Universidad Nacional del Callao

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1 Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química Escuela Profesional de Ingeniería Química INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS CURSO : BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA PROFESOR : ING. ZAVALETA ORTIZ JACK INTEGRANTES : REYNAGA SUTTA NORBERT ROSAS CAMPOS LILIANA AKEMI SANDIVAR ANAYA ROMEL C E J SANCHEZ ROSAS DAVID ENRIQUE B CICLO : V CALLAO PERU 2007

2 INTRODUCCION El intercambiador de calor de placas es extremadamente versátil y es de uso común en las industrias de procesado de alimentos y productos químicos, pudiéndose utilizar diferentes combinaciones de placas y juntas según cada aplicación específica. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS. Un intercambiador de calor de placas, ICP, es un aparato que transfiere energía térmica de un fluido a otro, ambos circulando en círculos cerrados independientes, habiendo o no cambios de fase y sin que exista mezcla de fluidos. Los ICP incluidos en esta ITC están constituidos por un conjunto de placas estampadas y corrugadas montadas en un bastidor común. Otros diseños intercalan placas intermedias de conexión para disponer, en un mismo ICP, de diferentes secciones. La estanqueidad y distribución de los fluidos que circulan por ambos circuitos del ICP se obtiene por: Una junta de material adecuado que se sitúa en el perímetro de la placa de transferencia de calor y alrededor de los taladros de entrada/salida del fluido. Soldadura en el perímetro de contacto de las placas de transferencia la de calor. El cierre hidráulico del ICP se obtiene sometiendo el conjunto de placas de transferencia de calor a un esfuerzo de compresión mediante los pernos de apriete o por medio de tuercas de apriete montadas en las barras guía y soporte del bastidor. Presión de diseño. Presión utilizada en el cálculo mecánico del ICP. La presión de diseño deberá ser mayor o igual que la presión máxima de servicio. Presión de servicio. Presión normal de trabajo del ICP a la temperatura de servicio. Presión de prueba. Presión a la que se somete el ICP para comprobar su resistencia en las condiciones estáticas a las que ha sido diseñado. Temperatura de servicio. Temperatura normal de trabajo del ICP. Temperatura de diseño. Temperatura utilizada en el cálculo mecánico de ICP, y deberá ser mayor o igual que la temperatura máxima de servicio. CAMPO DE APLICACIÓN La presente Instrucción abarca a los intercambiadores de calor de placas (ICP) quedando exceptuados de los preceptos de esta ITC aquellos cuyo potencial de riesgo definido sea igual o inferior a 100. Los cuales, al amparo de lo dispuesto en el artículo 5. Del Reglamento de Aparatos a Presión, se considerarán igualmente excluidos del mismo. Quedan excluidos de esta ITC los intercambiadores de calor de espiral. Cuando por razón del lugar en que vayan a prestar servicio existan otras prescripciones reglamentarias, los ICP deberán cumplir además lo en ellas dispuesto, como complemento. CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS Los ICP se clasifican en las siete categorías definidas como a continuación se detalla, en función de las características del fluido que vayan a contener y de su potencial de BALANCE DE MATERIA YENERGIA 2 de 14

3 riesgo, definido como el producto de la presión de diseño en bar por el volumen total contenido en ambos circuitos expresado en dm 3. Potencial de riesgo. Grupo 1: Mayor de Grupo 2: Mayor de y menor o igual de Grupo 3: Mayor de 500 y menor o igual de Grupo 4: Menor o igual de 500. Características de los fluidos. Grupo A: Líquidos o gases tóxicos, ácidos, cáusticos o inflamables a cualquier temperatura. Se exceptúan de este grupo las soluciones ácidas o básicas para limpieza. Grupo B: Vapor de agua. Grupo C: Agua y otros fluidos no contenidos en A y/o B a temperatura superior a 85 C y soluciones de limpieza. Grupo D: Agua y otros fluidos no contenidos en A y/o B a temperatura inferior a 85 C. Categorías de intercambiadores de calor de placas. Características del Fluido Potencial de Riesgo A TABLA I B C D 1 1A Categoría I 1B Categoría II 1C Categoría III 1D Categoría IV 2 2A Categoría II 2B Categoría III 2C Categoría IV 2D Categoría V 3 3A Categoría III 3B Categoría IV 3C Categoría V 3D Categoría VI 4 4A Categoría IV 4B Categoría V 4C Categoría VI 4D Categoría VII Si por el intercambiador de calor de placas circulan fluidos pertenecientes a distintos grupos según lo definido en 3.2, para la definición de su categoría, se utilizará el de mayor peligrosidad. ELEMENTOS DE SEGURIDAD Y CONTROL El particular diseño de los intercambiadores de calor de placas no requiere que éstos vayan provistos de válvulas de seguridad u otros dispositivos limitadores de la presión específicos. No obstante se garantizará en la instalación que no se sobrepasen los valores de la presión de diseño. BALANCE DE MATERIA YENERGIA 3 de 14

