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FACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA EN ENERGIA
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA - 2015 I Ing CESAR A. FALCONI COSSIO
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FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE ENERGIA Y FISICA
TRANSFERENCIA DE
CALOR Y MASA
2015 - I
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I UNIDAD
SESION N 2
DISEO DE
INTERCAMBIADORES
DE CALOR
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1.- Generalidades:
Los intercambiadores de calor son equipos que
desempean funciones muy especiales en todos los
procesos industriales
Puesto que su finalidad en un proceso, es lograr una
mxima y mejor utilizacin del calor entre dos
corrientes de fluidos, se pueden denominar:
Calentadores;
Enfriadores;
condensadores (enfriador que sirve para eliminar calor
latente en lugar de calor sensible);
hervidores (cuya funcin es proporcionar calor latente a
un fluido);
evaporadores;
recuperadores;
economizadores;
precalentadores, etc. etc.
Tipos bsicos de
Intercambiadores
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A.- Intercambiador con una de las cabezas flotantes,
con dos pasos de tubos y un paso de envuelta o coraza,
con placas deflectoras
B.- Intercambiador de calor con placas fijas de centrado
de tubos, dos pasos de tubos y un paso de coraza con
placas deflectoras
C.- Intercambiador de calor con junta de expansin en
la coraza, dos pasos de tubos y un paso en la coraza, con
placas deflectoras
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D.- Intercambiador de calor con un cabezal flotante,
cuatro pasos de tubos y un paso de coraza con placas
deflectoras
Estos intercambiadores se construyen evitando que
las deformaciones trmicas las inutilicen, por lo que
los tubos se ensamblan en U , pero tienen el gran
inconveniente de hacer difcil la limpieza interior de
los tubos.
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Cuando se trabaja con fluidos sucios, los tubos tienen
que limpiarse con frecuencia, por lo que es usual
instalar los tubos en soportes desmontables.
La entrada del fluidos a los tubos mediante un canal de
distribucin, permite la inspeccin y limpieza de los
mismos quitando la tapa al canal sin necesidad de
desconectar todo el sistema de tuberas.
Disposicin de tubos.- Dentro de un intercambiador de calor, los tubos pueden
ensamblarse de acuerdo a las siguientes disposiciones:
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La superficie exterior de los tubos se puede limpiar
ms fcilmente cuando stos estn dispuestos en
malla cuadrada en lugar de malla triangular.
Para facilitar la limpieza, el espaciado o luz entre el
exterior de los tubos deber ser iguala un cuarto
del dimetro exterior de los mismos y en ningn
caso deber ser menor de 6.35 mm ( ).
Circulacin de los fluidos
A.- Si uno de los fluidos ensucia o produce
incrustaciones en la superficie ms rpidamente que el
otro, deber circular por el interior del tubo, ya que la
superficie interior puede limpiarse sin desmontar el haz
de tubos.
B.- Si los dos fluidos producen incrustaciones con la
misma intensidad y slo uno circula a presin elevada,
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ste deber circular por el interior de los tubos, para
evitar un alto precio en una coraza de alta presin.
C.- Cuando uno de los fluidos es corrosivo, ste deber
circular por el interior de los tubos.
D.- Si uno de los fluidos es ms viscoso que el otro,
deber circular por la coraza para aumentar el
coeficiente global de transferencia de calor.
E.- Muchas veces debido a la cada de presin de que se
dispone, es necesario que uno de los fluidos circule a
travs de la coraza, aun cuando ste produzca
incrustaciones.
Tamao de los tubos: a.- En el mercado se disponen de tubos de longitudes
desde 1.2 m hasta 6.7 m (4 ft a 22 ft), pero normalmente
se seleccionan longitudes normalizadas de 2.44 m (8 ft);
3.66 m (12 ft) y 4.88 m (16 ft)
b.- Longitudes de tubo ms cortas se emplean
cuando el intercambiador debe situarse a un nivel
bastante elevado del suelo o cuando la longitud
queda limitada por el espacio disponible o se
requieran dimetros grandes de coraza
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c.- Los dimetros ( ) exteriores de los tubos que
generalmente se emplean en los intercambiadores son
: 5/8 ; ; 1 ; 1 ; 1
Hay casos en que se emplean mayores, especialmente
cuando los fluidos tienen la tendencia a ensuciar
d.- Haciendo circular el fluido a velocidades elevadas,
se evita las incrustaciones, de esta manera se
emplean moderados de tubos.
