Eiq 303 2012_16_intercambiadores_de_calor

Operaciones Unitarias EIQ 303

Profesor: Luis Vega Alarcón 1

Operaciones UnitariasTransferencia de Calor

EIQ 303Primer Semestre 2012Profesor: Luis Vega A

Intercambiadores de Calor

Cualquier aparato diseñado para trasmitir la energía calorífica desde un medio (gas o liquido) hacia otro medio es denominado Intercambiador de calor. En el Intercambiador de calor, el calor es transferido desde el medio caliente hacia el medio frío por conducción y convección, y algunas veces por radiación en el caso de gases. Una condición para la transferencia de calor es que exista una gradiente de temperatura entre los dos medios.

Intercambiadores de Calor

QT1 T2

Condición: T1 > T2

Los intercambiadores de calor donde dos fluidos están en contacto directo uno con el otro, se denominan “intercambiadores directos”. El área necesaria para la transferencia es proporcionada por las interfaces del liquidoo por las gotas.

Clasificación de acuerdo al contacto de los fluidos

Los intercambiadores de calor en los cuales los dos fluidos están separados uno del otro por una pared divisora a través de la cual se transporta el calor,. Se denominan intercambiadores indirectos. La pared que los separa proporciona el área de transferencia de calor.

Clasificación de acuerdo a su aplicación

Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos.

Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.

Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.

Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.

Rehervidor: Conectado a la base de una torre de destilación proporciona el calor de reebulición que se necesita para la destilación.

Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.



Los intercambiadores de calor de acuerdo a su construcción pueden dividirse en tres grandes grupos:

Intercambiadores compactos. Los que están hechos en base a placas o laminas “planas” paralelas.

Intercambiadores tubulares. Los que están hechos en base a tubos.

Intercambiadores misceláneos. Los que tienen diferen-tes configuraciones según el requerimiento específico.

Clasificación de acuerdo a la construcción Intercambiadores de calor de doble tubo o de tubos concéntricos

El tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntrico de diámetros diferentes, llamados intercambiadores de doble tubos. Donde un fluido circula por el tubo interior y el segundo por el espacio anular comprendido entre las tuberías interior y exterior.

Estos intercambiadores están formado por tuberías normalizadas de metal, con codos y cabezales de retorno equipados con cajas prensaestopas.

Recomendables hasta 70 pie2 de área de intercambio, sobre este tamaño se

hacen más económicos los intercambiadores compactos



Intercambiadores de calor de tubo y carcasa o de tubo y coraza o de tubo y

cascoLos intercambiadores de calor de tubo y carcasa son uno de los de mayor aplicación industrial.



Carcasa (o coraza).1: Cabezales de tubos o espejos.2:Carretes.3: Tapas.4: Deflectores transversales.5:

Intercambiador de calor de tubos estacionarios

Intercambiador de calor de tubos fijos con carrete integrales

Intercambiador de calor 1-2 con cabezal flotante de arrastre

Intercambiador de calor con tubos en U



Intercambiador de calor 1-2 de cabezal fijo

Su uso esta restringido a soluciones con bajo contenido de sólidos y

viscosidades menores a 10000 cPs



Criterios para la selección de intercambiadores tubulares

Áreas de intercambio de calor menores a 70 pie2

Intercambiador de tubos concéntrico

Áreas de intercambio de calor entre 70 pie2 y 200 pie2

Evaluación Económica para determinar el tipo

de Intercambiador

Áreas de intercambio de calor sobre los 200 pie2

Intercambiador de tubos y carcasa

Intercambiadores de calor de placas o de platos

Otro tipo de intercambiador ampliamente utilizado hoy en día es el intercambiador de calor de placa y marco. Las placas metálicas, generalmente son superficies acanaladas, que se disponen sobre un bastidor; el fluido caliente pasa entre parejas alternativas de placas intercambiando calor con el fluido frío en los espacios adyacentes.

