PROCESOS DE SEPARACIÓN II UNIDAD I INTERCAMBIO DE CALOR TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR El tipo más común es uno en el cual el fluido caliente y el frío no entran en contacto directo el uno con el otro, sino que están separados por una pared de tubos o una superficie plana o curva. La transferencia de calor se efectúa por convección desde el fluido caliente a la pared o la superficie de los tubos, a través de la pared de tubos o placa por conducción, y luego por convección al fluido frío. Intercambiador de calor de doble tubo El intercambiador más simple es el intercambiador de doble tubo o de tubos concéntricos, donde uno de los fluidos fluye en el interior de una tubería y el otro lo hace en el espacio anular entre ambas tuberías. Los fluidos pueden circular en paralelo o a contracorriente. El intercambiador puede fabricarse con un simple par de tubos adaptando las conexiones en los extremos, o con varios pares interconectados en serie. Este tipo de intercambiador es útil principalmente para velocidades de flujo bajas. Intercambiadores de tubos y coraza Cuando se manejan flujos más grandes se usa un intercambiador de tubos y coraza, que es el tipo más importante en las industrias de proceso. Los flujos de estos intercambiadores son continuos. Se usan muchos tubos en paralelo con uno de los fluidos circulando en su interior. Los tubos, distribuidos en forma de manojo, están encerrados en una sola coraza y el otro fluido fluye por el exterior de los tubos, dentro de la coraza. El modelo más simple de intercambiador de tubos y coraza que corresponde a un solo paso por los tubos y un solo paso por la coraza, es decir, se trata de un intercambiador 1 a 1 a contracorriente. El fluido frío entra y circula por los tubos en paralelo en un solo paso, mientras que el fluido caliente entra por el otro extremo y fluye a contracorriente por el exterior de los tubos. Se usan deflectores transversales de tal manera que el fluido se ve forzado a fluir perpendicularmente por la batería de tubos en lugar de hacerlo en paralelo. Esta turbulencia adicional generada por el flujo transversal, aumenta el coeficiente de transferencia de calor de la coraza. Las placas deflectoras A son discos circulares de chapa metálica seccionada en un lateral. Normalmente esta sección es un segmento circular de altura igual a la cuarta parte del diámetro interior de la carcasa. Tales placas reciben el nombre de placas deflectoras del 25 por 100. Las placas también están perforadas para recibir los tubos. Para minimizar las fugas, la luz entre placas, carcasa
y tubos ha de ser muy pequeña. Las placas están soportadas por una o más varillas-guía C que se fijan entre las placas tubulares D y D mediante tornillos de presión. Con el fin de lijar las placas deflectoras en su sitio, se introducen en la varilla C pequeños trozos de tubo E. Para el montaje de un cambiador de este tipo es preciso colocar primero las placas tubulares, las varillas de soporte, los espaciadores y las placas deflectoras, e instalar después los tubos. Intercambiadores de Tubos y placas tubulares Los tubos se fabrican en materiales metálicos más usuales con un diámetro exterior determinado y un espesor de pared definido de acuerdo con el número BWG. Las longitudes normalizadas de los tubos para la construcción de cambiadores de calor son 8, 12, 16 y 20 pies. Los tubos se disponen en una ordenación triangular o cuadrada. Excepto cuando el lado de la carcasa tiene una gran tendencia a ensuciarse, se utiliza la disposición triangular debido a que se puede conseguir una mayor superficie de transmisión de calor que en la disposición cuadrada para una carcasa de un diámetro dado. Los tubos en disposición triangular no se pueden limpiar pasando un cepillo entre las hileras de tubos debido a que no existe espacio para la limpieza, en tanto que la disposición cuadrada permite la limpieza del exterior de los tubos. Por otra parte, la disposición cuadrada conduce a una menor caída de presión en el lado de la carcasa que en la disposición triangular. Las normas TEMA especifican una distancia mínima entre los centros de los tubos de 1,25 veces el diámetro exterior