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Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco Facultad de Ingeniería de Procesos Departamento Académico de Ingeniería Química

Cap. 10: Diseño de intercambiadores de calor

IQ230AQI: Diseño de Procesos

Ing° W. Julio Lechuga Canal

Definición: • Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera sólida o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de Aire, producción de Energía y procesamiento Químico.

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• Un intercambiador de calor se puede describir de un modo muy elemental como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez

• Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone en funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un determinado gradiente de temperatura para que se pueda efectuar la transmisión del calor; la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando un intercambiador mayor, pero ésto a su vez implica un mayor coste, tanto de tipo económico, como energético.

• Consideraremos como parte del conjunto de los intercambiadores de calor, no sólo los clásicos formados por la carcasa y tubos, sino también otros, como los de lecho fluido, o los que aprovechan la energía solar, o las tuberías de calor o calefacción, etc.

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL • Una de las primeras cuestiones a realizar en el análisis térmico de un intercambiador de calor de carcasa y tubos consiste en evaluar el coeficiente de transferencia térmica global entre las dos corrientes fluidas. • El coeficiente de transferencia térmica global entre un fluido caliente a temperatura TC y otro frío a temperatura TF separados por una pared plana se define mediante la ecuación:

q  UATC  TF  1

1 UA  i 3  1 L 1 Ri   hc A kA hF A i 1

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL

• En el caso de un intercambiador de calor formado por dos tubos concéntricos, el área de la superficie de intercambio térmico es: – Interior: Ai = 2 π riL – Exterior: Ae = 2 π reL

• de forma que, en general: 1 UA  ln re ri  1 1   hci Ai 2kL hFe Ae

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA GLOBAL

• Si el coeficiente de transferencia térmica global viene referido a la superficie exterior Ae el valor de Ue será: Ue 

1 re re  re  1  ln    hC i ri k  ri  hF e

• mientras que si viene referido a la superficie interior Ai será: Ui 

1  re ri 1  ln  r hC i k  i

 ri    rh e Fe 

FACTORES DE SUCIEDAD Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de transferencia de calor global de un intercambiador de calor al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento, teniendo sólo en cuenta el análisis térmico; durante el funcionamiento con la mayoría de los líquidos y con algunos gases, se van produciendo gradualmente unas películas de suciedad sobre la superficie en la que se realiza la transferencia térmica, que pueden ser de óxidos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados, el efecto que ésta suciedad origina se conoce con el nombre de incrustaciones, y provoca un aumento de la resistencia térmica del sistema.

Transmisión de calor entre la cámara de combustión y el agua de una caldera con incrustaciones calcáreas

• La resistencia térmica del depósito se puede determinar, generalmente, a partir de ensayos reales o de la experiencia.

Factores de resistencia por ensuciamiento normales Tipo de fluido

Requiv (m2ºK/W)

Agua de mar por debajo de 325°K

0,0009

Agua de mar por encima de 325°K

0,0003

Agua de alimentación de calderas por encima de 325°K

0,0005

Agua de río

0,001-0,004

Agua condensada en un ciclo cerrado

0,0005

Agua de torre de refrigeración tratada

0,001-0,002

Gasóleo ligero

0,0020

Gasóleo pesado

0,0030

Asfalto

0,0050

Gasolina

0,0010

Queroseno

0,0010

Soluciones cáusticas

0,0020

Fluido hidráulico

0,0010

Sales fundidas

0,0005

Gases de escape de un motor

0,010

Aceite combustible

0,0050

Aceites 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

Líquido refrigerante

0,0010

Si se realizan ensayos de rendimiento en un intercambiador limpio y se repiten después de que el aparato haya estado en servicio durante algún tiempo, se puede determinar la resistencia térmica del depósito (o factor de incrustación) RSuc mediante la relación:

U Func 

1 RSucio 

1 U Limpio

• Siendo RSucio  Re  Ri

Ae 1 ;....U Lim pio  1 1 Ae Ai  Requiv  hce hci Ai

• La expresión del coeficiente global de transmisión de calor UFunc en funcionamiento al cabo de un tiempo, referida a la sección exterior Ae es: U func 

1 RA Ae 1  Re  Requiv  i e  hce Ai hci Ai

En la que: – Ulimpio es el coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador limpio, respecto a la sección exterior – Usuc. es el coeficiente global de transmisión de calor del intercambiador después de producirse el depósito – hce es el coeficiente de convección medio del fluido en el exterior del tubo – hci es el coeficiente de convección medio del fluido en el interior del tubo – Re es la resistencia unitaria del depósito de suciedad en el exterior del tubo – Ri es la resistencia unitaria del depósito de suciedad en el interior del tubo – Requiv es la resistencia unitaria del tubo, en la que no se han considerado los depósitos de suciedad interior y exterior, y el material del tubo, en m2°K/W, basada en el área de la superficie exterior del tubo.

TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO, A TEMPERATURAS VARIABLES, A TRAVÉS DE UNA PARED

• Para determinar la transferencia de calor por unidad de tiempo, y admitiendo que el calor cedido por un fluido es totalmente absorbido por el otro, (no hay pérdidas térmicas), se puede hacer el siguiente balance de energía:

Q  mC C pC TC1  TC 2   mF C pF TF 2  TF1  • Si se toma a ambos lados de la pared un elemento de superficie dA, en una misma sección transversal se puede suponer que ambos fluidos toman las temperaturas TC y TF en estos elementos diferenciales. • Haciendo ΔT = TC - TF es evidente que la cantidad de calor que pasará del fluido caliente al fluido frío, por unidad de tiempo es:

dQ  UdAT  mC C pC dTC  mF C pF dTF

Distribución de temperaturas en intercambiadores de calor con flujos en contracorriente y de un solo paso de tubos

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA (LMTD).-

Cuando se tienen intercambiadores muy complejos, como los montajes en carcasa y tubos, con varios pasos de tubos por cada carcasa, o varias carcasas, y en el caso de intercambiadores de flujo cruzado, la deducción analítica de una expresión para la diferencia media de temperaturas resulta muy compleja.

Q  U * A * F * Tm

DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA Calculamos la transferencia de calor en el arreglo de doble tubo con:

Q  UATm

Donde – U coeficiente total de transferencia de calor – A área de superficie para transferencia de calor consistente con la definición de U – ΔTm diferencia de temperatura media conveniente a través del intercambiador de calor

Tm

 TC1  TC 2   TF 2  TF 1   TC1  TF 2 ln TC 2  TF 1

La expresión anterior se simplifica utilizando las siguientes relaciones adimensionales: Coeficiente de efectividad:

TF 1  TF 2 P TF 1  TC1 Relación de capacidades térmicas: TC1  TC 2 Z  TF 2  TF 1

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

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA (LMTD) PARA ALGUNOS INTERCAMBIADORES

Factor de corrección de la (LMTD) para un intercambiador en contracorriente (1-2), o un múltiplo par de pasos de tubos

Factor de corrección de la (LMTD) para un intercambiador (1-3), con dos de los pasos en contracorriente

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

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

Factor de corrección de la (LMTD) para un intercambiador (4-2), o un múltiplo par de pasos de tubos

Factor de corrección de la (LMTD) para un intercambiador (6-2), o un múltiplo par de pasos de tubos

Factor de corrección 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

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

Factor de corrección 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 múltiplo de 2 pasos de tubos

Factor de corrección 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 múltiplo de 2 pasos de tubos

Tipos de Intercambiadores de Calor • Dada la multitud de aplicaciones de estos dispositivos, se puede realizar una clasificación dependiendo de su construcción. Para la elección del mismo se consideran aspectos como tipo de fluido, densidad, viscosidad, contenido en sólidos, límite de temperaturas, conductividad térmica, etc.

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Clasificación intercambiadores de calor

Partes Principales La satisfacción de muchas demandas industriales requiere el uso de un gran número de horquillas de doble tubo. Estas consumen considerable área superficial así como presentan un número considerable de puntos en los cuales puede haber fugas. Cuando se requieren superficies grandes de transferencia de calor, pueden ser mejor obtenidas por medio de equipo de tubo y coraza.

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TIPOS BASICOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR • El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo dentro de otro tubo. • Este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en contracorriente como en equicorriente, circulando el fluido caliente o el frío a través del espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubería interior.

INTERCAMBIADOR DE PASO SIMPLE (1-1) • El intercambiador más sencillo que consta de dos tubos concéntricos, no es adecuado cuando el gasto másico es elevado. • Si se utilizan varios tubos concéntricos en paralelo, el peso del material de los tubos que se necesita se haría tan grande, que es mucho más económico el construirlos formando un conjunto de carcasa y tubos, de forma que se utiliza una carcasa común para muchos tubos; éste intercambiador, debido a que funciona con un solo paso de fluido en el lado de la carcasa y un solo paso de fluido en el lado de los tubos se denomina intercambiador 1-1.

