Prof. Ing. Mahuli González

Universidad Nacional Experimental“Francisco de Miranda”

Programa de Ingeniería QuímicaUnidad Curricular: Operaciones Unitarias I

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Equipos donde se realiza el fenómeno de transporte de transferencia de calor entre dos fluidos

SEGÚN SU SERVICIORefrigerador

Condensador

Enfriador

Calentador Rehervidor

Generador de Vapor

Vaporizador

Sobrecalentador

SEGÚN SU CONFIGURACIÓN Y CONSTRUCCIÓN

Intercambiadores Tipo Carcasa

Intercambiadores de Doble Tubo

Intercambiadores en Forma Espiral

Enfriadores de Aire

Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen

Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños

Es bastante fácil de limpiar y reparar

Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier aplicación

Intercambiadores de carcaza y tubo

Carcaza cilíndrica

Deflectores transversales(baffles)

Boquilla de la carcaza

Boquilla de la carcaza

Boquilla para los tubos

Tubos

Placa de tubos

Deflectoreslongitudinales

Boquilla para los tubos

Se diseñan

TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association

Clase R Clase C Clase B

Petróleo y aplicacionesrelacionadas

Procesos químicos

Propósitos generales

Según estándares publicados por Asociación de Fabricantes de intercambiadores tubulares

Intercambiadores de carcaza y tubo

Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo

Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo

Designación de intercambiadores X X X

Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo

De Cabezal flotante:

De cabezal fijo:Tubos en forma de U:

Tienen solo una placa donde seinsertan los tubos en forma de U

Tiene una sola placa de tubos sujeta a la carcaza

Según su construcciónmecánica

Tienen las dos placas de tubos soldadas a la carcaza

Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo

De cabezal flotante

Tubos en forma de U

De Cabezal fijo

Tipo BEM

Tipo CFU

Tipo AES

Elementos del intercambiador de carcaza y tubo

TUBOS Proporcionan la superficie de transferencia de calor entre un fluido que fluye dentro de ellos y otro que fluye sobre su superficie externa

Se encuentran disponibles en varios metales como: acero de bajo carbono, cobre, aluminio, 70-30 cobre-níquel, acero inoxidable

Arreglo triangular Arreglo triangular rotado

El fluido de la carcaza debe ser limpio El arreglo triangular rotado raramente se usa por las altas caídas de presión que generan

Elementos del intercambiador de carcaza y tubo

Arreglo cuadrado Arreglo cuadrado rotado

El fluido de la carcaza debe ser sucioSe prefiere cuando la limpieza mecánica es critica

Espaciado de tubos (Pitch) ⟩ 1.25*Diámetro externo del tubo

• En las refinerías se prefieren tubos de 20 pie de longitud

• Los haces no removibles usan siempre arreglos triangulares (30°)

Soportar el haz de tubos.

Restringir la vibración de los tubos debido a los choques con el fluido.

Canalizar el flujo de fluidos por la carcasa originando turbulencia para lograr mayores

efectos de trasferencia de calor.

DEFLECTORES

Elementos del intercambiador de carcaza y tubo

Distancia centro a centro entre deflectores adyacentes

B1/5 DC < B > DC

Doble Segmentado

Tipos de Deflectores

Segmentado

Para deflectores segmentados el corte estáentre 15-40%El mejor resultado se obtiene con 25% de corte.

La altura de la ventana expresada como unporcentaje del diámetro de la carcasa, se denomina CORTE DEL DEFLECTOR.

Elementos del intercambiador de carcaza y tubo

TIPO E TIPO F

Un paso por la carcasa Dos paso por la carcasa con bafle longitudinal

Elementos del intercambiador de carcaza y tubo

Elementos del intercambiador de carcaza y tubo

Selección del fluido por los tubos

Fluidos mas corrosivos

Fluidos con mayor tendencia a la formación de depósitos

Fluido caliente

Corriente de mayor presión

El menos viscoso de los 2 fluidos

Ti > ToETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR

1. Convección desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes del mismo.

2. Conducción del interior al exterior del tubo.

3. Convección desde el exteriordel tubo al fluido.

AihiRi

.1

=

LKriroLnRcond...2

)/(π

=

AohoRo

.1

=AohoLK

riroLnAihi

Rtotal.1

...2)/(

.1

++=π

AohoLKriroLn

AihiRtotal

.1

...2)/(

.1

++=π

RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNA

AohoAoro

LKriroLn

Airi

AihiRtotal

.1

...2)/(

.1

++++=π

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL

**.1 AURtotal

=* Basado en cualquier área

COEFICIENTE LIMPIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

AohoA

AoroA

LKriroLnA

AiriA

AihiA

U

..

...2)/(..

.

1*****

*

++++=

π

Es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se coloca por primera vez en servicio.

REFERIDA AL ÁREA EXTERNA

horo

LKriroLnAo

AiriAo

AihiAoUo 1

...2)/(..

.

1

++++=

π

11 FrwRoRio

Uc+++=

BTUFpiehF °

=..0001.0

2

1donde

Relación Uo y Uc

1

1

11

1

FrorioUcUo

FrwRoRioUc

−++=

+++=

Uc > Uo siempre

Resistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosión

TAUQ Δ= ..

Relación básica que sirve para calcular los intercambiadores de calor

Diferencia de temperatura media logarítmica

La verdadera fuerza impulsora mediante la cual se transfiere el calor

Disposición de fluidos

ContracorrienteFlujo en Paralelo o Cocorriente

To

w Ti

w

to

w ti

w

T

Ti

to

To

ti

0 L

Intercambiador de doble tubo en contracorriente

LMTD = (T - t ) - (T - t )

lnT - tT - t

i o o i

i o

o i

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

Termodinámicamente es una disposición superior a cualquier otra .

Cuando hay combinados de flujos, como en un intercambiador distinto de 1:1

LMTDMTDFt =

Ft =1 Flujo equivalente a contracorriente

Para cualquier arreglo, FT < 0.75 Inaceptable

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 1-2)

Procedimiento general de diseño

Calcular la cantidad de calor intercambiado (Q)

)(**)(** totiCptmToTiCpsmQ −=−=

Calcular la diferencia de temperatura media efectiva

LMTDFtMTD *=

Asumir el coeficiente global de transferencia de calor Uo

Calcular el área basada en Uo supuesto

Procedimiento general de diseño

Determinar las dimensiones físicas del intercambiador a partir del área calculada

Calcular el coeficiente global de transferencia de calor Uo

Calcular la caída de presión a través del intercambiador

Calcular el área de transferencia basada en Uo calculado y MTD

horo

LKriroLnAo

AiriAo

AihiAoUo 1

...2)/(..

.

1

++++=

π

Comparación del área de transferencia calculada con el paso anterior

Repetir los cálculos hasta igualar las área de transferencia