de éstos para disposición triangular, y una anchura mínima para la limpieza de 1/4 pulgada para la disposición cuadrada. Intercambiador de Carcasa y placas defectoras Los diámetros de las carcasas están normalizados. Para carcasas de hasta 23 pulgadas los diámetros se fijan de acuerdo con las normas ASTM para tuberías, y para tamaños de 25 pulgadas y superiores el diámetro interior se especifica hasta el valor entero más próximo en pulgadas. Estas carcasas se construyen mediante cilindrado de láminas. También está especificado el espesor mínimo de pared. La distancia entre placas (centro a centro) recibe el nombre de espaciado de placas, y no deberá ser inferior a un quinto del diámetro de la carcasa ni superior al diámetro interno de la misma. Los tubos generalmente se unen a las placas tubulares acanalando circunferencialmente los orificios y acampanando dentro de los mismos los tubos mediante un mandril cónico rotatorio que deforma los tubos más allá del límite de elasticidad, de tal forma que el metal se introduce en las acanaladuras. Para cambiadores que operan a alta presión los tubos se sueldan después a la placa
Cambiadores de calor l-2 de flujo paralelo-contracorriente El cambiador de calor 1 a 1 posee limitaciones. Con la construcción de paso múltiple se pueden utilizar velocidades más elevadas, tubos más cortos, y resolver más fácilmente el problema de la expansión. La construcción de paso múltiple disminuye la sección transversal libre para el fluido y aumenta su velocidad, dando lugar al correspondiente aumento del coeficiente de transmisión de calor. Las desventajas son: (1) el cambiador es ligeramente más complicado, y (2) aumentan las pérdidas por rozamiento a través del equipo debido a las mayores velocidades y al aumento de las pérdidas en la entrada y la salida. El diseño más económico corresponde a una velocidad en los tubos tal que el aumento del coste de bombeo es compensado favorablemente por la disminución en el coste del aparato. Una velocidad demasiado baja ahorra potencia de bombeo pero conduce a un cambiador demasiado grande (y, por tanto, muy costoso). Una velocidad excesivamente elevada da lugar a una disminución del coste inicial del cambiador que no compensa el aumento del coste de potencia. En los cambiadores de paso múltiple se utiliza un número par de pasos en el lado de los tubos. En el lado de la carcasa puede haber un solo paso o paso múltiple. Una construcción frecuente es la de cambiadores l-2 de flujo paralelo contracorriente, donde el líquido del lado de la carcasa fluye en un paso y el líquido del lado de los tubos lo hace en dos pasos. Paso 1 a 1 Paso 1 a 2
Cambiador de calor 2 4 Tiene dos pasos del lado de la carcasa y cuatro pasos del lado de los tubos. Este tipo de cambiadores también conducen a mayores velocidades y a un coeficiente global de transmisión de calor mayor que el de un cambiador de calor l-2 con dos pasos del lado de los tubos que opera con las mismas velocidades de flujo. Intercambiador de flujo cruzado Cuando se va a calentar o enfriar un gas como el aire, uno de los dispositivos de uso más común es el intercambiador de calor de flujo transversal que se. Uno de los fluidos, que es un líquido, fluye dentro de tubos y el gas exterior fluye a través del manojo de tubos por convección forzada o a veces natural. El fluido del interior de los tubos se considera sin mezcla, ya que está confinado y no puede mezclarse con ninguna otra corriente. El flujo de gas en el exterior de 16s tubos está mezclado, dado que puede moverse libremente entre los tubos y habrá una tendencia a que la temperatura del gas se iguale en la dirección normal al flujo. En el fluido no mezclado del interior de los tubos habrá un gradiente de temperatura paralelo y normal a la dirección del flujo. Un segundo tipo de intercambiador de calor de flujo transversal, se usa comúnmente en aplicaciones de calefacción de espacios y aire acondicionado. En este tipo, el gas fluye a través de un manojo de tubos con aletas y no se mezcla porque queda confinado en canales de flujo separados entre las aletas conforme el gas pasa sobre los tubos. El fluido dentro de los tubos no se mezcla.