Columnade

soporte

Barra de guía

Pernos de apriete

Placas empaquetadas

Barra correderaPlaca de compresión

Portaplaca



Intercambiadores de Placas CircularesRecomendado para soluciones con contenido de sólidos no abrasivos

menores al 5% y viscosidades menores a 20000 cPs

Intercambiador de Placas y Carcasa Intercambiador de Espiral



Recomendado para soluciones de alta viscosidad y altos contenidos de sólidos

(30 a 40%)

Intercambiadores de serpentín Recipientes enchaquetados



Enfriadores con agua Aeroenfriadores

Guía para selección de un intercambiador de calor

Aplicación RecomendaciónFluidos de baja viscosidad * Usar intercambiador de calor de placa

(μ < 10 cP) * Usar intercambiadores tubulares para fluidos no corrosivosa altas temperaturas o a altas presiones

Líquidos de baja viscosidad * Para fluidos no corrosivos, usar intercambiadores tubulares de acero al carbon* Para cargas corrosivas y para vapor a baja presión; usarintercambiadores de placas.* Para grandes cantidades de vapor, usar intercambiadoresde espiral.

Fluidos de viscosidad media * Con iguales fluidos en ambos lados, usar el intercambiador(10 cp a 100 cP) de placas.

* Si las empaquetaduras causan problemas o la cantidad desólidos es elevada, usar intercambiadores de espiral.

Aplicación RecomendaciónFluidos de alta viscosidad * Usar intercambiador de placas. La configuraciónde las

( > 100 cP) placas proporcionan un flujo turbulento. Se han usado paraviscosidades sobre los 5000 cP.* Para viscosidades extremas es preferible el intercambiadorde espiral.

Fluidos sucios * Pueden usarse intercambiadores de placa o de espiral.(con alta tendencia a formar Por su facil limpieza es preferibles el intercambiador deinscrustaciones) placas.Suspenciones y pulpas * Recomendable el de espiral (usado en algunos casos

para corrientes con más de 50% de sólidos) y en ciertoscasos el intercambiador de placas.

Enfriamiento y calentamiento * Intercambiador de superficie extendida.de aireGases o aire a presión * Con ciertas limitaciones puede usarse el intercambiador de

placas, de otro modo debe seleccionarse un intercambiadortubular (con superficie extendida en el lado del gas)



Aplicación RecomendaciónCondensación * Para cargas no corrosivas, seleccionar un intercambiador

tubular de acero al carbon.* Para cargas corrosivas un intercambiador de espiral.* Para ciertos casos como el requerimiento de condicioneshigiénicas, puede considerarse el intercambiador de placas.

Alta presión (sobre 35 atm.) * Usar intercambiador tubular.o altas temperaturas (sobre500 °C)Fluidos extremadamente * Usar intercambiadores de grafito.corrosivos

Consideraciones de Diseño

Un intercambiador de calor existente en catalogo tiene una ventaja definitiva de costo sobre los que se mandan hacer sobre pedido. Sin embargo, en algunos casos ninguno de los intercambiadores satisface lo que se desea y es necesario emprender la tarea de diseñar y construir el intercambiador.

Normalmente las mejoras de la transferencia de calor de los intercambiadores suele venir acompañada de un aumento de la caída de presión. Por lo tanto, cualquiera mejora de la transferencia de calor debe ser contrapesada con el costo de la caída de presión que la acompaña.

Los fluidos del intercambiador de calor fluyen por medio de bombas y ventiladores que consumen energía eléctrica. El costo anual asociado a la operación de las bombas y ventiladores se puede determinar a partir de:

hkW

$adElectricidla de ecioPr

hOperación

de HoraskW

Bombeo dePotencia

Operaciónde Costo

La minimización de la caída de presión y del flujo másico reducirá el costo de operación del intercambiador, pero maximizará su tamaño, y por consiguiente su costo inicial.

Ejemplo. Determine el costo anual de operación por potencia de un intercambiador que cuenta con una bomba de 1 hp y un ventilador de 1/3 hp (1 hp = 0.746 kW) que funciona 8 horas diarias durante 5 dias a la semana. El costo de la electricidad es de 8 centavos de dolares/kW h.

hkW

$08.0h)52)(8)(5(kW)746.0)(333.1(Operación

de Costo

$US 165Operación

de Costo



Las velocidades de los fluidos en el intercambiador de calor varían entre 0.7 y 7 m/s para los líquidos y entre 3 y 30 m/s para los gases. Las velocidades bajas ayudan a evitar la erosión, las vibraciones de los tubos y el ruido, así como reducen la caída de presión.

