TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE TIANGUISTENCO SISTEMAS DE GENERACION DE ENERGIA EVALUADOR: EMISAEL ALARCON ALLENDE INVESTIGACION BIBLIOGRAFICA

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1 TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE TIANGUISTENCO SISTEMAS DE GENERACION DE ENERGIA EVALUADOR: EMISAEL ALARCON ALLENDE INVESTIGACION BIBLIOGRAFICA POR: ELISEO MENDEZ ROSAS

2 Intercambiadores de calor (I.C.) Los I.C. los podemos definir como dispositivos utilizados para transferir calor desde una corriente (gas, líquido o sólido) a otra. Cuando hay cambio de fase, se habla de condensadores o evaporadores, según sea el caso. Los intercambiadores se clasifican según el arreglo del flujo y el tipo de construcción. En general, vamos a entender por diseño, la especificación del área del I.C. (asociado al costo de inversión) y de la pérdida de carga requerida (asociado al costo de operación). Esto normalmente se denomina diseño térmico/hidráulico. Clasificación de I.C. 1. Forma de contacto - cocorriente o paralelo - contra corriente - Flujo cruzado sin mezcla (1 paso) - Flujo cruzado con mezcla (1 paso) - Flujo cruzado sin mezcla (multipasos) 2. Forma física - Estanque agitado (chaqueta o serpentín) - Doble tubo - Tubos y carcasa (carcasa o coraza) - Placas - Radiadores - Espirales - Lechos fluidizados A/V > 700 (m 2 /m 3 ) I.C. compactos 70 < A/V < 500 (m 2 /m 3 ) Ejemplos: Radiadores de agua (c 1100 m 2 /m 3 ) Radiadores de refrigeradores Calefont Tetera

3 Forma de contacto Intercambiadores de calor de tubos concéntricos. (a) Flujo paralelo. (b) Contraflujo. Intercambiadores de calor de flujo cruzado. (a) Con aletas y ambos fluidos sin mezclar. (b) Sin aletas con un fluido mezclado y el otro sin mezclar. Flujo cruzado sin mezcla y multietapas.

4 I.C. compactos Intercambiadores de espiral Intercambiadores de calor compactos. Intercambiadores de calor de espiral.

5 Intercambiadores de placa Intercambiadores de placas.

6 Intercambiadores de tubo y carcasa Intercambiador de calor de tubos y coraza con un paso por la coraza y un paso por los tubos (modo de operación de contraflujo cruzado). Intercambiador de calor de tubos y coraza. (a) Un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. (b) Dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos.

7 Detalle de un intercambiador de tubo y coraza o carcasa.

8 Diseño de condensadores Configuraciones usuales de condensadores de tubo y carcasa Tubos horizontales y verticales Si es probable que se produzca congelamiento del condensado, es preferible que la condensación ocurra por la carcasa. Tipos de condensadores Tubos verticales, condensación por el interior de los tubos y flujo descendente: Apropiado para liberar no condensables y retener volátiles livianos No recomendable cuando el refrigerante genera depósitos, ya que la carcasa es difícil de limpiar Condensador de tubos horizontales. Tubos verticales condensación por el interior de los tubos y flujo ascendente: Se utiliza en condensadores parciales. Puede ocurrir inundación de los tubos en la parte inferior

9 Condensador de tubos verticales. Tubos verticales, condensación por el exterior de los tubos: Se requiere una distribución uniforme del refrigerante en los tubos Alta coeficiente hi Simple de limpiar Tubos horizontales y condensación por fuera de los tubos: Esta es la configuración más utilizada Fácil limpieza Alto valor de hi Tubos horizontales y condensación por interior de los tubos: Esta configuración sólo se emplea en enfriadores de aire Los tubos se pueden inundar de líquido, perturbando el flujo

10 Guía para la selección de intercambiadores de calor Tabla Guía de selección para tipos de intercambiadores de calor 3. 3 Fuente: Branan, C. Soluciones Prácticas para el Ingeniero Químico. McGRaw Hill, 2000.