4 Cuando por el intercambiador de calor de placas circulen fluidos: A una temperatura superior a su temperatura de ebullición a presión atmosférica Vapor recalentado. Tóxicos, ácidos o cáusticos (exceptuándose las soluciones de limpieza), y el potencial de riesgo, producto de la presión en bar por el volumen en decímetros cúbicos, sea superior a 1.000, deberá protegerse el paquete de placas con una pantalla protectora para evitar que eventuales proyecciones puedan alcanzar a las personas que circulen en las proximidades del mismo. MODIFICACIONES DE APLICACIÓN Una de las características del intercambiador de calor de placas es su flexibilidad. Su particular diseño permite que añadiendo o retirando placas puedan cumplirse distintos programas térmicos y, por tanto, con un mismo bastidor puedan satisfacerse aplicaciones diferentes. Por ello cuando un intercambiador de calor de placas ya instalado se quiere utilizar en otra aplicación distinta a la del diseño original, el usuario aplicará los requisitos siguientes: Para los ICP que no cambien de categoría según punto 3, tabla 1, de esta ITC no se requiere ninguna tramitación administrativa. El usuario debe asegurarse de que el intercambiador de calor de placas puede utilizarse con las nuevas presiones y que sus materiales son compatibles con los nuevos fluidos y temperaturas. Si la nueva categoría del intercambiador de calor de placas, según punto 3, tabla I, de esta ITC, corresponde a las I,II,lll(3A) y lll(2b), la modificación se tramitará como si de un aparato nuevo se tratase. No se entenderá por aplicación distinta a la original el hecho de añadir o retirar placas de transferencia de calor para, con los mismos fluidos, satisfacer otros programas térmicos. BALANCE DE MATERIA YENERGIA 4 de 14

5 INTERCAMBIADORES DE TIPO PLACA Llamados también intercambiadores compactos. Pueden ser de diferentes tipos: Intercambiadores de tipo placa y armazón (plate and frame) similares a un filtro prensa. Intercambiadores de aleta de placa con soldadura (plate fin). Admiten una gran variedad de materiales de construcción, tiene una elevada área de intercambio en una disposición muy compacta. Por la construcción están limitados a presiones pequeñas. BALANCE DE MATERIA YENERGIA 5 de 14

6 INTERCAMBIADOR DE PLACAS PARALELAS Este equipo se empezó a utilizar en los años 30 para el tratamiento y pasteurización de la leche. Este tipo de intercambiador satisfizo así la necesidad de contar con un equipo de fácil limpieza, sin irregularidades ni rincones donde se pudieran albergar bacterias y se fomentara su desarrollo. La elaboración de este producto alimenticio tan sensible requiere de elevados coeficientes de transferencia de calor para que el tiempo de residencia, especialmente a altas temperaturas, sea mínimo. El equipo debía ofrecer acceso a ambos lados de la superficie de transferencia de calor para facilitar su limpieza. Con el transcurso del tiempo se reconoció que las características de esos primeros diseños se podrían aplicar a todas las industrias que manejan líquidos, ya sea como parte del proceso o en los servicios de enfriamiento de una planta. Un intercambiador de placas típico se compone de dos secciones principales: a) El bastidor, cuyos componentes son de acero al carbón, con excepción de aquellos que, como las conexiones de entrada y salida, tienen contacto con los fluidos. b) Las placas de transferencia de calor, que se fabrican prensando láminas delgadas de gran variedad de aleaciones y metales resistentes a la corrosión. El más usado es el acero inoxidable. El espesor de las placas es generalmente de 0.6 a 0.9 mm. El bastidor incluye un cabezal fijo y un apoyo de extremo, conectados por una barra portante superior y por la barra inferior de guía. La barra superior sostiene el cabezal seguidor, que puede moverse según se requiera. El conjunto de placas de transferencia de calor queda prensado entre el cabezal fijo y el seguidor por barras de unión. En sus esquinas el cabezal tiene conexiones para permitir la entrada y salida de los fluidos de trabajo al intercambiador. En algunos casos hay entrada/salida en el cabezal fijo y en el seguidor. Una placa típica, de forma rectangular, tiene bocas en las esquinas que corresponden a la ubicación de las conexiones del bastidor. Con el objeto de aumentar la superficie de transferencia de calor, las placas presentan acanaladuras que ayudan tambien a inducir un alto nivel de turbulencia para velocidades medias relativamente bajas (0.25 a 1 m/seg). Los empaques o juntas se fabrican de elastómeros, que se seleccionan de acuerdo con el tipo de servicio y se colocan en el borde de las placas rodeando completamente las bocas de alguno de los extremos de manera que el flujo se pueda distribuir de lado a lado de la placa. BALANCE DE MATERIA YENERGIA 6 de 14

