INTERCAMBIADORES DE CALOR (CONCEPTOS)

Transcripción

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. 1

2 Clasificación de intercambiadores de calor según el servicio 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 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 2

3 Clasificación de intercambiadores de calor según configuración. 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 kpa en el lado de la carcaza y kpa en tubos. Estos intercambiadores se justifican económicamente si el área requerida es menor de 30 m 2 3

4 Pros Versátil Manejan altas presiones Disponibles en muchos tamaños Fácilmente modificables para mantenimiento U Comparable con intercambiadores de tubo y coraza Contras Grandes, pesados, y caros por unidad de área Intercambiadores de tubo y coraza son menos caros para áreas > 30 m 2 4

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. 5

6 Clasificación de intercambiadores de calor según configuración. Pros Amplio intervalo de operación, tamaños, y en especial 1.8 < A < 3 millon ft 2 bajo costo/ ft2 Contras Inflexibles una vez instalados Intercambiador de tubos y carcaza 6

7 Intercambiador de tubos y carcaza Intercambiador serie 7

8 Componentes de un intercambiador de tubo y carcaza Boquilla de canal Cabezal Boquilla de la coraza Carcaza Deflectores Boquilla canal Boquilla de la carcaza 8

9 Deflectores transversales Barras tirantes Bafle Clasificación de intercambiadores de calor según configuración. Intercambiador de calor de platos : consiste en una serie de placas finas con corrugación que separa los fluidos 9

10 Intercambiadores de calor de placas Pros 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 Contras Limitado a temperaturas modestas y bajas presiones <25 bar Los empaques son caros y deben ser re-usables. 10

11 Ecuaciones básicas de diseño Ecuación de Fourier: T 2 dt q = ka dr r 1 T 1 A = 2π rl r 2 r2 T o q = kdt 2π rl r1 T1 2 π Lk( T2 T1 q = ln( r / r 2 1 Resistencias térmicas: Ta T Rtot = q ( T2 T1 q = ln( r1/ r2 2π Lk R ln( r / r 3 ln( r / r = R2 = 2π Lk 2π Lk2 r 3 r 2 T 3 r 1 T 2 T 1 T a Ley enfriamiento Newton q ( T T 1 1 2π rlh 1 ha a 1 = Ra = a T 3 T 2 T 1 T a q R R 2 1 tot = = a R 2 1 ln( r / r ln( r3/ r2 2πrLh 2πLk 2πLk R 1 R a 11

12 Resistencias térmicas: T 3 r 3 T 2 R 1 ln( r / r ln( r3/ r2 2πrLh 2πLk 2πLk 2 1 tot = R= a r 2 r 1 T 1 T ( Ta T3 q = 1 ln( r2 / r1 ln( r3/ r πrLh 2πLk 2πLk 1 a T 3 T 2 T 1 T a q Coeficiente global de transferencia de calor R 2 R 1 R a 1 q = UAΔTglobal UA= R Coeficiente total de transferencia de calor U o 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: R io resistencia de la película laminar del fluido en el interior del tubo referida al área externa del tubo r io resistencia ( factor de ensuciamiento del material extraño depositado en el interior del tubo r w resistencia de la pared del tubo r o resistencia del material extraño depositado en el exterior tubo R o resistencia de la película laminar del fluido en el exterior tubo 12

13 Coeficiente global de transferencia h o ( Ti T0 q = 1 Rfi ln( ro / ri Rfo ha A 2π Lk A h A i i i o o o 1 q = UAΔTglobal UA= R A i h i r i T i ro T o U * 1 = * * * * * A RfiA A ln( ro / ri A Rfo A ha A 2π Lk A h A i i i o o o A o U o 1 = A RfiA o o Aoln( ro / ri Rfo+ ha A 2π Lk h i i i o 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 13

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 Flujo Paralelo o co-correinte T T H ( T T H C i T C ( TH Tc o 0 L 14