Factor de corrección (FT) para la media logarítmica de las diferencias de temperaturas:
Factor de corrección FT para la media logarítmica de las diferencias de temperatura para intercambiadores de flujo transversal:
Eficiencia o efectividad de un intercambiador de calor, correspondiente a tres configuraciones de tubo y coraza.
Efectividad de un cambiador de calor en tres configuraciones de flujo cruzado
Arreglo interno de un intercambiador de tubo y coraza Los cambiadores de calor de tubo y coraza son los más usados en la industria y sus componentes principales son: Cabezal de entrada Envolvente o coraza Haz de tubos Cabezal de retorno Para mejorar la transferencia de calor en el lado externo de los tubos se utilizan deflectores también llamados mamparas. La longitud de los tubos es de 8, 10, 16, 20 y 24 pies. Los tubos se acomodan en arreglos triangulares, cuadrados o rectangulares, con distancia entre tubos de centro a centro (pitch) de 5/8, 1 ¼, 1 ½, de pulgada.
Las boquillas de entrada y salida se escogen de acuerdo al diámetro interno de la coraza. El diámetro interno de la coraza depende del número de tubos y se escoge mediante tablas, también depende del número de pasos o del valor que tome Ds de acuerdo al tipo de arreglo. Arreglo triangular Ds = 1.15 PT NT Arreglo cuadrangular Ds = 1.25 PT NT Di = diámetro interno de los tubos Do = diámetro externo de los tubos Dw = Diámetro medio logarítmico. Dw = (Do Di) / ln(do/di) hi se calcula por la relación: (hidi)/k = 0.023 Re 0.8 Pr 0.33 (µ/µs) 0.14 µs = viscosidad a la temperatura de la pared del tubo µ = viscosidad a la temperatura media del fluido hi = para fluidos que circulan en el exterior de los tubos sin cambiar de fase. (hodo)/k = 0.36 ((DeGs)/µ) 0.55 Pr 0.33 (µ/µs) 0.14 Gs = M/as Gs = flujo másico en el exterior de los tubos as = área de flujo en la coraza as = (Ds x C x B) / PT
Diámetro equivalente (De) del lado envolvente para un arreglo cuadrangular: PT = distancia entre los centros de los tubo Do = diámetro exterior C = distancia entre tubos Diámetro equivalente (De) del lado envolvente en un arreglo triangular: Las mamparas tienen 3 funciones: 1) Soportar los tubos en la posición apropiada 2) Prevenir la vibración de los tubos causada por remolinos en el flujo 3) Guiar el fluido de la envolvente en forma transversal al haz de tubos, aumentando su velocidad y el coeficiente de transferencia de calor. Velocidades comunes en líquidos: 1 2 m/s o bien 1000 1500 kg/m 2 s El fluido de alta presión se coloca por dentro de los tubos, también si es corrosivo o tiene tendencia a las incrustaciones ya que son más fáciles de limpiar o en su defecto cambiarlos. Los fluidos de alta viscosidad se colocan del lado de la envolvente.
Las caídas de presión se obtienen con la siguiente ecuación: Como hay cambios de dirección, se deben tomar en cuenta las caídas de presión adicionales por retorno, las cuales se calculan con la ecuación: La caída de presión en el exterior de los tubos se calcula por la ecuación Las longitudes de los tubos estándar so de 8, 12, y 16 pies, para mejorar la turbulencia se utilizan mamparas que van espaciadas de 1/5 de diámetro interior de la coraza a 1. Las mamparas más comunes son las segmentadas y con una altura igual al 75 % de la coraza.
BIBLIOGRAFÍA Mc.Cabe, J. C. Smith, J. C. y Harriot, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Mc.Graw Hill. Geankoplis Christie J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. CECSA. Perry, Robert H. Perry s Chemical Engineers Handbook. McGraw Hill. Resumen y adaptación: M. en I. Leticia Judith Moreno Mendoza