7 Cuando se monta un conjunto completo de placas, la estructura de los canales de flujo es simétrica en ambos lados de modo que se pueden determinar de antemano y con toda precisión las caidas de presión y la temperatura. Esta es una característica en la que difiere de los intercambiadores de tubo y coraza, en los que la estructura del lado de coraza es tan compleja que, para predecir el coeficiente de transferencia de calor, se deben tomar grandes márgenes de seguridad. Además las características simétricas de los canales de flujo, eliminan la necesidad de decidir cuál fluido pasará por tubos y cuál por coraza, dado que los lados de la placa son equivalentes. El intercambiador de placas se desmonta fácilmente destornillando las barras de unión, por lo que las operaciones de mantenimiento y limpieza se pueden efectuar rápidamente. Sin duda alguna, la característica más importante de los intercambiadores de placas es que los coeficientes globales de transferencia de calor que se obtienen en servicios de líquido a líquido, son de dos a tres veces mayores que los que se pueden obtener con las mayores unidades de tubo y coraza. Los coeficientes típicos de diseño para un intercambiador de placas de agua a agua son de 3,500 a 5,000 Kcal/m2hr C. En consecuencia, las áreas de transferencia de calor para una determinada función de calentamiento o enfriamiento son mucho menores que para el caso equivalente de tubos y coraza, lo que es una característica muy valiosa cuando la naturaleza del líquido es corrosiva y se requiere trabajar con materiales de construcción muy caros. Las limitaciones de diseño incluyen 300 lb/in2 como presión máxima dependiendo del tipo de empaques utilizados. El área de las placas puede variar de 0.3 hasta 16 ft2, y el de un equipo completo de 0.3 hasta 6,500 ft2. La conexión más grande disponible es de 1 ft, permitiendo flujos de líquidos (similares al agua) arriba de 4,500 GPM. Teoría fundamental Algunas ecuaciones que nos describen el fenómeno de transferencia de calor y que rigen para el intercambiador de placas son las siguientes: Flujo de calor transferido: Q= m Cp T Donde: Q = Flujo de calor, Btu/hr. m = Flujo másico, lbm/hr. Cp = Capacidad calorífica del fluido, Btu/lbm F. T = Diferencia de temperaturas, F. Coeficiente Global de transferencia de Calor: BALANCE DE MATERIA YENERGIA 7 de 14

8 Q = N Uo Ao T ML Donde: N = número de placas Ao = Superficie de transferencia de calor de una placa, tal que 2Ao es el área existente en un canal formado con 2 placas. Uo = Coef. Global de transferencia de calor T ML = Diferencia de temperaturas media logarítmica. Donde: U o = 1 + h i 1 x f i + + k 1 f o + h o Donde: x = espesor de la placa. k = conductividad térmica de las placas. fi = fo = factores de obstrucción por incrustaciones. hi = ho = coeficientes de película de transferencia de calor. INTERCAMBIADORES DE PLACAS Es un intercambiador cuya estructura se parece a un filtro prensa ya que es paquete de placas con empaquetadura alineadas en determinada forma entre dos placas rígidas y barras soportantes que mantienen el paquete hermético. Las placas generalmente tienen una perforación en cada esquina, que pueden estar abiertas o cerradas de acuerdo al tipo de flujo que se quiera establecer. Entre las placas existe un espacio libre para qué pase el fluido o sea que la placa tiene canales para que circule el fluido. Un fluido fluye de las perforaciones existentes en un extremo de la placa hacia las perforaciones existentes en el otro extremo de la placa. BALANCE DE MATERIA YENERGIA 8 de 14

9 Fig. 1, Vista general de un intercambiador de placas (PHZ) que tiene un paso para ambos fluidos ORDENAMIENTO Los fluidos pueden hacerse circular de acuerdo a un ordenamiento determinado de las placas. En el caso de la figura 2 el ordenamiento es 4x2/2x4, esto significa que: Para fluido frío Para fluido caliente 2 canales en paralelo cada 4 pasos. 4 canales en paralelo cada 2 pasos. Fig. 2, ordenamiento de placas 4x2/2x4 BALANCE DE MATERIA YENERGIA 9 de 14

