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Prof.Ing. Alis Morillo
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALFRANCISCO DE MIRANDA
AREA DE TECNOLOGIACOMPLEJO ACADEMICO EL SABINODEPARTAMENTO DE ENERGETICA
CATEDRA: OPERACIONES UNITARIAS I
DEFINICIÓN
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Es un equipo de transferencia de calor empleado en procesos químicos con la finalidad de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso
CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Según de tipo de servicio
De acuerdo al proceso de transferencia De acuerdo a los mecanismos de
transferencia de calor De acuerdo al numero
de fluidos involucrados De acuerdo a la
disposición de los fluidos De acuerdo a la
compactación de la superficie De acuerdo al tipo de
construcción
CLASIFICACIÓN: SEGÚN SERVICIO
SEGÚN SU SERVICIO
RefrigeradorEnfrían una corriente de proceso con un liquido refrigerante a fin de obtener temperaturas menores que las que se obtendrían con un enfriador
CondensadorCondensan una corriente
de proceso
EnfriadorEnfría una corriente de proceso
con agua o aire
CalentadorCalientan una corriente
de proceso
RehervidorVaporiza una
corriente de proceso
Generador de VaporProducen vapor de agua y se conocen como calderas
d e recuperación de calor
VaporizadorConvierte liquido a vapor. Cuando
el liquido es diferente al agua
SobrecalentadorCalienta un vapor por encimade condiciones de saturación
CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN
• Es uno de los diseños más simples• Consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente
circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos.
• Este es un tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil.
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
Multitubular
CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN
• Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por fuera de un haz de tubos, actúa como medio refrigerante para condensar y/o enfriar el fluido que va por dentro de los mismos.
• Se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire sehace soplar perpendicularmente al eje de los tubos
ENFRIADORES DE AIRE
CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN
INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL
Estos intercambiadores se originaron en Suecia hace mas de 40 años para ser utilizados en la industria del papel y son llamados también SHE debido a sus siglas en inglés: Spiral Heat Exchanger.
Su diseño consiste en un par de láminas de metal enrolladas alrededor de
un eje formando pasajes paralelos en espiral por entre los cuales fluye cada sustancia.
Son muy utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos y líquidos con
sólidos en suspensión, así como también en operaciones de condensación y vaporización.
INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL
CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN
INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
Es el más utilizado en las refinerías y plantas químicas en general debido a que:• 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 de reparar.• Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con
cualquier aplicación.
Haz de tubos dentro de una carcaza cilíndrica, con presencia de deflectores para generar turbulencia y soportar los tubos. El arreglo de tubos es paralelo al eje longitudinal de la carcaza y puede estar fijo o ser de cabezal flotante. Tubos internos lisos o aleteados
INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO
INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO
INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
Carcaza cilíndrica
Boquilla de la carcaza
Boquilla para los tubos
Boquilla de la carcaza
Tubos
Placa de tubos flotante
Boquilla para los tubos
Deflectores transversales (baffles)
Divisor de paso o
baffles longitudinal
Cabezal flotante
CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
Se diseñan
TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association
Clase R Clase C Clase B
Petróleo y aplicaciones relacionadas
Procesos químicos
Propósitos generales
Según estándares publicados por Asociación de Fabricantes de intercambiadores tubulares
Intercambiadores de carcaza y tubo
APLICABLE :Diámetro interno de la carcaza (DIC) ≤ 1,524 mm (60 in)Presión ≤ 207 bar (3000Psi) DIC*Presión ≤ 105000 mm bar (60000 in psi)
CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
Designación de intercambiadores
X X X
Cabezal anterior Cabezal
posterior
Tipo de carcaza
CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
Tienen las dos placas de tubos soldadas a la carcaza
De cabezal fijo:Tubos en forma de U
Tienen solo una placa donde se insertan los tubos en forma de U
De Cabezal flotante:Tiene una sola placa de tubos
sujeta a la carcaza
Según su construcción mecánica
CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
De cabezal flotante
Tipo BEM
Tipo CFUDe Cabezal fijo
Tipo AESTubos en forma de U
ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES 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, 70-30 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
ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES 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) 〉1.25*Diámetro externo del tubo
• En las refinerías se prefieren tubos de 20 pie de longitud• Los haces no removibles usan siempre arreglos triangulares (30°)
Cuanto más largo es un intercambiador, menos tubos contiene, menor es el diámetro de la carcaza,
su diseño es más simple y menor es su costo.
SELECCIÓN DEL ANGULO DEL PITCH
ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES 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 mayore s efectos de trasferencia de calor.
ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
Distancia centro a centro entre deflectores adyacentes
B1/5 DC < B > DC
Doble Segmentado
Tipos de Deflectores
Segmentado La altura de la ventana expresada como un porcentaje del diámetro de la carcasa, se den omina CORTE DEL DEFLECTOR.
Para deflectores segmentados el corte está entre 15-40%
El mejor resultado se obtiene con 25% de corte.
ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO
TIPO DE CARCAZA
TIPO F
Un paso por la carcasa Dos paso por la carcasa con bafle longitudinal
TIPO E
LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS
Cuando se opera con un fluido muy corrosivo debe hacerse circular por el interior
de los tubos para evitar la corrosión de todo el intercambiador
Para los fluidos con un alto factor de ensuciamiento, es conveniente hacerlo
circular por los tubos donde se puede mantener un mejor control de la velocidad
que puede reducir este efecto.
