intercambiadores de calor 20058

7/24/2019 Intercambiadores de Calor 20058

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INTERCAMBIADORES DE

CALOR


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OBJETIVOS

Describir los tipos bsicos de Intercambiadoresde calor, indicando sus aplicaciones principales ycriterios de seleccin.

Exponer el mtodo de clculo de unintercambiador de calor, identificando la superficiede intercambio, dimensiones y configuraciones detubos y cascos, y prdidas de carga.

Introduccin a la seleccin de materiales ycostes de un intercambiador de calor


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INTRODUCCIONLos intercambiadores de calor son aparatos que

facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos

que se encuentran a diferentes temperaturas y

evitan que se mezclen entre si.


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AREAS DE APLICACIN

Condensador: Condensa un vapor o mezclade vapores.

Enfriador: Enfra un fluido por medio de agua. Calentador: Aplica calor sensible a un fluido. Rehervidor: Conectado a la base de una torre

fraccionadora proporciona el calor de

reebulicinVaporizador: Un calentador que vaporiza partedel lquido


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FACTORES PARA DISEAR O SELECCIONAR

UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

El flujo de calor

Tamao y peso Cada de presin Economa


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INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO

Este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto encontracorriente como corriente paralela, circulando elfluido caliente o el fro a travs del espacio anular,mientras que el otro fluido circula por la tubera interior.

TIPOS BASICOS DE INTERCAMBIADORES DE

CALOR


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INTERCAMBIADOR DE CARCAZA Y TUBO


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INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS

En el enfriamiento o calentamiento de gases esinteresante utilizar un intercambiador de calor en flujocruzado, en el que uno de los fluidos (lquido o gas)circula por el interior de los tubos, mientras que al otrofluido (gaseoso) se le obliga a circular perpendicularmente al haz de tubos


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El flujo del fluido exterior puede realizarse mediante conveccin

forzada o libre; el gas que circula por el exterior de los tubos seconsidera de tipo de mezcla, mientras que el fluido del interior delos tubos se considera sin mezclar; el flujo del gas exterior es conmezcla porque puede moverse libremente entre los tubos cuandointercambia calor, mientras que el fluido del interior de los tubosest confinado y no puede mezclarse con ningn otro flujo ocorriente durante el proceso de intercambio de calor

INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS


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COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TRMICAGLOBAL

Una de las primeras cuestiones a realizar en el anlisistrmico de un intercambiador de calor de carcasa ytubos consiste en evaluar el coeficiente de transferenciatrmica global entre las dos corrientes fluidas.

El coeficiente de transferencia trmica global entre unfluido caliente a temperatura TC y otro fro a temperaturaTF separados por una pared plana se define mediante laecuacin:

AhkA

L

AhR

UA

TTUAQ

Fc

i

ii

FC

11

11

3

1


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En el caso de un intercambiador de calor formado por dos tubos concntricos, el rea dela superficie de intercambio trmico es: Ai = 2 riL

Ae = 2 reL

de forma que, en general:

eF

ie

ic AhkL

rr

Ah

UA

ei

1

2

ln1

1


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Si el coeficiente de transferencia trmica globalviene referido a la superficie exterior Ae el valorde Ue ser:

mientras que si viene referido a la superficie

interior Ai ser:

eFi

ee

iiC

e

e

hrr

kr

rhr

U

1ln

1

eFe

i

i

ei

iC

i

hr

r

r

r

k

r

h

U

ln1

1


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FACTORES DE SUCIEDAD

Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficientede transferencia de calor global de un intercambiador decalor al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento,teniendo slo en cuenta el anlisis trmico; durante elfuncionamiento con la mayora de los lquidos y conalgunos gases, se van produciendo gradualmente unaspelculas de suciedad sobre la superficie en la que serealiza la transferencia trmica, que pueden ser dexidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera,lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto que sta

suciedad origina se conoce con el nombre deincrustaciones, y provoca un aumento de la resistenciatrmica del sistema.


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La resistencia trmica del depsito se puede determinar,generalmente, a partir de ensayos reales o de laexperiencia.