11 Tabla 5.2. Guía de selección para intercambiadores de tubo y carcasa (el costo aumento de izquierda a derecha)

12 CONCLUSIONES El condensador del vapor, es un componente importante del ciclo del vapor en instalaciones de generación de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para ceder su calor latente de la vaporización. Es un componente necesario del ciclo del vapor por dos razones. La primera, convierte el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua de alimentación. Esto baja el costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentación, y resulta más fácil bombear un líquido que el vapor. La segunda razón, aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que el ciclo funcione opere con los gradientes más grandes posibles de temperatura y presión entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de calor (condensador). Condensando el vapor del extractor de la turbina, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina, por conversión de poder mecánico. Ya que ocurre condensación, el calor latente de condensación se usa en lugar del calor latente de vaporización. El calor latente del vapor de la condensación se pasa al agua que atraviesa los tubos del condensador. Después de que el vapor condensa, el líquido saturado continúa transfiriendo calor al agua que se enfría al ir bajando hasta el fondo del condensador. Algunos grados de subenfríado previenen la cavitación de la bomba. Hay diversos diseños de condensadores, pero el más común, por lo menos en las instalaciones de generación de potencia, es el condensador de paso transversal simple. Este diseño de condensador proporciona agua fría que pasa por a través de los tubos rectos de una cavidad llena de agua en un extremo hacia otra cavidad llena de agua en el otro extremo. Ya que el agua fluye una sola vez a través del condensador se le denomina de un solo paso. La separación entre las áreas de las cavidades con agua y el área donde condensa del vapor se hace mediante una tapa donde se colocan los tubos. Los condensadores tienen normalmente una serie de bafles que vuelven a dirigir el vapor para reducir al mínimo el choque directo en los tubos con el agua de enfriamiento. El área inferior del condensador se localiza pozo de condensado (hotwell). Aquí es donde el condensado se recoge mediante una bomba de succión. Si se acumula gases sin condensar en el condensador, el vacío disminuirá y la temperatura de la saturación con la cual el vapor condensar se incrementará. Los gases no condensables también cubren los tubos del condensador, así reduciendo el área superficial para la transferencia térmica del condensador. Esta área superficial puede también ser reducida si el nivel condensado aumenta sobre los tubos inferiores del condensador. Una reducción en la superficie en el intercambio térmico tiene el mismo efecto que una reducción en flujo del agua

13 de enfriamiento. Si el condensador está funcionando muy cerca de su capacidad de diseño, una reducción en el área superficial efectiva resulta en la dificultad de mantener el vacío del condensador. La temperatura y el caudal del agua de enfriamiento que pasa por el condensador controlan la temperatura del condensado. Esto alternadamente controla la presión de la saturación (vacío) del condensador. Aplicaciones de los intercambiadores de calor: Precalentador Radiador Aire acondicionado, evaporador y condensador Condensador de vapor. El propósito de un condensador es remover calor latente de vaporización y condensar el vapor en líquido. Los intercambiadores condensadores condensan el vapor en líquido que es devuelto a la caldera. La eficiencia del ciclo se incrementa al asegurar temperatura entre la fuente y el sumidero de calor. un máximo gradiente de El pozo de condensado (hotwell) es el área al fondo del condensador donde se colecta el vapor condensado y es bombeado hacia el agua de alimentación El diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor. El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la selección del diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las condiciones económicas. Así por ejemplo, aunque las consideraciones de costos son muy importantes en instalaciones grandes, tales como plantas de fuerza y plantas de proceso químico las consideraciones de peso y de tamaño constituyen el factor predominante en la selección del diseño en el caso de aplicaciones especiales y aeronáuticas.

14 Referencias 1. Coulson, J.M. & J.F. Richardson. Chemical Engineering. Pergamon. Vols. 1 y 6, Incropera, Frank P. & David P. DeWitt. Fundamentos de Transferencia de Calor. John Wiley & Sons, 4ª Ed., Kern, D.Q. Procesos de Transferencia de Calor. CECSA, Perry, R.H., D.W. Green & J.O. Maloney. Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill, 7th Ed., Sáez, P.B. Escurrimiento en Cañerías. Departamento de Ingeniería Hidráulica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile (Capítulo 1), Walas, S.M. Chemical Process Equipment: Selection and Design. Butterworths, Boston, 1988.