Tema 3. Intercambiadores

Tema 3 Operaciones de transferencia de calor

ndice5.- Cambiadores de calor:Tipos de cambiadores.Diseo.

Coulson & Richardson Ingenieria Qumica. Vol 1

McCabe. Operaciones Unitarias en Ing. Quimica

Incropera et al. Introduccin a la transf. de calor

Segn el proceso de transferencia: contacto directo contacto indirecto

- Transferencia a travs de una pared

Segn la construccin:

CLASIFICACINSegn la disposicin de flujo: Tubo individual (un paso)

Flujo paralelo Contracoriente De flujo cruzado

Pase mltiple

Cambiadores de calorDef.: Equipos donde se intercambia E entre fluidos calientes y frosDiseo: clculo del A de transferenciaMecanismo de transmisin: conduccin y conveccin


Segn la construccin: tubular Carcasa y tubos Flujo cruzado Espiral Placas Superficies Extendidas

Pase mltipleSegn las aplicaciones: Pre-calentadores, recuperadores Hornos Generadores de Vapor Evaporadores, condensadores Enfriadores

1.1 Clasificacin por el sentido de circulacin de los fluidos

Flujo Paralelo (cocorriente o equicorriente) T0 > TL > TL > T0

T0

T0 TL

Tema 3 Operaciones de transferencia de calor 5.- Cambiadores de calor. Diseo. Tipos de cambiadores

(1 paso)

Flujo en Contracorriente

T0

TL

TL

T0

TL

T0 TL

T0 > TL >=< T0 > TL

Flujo cruzado


- Uno de los fluidos circula por el interior de los tubos, mientras que el otro circula perpendicularmente a los tubos- Frecuentemente, uno de los dos fluidos es un gas (vapor de agua)

Segn el diseo

Tubos concntricos


Un fluido circula por el tubo interior, mientras que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos tubos (flujo en paralelo o en contracorriente)


- Uno de los fluidos pasa por los tubos y el otro por la carcasa- Los fluidos pueden realizar mltiples recorridos o pasos por el cambiador- Normalmente, flujo cruzado- Presencia de tabiques deflectores

Carcasa y Tubos

Pantallas con orificios

Pantallas utilizadas

Intercambiadores de carcasa y tubos


Pantallas con disco y anillo

Pantallas en forma de segmentos

Deflectores en el lado de la carcasa para aumentar la turbulencia y crear flujo cruzado


Otros tipos de Cambiadores de calor

CAMBIADOR DE CALOR EN ESPIRAL

CAMBIADOR DE CALOR

DE SERPENTIN

CAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS

ALETAS EN TUBOS CILNDRICOS

Intercambiadores de placas


T0 TLTL

TL

T0

T0

q

0 Lbalance

Fluido Caliente

mm


Diseo de un cambiador

Fluido Frio

T TTpTp

T

T

Tp Tp

conveccin conveccinconduccin

Conveccin hConduccin kPConveccin h

TP

T

T

T

Rg estacionario(elemento dif de longitud ,dx)

'""

1

""

0

"

0'

0

'

'

1

'

0'

dAhmldAke

dAh

TTTTTTdq ===

3 R en serie:2 R conveccin hh1R conduccin k


Coeficiente global T = T + T p +T = T T

UdA

TT

dAhkdAe

dAh

TTdq

ml

1

1

1

=

++

=

TdAUdq = FIlocal(variable con L)Ambos referidos a

uno de los 2 fluidos

Coef global


TdAUdq =

5.- Cambiadores de calor. Diseo. Tipos de cambiadores

Ec bsica de diseoEc bsica de diseo

integrandoRelacin entre dq y d(T)

(balance diferencial de E en cada fluido)

mlTAUq =

SuposicionesU f(T)Cp cte

siendo

= 12 TTT

Diferencia de T media logartmica entre los

extremos del cambiador

Diferencia de T media logartmica entre los

extremos del cambiador

Se puede obtener:

- obtener experimentalmente- a partir de coef individuales

1

11dAhkdA

e

dAhUdA ml++=

Preferible contracorriente

1 2 1 2

Contracorriente Paralelo

calienteSalida

froSalida TT >

=

1

2

12

lnTT

TTTml


Tipos de cambiadores de calor

Fluidos realizan mltiples pasos por el cambiador

Cambiadores de calor multitubulares, de carcasa y tubosCambiadores de calor multitubulares, de carcasa y tubos

