Aplicaciones Industriales y Agroalimentarias de los Intercambiadores de CalorCarlos Miranda Serrano Enrique Fernndez-Barrutia Gonzalo Rub Blanc

Presentacin: ndice Transmisin de calor Mecanismos de la transmisin Ecuaciones del intercambiador LMTD Nmero de Reynolds Prdida de presin Coeficiente Global de Transmisin y exceso de rea

Clasificacin Intercambiadores Intercambiadores de Placas Intercambiadores Tubulares Datos de Diseo Seleccin y Aplicaciones2

Transmisin de Calor

Un Intercambiador de Calor es un equipo en el que se transfiere calor de un medio a otro de forma continua sin adicin de energa al proceso. Ambos medios estn separados por una pared.

Medio caliente Medio fro

3

Transmisin de Calor Transmisin de calor (Transferencia de energa interna) Cumple los dos principios de la termodinmica: El flujo de calor desprendido por un cuerpo es absorbido por otro La transmisin de calor se realiza en el sentido de las temperaturas decrecientes Variables fundamentales: Mecanismo de la transferencia Tiempo en que se realiza la transferencia

4

Transmisin de CalorMecanismos de la transferencia: Conduccin Conveccin

Radiacin

Pueden aparecer conjuntamente o de forma independiente

5

Transmisin de CalorConduccinEntre dos puntos a distinto nivel trmico Continuidad fsica No se observa desplazamiento de materia

T1

q = KAq A t x K

t x

= Energa transmitida en unidad tiempo (w) = rea (m2) = Diferencia Temperaturas (C) = Espesor (m) = Conductividad trmica del material (w/Cm)

T2

6

Transmisin de CalorConveccinTransferencia de calor en el seno de un fluido debida al movimiento en su interior. Forzada o natural Continuidad fsica

q = hAtq A t h = Energa transmitida en unidad tiempo (w) = rea (m2) = Diferencia Temperaturas (C) = Coeficiente de conveccin (w/Cm2)

7

Transmisin de CalorRadiacin Energa transmitida debida a fenmenos de radiacin electromagntica de origen trmico. No necesario continuidad fsica Es proporcional a T4

8

Transmisin de Calor Propiedades fsicas y caudal

DensidadCalor especfico Conductividad trmica Viscosidad

Cp K

[kg/m] o [kg/l][kJ/kgC] o [Kcal/kgC] [W/C m] o [Kcal/hC m] [mPas] o [cP]

m V

Caudal

[kg/s] o [kg/h] [l/s], [l/h] o [m/h]

9

Transmisin de CalorEcuacin de balance

q = m * Cp * t m1 * Cp1 * t1 = m2 * Cp2 * t2Ecuacin general

q m Cp t

= Calor transmitido = Caudal msico = Calor especfico = Diferencia de temperaturas

q = A * U * LMTD

q A U LMTD

= Calor transmitido = rea del Intercambiador = Coeficiente global de transmisin = Diferencia logartmica media de temperaturas

10

Transmisin de CalorLMTD: Diferencia logartmica media de temperaturasLa LMTD expresa la diferencia de temperatura entre ambos fluidos a lo largo del intercambiador.Salida del primario Entrada del secundario Entrada del primario Salida del secundario

T 1 T 2 LMTD = T 1 ln T 2

11

Transmisin de CalorLMTD: Flujos en Contracorriente

Salida primario Entrada secundario

Entrada primario Salida secundario

T1:

T2:

Intercambiador12

Transmisin de CalorLMTD: Flujos en Equicorriente

Salida primario Salida secundario

Entrada primario Entrada secundario

T1:

T2:

Intercambiador13

Transmisin de CalorNmero de ReynoldsRe =

dh * v

Re = Nmero de Reynolds dh = Dimetro hidrulico (m) v = Velocidad (m/s) = Viscosidad Dinmica (cps) = Densidad (kg/m3)

Flujo Laminar Reynolds inferior a Reynolds Crtico

Flujo Turbulento

Reynolds superior a 10000 para tubos lisos.