No es necesario considerar los efectos de los esfuerzos térmicos y estructurales a presiones por debajo de 15 atmo temperaturas bajo los 150 °C. Sin embargo, estos efectos constituyen consideraciones importantes por arriba de la 70 atm y 550 °C, que condicionan los materiales usados para el intercambiador.

Una diferencia de temperatura superior a 50°C entre los tubos y la carcasa plantea expansiones térmicas que deben ser considerada.

Para fluidos corrosivos normalmente se tiene que seleccionar materiales costoso resistentes a la corrosión, como el acero inoxidable o incluso de titanio, si no se desea reemplazar con frecuencia los intercambiadores de bajo costo.

Ecuación de Diseño

TAUQ

Coeficiente Total de Transferencia de Calor

La transferencia de calor desde un fluido caliente a otro frío, generalmente, a través

de una pared sólida que separa los dos fluidos, es un caso que se encuentra con frecuencia en la practica de la ingeniería



Para que se produzca la transferencia de calor entre dos fluidossin que se mezclen, estos deben estar separados por una pared de un material buen conductor del calor, como muestra la figura:

ParedFluido Caliente

Q

Fluido Frío

Más específicamente la cantidad de calor que se transfiere entre los dos fluidos se puede describir en el siguiente esquema:

Fluido Caliente A

Fluido Frío B

Pared DepositoDeposito Pelicula de Fluido B

Pelicula de Fluido A

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

Q

Se puede considerar aproximadamente que:

21 TT 87 TT y

Matemáticamente la cantidad de calor que se transfiere entre los dos fluidos se puede escribir:

Película de fluido A

Depósitos en el lado del fluido A

Pared del materialDepósitos en el lado del fluido B

Película de fluido B

)T(TdA hdQ 32A A través:

)T(TdA hdQ 43DA

)T(TdA kdQ 54

)T(TdA hdQ 65DB

)T(TdA hdQ 76B

Fluido Caliente A

Fluido Frío B

Pared DepositoDeposito Pelicula de Fluido B

Pelicula de Fluido A

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

Q

Como dQ es constante, al eliminar T3, T4, T5 y T6 de las ecuaciones anteriores, obtenemos:

dAh1

dAh1

dA kx

dAh1

dAh1

TTdQ

BDBDAA

81



La ecuación anterior :

)TT( dA UdQ 81

Donde:

BDBDAA h1

h1

kx

h1

h1

U1

dAh1

dAh1

dA kx

dAh1

dAh1

TTdQ

BDBDAA

81

Podemos escribirla como:

C]º [W/m fluidos para pelicula de eCoeficient :h y h 2BA

C]º [W/m ióninscrustac de eCoeficient :h y h 2DBDA

C]º [W/m termica dadconductivi : k

C]º Calor[W/m de ciaTransferen de Total eCoeficient :U 2

Si la transferencia de calor se efectúa a través de paredes tubulares, no se cumple que el área de transferencia sea igual a lo largo de la trayectoria de la transferencia, por lo que se tiene que hacer una corrección para el coeficiente total de transferencia de calor U dado en la ecuación anterior.

oDom

O

i

O

Dii

O

i h1

h1

DD

kx

DD

h1

DD

h1

U1

BDBm

O

i

O

DAi

O

A h1

h1

DD

kx

DD

h1

DD

h1

U1

2DDD iO

m

Para tubos con espesor hasta 3/8 pulg.