En servicios de alta temperatura se fabrican los tubos de aleaciones
convenientes que reduzcan la expansion termica y se hace circular el fluido
caliente por el interior de ellos.
Los fluidos con mayor presión deben generalmente colocarse por los tubos.
Los fluidos muy viscosos deben colocarse fuera de los tubos para
obtener altos coeficientes de transferencia de calor, por crearse alli mayor
turbulencia.
El fluido de menor flujo masico se coloca fuera de los tubos, ya que alli
se somete a mayor turbulencia, mejorandose el coeficiente de
transferencia de calor.
LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
Ti > ToETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR1. Convección desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes del mismo.
2. Conducción del interior al exterior del tubo.
3. Convección desde el exteriordel tubo al fluido.
h i
Ts
ho
To
Ti
hi.Ai1Ri
Ln(ro / ri) 2. .K.L
Rcond
1ho.Ao
Ro
1Rtotal
hi.Ai
Ln(ro / ri) 1
2. .K.Lho.Ao
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
ho.Aohi.Ai
1 Ln(ro / ri) 1 Rtotal
2. .K.L
RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNA
Aoho.Ao
1hi.Ai
1 ri Ln(ro / ri) ro Rtotal
Ai2. .K.L
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL
1Rtotal
U *.A*
* Basado en cualquier área
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
COEFICIENTE LIMPIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Aoho.Ao
hi.AiAi
1
A*A*.roA*.Ln(ro / ri)
A*.riA* U *
2. .K.L
Es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se coloca por primera vez en servicio.
REFERIDA AL ÁREA EXTERNA
hohi.AiAi
1 Ao Ao.ri Ao.Ln(ro / ri) 1
ro
Uo
2. .K.L
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
11
Uc Rio Ro rw F
h. pie .F BTU
F 0.0001
2
1donde
Relación Uo y Uc
1
Uo Uc
Uc11 rio ro
F1
Rio Ro rw F1
Uc > Uo siempre
Resistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosión
Q U .A.ΔT
Relación básica que sirve para calcular los intercambiadores de calor
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
Diferencia de temperatura media logarítmica
Disposición de fluidos
ContracorrienteLos fluidos fluyen en dirección opuestas
e l uno del otro
Flujo en Paralelo o Cocorriente
Ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y sal
en por el otro extremo
La diferencia de temperaturas en cada punto del intercambiador constituye la fuerza impulsora mediante la cual se transfiere el calor. En el intercambiador los fluidos pueden viajar en contracorriente, paralelo, flujo cruzado o una combinación de ellas, experimentado variaciones de temperatura que no son lineales a lo largo de su recorrido en el intercambiador. Así, la diferencia de temperatura entre los fluidos diferirá punto a punto en el intercambiador.
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
To
w Ti
w
to
w ti
w
T
Ti
to
To
ti
0 L
Intercambiador de doble tubo en contracorriente
LMTD =(T - t ) - (T - t ) i o o i
i⎛ T - t
ln⎜ ⎞⎝ To - t i ⎠
o⎟
Termodinámicamente es una disposición superior a cualquier otra .
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
W Ti
wti
W To
wto To
to
ti
0 L
Intercambiador de doble tubo en paralelo o corrienteT
Ti
LMTD =(T - t ) - (T - t ) i i o o
iln ⎜⎛ T - t i ⎞⎝ To - t o ⎠
⎟
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
Para las diferentes configuraciones de flujo mostradas a continuación, calculela diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)
A. ContracorrienteFluido caliente Ti= 300 °F entra To= 200 °F sale
Fluido frío to=150 °F sale ti=100 °F entra
LMTD =(300 - 150) - (200 - 100)
ln⎜⎛ 300 - 150⎞⎝ 200 - 100⎠
⎟LMTD =
(Ti - t o ) - (To
- t i )
i oln⎜⎛ T - t ⎞⎝ To - t i ⎠
⎟
LMTD = 123.32 °F
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
a continuación, calcule laPara las diferentes configuraciones de flujomostradas diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)
B. ParaleloFluido caliente Ti= 300 °F entra To= 200 °F sale
Fluido frío to=150 °F sale ti=100 °F entra
LMTD =(300 - 100) - (200 - 150)
ln⎜⎛ 300 - 100⎞⎝ 200 - 150⎠
⎟LMTD =
(Ti - t i ) - (To
- t o )
⎛ T - t ⎞⎝ To - t o ⎠
ln ⎜ i i ⎟
LMTD = 108.2 °F
Cuando hay combinados de flujos, como en un intercambiador distinto de 1:1
MTD LMTD
Ft
Ft =1 Flujo equivalente a contracorriente Para cualquier arreglo, FT < 0.75 Inaceptable
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
Fluido por la carcaza
Ti Entrada
Fluido por los tubos
t o Salida
Entrada
Fluido por los tubosFluido por la carcaza
To Salida
t*
t i
Intercambiador 1-2 carcaza y tubo
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
Intercambiador 2-2 carcaza y tubo
Fluido por los tubos(salida)
Fluido por los tubos(entrada)
Fluido por la carcaza(entrada)
Fluido por la carcaza(salida)
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
Intercambiador 1-2 en serie
toTi
Toti
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
Intercambiador 1-2 en serie
toTi
Toti
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 1-2)
ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR
FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 2-4)
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
A =Q
Uo * MTD
tc
PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO
Determinar las dimensiones físicas del intercambiador a partir del área calculada
Calcular el coeficiente global de transferencia de calor Uo
hohi.AiAi
1 Ao Ao.ri Ao.Ln(ro / ri) 1
ro
Uo
2. .K.L
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