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En un flujo paralelo en equicorriente, la temperatura final del fluido más frío nunca puede llegar a ser igual a la temperatura de salida del fluido más caliente. Sin embargo, en un flujo en contracorriente, la temperatura final del fluido más frío (que es el que se calienta) puede superar la temperatura de salida del fluido más caliente (que se enfría), puesto que existe un gradiente de temperaturas favorable a todo lo largo del intercambiador de calor. En un intercambiador en contracorriente, los coeficientes de transmisión de calor del lado de la carcasa y del lado de los tubos deben ser del mismo orden de magnitud y ser grandes para obtener un coeficiente global satisfactorio. La velocidad y turbulencia del líquido del lado de la carcasa son tan importantes como las del líquido del lado de los tubos.

Si las dos corrientes son del mismo orden de magnitud, la velocidad del lado de la carcasa es menor que la del lado de los tubos; por esta razón se instalan placas deflectoras con el fin de disminuir la sección de flujo del líquido del lado de la carcasa y obligarlo a circular en dirección cruzada a la bancada de tubos en vez de hacerlo paralelamente a ellos; de esta forma se consigue un coeficiente de transferencia de calor más elevado en flujo cruzado que en circulación paralela a los tubos.

• El flujo pasa perpendicularmente a los tubos, circulando hacia abajo en la primera sección, hacia arriba en la segunda, y así sucesivamente; la turbulencia adicional que se crea mediante este tipo de flujo aumenta el coeficiente de transmisión de calor del lado de la carcasa.

INTERCAMBIADOR DE CORRIENTES PARALELAS EN CONTRACORRIENTE (1-2)

INTERCAMBIADOR DE CORRIENTES PARALELAS EN CONTRACORRIENTE (1-2)

El flujo en un intercambiador (1-2) es parcialmente en contracorriente y parcialmente en corrientes paralelas; en la figura el conjunto de las curvas de temperatura se corresponde con un intercambiador de corrientes paralelas en equicorriente.

INTERCAMBIADOR DE CORRIENTES PARALELAS EN CONTRACORRIENTE (1-2)

En la figura las curvas de temperatura son para un intercambiador en contracorriente.

INTERCAMBIADOR DE CORRIENTES PARALELAS EN CONTRACORRIENTE (1-2)

En este tipo de intercambiadores disminuye la sección libre para el flujo, con lo cual aumenta la velocidad, dando lugar a un incremento del coeficiente de transmisión de calor por convección. Sus principales desventajas son: a) El intercambiador es más complicado b) Aumentan las pérdidas por fricción debido a la mayor velocidad y a la multiplicación de las pérdidas de carga en la entrada y en la salida.

INTERCAMBIADOR (2-4)

INTERCAMBIADOR (2-4)

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En la figura las líneas de trazo discontinuo de la distribución de temperaturas en un intercambiador (2-4) se refieren al fluido del lado de la carcasa y las de trazo continuo al fluido del lado de los tubos; el fluido que circula por la carcasa es el más caliente. • El paso más caliente del fluido de la carcasa está en contacto térmico con los dos pasos más calientes del lado de los tubos y el paso más frío del lado de la carcasa lo está con los dos pasos más fríos del lado de los tubos.

MODELOS DE INTERCAMBIADORES

INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS En el enfriamiento o calentamiento de gases es interesante utilizar un intercambiador de calor en flujo cruzado, en el que uno de los fluidos (líquido o gas) circula por el interior de los tubos, mientras que al otro fluido (gaseoso) se le obliga a circular perpendicularmente al haz de tubos

INTERCAMBIADOR DE FLUJOS CRUZADOS El flujo del fluido exterior puede realizarse mediante convección forzada o libre; el gas que circula por el exterior de los tubos se considera de tipo de mezcla, mientras que el fluido del interior de los tubos se considera sin mezclar; el flujo del gas exterior es con mezcla porque puede moverse libremente entre los tubos cuando intercambia calor, mientras que el fluido del interior de los tubos está confinado y no puede mezclarse con ningún otro flujo o corriente durante el proceso de intercambio de calor

Intercambiador de Doble Tubo Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tubos en “T” conectores, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador.

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Deflectores Segmentados

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Intercambiador de Placas •

De placas: formados por un conjunto de placas de metal corrugadas (acero inoxidable, titanio, etc.) contenidas en un bastidor. El sellado de las placas se realiza mediante juntas o bien pueden estar soldadas.

