ensuciamiento del intercambiador se puede expresar como:
sL
sLs UU
UUF
∗−
=
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA LIMPIO
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA SUCIO
hio,=hi ⋅(Ai/Ao): Coeficiente película interior basado en la superficie exterior (W/m2 K)
Fsio=Fsi ⋅(Ao/Ai): Factor ensuciamiento interior basado en la superficie exterior (m2 K/W)
Fs=Fsio + Fso : Factor de ensuciamiento total (m2 K/W)
Intercambiadores de calor 44
VALORES REPRESENTATIVOS DEL U
28-280Intercambiador de calor de tubos con aletas (vapor en tubos, aire en flujo cruzado)
280-1140Vapor con keroseno o gasolina
56-170Vapor con fuel oil pesado
170-340Vapor con fuel oil ligero
25-50Intercambiador de calor de tubos con aletas (agua en tubos, aire en flujo cruzado)
250-700Condensador de alcohol (agua en tubos)
800-1400Condensador de amoniaco (agua en tubos)
1000-6000Condensador de vapor (agua en tubos)
110-350Agua con aceite
850-1700Agua con agua
U (W/m2 ·K)Combinación de fluidos
> 50ºC
< 50ºC
Vapor (no aceitoso)
Líquidos refrigerantes
Aceite de motor
Agua de río (> 50ºC)
Agua de mar y agua tratada para alimentación del caldera
Fluido
0.0001
0.0002
0.0009
0.0002-0.001
0.0002
0.0001
Fs (m2K/W)
VALORES REPRESENTATIVOS DEL FACTOR DE ENSUCIAMIENTO
Intercambiadores de calor 45
5. MÉTODOS GENERALES DE DISEÑO DE EQUIPOS DE INTERCAMBIO
OBJETIVO
MÉTODOS DE DISEÑO
5.1 INTRODUCCIÓN
ECUACIÓN DE TRANSFERENCIA DEL EQUIPO DE INTERCAMBIO
Cálculo del área de transferencia del equipo de intercambio
•Método de F-DTLM•Método efectividad-número de unidades de transferencia (e-NTU)
)DTLMF(AUQ ⋅⋅=
maxQQ ⋅ε=
Método de F-DTLM
Método ε-NTU
Intercambiadores de calor 46
OBTENCIÓN DEL FACTOR F
12
21
p
p
11
12
max
tubos
tt
TT
carcasa MC
tubos mcR
tT
tt
T
tP
−−
==
−−
=∆∆
=
ContracorrienteEquivalente: (2)
DTLM
t)R,P(
mC
AU
.Eq.C2
.Eq.Cp
∆=φ=
Elemento diferencial: θ∆∆
=φ=t
)R,P(mC
AU1
p(1)
De (1) y (2): cece1
2 DTLM)R,P(DTLM)R,P(
)R,P(⋅φ=⋅
φφ
=θ∆
gráficas en obtiene Se )R,P(F ⇒φ=
5.2. MÉTODO F-DTLM
SI HAY CAMBIO DE FASE:
gráficas en busca se No F ⇒=1
Intercambiadores de calor 47
CURVAS DEL FACTOR CORRECTOR (F)
Intercambiadores de calor 48
5.3. MÉTODO ε-NTU
DEFINICIONES
Capacidad calorífica: C = m⋅Cp (WK-1)
Relación de capacidades: )C,min(C Cmin ;C
CR fc
max
min ==
Número de unidades de transferencia (NTU)
at
A
U
C AUtCQ min
min rep =∆
θ∆⋅=⇒θ∆⋅=∆⋅=
a (unidad de transferencia): Área de intercambio necesaria para aumentar 1ºC la temperatura del fluido de Cmin bajo una Dq de valor unidad
minC
AUNTU aNTUA
⋅=⇒⋅=
NTU (Número de unidades de transferencia):Número de veces que el intercambiador contiene a la unidad de transferencia
Efectividad:
maxminmax
maxminreal
maxmax
real
TCQ
TCtCQ
R)(NTU, T
t
Q
Q
∆⋅=∆⋅=∆⋅=
ψ=ε∆∆
==ε
Intercambiadores de calor 49
CÁLCULO DE LA EFECTIVIDAD
Gráficas:
Expresiones analíticas:
Casos particulares:
Gráfica e-NTU para intercambiador a contracorriente
1.R=0 Cambio de fase ⇒ NTUe1 −−=εVálido para cualquier tipología
1.R≈1 (Gas-gas C1≈C2) ⇒ NTU1
NTU
+=ε
Sólo válido para contracorriente
Isocorriente: R1
e1 )R1(NTU
+−
=ε+⋅−
Contracorriente: )R1(NTUeR1
e1 )R1(NTU
−⋅−⋅−
−=ε
−⋅−