Para tubos con espesor mayo-res 3/8 pulg.

i

O

iOm

DDln

DDD

En muchos textos se tienen tabulados valores inversos a los coeficientes de incrustación o deposición, a los cuales se les denomina resistencias a la incrustación (r) y se relacionan por:

Dh1r

Con lo que podemos escribir:

Para la pared:B

BAA h

1rkxr

h1

U1

Para la pared tubular:B

Bm

O

i

OA

i

O

A h1r

DD

kx

DDr

DD

h1

U1



Normalmente en los intercambiadores de calor los flujos son alimentados en contra corriente, muy excepcionalmente se alimentan como corrientes en paralelo. El flujo en corrientes paralelas se utiliza en situaciones especiales donde es nece-sario limitar la temperatura máxima del fluido más frío o cuando es importante que al menos la temperatura de uno de los fluidos varíe rápidamente.

Flujo en contracorriente o corriente paralela

Flujo en contra corriente

Flujo en corriente paralela (cocorriente)

Fluido Caliente

Fluido Frio

Corriente en Paralelo

Fluido Caliente

Fluido Frío

Contra Corriente

2

1

21ML

TTln

TTT

Los valores de ∆T1 y ∆T2 dependen si la configuración es en flujo paralelo o en flujo contracorriente:

Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML)

Fluido Caliente

Fluido Frio

Corriente en Paralelo

T1 T2

t1 t2

111 tTT 222 tTT y

22

11

2211

2

1

21ML

tTtTln

tTtT

TTln

TTT

Para flujo paralelo tenemos:



211 tTT 122 tTT y

12

21

1221

2

1

21ML

tTtTln

tTtT

TTln

TTT

Para flujo en contra corriente tenemos:

Fluido Caliente

Fluido Frío

Contra Corriente

T1 T2

t1 t2

En general, es más ventajosa la disposición en contra-corriente ya que entrega un valor de T mayor.

La excepción a lo anterior, ocurre cuando uno de los fluidos se mantiene a temperatura constante (condensación de vapor) en cuyo caso el LMTD resulta idéntico.

La ventaja de flujo paralelo es que se tiene un mejor control de la temperatura cuando se trabaja con materiales termosensible.

Limitaciones de la DTML (LMTD)La DTML no siempre es la diferencia de temperatura correcta a utilizar. No se utiliza cuando U cambia apreciablemente a lo largo del intercambiador o cuando T no es una función lineal de Q.

Un intercambiador utilizado para enfriar y condensar un vapor sobrecalentado.

Cuando el calor es transferido a o desde un fluido reactante. La siguiente figura muestra el perfil de temperatura para una reacción exotérmica en un reactor enfriado con agua.

Un intercambiador utilizado para enfriar y condensar un vapor sobrecalentado.



Cuando el calor es transferido a o desde un fluido reactante. La siguiente figura muestra el perfil de temperatura para una reacción exotérmica en un reactor enfriado con agua.

Para cuando no es valida la DTML, como para los ejemplos anteriores, la ecuación:

fríocaliente TTUTUdTdQ

Se debe integrar evaluando los valores locales de U, T y Q en varios puntos intermedio del intercambiador.

Problemas Resueltos Problema N°1. Calcule el coeficiente total de transferencia de calor para el caso en que agua a 10 ºC fluye en un tubo de un condensador de ¾ pulg 16 BWG y vapor de agua saturado a 105 ºC condensado en el exterior. Considerando hi=12 kW/m2

ºC, h0=14 kW/m2 ºC y k=120 W/m ºC.

Datos: Tubos ¾ pulg 16 BWG: pulg 75.0D0

pulg 62.0Di pulg 065.0Espesor

mm05.194.25pulg 75.0D0

mm75.154.25pulg 62.0Di m001651.00254.0pulg 065.0Espesor



00

m

O

i

Oi

i

O

i0 h1r

DD

kx

DDr

DD

h1

U1

Para una tubería tenemos:Basada en el área exterior de los tubos.

Basada en el área interior de los tubos.