Transmisin de calor entre la cmara de combustin y elagua de una caldera con incrustaciones calcreas


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FACTORES DE RESISTENCIA POR ENSUCIAMIENTO NORMALESTipo de fluido Requiv (m2K/W)

Agua de mar por debajo de 325K 0,0009

Agua de mar por encima de 325K 0,0003

Agua de alimentacin de calderas por encima de 325K 0,0005

Agua de ro 0,001-0,004

Agua condensada en un ciclo cerrado 0,0005

Agua de torre de refrigeracin tratada 0,001-0,002

Gasleo ligero 0,0020

Gasleo pesado 0,0030

Asfalto 0,0050

Gasolina 0,0010

Queroseno 0,0010

Soluciones custicas 0,0020

Fluido hidrulico 0,0010

Sales fundidas 0,0005

Gases de escape de un motor 0,010

Aceite combustible 0,0050Aceites vegetales 0,0030

Vapores de alcohol 0,0001

Vapor, cojinetes sin aceite 0,0005

Vapor, con aceite 0,0010

Vapores refrigerantes, con aceite 0,0020

Aire comprimido 0,0010

Lquido refrigerante 0,0010


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Si se realizan ensayos de rendimiento en unintercambiador limpio y se repiten despus deque el aparato haya estado en servicio durantealgn tiempo, se puede determinar la resistenciatrmica del depsito ( factor de incrustracin: Rf )mediante la relacin:

teorico

f

Func

UR

U1

1


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Siendo

La expresin del coeficiente global de

transmisin de calor Ufunc. en funcionamiento alcabo de un tiempo, referida a la seccinexterior Ae es:

i

e

ci

equiv

ce

Limpio

i

e

ieSucio

A

A

hR

h

UA

A

RRR 11

1

;....

ici

e

i

eiequive

ce

func

Ah

A

A

ARRR

h

U

1

1


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ANALISIS TERMOICO DE UNINTERCAMBIADOR DE CALOR

Un balance de energa ideal (sin considerar prdidas trmicas), seestablece: Calor perdido es igual al calor ganado.

Si se toma a ambos lados de la pared un elemento de superficie dA,en una misma seccin transversal se puede suponer que ambosfluidos toman las temperaturas TC y TF en estos elementosdiferenciales.

Haciendo T = TC - TF es evidente que la cantidad de calor quepasar del fluido caliente al fluido fro, por unidad de tiempo es:

1221 FFpFFCCpCC TTCmTTCmQ

FpFFCpCC dTCmdTCmTUdAdQ


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DISTRIBUCIN DE TEMPERATURAS EN INTERCAMBIADORES DE CALORCON FLUJOS EN CONTRACORRIENTE Y DE UN SOLO PASO DE TUBOS


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MTODOS DE ANLISIS TRMICO DEINTERCAMBIADORES DE CALOR

Existen dos mtodos, estos son:

1. Mtodo de diferencia de temperatura media

logartmica ( F-LMTD)donde:

F: factorde correccin y se encuentra en tablas

para diferentes configuraciones

2. Mtodo de efectividad- NTUes recomendable usarlo cuando las temperaturas de

salida de los fluidos no son conocidos


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FACTOR DE CORRECCIN DE LA (LMTD)

Cuando se tienen intercambiadores muy complejos,como los montajes en carcasa y tubos, con variospasos de tubos por cada carcasa, o variascarcasas, y en el caso de intercambiadores de flujo

cruzado, la deduccin analtica de una expresinpara la diferencia media de temperaturas resultamuy compleja.

mTUAFQ


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DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA

Calculamos la transferencia de calor en el arreglo de doble tubo con:

Donde

U coeficiente total de transferencia de calor A rea de superficie para transferencia de calor consistente con la

definicin de U

Tm diferencia de temperatura media conveniente a travs delintercambiador de calor

mTUAQ

12

21

1221

ln

FC

FC

FFCC

m

TT

TT

TTTTT


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La expresin anterior se simplifica utilizando lassiguientes relaciones adimensionales:

Coeficiente de efectividad:

Relacin de capacidades trmicas:

que permiten obtener la diferencia media de latemperatura como una funcin de F(P,Z).

11

21

CF

FF

TT

TTP

12

21

FF

CC

TT

TTZ


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MTODO DE EFECTIVIDAD- NTU


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FACTORES DE CORRECCIN DE LA(LMTD) PARA ALGUNOS

INTERCAMBIADORES


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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador en contracorriente (1-2), o un mltiplo parde pasos de tubos


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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (1-3), con dos de los pasos encontracorriente


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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador en contracorriente (2-4)y un mltiplo par de pasos de tubos


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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador (3-2), o un mltiplo par de pasos de tubos


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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un paso de tubos


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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de ambos fluidos y un paso de tubos


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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un mltiplo de 2 pasos

de tubos


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Factor de correccin de la (LMTD) para un intercambiador de flujos cruzados,con mezcla de un fluido en la parte de la carcasa y sin mezcla del otro fluido, y un mltiplo de 2 pasos

de tubos


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EJERCICIOS

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