Mejor aprovechamiento del A de contacto dispositivos ms compactos y eficaces

Un paso por carcasa y un paso por tuboCambiador 1-1

Tabiques deflectores en carcasa:flujo cruzado

mayor turbulencia valor h

Un paso por carcasa y dos paso por tuboCambiador 1-2


Diseo basado en Diferencia media logaritmica

( )0-

U.A.),(q

TTT

TPRF

Lml

ml

=

=

Cambiadores Multipaso o flujo cruzado

1 0P o 0R Si === F

para define seT

( )00

ln-

TTTT

TL

Lml =Cambiadores Doble tubo

T1

( )

11

12

12

21

0

0

" - '

" - "

;" - "

' - '

ln

TTTTP

TTTTR

TTT

Lml

==

=

12

210

"'

"'

ientecontracorren flujo para define se

TTTTTT

T

L

ml

=

=

T2

T1L

T2

0

T0

TL


mlTFAUq = Ec. de diseoEc. de diseo

Factor de correccin de TmlF= f (tipo de cambiador)

Determinacin grfica

2

1 TTZ

=

1

2 TTY

=

1

2 TTZ

=

1

1 TTY

=

Si F < 0,75 no es recomendable el uso de este

tipo de cambiador (en las condiciones de operacin)


LMTD Seleccin del tipo de intercambiador

)P,R(FF =

11

12

12

21

"T'T

"T"TP

"T"T

'T'TR

-

-

-

-

=

=

TTT

L 0=

Diseo basado en LMDT. Procedimiento

Calculo del rea de la superficie del intercambiador de calor (A)

"

'

/'11

AhA

rkAA

hU ml +

+

=

=

=

=

Nu"Dkh"

Nu'Dkh'

PrRe,fNu )(

Usar la correlacin emprica apropiada para cada fluido

(h, h)

)""(""")''('''21

21

TTcmq

TTcmq

p

p

=

=

)TTln(T

L

L

ml

0

0=

T2

T1

L

T1

T2

0

T0TL

mlTUF

qA =

mlTAUFq =


Ejemplo: Calcular el rea de transmisin de calor de un cambiador de calor de tubos concntricos que debe enfriar un caudal de 135900 kg/h de aceite mineral desde 95C hasta 60C, utilizando agua fria a 15C con un caudal disponible de 68000 kg/h. Puede suponerse un valor constante del coeficiente global de transmisin de calor U= 2570 W/m2C y un calor especfico medio del aceite cp =2,0 kJ/kgC. Considrense los siguientes casos: a) circulacin en paralelo b) circulacin en contracorriente.



Solucin:

a) Paralelo:

Aceite95C135900 kg/h


AguaTC???68000 kg/h

Agua15C68000 kg/h


q = UATm

Balance global de energia:q = maceitecaceite Taceite = maguacagua Tagua

135900 kg/h* 2 kJ/kgC(95-60)C = 68000 kg/h*4,18 kJ/kgC (Tf-15)C Tf= 48Cq= maceitecaceite Taceite= 135900 kg/h* 2 kJ/kgC(95-60)C = 9,51* 106kJ/h= 2642 kW

C

TT

TTT

entrada

salida

entradasalidam 8,35

8012ln

8012

8012ln

)1595()4860(ln

=

=

=

=

CACmkWkW 8,35**)/(10*2570)(2642 23= A= 28,7m2


Solucin:

a) Contracorriente:



AguaTC???68000 kg/h

Agua15C68000 kg/h


q = UATm

Balance global de energia:q= maceitecaceite Taceite = maguacagua Tagua

135900 kg/h* 2 kJ/kgC(95-60)C = 68000 kg/h*4,18 kJ/kgC (Tf-15)C Tf= 48C

q= maceitecaceite Taceite= 135900 kg/h* 2 kJ/kgC(95-60)C = 9,51* 106kJ/h= 2642 kW

C

TT

TTT

entrada

salida

entradasalidam 46

4745ln

4745

4745ln

)4895()1560(ln

=

=

=

=

CACmkWkW 46**)/(10*2570)(2642 23= A= 22,3m2

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