Transf. Cal. y Masa - Diseño de intercambiadores de calor

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL FACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA EN ENERGIA TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA - 2015 I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE ENERGIA Y FISICA TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA 2015 - I

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Breve repaso sobre diseño de intercambiadores de calor.

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    TRANSFERENCIA DE

    CALOR Y MASA

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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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