14

Transmisin de CalorPrdida de presinA mayor prdida de presin aceptada mayor eficiencia del intercambiador de calor y por tanto menor costo del mismo. A mayor prdida de presin mayor costo de bombeo. En general, la prdida de presin aumenta con la velocidad, la viscosidad, la rugosidad y la corrugacin

15

Transmisin de CalorCoeficiente Global de Transmisin (U) en PHEq = A * U * LMTDq = Calor transmitido kW A = rea m2 U = Coeficiente Global de Transmisin (w/oC*m2) LMTD = Diferencia Logartmica Media de Temp. oC

U=

1 1 1 S + + h1 h2 K

1/h = Resistencia trmica de conveccin S = Espesor (m) K = Conductividad Trmica (w/oC*m)

16

Transmisin de CalorCoeficiente Global de Transmisin (U)El Coeficiente Global de Transmisin se puede aumentar: Reduciendo el espesor de la superficie de intercambio Seleccionando un material de mayor conductividad trmica (K) Aumentando los dos coeficientes de conveccin (h). Esto, dependiendo del tipo de flujo, podr conseguirse de diferentes formas, pero en general aumentando la velocidad.U= 1 1 1 S + + h1 h2 K

(PHE)

17

Transmisin de CalorCoeficiente Global de Transmisin (U)U= 1 1 1 S + + h1 h2 K

En PHE

La mayor turbulencia aumenta U porque aumenta h. A mayor turbulencia menor ensuciamiento. A mayor turbulencia mayor prdida de presin. En flujo laminar los valores de h y por tanto de U son bajos.

18

Transmisin de CalorExceso de reaDefine el sobredimensionamiento del intercambiador calculado.Exceso rea = Ulimpio U servicio *100 UservicioFouling

Factor de ensuciamientoU servicio = 1 1 Ulimpio + Factor _ Ensuciamiento

Lado Cal.

Lado Fro

19

Clasificacin Intercambiadores Por Aplicacin 1. Condensadores 2. Evaporadores 3. Sin cambio de fase (Lquido / Lquido) Por Caractersticas Diseo y Constructivas 1. Placas (Con juntas, semisoldados y soldados) 2. Tubulares (Doble Tubo, Triple Tubo y Multitubo) 3. Otros (Plate&Shell, APV Hbrido, Superficie Rascada...)

20

Rango de productosInnovando los intercambiadores de placas desde 1923Unidades higinicas Evaporadores placas Unidades Industriales

Unidades compactas listas para instalarDistrict heating units Unidades desaladoras District heating units

Extenso rango de placasParaFlow EasyFlow

ParaTube

Hbrido

Nuevos ProductosParaBrazed ParaShell

DuoSafety

ParaWelded Compakva

21

Intercambiadores de Calor de PlacasPartes, Funcionamiento, Aplicaciones

HISTORIAEl fundador de APV, el Dr. Seligman, patenta el Cambiador de Calor de Placas, cuyo primer prototipo se expone en el Museo de Ciencias Britnico como uno de los logros tecnolgicos del siglo XX.

23

El intercambiador de Calor de Placas

24

Partes de un PHE con juntasPlacn Fijo Gua superior Rejilla Bosaje Placn Mvil

Paquete Placas Pata trasera Gua inferior25

Barras Apriete

Partes de un PHE: BastidorBrida recubierta Brida

26

Partes de un PHE: Placas

Tipos de Placas

Hard Plate (30) Medium Plate (30/60)

Soft Plate (60)

27

Partes de un PHE: Placas Sistema de suspensin- Sistema mejorado de soportacin de placas aumentando la vida de las placas. - Fcil de desmontar, reduciendo el tiempo de manipulacin.

Nuevo

Anterior

Sistema de encajado APV

EasyClip - Las placas se encajan una en otra - Cambio fcil de juntaevitando problemas de alineacin. - Reduce tiempo de servicio - Reduce costos de repuestos

28

Partes de un PHE: Placas y Juntas

29

Partes de un PHE: Las Juntas Las juntas hacen el cierre del lquido en el permetro de la placa, dirigiendo el fluido que circula por cada placa. La zona de las puertas presentan un doble cierre con deteccin de fugas para evitar mezclas de fluidos.

30

Partes de un PHE: Las Juntas

Tipos de Fijacin Pegada ParaClip (Sin pegar) EasyClip (Sin pegar)

31

PHE Funcionamiento

Plates are fitted alternately right and left handed to give alternate flow of liquids32

PHE Funcionamiento

33

PHE Funcionamiento

Placa

Junta

Fluido Fro

Fluido Caliente

34

PHE Funcionamiento

2 Placa

3 Placa

4 Placa Las placas siempre se miran por el lado de la junta.

35

PHE Funcionamiento

Cuando el paquete de placas es comprimido, la corrugacin de la placas origina los canales con un Gap entre 1,5 mm y 4 mm.

36

PHE Funcionamiento

La corrugacin origina continuos cambios de direccin del flujo.

