DEFINICIÓN CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Transcripción

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2 DEFINICIÓN INTERCAMBIADOR DE CALOR Es un equipo de transferencia de calor empleado en procesos químicos con la finalidad de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Según de tipo de servicio De acuerdo al proceso de transferencia De acuerdo a los mecanismos de transferencia de calor De acuerdo al numero de fluidos involucrados De acuerdo a la disposición de los fluidos De acuerdo a la compactación de la superficie De acuerdo al tipo de construcción

3 CLASIFICACIÓN: SEGÚN SERVICIO Refrigerador Calentador Calientan una corriente de proceso Enfrían una corriente de proceso con un liquido refrigerante a fin de obtener temperaturas menores que las que se obtendrían con un enfriador Enfriador Enfría una corriente de proceso con agua o aire Condensador Condensan una corriente de proceso SEGÚN SU SERVICIO Generador de Vapor Rehervidor Vaporiza una corriente de proceso Producen vapor de agua y se conocen como calderas d e recuperación de calor Sobrecalentador Calienta un vapor por encima de condiciones de saturación Vaporizador Convierte liquido a vapor. Cuando el liquido es diferente al agua

4 CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO Es uno de los diseños más simples Consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos. Este es un tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil.

5 INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO Multitubular

6 CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN ENFRIADORES DE AIRE Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por fuera de un haz de tubos, actúa como medio refrigerante para condensar y/o enfriar el fluido que va por dentro de los mismos. Se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar perpendicularmente al eje de los tubos

7 CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL Estos intercambiadores se originaron en Suecia hace mas de 40 años para ser utilizados en la industria del papel y son llamados también SHE debido a sus siglas en inglés: Spiral Heat Exchanger. Su diseño consiste en un par de láminas de metal enrolladas alrededor de un eje formando pasajes paralelos en espiral por entre los cuales fluye cada sustancia. Son muy utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos y líquidos con sólidos en suspensión, así como también en operaciones de condensación y vaporización.

8 INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL

9 CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO Haz de tubos dentro de una carcaza cilíndrica, con presencia de deflectores para generar turbulencia y soportar los tubos. El arreglo de tubos es paralelo al eje longitudinal de la carcaza y puede estar fijo o ser de cabezal flotante. Tubos internos lisos o aleteados Es el más utilizado en las refinerías y plantas químicas en general debido a que: 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 de reparar. Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier aplicación.

10 INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO

11 INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO

12 INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO Boquilla de la carcaza Boquilla para los tubos Placa de tubos flotante Tubos Carcaza cilíndrica Divisor de paso o baffles longitudinal Boquilla para los tubos Cabezal flotante Boquilla de la carcaza Deflectores transversales (baffles)

13 CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO Intercambiadores de carcaza y tubo Se diseñan Según estándares publicados por Asociación de Fabricantes de intercambiadores tubulares APLICABLE : Diámetro interno de la carcaza (DIC) 1,524 mm (60 in) Presión 207 bar (3000Psi) DIC*Presión mm bar (60000 in psi) TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association Clase R Clase C Clase B Propósitos generales Petróleo y aplicaciones relacionadas Procesos químicos

14 CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO Designación de intercambiadores X X X Cabezal anterior Cabezal posterior Tipo de carcaza

15 CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO De Cabezal flotante: Tiene una sola placa de tubos sujeta a la carcaza Según su construcción mecánica Tubos en forma de U Tienen solo una placa donde se insertan los tubos en forma de U De cabezal fijo: Tienen las dos placas de tubos soldadas a la carcaza

16 CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO De cabezal flotante Tipo AES Tubos en forma de U De Cabezal fijo Tipo CFU Tipo BEM

17 ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES 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 ü Se encuentran disponibles en varios metales como: acero de bajo carbono, cobre, aluminio, cobre-níquel, acero inoxidable Arreglo triangular Arreglo triangular rotado ü El fluido de la carcaza debe ser limpio ü El arreglo triangular rotado raramente se usa por las altas caídas de presión que generan

18 ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO Arreglo cuadrado Arreglo cuadrado rotado ü El fluido de la carcaza debe ser sucio ü Se 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 ) Cuanto más largo es un intercambiador, menos tubos contiene, menor es el diámetro de la carcaza, su diseño es más simple y menor es su costo.

19 SELECCIÓN DEL ANGULO DEL PITCH

20 ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO DEFLECTORES 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 mayore s efectos de trasferencia de calor.

21 ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO Tipos de Deflectores Segmentado La altura de la ventana expresada como un porcentaje del diámetro de la carcasa, se den omina CORTE DEL DEFLECTOR. ü Para deflectores segmentados el corte está entre 15-40% ü El mejor resultado se obtiene con 25% de corte. Doble Segmentado B Distancia centro a centro entre deflectores adyacentes 1/5 DC < B > DC

22 ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO TIPO DE CARCAZA TIPO E TIPO F Un paso por la carcasa Dos paso por la carcasa con bafle longitudinal

23 LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS Cuando se opera con un fluido muy corrosivo debe hacerse circular por el interior de los tubos para evitar la corrosión de todo el intercambiador Para los fluidos con un alto factor de ensuciamiento, es conveniente hacerlo circular por los tubos donde se puede mantener un mejor control de la velocidad que puede reducir este efecto. En servicios de alta temperatura se fabrican los tubos de aleaciones convenientes que reduzcan la expansion termica y se hace circular el fluido caliente por el interior de ellos.