0

i

00

m

i

0

ii

ii DD

h1r

DD

kx

DDr

h1

U1

0

i

i

0

DD

UU

Se relacionan:

Para el caso:

0m

O

i

O

i0 h1

DD

kx

DD

h1

U1

0m

O

i

O

i

0

h1

DD

kx

DD

h1

1U

140001

D05.19

120001651.0

75.1505.19

120001

1U

m

0

mm35.17

75.1505.19ln

75.1505.19

DDln

DDD

i

O

iOm

140001

35.1705.19

120001651.0

75.1505.19

120001

1U0

CºW/m 2.5338U 20

Cºm/W7.6456)75.15(

)05.19)(2.5338(U 2i

Problema N°2. Calcular las temperaturas de la superficies interior y exterior de la tubería metálica del problema 11.1 Mc Cabe.

15.75 mm 19.05 mm10 °C

105 °C

0m

O

i

O

i0 h1

DD

kx

DD

h1

U1

Para este caso tenemos:

“La caída de la temperatura global es proporcional a 1/U, y las caídas de las temperaturas en los dos fluidos y en la pared son proporcionales a las resistencias individuales.”

Interior agua a 10 ºC.

Exterior condensado de agua a 105 ºC.



0

0

m

0w

w

ii

0

i

0 h1T

DD

kx

T

hDDT

U1T

Donde:global. atemperatur de Caída:T

interior. fluido del traves a atemperatur de Caída:Timetálica. pared la de traves a atemperatur de Caída:Tw

exterior. fluido del traves a atemperatur de Caída:T0

ii

0

i

0 hDDT

U1T

1200075.1505.19T

2.53381

)10105( i

Cº 1.51Ti

Luego, la temperatura de la pared en el lado frío es:

Cº 1.61101.51Twc

La temperatura de la pared para el lado caliente:

0

0

0 h1T

U1T

140001T

2.53381

)10105( 0

Cº 2.36T0

Cº 8.682.36105Twh

Luego:

Problemas Resueltos en Clases Problema N°1. Considerando un intercambiador de calor de tubo doble, que presta un servicio agua-agua, donde no se conoce la disposición de los flujos. Sin embargo, se conoce que el flujo frío de agua entra a la temperatura de 20 °C y sale a 50 °C, en tanto que el agua caliente entra a 80 °C y sale ha 45°C. ¿La disposición de los flujos es en paralelo o en contra corriente? Explique.



Problema N°2. Se enfría anilina desde 200 hasta 150 ºF en un intercambiador de calor de tubos concéntricos cuya superficie total de intercambio es de 70 pie2. Para el enfriamiento se dispone de una corriente de tolueno de 8600 lbm/hr a la temperatura de 100 ºF. El intercambiador consta de una tubería de 1 ¼ pulg y otra de 2 pulg, ambas del Catálogo 40. La velocidad de flujo de la anilina es de 10000 lbm/hr. Asumiendo comportamiento adiabático, determine:

i) ¿Cuál es la temperatura del tolueno a la salida?ii) ¿Cuál es DTML?iii) ¿Cuál es el Coeficiente Global de Transferencia de Calor?

Fº lb/Btu545.0C )ANILINA(P Fº lb/Btu44.0C )TOLUENO(P

Datos:

a) Para flujo en contracorriente:

b) ¿Cuáles serían los resultados para flujo en paralelo:

Problema N°3. En el intercambiador de calor descrito en el problema anterior ¿Cuánta anilina puede enfriarse si el coeficiente global de transferencia de calor es 70 Btu/pie2·h·ºF?

Problemas Propuestos Problema N°1. Se construye un intercambiador de calor de doble tubo, con un tubo de cobre interior (k=380 W/m °C) de diámetro interno Di=1.2 cm y diámetro externo D0=1.6 cm, y un tubo exterior de 3 cm de diámetro. Los coeficientes de transferencia de calor por convección son hi= 700 W/m2 °Csobre la superficie interior del tubo, y h0=1400 W/m2 °C sobre la superficie exterior. Para un factor de incrustación Rfi=0.0005 m2

°C/W por el lado interior del tubo y Rf0=0.0002 m2 °C/W por el lado externo del tubo, determine:

La resistencia térmica del intercambiador por unidad de longitud.

a)

Los coeficientes totales de transferencia de calor, Ui y U0, con base en las áreas superficiales interior y exterior del tubo, respectivamente.

b)



Problema N°2. Fluye agua a una temperatura promedio de 110 °C y una velocidad promedio de 3.5 m/s por un tubo de 5 m de longitud de acero inoxidable (k=14.2 W/m °C) de una caldera. Los diámetros interior y exterior del tubo son Di=1.0 cm y D0=1.4 cm respectivamente. Si el coeficiente de transferencia de calor por convección sobre la superficie exterior del tubo, en donde se está llevando a efecto la ebullición, es h0= 8400 W/m2

°C, determine el coeficiente de transferencia de calor total U, con base en el área superficial interior del tubo.

