Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda Programa de Ingeniería Química Unidad Curricular: Operaciones Unitarias I

Transcripción

1 Prof. Ing. Mahuli González Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda Programa de Ingeniería Química Unidad Curricular: Operaciones Unitarias I

2 INTERCAMBIADORES DE CALOR Equipos donde se realiza el fenómeno de transporte de transferencia de calor entre dos fluidos

3 Condensador Calentador Rehervidor Refrigerador SEGÚN SU SERVICIO Sobrecalentador Enfriador Vaporizador Generador de Vapor

4 SEGÚN SU CONFIGURACIÓN Y CONSTRUCCIÓN Intercambiadores Tipo Carcasa Intercambiadores de Doble Tubo

5 Intercambiadores en Forma Espiral Enfriadores de Aire

6 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

7 Intercambiadores de carcaza y tubo Boquilla de la carcaza Boquilla para los tubos Tubos Carcaza cilíndrica Deflectores longitudinales Placa de tubos Boquilla para los tubos Boquilla de la carcaza Deflectores transversales (baffles)

8 Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo Intercambiadores de carcaza y tubo Se diseñan Según estándares publicados por Asociación de Fabricantes de intercambiadores tubulares TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association Clase R Clase C Clase B Propósitos generales Petróleo y aplicaciones relacionadas Procesos químicos

9 Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo Designación de intercambiadores X X X

10 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

11 De cabezal flotante Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo Tipo AES Tubos en forma de U De Cabezal fijo Tipo CFU Tipo BEM

12 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, 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

13 Elementos del intercambiador de carcaza y tubo Arreglo cuadrado Arreglo cuadrado rotado El fluido de la carcaza debe ser sucio Se prefiere cuando la limpieza mecánica es critica Espaciado de tubos (Pitch).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 )

14 Elementos del intercambiador 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 mayores efectos de trasferencia de calor.

15 Elementos del intercambiador de carcaza y tubo Tipos de Deflectores Segmentado La altura de la ventana expresada como un porcentaje del diámetro de la carcasa, se de nomina CORTE DEL DEFLECTOR. Para deflectores segmentados el corte está entre 5-40% El mejor resultado se obtiene con 25% de corte. Doble Segmentado B Distancia centro a centro entre deflectores adyacentes /5 DC < B > DC

16 Elementos del intercambiador de carcaza y tubo TIPO E TIPO F Un paso por la carcasa Dos paso por la carcasa con bafle longitudinal

17 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

18 ETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR Ti > To. Convección desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes del mismo. Ri = hi. Ai 2. Conducción del interior al exterior del tubo. Rcond = Ln( ro / ri) 2. π. K. L 3. Convección desde el exteriordel tubo al fluido. Ro = ho. Ao Rtotal = hi. Ai Ln( ro / ri) 2. π. K. L ho. Ao

19 RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNA Rtotal = hi. Ai Ln( ro / ri) 2. π. K. L ho. Ao Rtotal = hi. Ai ri Ai Ln( ro / ri) 2. π. K. L ro Ao ho. Ao COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL Rtotal = U *. A * * Basado en cualquier área

20 U * = A * hi. Ai * A. ri Ai * 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 Ao. Ln( ro / ri) 2. π. K. L ro ho COEFICIENTE LIMPIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se coloc a por primera vez en servicio.

21 Resistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosión Uc = Rio Ro rw F donde F 2 h. pie. F = BTU Relación Uo y Uc = Rio Ro rw F Uc = rio ro F Uo Uc Relación básica que sirve para calcular los intercambiadores de calor Q = U. A. ΔT Uc > Uo siempre

22 Diferencia de temperatura media logarítmica La verdadera fuerza impulsora mediante la cual se transfiere el calor Disposición de fluidos Flujo en Paralelo o Cocorriente Contracorriente

23 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.

24 Cuando hay combinados de flujos, como en un intercambiador distinto de : Ft = MTD LMTD Ft = Flujo equivalente a contracorriente Para cualquier arreglo, FT < 0.75 Inaceptable

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

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27 Procedimiento general de diseño Calcular la cantidad de calor intercambiado (Q) Q = m* Cps *( Ti To) = m* Cpt *( ti to) Calcular la diferencia de temperatura media efectiva MTD = Ft * LMTD Asumir el coeficiente global de transferencia de calor Uo Calcular el área basada en Uo supuesto

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