15 T h T c dq T h +dt h T c +dt c dq = m Cp dt = C dt h h h h h dq = m Cp dt = C dt c c c c c Δ T = T T h d( Δ T = dt dt c h c dq dq 1 1 d( Δ T = dq + Ch Cc Ch Cc Ahora sustituyendo dq = UdAΔT 1 1 d( T U TdA Δ = Δ + C h C c Integrando d( ΔT 1 1 = U + ΔT Ch Cc ΔT ln = UA + ΔT C C 1 h c da q q= Ch( Thi Tho Ch = ( T T q q= Cc( Tco Tci Cc = ( T T ΔT UA = T T T T 2 ln [( hi ci ( ho co] ΔT1 q hi co ho ci T T =ΔT hi ho ci co 1 T T =ΔT 2 ΔT2 ΔT1 q = UA ln( ΔT / ΔT

16 Flujo contra-corriente T H ( T T hi co ( T T ho ci T C T T =ΔT ho hi ci T T =ΔT co 2 1 ΔT2 ΔT1 LMTD = ln( ΔT / ΔT 2 1 Ejemplo: Para la siguiente configuración calcule la diferencia de temperatura media logarítmica. Contracorriente Fluido Caliente Fluido Frio 300 F entra 100 F sale 200 F sale 150 F sale ( ( LMTD = ( ln ( ( T T Ho ci T H T c ( T T Hi co 16

17 Intercambiadores de calor de paso multiple Ti to ti To Intercambiador de calor pasos en tubo 1 cacaza Intercambiador 1-2 carcaza tubo T i T i T o to to T i ti ti 17

18 El LMTD es valido para flujos en corriente y contracorriente. Para los demás tipos de intercambiador es necesario hacer una corrección. MTD= F*LMTD Se define R= Relacion de las capacidades termicas entre el fluido frio y caliente q mc ( T T T T R = = = mc q T T ( T T c pc c2 c1 h1 h2 h ph c2 c1 h2 h1 P= relación entre el calor real calculado con el fluido frio y la cantidad máxima de calor que pudiera recibir el fluido frio si el intercambiador tuviera un área infinita y saliera en equilibrio mc c pc( Tc2 Tc 1 ( Tc2 Tc 1 P = = m C ( T T ( T T c pc h1 c1 h1 c1 18

19 Ft= 1 Flujo equivalente a contracorriente Ft<1 debido a que la configuracion en paralelo no es tan efectiva como la contracorriente MTD= F*LMTD Ti T R = t t o o i t t o i P = T i t i Grafica para calcular F T 19

20 Reglas para el F T Generalmente evitar diseños con F T <0.75 Conduce a áreas muy grandes, usualmente se puede encontrar otro arreglo que trabaje mejor Para una simple coraza, con cualquier numero de pasos en tubo (1-2n, F T debe ser mayor que 0.9 Intercambiadores coraza tubo 2-2 to ΔTm= F*LMTD bafle ti To 2 pasos en carcaza 2 pasos en tubo Bafles longitudinales: permiten obtener flujos siempre en contracorrientes 20

21 Intercambiador 1-2 en serie to to ti To 21

22 Problema: Para las siguientes temperaturas terminales, calcule la diferencia de temperatura media efectiva (MTD Fluido Calien Fluido Frio Fluido Calien Fluido Frio Fluido Calien Fluido Frio Ti 350 To250 ti 100 to

23 Análisis del intercambiador de calor Método la diferencia de temperatura media logarítmica Método de eficiencia NUT Temperatura media logarítmica Q= U* A* LMTD ΔT1 ΔT2 LMTD = ln( ΔT / ΔT 1 2 T T T T P= ; R= T T T T c2 c1 h1 h2 h1 c1 c2 c1 F = φ( P, R, arreglo 23

24 Método eficiencia NTU Defina la relación de capacidades, donde C min y C max son el mas pequeño y mas grande de C h y C c, respectivamente C C = C * min max Definir la eficiencia, como la razón entre la transferencia real de calor para un intercambiador de calor y la transferencia de calor máxima posible q Ch( Th, i Th, o Cc( Tc, o Tc, i ε = = q C ( T T C ( T T max min hi, ci, min hi, ci, Q= εc ( T T min hi, ci, Método eficiencia NTU Calcule el numero de unidades de transferencia AU NUT = C min 24