El espesor de la pared del tubo se selecciona no
solo para que resista la presin de servicio,
temperaturas extremas y sea resistente a la
corrosin, sino tambin para facilitar la expansin
dentro de las placas de centrado
Disposicin de las placas deflectoras.-
Las placas deflectoras se emplean para aumentar la
velocidad del fluido en el lado de la coraza.
Estas placas se ajustan a la coraza todo lo posible para
evitar fugas, y la separacin entre ellas ser pequea
para producir cambios frecuentes en la velocidad.
Es necesario dejar suficiente espacio entre las placas
para facilitar la limpieza.
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El espesor de las placas de centrado y las deflectoras
debe ser 22.2 mm ( 7/8 ) y nunca menor que el exterior de los tubos
Muchas veces se emplean placas longitudinales; stas
deben ir soldadas a la coraza o ser desmontables y son
paralelos a los tubos.
Disposicin de placas deflectoras
a.- placa perforada
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b.- Placa de disco y pestaa
c.- Placa en segmento
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Purgadores.-
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Deben disponerse siempre de purgadores y desagues
adecuados; cuando un intercambiador de calor opera a
presiones elevadas se instalan vlvulas de seguridad o
discos de ruptura.
Cuando se trabaja con condensados, la extraccin de los
mismos presenta una dificultad, al llegar la presin de
trabajo a 0.7 kgf / cm2, entonces a la unidad se le instala
un tubo de vidrio para conocer en todo momento el
nivel del condensado.
Un intercambiador debe ir equipado con purgadores de
vapor con bypass de manera que la unidad pueda
operarse manualmente.
CONDENSADOR
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INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA
ENFRIADOR
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CALDERA DE RECUPERACION DE CALOR DE TRES
ETAPAS
CALENTADORES DE GAS
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INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CASCO Y TUBO
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO
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INTERCAMBIADOR DE CALOR TIPO PLACAS
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS EN
ESPIRAL
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INTERCAMBIADOR DE CALOR DE BLOQUES DE
GRAFITO
COSTOS
El precio inicial de un intercambiador de calor en $ x m2
de superficie de transferencia de calor depende de:
a.- Superficie total de transferencia de calor
b.- Tamao y longitud de los tubos
c.- Material empleado en la construccin de los tubos
y la coraza
d.- Presin de servicio
e.- Grado de apantallamiento
f.- Caractersticas especiales si los tiene.
En un intercambiador de calor industrial normal, el
precio por m2
disminuye al aumentar la superficie de
intercambio, tal como se muestra:
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En los costos tambin influye el incremento de cabezales
flotantes, por ejemplo, si en vez de un cabezal se tiene
dos cabezales flotantes, el costo aumenta en un 30% y el
empleo de 4 cabezales flotantes incrementa en un 50%.
Se puede reducir los costos hasta en un 24% en un
intercambiador, para una misma superficie de
intercambio de calor, si en lugar de emplear tubos de
2.45 m ( 8 ft ) se emplean tubos de 4.9 m ( 16 ft ).
Se da tambin el caso que al disminuir el del tubo
aumenta algo el coeficiente de transferencia de calor y
por ende disminuye la superficie de transferencia de
calor pero aumenta la cada de presin, esto indica que
hay un ptimo de tubo que corresponde al mnimo de
costos fijos y el precio de la energa consumida
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2.- ANALISIS ECONOMICO EN EL
DISEO DE INTERCAMBIADORES
DE CALOR
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Un aspecto fundamental en el diseo de
intercambiadores es el relativo al beneficio que se
espera obtener de su empleo, es decir la ventaja
econmica.
Un buen diseo del intercambiador de calor debe tener
dos soportes:
a.- Soporte tcnico determinado por la mxima
velocidad de transferencia de calor en base al rea
ptima de transferencia de calor
b.- Soporte econmico definido por la mxima utilidad o
rentabilidad en base al mnimo costo de inversin
Los costos se clasifican en tres categoras:
a.- Costo inicial (), es el precio de compra del equipo
b.- Costo anual total (), costo que incluye mano de obra, mantenimiento, impuestos, seguro, etc.
c.- Costo de operacin (), determinado fundamentalmente por la energa que usa el equipo
auxiliar: bombas, ventiladores, etc.
Como todo intercambiador suele costar relativamente
caro, el usuario generalmente recurre a un prstamo
bancario para su adquisicin, y todo el costo (de
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operacin, financiamiento, etc.) se lo carga al precio de
venta del producto que sale del intercambiador.