10 PLACAS El espesor de las placas puede variar entre 0.5 y 1.2 mm y el espacio de los canales sobrepasa muy pocas veces los 5 ó 6 mm. Los materiales utilizados pueden ser acero al carbono, aluminio, aleaciones de cobre, cobre, titanio, aceros inoxidables, aleaciones de níquel molibdeno, tantalio y otros metales nobles. La presión máxima de trabajo es 15 atmósferas y 270 C de temperatura. EMPAQUETADURAS Generalmente son de elastómeros como goma natural, nitrilo butil neopreno EP, silicona y otros. Estos materiales funcionan bien hasta 130 C y para temperaturas superiores se utilizan empaquetaduras con asbesto. Las empaquetaduras se adhieren a las placas utilizando adhesivos especiales. MÉTODO DEL CÁCULO RÁPIDO Este es un método que permite el cálculo del intercambiador de placas para un proyecto. Todo el procedimiento está basado en el conocimiento del coeficiente total de transmisión de calor k y en el calor transferido en que Del balance de calor se tiene: VI p C1 (til tol) = V2 p2c2 (to2 ti2) V 1 = caudal del fluido caliente en m3/h V 2 = caudal del fluido frío en m3 /h p 1 = densidad del fluido caliente p2 = densidad del fluido frío C 1 = calor específico del fluido caliente BALANCE DE MATERIA YENERGIA 10 de 14

11 C2 = calor específico del fluido frío ti 1 = temperatura de entrada fluido caliente, C to 1= temperatura de salida fluido caliente, C ti2 = temperatura de entrada fluido frío, C to2= temperatura de salida fluido frío, C Si hay condensación de vapor en el lado caliente del intercambiador, la temperatura de condensación, el calor de condensación y el caudal másico del vapor son los parámetros más importantes. Y: En que: Para realizar el cálculo se puede utilizar el nomograma GO11 (alfa Laval). Para estimar el valor de k, se pueden usar los datos de Alfa Laval que están en las tablas T005 a T102. Para algunos casos particulares también se puede estimar que k es proporcional a: BALANCE DE MATERIA YENERGIA 11 de 14

12 C = calor específico v = viscosidad CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE CALENTAMIENTO Al tener determinado el flujo de calor 1, d tm y el coeficiente total de transmisión de calor k, el área de transmisión de calor es: Como no se ha establecido si el modelo escogido es capaz de soportar el caudal, es necesario revisar estos antecedentes en las tablas, T005, T101 (Alfa Laval) ARREGLO DE LOS PASOS El número total de placas se calcula dividiendo el área total de transferencia de calor por el área unitaria de la placa obtenida de la tabla T1O1. El número de canales paralelos np puede ser estimado del caudal total V y el caudal por canal v de la tabla T 102. El número total de placas está relacionado con el número de canales en paralelo np y el número de pasos en serie por: ntot = 2 np ns También se puede obtener de BALANCE DE MATERIA YENERGIA 12 de 14

13 Algunas aplicaciones: Refrigeración, aire acondicionado; industrias petrolera, química, petroquímica, siderurgia, bebidas gaseosas, automotriz, minera, cementera, etc INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS SOLDADAS Alta eficiencia en procesos industriales y de aire acondicionado En principio, un CBE (Compact Brazed Exchanger) se concibe como un conjunto de placas con canales corrugados contenido entre una placa frontal y una posterior, conocidas como frames. Estos frames están compuestos por sellos de placas, anillos ciegos y placas cobertoras. El conjunto en su totalidad es unido mediante un proceso de soldadura al vacío el cual asegura la formación de un cordón continuo entre el material base y el material aporte. Los fluidos pueden pasar a través del intercambiador por diferentes caminos. Para CBEs con flujos paralelos, existen dos configuraciones de flujos: a favor de la corriente y encontra de la corriente. También se dispone de diversas configuraciones de placa lo que asegura una excelente versatilidad de estas unidades. Algunas aplicaciones: Bombas de calor; enfriadores industriales como ser máquinas inyectoras de plástico, máquinas soldadoras, prensas hidráulicas y enfriadores de aceite; aire BALANCE DE MATERIA YENERGIA 13 de 14

14 acondicionado; enfriadores de agua de proceso para la industria; recuperación de calor de agua a tirar o de proceso, climatización en sala de enfriadores. En refrigeración puede funcionar como: Condensadores Evaporadores Sobre calentadores de Gas De Super heaters Subenfriadores condensado Economizadores Intercoolers REFERENCIAS maceuticas/castroe07/ soldadas.html /Intplaca.PDF BALANCE DE MATERIA YENERGIA 14 de 14