25 Condiciones de flujo Flujo Laminar: se caracteriza por un movimiento suave de capas de fluido, desplazándose una sobre la otra sin mezclarse, la velocidad en un punto dado es constante y sigue un perfil constante Flujo Turbulento: se caracteriza por el intercambio y mezcla del fluido en la direccion radial de una parte del fluido a otra, la velocidad en un punto dado fluctua en un valor promedio El régimen del flujo existente se caracteriza por el numero de Reinold donde: DiV ρ GDi Re = = μ μ Di = Diametro interno del tubo (m V = Velocidad promedio del fluido en el tubo ( m/s ρ 3 = Densidad del fluido ( kg/m μ = Viscosidad del fluido (kg/m.s 2 G= velocidad masica (kg/s.m Re > Flujo turbulento Re <= Flujo laminar 2100< Re < zona transición 25

26 Numero de Nusselt: coeficiente adimensional de transferencia de calor Nu = hl c k Numero de Prandtl: coeficiente adimensional formado a partir de las propiedades del fluido, cociente entre a viscosidad cinemática y la difusividad térmica. (tabulados Pr = Cpμ k K = conductividad térmica del fluido Cp= calor especifico del fluido Flujo turbulento: ( Dittus y Boelter : aplicable en diferencias moderadas entre la pared y el fluido Nu = 0.023* Re Pr Para 0.5 < Pr < < Re <5x10 6 Flujo laminar: ( Sieder y Tate : propiedades evaluadas a la media aritmética de la diferencias de temperatura de entrada y salida 1/ /3 d μ Nu = 1.86*(Re Pr L μ p μ p = viscosidad a la temperatura de la pared 26

27 Temperatura calórica Las propiedades de transporte de fluido se evalúan a las temperaturas calóricas respectivas. (fluidos alta viscosidad Para el fluido caliente se expresa T = T + F ( T T c salida c entrada salida Para el fluido frio t = t + F ( t t c entrada c salida entrada Fc se calcula con los rangos de temperatura del fluido caliente y frió y la densidad API (grafica 17 Kern: Δ T = T T h h1 h2 Δ T = T T c c1 c2 Kc mayor = pelicula controlante Gravedad API Rango temperatura kc 0.01 kc Fc 10 Δ tc / Δ th 27

28 Factor de obstrucción La resistencia a la transferencia de calor debida al ensuciamiento son causadas por sedimentos, polímetros y otros depósitos. Mecanismo de ensuciamiento Ensuciamiento por sedimentación: Algunas corrientes en particular el agua contienen sólidos suspendidos que se depositan sobre el área de transferencia. El ensuciamiento por sedimentación depende de la velocidad del fluido. Ensuciamiento por inversión de la solubilidad: Ciertas sales presentes en las aguas, son menos solubles en aguas calientes que en fria, ej: sulfato de calcio. Si la temperatura de la superficie es mayor que la temperatura de saturacion de la sal esta precipita. Mecanismo de ensuciamiento Ensuciamiento por reacción química: Ocurre cuando hay reacción química en una de las corrientes, que origina la producción de una fase sólida cerca de la superficie. Ensuciamiento por corrosión: Si una corriente corroe el metal de la superficie de transferencia. Ensuciamiento biológico: Aguas que contienen organismos que se adhieren a la superficies sólidas 28

29 Criterios para el diseño de intercambiadores: El ensuciamiento no es usualmente severo por debajo del los 120 C. El ensuciamiento es mas severo cuando los hidrocarburos se calientan Vaporización en un intercambiador puede causar ensuciamiento severo. Altas velocidades tienden a reducir el ensuciamiento La alimentación a los reformadores catalíticos y plantas de desintegración catalítica, muchas veces se ven afectadas por un proceso de ensuciamiento severo debido a las reacciones orgánicas con oxigeno, que ocurre mientras alimentación se encuentra almacenada en los tanques. Temperatura de la pared Coeficiente de corrección por viscosidad μ w = μ φ = μw 0.14 viscosidad a la temperatura de la pared En el caso de líquidos, la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura. 29