Suponiendo que la adquisicin de un intercambiador
requiere de un prstamo bancario a una tasa de inters
anual que debe ser pagado o amortizado en pagos anuales, entonces el costo inicial,, se puede convertir a un costo anual equivalente, , ($/ao). El cargo anual o anualidad, para pagar un prstamo de
1 $ en n aos es:
..(1)
El intercambiador tiene en general un tiempo de vida
til, al trmino del cual debe tener un precio de venta
que se denomina precio de recuperacin, Cs, entonces
en necesario restar el valor presente del precio de
recuperacin al costo de capital.
El valor presente de $ 1 recibido n aos en el futuro es:
.. (2)
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As el costo anual del intercambiador atribuible al costo
inicial es:
. (3)
Por ejemplo, el costo anual de un intercambiador de
calor con un costo inicial de $ 10 000 y un valor de
recuperacin de $ 1 000 al cabo de 15 aos, con un
prstamo al 9 % amortizable a 15 aos, es:
Normalmente un buen diseo de intercambiadores de
calor exige suponer que el costo inicial es linealmente
proporcional al rea de la superficie de transferencia de
calor
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Del grfico anterior se puede deducir:
(4)
C if = costo fijo que incluye instalacin y otros
costos de montaje
ci = Costo por unidad de rea de transferencia
de calor
Reemplazando ( 4 ) en ( 3 ), se tiene :
.. (5)
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Generalmente los impuestos, Ct, y los gastos estn
relacionados con el precio de compra, puede suponerse
que estos costos anuales son linealmente proporcionales
al rea de transferencia de calor:
. (6) Sumando (5) y (6) se tiene, Ca = costo anual total:
(7)
En general:
Ca = Ci + C t ( 8 )
El costo de operacin asociado a la potencia de la
bomba o del ventilador para cada una de las corrientes
es:
.. (9)
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donde:
Cp = [ $/W hr ], es el costo unitario de la potencia de
bombeo.
= tiempo de operacin por ao ( hr / ao )
p = rendimiento de la bomba o del ventilador ( incluye rendimiento del motor )
La cada de presin se puede expresar como una funcin
lineal del intercambiador como:
(10) Po incluye las prdidas en la entrada y salida y la cada de presin por aceleracin de un gas o vapor.
Reemplazando (10) en (9) se obtiene el costo anual
de energa :
.. (11)
o bien :
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.. (12)
cp L es el costo anual de la energa por unidad de
longitud del intercambiador.
En la aplicacin a procesos comunes de calefaccin
o recuperacin de calor, el valor anual del beneficio es
directamente proporcional al valor del calor que se
transfiere.
.. (13)
= [W/hr] es el valor del calor en W por hora
Si el intercambiador se usa en un ciclo de energa para
generar energa elctrica o mecnica, una medida ms
adecuada del costo es la transferencia de energa
disponible (la integral del producto de la transferencia
de calor por el rendimiento de Carnot)
Suponiendo un intercambiador en contracorriente
equilibrada cuyos costos inicial y de operacin son
directamente proporcionales a la longitud y
especificando la superficie de transferencia de calor y el
rea de la seccin transversal para cada una de las
corrientes
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La eficiencia y la transferencia de calor aumentan con la
longitud del intercambiador, pero tambin aumenta el
costo inicial y el costo de operacin; el problema
consiste en determinar la longitud del intercambiador
que maximiza la diferencia costo beneficio
Reemplazando Q de la ec. (13) y empleando la definicin de la eficiencia de un intercambiador, se
tiene:
(14)
Por conveniencia operativa, se puede escribir los costos
anuales totales ( a + p ) como :
. (15)
Donde Cf es el total de los costos fijos,
Tambin se sabe que:
(16)
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Es el costo total por unidad de longitud del
intercambiador.
En un diagrama beneficio anual () y costo anual total () en funcin de L (longitud del intercambiador) se puede observar las variaciones de los beneficios y los
costos en funcin de la longitud del intercambiador
El diseador ha de maximizar ( - ) , es decir aumentar la longitud del intercambiador hasta que
el costo anual incremental d sea igual al valor anual incremental del beneficio d,
. (17)
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Pero se sabe tambin:
. (18)
de donde :
. (19)
adems :
. (20) Igualando (19) y (20) se tiene:
(21) Donde E es un parmetro termoeconmico
adimensional Analizando la fig. anterior se observa que no conviene
usar un intercambiador si la longitud es tal que resulta menor que
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La eficacia de un intercambiador en contracorriente
equilibrada se define por :
. (22)
. (23)
igualando las ec. (23) y (21) y despejando el NUT se tiene:
. (24) La longitud ptima puede entonces obtenerse de la
definicin:
. (25)
Problemas de aplicacin
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