24 LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS Los fluidos con mayor presión deben generalmente colocarse por los tubos. Los fluidos muy viscosos deben colocarse fuera de los tubos para obtener altos coeficientes de transferencia de calor, por crearse alli mayor turbulencia. El fluido de menor flujo masico se coloca fuera de los tubos, ya que alli se somete a mayor turbulencia, mejorandose el coeficiente de transferencia de calor.

25 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR ETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR Ti > To 1. Convección desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes del mismo. Ri = 1 hi. Ai Ts 2. Conducción del interior al exterior del tubo. Rcond = Ln( ro/ ri) 2. π. K. L Ti h i h o T o 3. Convección desde el exteriordel tubo al fluido. Ro = 1 ho. Ao Rtotal = 1 hi. Ai + Ln( ro/ ri) 2. π. K. L + 1 ho. Ao

26 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNA Rtotal = 1 hi. Ai + Ln( ro/ ri) 2. π. K. L + 1 ho. Ao Rtotal = 1 hi. Ai + ri Ai + Ln( ro/ ri) 2. π. K. L + ro Ao + 1 ho. Ao COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL 1 Rtotal = U *. A * * Basado en cualquier área

27 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR U * = A * hi. Ai + * A. ri Ai + 1 * A. Ln( ro/ ri) 2. π. K. L + * A. ro Ao + A * ho. Ao REFERIDA AL ÁREA EXTERNA Uo = Ao hi. Ai + Ao. ri Ai + 1 Ao. Ln( ro/ ri) 2. π. K. L + ro+ 1 ho COEFICIENTE LIMPIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se coloca por primera vez en servicio.

28 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR Resistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosión 1 Uc = Rio + Ro + rw+ F 1 donde F 1 2 h. pie. F = BTU Relación Uo y Uc 1 = Rio + Ro + rw+ F1 Uc 1 1 = + rio + ro F1 Uo Uc Relación básica que sirve para calcular los intercambiadores de calor Q = U. A. ΔT Uc > Uo siempre

29 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR Diferencia de temperatura media logarítmica La diferencia de temperaturas en cada punto del intercambiador constituye la fuerza impulsora mediante la cual se transfiere el calor. En el intercambiador los fluidos pueden viajar en contracorriente, paralelo, flujo cruzado o una combinación de ellas, experimentado variaciones de temperatura que no son lineales a lo largo de su recorrido en el intercambiador. Así, la diferencia de temperatura entre los fluidos diferirá punto a punto en el intercambiador. Disposición de fluidos Flujo en Paralelo o Cocorriente Ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y sal en por el otro extremo Contracorriente Los fluidos fluyen en dirección opuestas e l uno del otro

30 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR Intercambiador de doble tubo en contracorriente w T i w w t i T T i t o t o w T o T o t i 0 L LMTD = (T - t ) - (T - t ) i o o i ln T - t i T - t o o i Termodinámicamente es una disposición superior a cualquier otra.

31 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR Intercambiador de doble tubo en paralelo o corriente T T i W T i W T o w t i w t o T o t o t i 0 L LMTD = (T - t ) - (T - t ) i i o o T i - t ln T - t o i o

32 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR Para las diferentes configuraciones de flujo mostradas a continuación, calcule la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) A. Contracorriente Fluido caliente Fluido frío Ti= 300 F entra to=150 F sale To= 200 F sale ti=100 F entra LMTD = (T - t ) - (T - t ) i o o i ln T - t i T - t o o i LMTD = ( ) - ( ) ln LMTD = F

33 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR Para las diferentes configuraciones de flujo mostradas a continuación, calcule la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) B. Paralelo Fluido caliente Fluido frío Ti= 300 F entra to=150 F sale To= 200 F sale ti=100 F entra LMTD = (T - t ) - (T - t ) i i o o T i - t ln T - t o i o LMTD = ( ) - ( ) ln LMTD = F

34 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR Cuando hay combinados de flujos, como en un intercambiador distinto de 1:1 Ft = MTD LMTD Ft =1 Flujo equivalente a contracorriente Para cualquier arreglo, FT < 0.75 Inaceptable Fluido por los tubos Fluido por la carcaza t o Salida T i Entrada t* t i Entrada T o Salida Intercambiador 1-2 carcaza y tubo Fluido por los tubos Fluido por la carcaza

35 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR Fluido por los tubos (salida) Fluido por la carcaza (entrada) Fluido por los tubos (entrada) Fluido por la carcaza (salida) Intercambiador 2-2 carcaza y tubo

36 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR t o T i T o t i Intercambiador 1-2 en serie

37 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR t o T i T o t i Intercambiador 1-2 en serie

38 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 1-2)

39 ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 2-4)

40 PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO Ø Calcular la cantidad de calor intercambiado (Q) Q = m* Cps *( Ti To) = m* Cpt *( ti to) Ø Calcular la diferencia de temperatura media efectiva MTD = Ft * LMTD Ø Asumir el coeficiente global de transferencia de calor Uo Ø Calcular el área basada en Uo supuesto A = tc Q Uo * MTD

41 PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO Ø Determinar las dimensiones físicas del intercambiador a partir del área calculada Ø Calcular el coeficiente global de transferencia de calor Uo Uo = Ao Ao. ri + hi. Ai Ai 1 Ao. Ln( ro/ ri) + 2. π. K. L 1 + ro+ ho Ø Calcular la caída de presión a través del intercambiador Ø Calcular el área de transferencia basada en Uo calculado y MTD Ø Comparación del área de transferencia calculada con el paso anterior Ø Repetir los cálculos hasta igualar las área de transferencia

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