37

PHE FuncionamientoVista exterior paquete de placas

Cuando se comprime el paquete de placas, se produce una especie de panal que indica que las placa izquierdas y derechas estn montadas alternativamente. La junta no queda expuesta al exterior minimizando el riesgo de fuga por un golpe de presin.

38

PHE FuncionamientoDiagrama de Placas Intercambiador de Placas de 1 PasoSingle Pass

39

PHE FuncionamientoDiagrama de placas. Un Paso Placas duras (30o)

40

PHE FuncionamientoDiagrama de placas Un paso con mezcla de placas (30/60o)

41

PHE FuncionamientoDiagrama de Placas. Un paso Mezcla de vas

42

PHE FuncionamientoDiagrama de Placas. Un paso con Placas (60o)

43

PHE Funcionamiento PHE N35 MGS-10E/2 Disposicin: 1 de 27 / 1 de 27. Total 55 Placas Aplicacin: Enfriar 60 m3/h de agua desde 80C hasta 60C mediante 60 m3/h de agua a 50C que se calientan hasta 70C. ngulo placas Temperatura Salida Agua Exceso rea Prdida Presin (Bar) 30 30/60 Mezcla -11,4% 0,38 60 61,23C -16,5% 0,31

58,2C 58,95C 60,82C 31,2% 17,5% 1,08 0,67

44

PHE FuncionamientoDiagrama de Placas Dos pasos

45

PHE Funcionamiento

46

Modelos de Placas APV

Nuevo producto APV Sirius

47

ParaFlow: Placas QuasarDetalles Placa Quasar:.

3 TamaosQ030 Q055 Q080

3 Tipos de placaEnergySaver DuraFlow DuraFlow Plus

48

Tipos placas Quasar

EnergySaver

DuraFlow

EasyFlow

49

Intercambiadores Tubulares ParaTube

ParaTube

ParaTube es el nombre comercial de los intercambiadores tubulares APV. ParaTube es una lnea completa de producto diseada para aplicaciones alimentarias y algunas aplicaciones industriales. Los ParaTube se fabrican con tubos lisos o tubos corrugados.

51

Optimizacin del clculo Una vez elegido el tipo de intercambiador, la optimizacin del clculo se conseguir con el mximo valor de U dentro de la prdida de presin admisible. El valor de U puede aumentarse: Aumentando la velocidad de los fluidos. Aumentando el dimetro equivalente para una misma velocidad y fuera del rgimen laminar. Utilizando superficies de intercambio irregulares (corrugacin). Rompiendo el flujo laminar.

52

Parmetros de corrugacin Cuando los ParaTube se disean con tubos corrugados, el tipo de corrugacin vara de acuerdo con la aplicacin: Profundidad (h): 0,5 - 1,5 mm Paso (P):15 - 20 - 25 mm Nmero de entradas (espirales): 1 2 3.P

h

53

Tubos corrugados Los efectos tcnicos que produce la corrugacin son: Reduce el nmero de Reynolds crtico. Aumenta la turbulencia, especialmente en flujo de transicin. Puede romper el flujo laminar.

54

Tubos corrugados - Ventajas y beneficiosVentajas, consecuencias Aumento de la turbulencia Aumento del coeficiente global de transmisin de calor Reduccin del rea requerida.

Beneficios para el usuario

Menor espacio requerido Reduccin de coste Reduccin del tiempo de residencia y como consecuencia mejora la calidad del producto Aumento del tiempo de funcionamiento

Aumento de la turbulencia menor ensuciamiento.

55

Gama de producto Tipos: Una amplia gama ParaTube

Multitubo (CMT) Doble tubo (CDT)

Triple tubo (CTT)

56

ParaTube

Un intercambiador completo consiste en mdulos conectados serie. En un mismo intercambiador puede ser necesario combinar diferentes tipos de mdulos tubulares. En algunas aplicaciones se combinan los diferentes tipos de intercambiadores (placas, tubos...).

57

Multitubo - CMTPerfil del producto: Varios tubos paralelos, de pequeo dimetro dentro de una carcasa tubular. La mxima superficie de transmisin por mdulo. Con bafles en el lado de la carcasa para soportar los tubos y para aumentar el intercambio de calor. Placa tubular cnica para productos con partculasService

Aplicaciones tpicas: Para productos con baja a media-alta viscosidad, que tambin pueden contener fibras o partculas pequeas.