4.08.0 PrRe023.0kDhNu

Considere:

Problema N°3. Fluye agua a una temperatura promedio de 110 °C y una velocidad promedio de 3.5 m/s por un tubo de 5 m de longitud de acero inoxidable (k=14.2 W/m °C) de una caldera. Los diámetros interior y exterior del tubo son Di=1.0 cm y D0=1.4 cm respectivamente. Si el coeficiente de transferencia de calor por convección sobre la superficie exterior del tubo, en donde se está llevando a efecto la ebullición, es h0= 8400 W/m2

°C, determine el coeficiente de transferencia de calor total U, con base en el área superficial interior del tubo, si el factor de incrustación sobre la superficie interior del tubo es Rfi=0.0005 m2·°C/W.

Problema N°4. Tetracloruro de carbono que fluye a 19000 kg/hrse enfría de 85 a 40 ºC usando 13500 kg/hr de agua de enfriamiento a 20 ºC. El coeficiente de película para el tetracloruro de carbono en el tubo exterior es 1700 W/m2·ºC. La resistencia de la pared es despreciable, pero hi sobre el lado del agua, incluyendo los factores de ensuciamiento , es 11000 W/m2·ºC.

¿Cuál es el área requerida para un intercambiador a contracorriente adiabático?

a)

¿En qué factor podría incrementarse el área si el flujo paralelo fuera usado para obtener un enfriamiento inicial más rápido del tetracloruro de carbono?

b)

Cº g/J837.0C )Cloruro Tetra(P Cº g/J1868.4C )Agua(P

Problema N°5. Un intercambiador de doble tubo usado para enfriar una suspensión, el coeficiente global de transferencia de calor U (basada en el área interior de los tubos) es 1.84 [kW/m2·°C]. El agua fluye en una tubería interior de acero de 1 pulgada de Catalogo 40, de conductividad térmica km = 45 [W/m·°C]; la suspensión fluye en la tubería exterior de 2 [pulg]. El coeficiente de película interior se estima en 4.8 [kW/m2·°C] desde una correlación publicada para flujo turbulento. Calcule el coeficiente de película exterior.



Problema N°6. En un intercambiador de calor a contra corriente, la corriente caliente se enfría desde 120 a 30 ºC, mientras que la corriente fría cambia de temperatura desde 20 ºC hasta 60 ºC. Si el mismo intercambiador opera en flujo paralelo, ¿Cuáles serían las temperaturas de salida de las dos corrientes? (Respuesta: La caliente a 51.4 ºC y la fría a 50.5 ºC)

Preguntas1. ¿Cuál es el papel de los deflectores en los intercambiadores de calor de tubos y carcasa? ¿De que manera la presencia de los deflectores afecta la transferencia de calor y las necesidades de potencia de bombeo.

2. ¿En que condiciones la resistencia térmica del tubo del intercambiador es despreciable?

3. En un intercambiador de calor de doble tubo y de pared delgada, ¿Cuándo resulta razonable la aproximación U=hi? En este caso, U es el coeficiente total de transferencia de calor y hi

es el coeficiente de transferencia de calor por convección adentro del tubo.

4. ¿Cuáles son las causas comunes de incrustaciones en los intercambiadores de calor? ¿Cómo afectan las incrustaciones a la transferencia de calor y a la caída de presión?

5. ¿Cómo se toma en cuenta la resistencia térmica debido a las incrustaciones en un intercambiador de calor? ¿De qué manera la velocidad del fluido y la temperatura influyen sobre las incrustaciones?

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