Product

58

Multitubo - CMT

59

Multitubo CMT/W Diseo: ParaTube CMT/W WeldedSERVICE

PRODUCT

PRODUCT

SERVICE

Diseo soldado: Carcasa y tubos interiores soldados a placas tubulares. Compensadores de dilatacin trmica si necesario. Lado de producto inspeccionable.60

Multitubo CMT/O Diseo: ParaTube CMT/O O-ringsSERVICE

PRODUCT

PRODUCT

SERVICE

Diseo desmontable. Expansin trmica natural. Lado de producto inspeccionable.61

Doble tubo - CDTPerfil del producto: Dos tubos concntricos. Espaciadores entre los dos tubos. Rompedores de flujo laminar en el espacio anular, cuando sto es necesario.

Aplicaciones tpicas: Cualquier producto a bajo caudal. Productos con viscosidades de 10 cps - 30 cps. Productos con partculas grandes que tienen que mantener su integridad.Servicio

Producto

62

Doble tubo - CDT

63

Doble Tubo CDT/W Diseo: ParaTube CDT/W weldedSERVICE

PRODUCT

PRODUCT

Tubo interior soldado al tubo exterior. Lado producto inspeccionable.

SERVICE

Juntas de expansin trmica si necesario.

64

Doble Tubo CDT/O Diseo: ParaTube CDT/O O-rings.SERVICE

PRODUCT

PRODUCT

SERVICE

Diseo desmontable. Expansin trmica natural. Lado de producto inspeccionable.

65

Triple Tubo - CTTPerfil del producto: Tres tubos concntricos. Espacio producto 5 30 mm. Rompedores de laminaridad en el espacio anular de producto.

Aplicaciones tpicas: Caudales medios, bajos. Productos de alta viscosidad.

Producto

Servicio

66

Triple Tubo - CTT

67

Triple Tubo CTT/W Diseo: ParaTube CTT/W weldedPRODUCT SERVICE

SERVICE

SERVICE

SERVICE

PRODUCT

Tubo exterior soldado a tubo intermedio. Tubo interior desmontable para inspeccin. Juntas de expansin trmica si necesario.

68

Bastidores Diferentes formas de instalacin:

69

DATOS DISEO Propiedades fsicas del fluido y caractersticas del mismo (Partculas, sal, sensibilidad,....) Caudal Temperaturas entrada / salida Mxima prdida de presin Mxima temperatura de operacin Mxima presin de trabajo Otros (Cdigo diseo, materiales, acabados, ensuciamiento,.......)

70

Seleccin y aplicaciones1. El intercambiador de placas por sus caractersticas: Bajo costo Flexibilidad Fcil limpieza

Debe ser estudiado como primera opcin 2. Cuando las caractersticas del producto o proceso impidan la utilizacin del PHE otros tipos han de ser estudiados. En ocasiones ms de un tipo debe ser considerado.

71

Seleccin y aplicaciones Productos con partculas: Zumos y purs de fruta con pulpa/fibras. Fruta machacada. Trozos de fruta/vegetales. Salsas y Sopas.

Productos sensibles: Algunos Productos Lcteos (crema/nata, yoghurt)

Productos de alta viscosidad: Zumos concentrados de fruta/vegetales. Postres. Margarinas.

72

Aplicaciones Tpicas Requerimientos especiales de proceso: Alta presin de trabajo. Alta temperatura de trabajo. Largos tiempos de operacin entre limpiezas:

Requerimiento del usuario: Fcil y bajos costos de mantenimiento. Seleccin hecha por el usuario.

Costos: Alto caudal en relacin a superficie necesaria. Calentadores con vapor.

73

Rango de Producto

900C / 60 bar intercambiador de placas totalmente soldado

Hbrido ParaShell

350C / 40 bar intercambiador totalmente soldado cilndrico, Plate & Shell

300C / 100 bar Intercambiadores tubulares ParaTube

ParaTube ParaBrazed ParaFlow

190 C / 30 bar Intercambiadores termosoldados

150C / 25 bar Intercambiadores de placas con junta

74

Intercambiadores APV de placas desmontables

Hygienic units

Innovando desde 1923Industrial units Plate evaporators

ParaFlow

EasyFlow ParaWelded

DuoSafety

Largest range in the world

75

Intercambiadores APV de placas soldadas y tubulares

ParaBrazed

El APV Hbrido

Paratube

ParaShell

SSHE

76

MUCHAS GRACIASParatube ParaShell SSHE

APV Ibrica Ingeniera y Servicios, S.A. Socio nico Invensys Systems Ibrica, S.L. Miguel Yuste, 19 / 28037 Madrid - Espaa Tfno.: +34 91 304 90 40 Fax: +34 91 304 25 25 www.apv.com

77