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Intercambiador de Tubos en U

Tubulares: formados por un haz de tubos corrugados o no, realizado en diversos materiales. El haz de tubos se ubica dentro de una carcasa para permitir el intercambio con el fluido a calentar o enfriar. 50

Intercambiador de Tubo Aleteado Tubo aleteado: se compone de un tubo o haz de tubos a los que se sueldan aletas de diferentes tamaños y grosores para permitir el intercambio entre fluidos y gases. P. ej., radiador de un vehículo

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Intercambiador de Un solo paso

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Intercambiador de Tubos en Espiral

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Intercambiador de Flujo Transversal

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Intercambiador de Cabezal Flotante Interno

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Intercambiador de Espejo Fijo

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Intercambiador de Cabezal Flotante con Empaque Exterior

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Intercambiador de Calor de Tubos en U

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Rehervidor de Cabezal Flotante de Caldera

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Intercambiador con Espejo empaquetado y Anillo de Cierre Hidráulico

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Intercambiador doble tubo

Tipos de paso por intercambiadores tubo y coraza

Tipos de intercambiadores de tubo y coraza

TEMA Type y Orientación corte del bafle

Tipos de bafles y arreglo de tubos

Aplicaciones Industriales • Industria alimentaria: enfriamiento, termización y pasteurización de leche, zumos, bebidas carbonatadas, salsas, vinagres, vino, jarabe de azúcar, aceite, etc. • Industria química y petroquímica: producción de combustibles, etanol, biodiésel, disolventes, pinturas, pasta de papel, aceites industriales, plantas de cogeneración, etc. • Industria del Aire acondicionado: cualquier proceso que implique enfriamiento o calentamiento de los gases. • Calefacción y Energía Solar: producción de agua caliente sanitaria, calentamiento de piscinas, producción de agua caliente mediante paneles solares, etc. • Industria marina: enfriamiento de motores y lubricantes mediante el empleo del agua del mar. 66

Efectividad de un Intercambiador • La efectividad de transferencia de calor se define como la razón de la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor. • En contra flujo, es aparente que conforme aumenta el área del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en el límite conforme el área se aproxima al infinito. • En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto. 67

Heurísticas

Heurísticas

Heurísticas

Intercambiador 1-1

Intercambiador 1-2

Intercambiador 2-4

Intercambiador 3-6

Intercambiador 4-8

Intercambiador Intercambiador 2-4 1-3

Intercambiador 3-6

Intercambiador 4-8

Problema 1 a) En un intercambiador de tubo y coraza 2-8 en una simple coraza (equivalente a 2 corazas en serie con 4 pasos de tubo en la coraza) es usado para transferir calor a la alimentación de tolueno para una nueva línea de estireno. El tolueno entra en el intercambiador por la parte de los tubos con un flujo de 125,000 lb/hr a 100°F y 90 psia. El estireno entra en la coraza con un flujo de 150,000 lb/hr a 300°F y 50 psia. El intercambiador de tubos y coraza es de acero al carbón. La coraza tiene un DI de 39 plg y contiene 1024 de ¾ plg de tubo 14 BWG con un largo de 16 Ft de tubos de 1” en arreglo cuadrado. 38 bafles segmentados son usados con un corte de bafle de 25%. La entrada y salida de los orificios del intercambiador son de 2.5”. La cédula de los tubos y coraza es 40. Entre los tubos hay un lado de los tubos distancia 4 plg. El factor de ensuciamiento se estima en 0.002 (hr-ft2-°F)/btu en ambos lados. Determinar la temperatura de salida de las 2 líneas, el calor suministrado y la caída de presión. b) En el ejemplo anterior, un intercambiador existente se utiliza para transferir calor sensible entre corrientes de tolueno y estireno. Se alcanza la DTmin de 31,3°F. Diseñar el nuevo intercambiador de calor de tubos y coraza que es de DTmin = 10°C.

Problema 2 Un sistema de intercambio de calor se requiere para enfriar 60000 lb/hr de acetona a 250°F y 150 psia hasta 100°F. El enfriamiento se puede lograr mediante el intercambio de calor con 185000 lb/h de ácido acético, el cual está disponible a 90°F y 75 psia, y necesita ser calentado. Cuatro intercambiadores de calor de tubo y coraza 1-2 están disponibles. Cada uno tiene un diámetro interno de coraza 21:25 in que contiene 270 tubos con DE de ¾” tipo 14 BWG, tubos de acero al carbono de 16 ft de largo en un arreglo cuadrado en un campo de 1 in. Bafles segmentados con un corte del 25% estos están separados 5 in uno del otro. Determinar si uno o más de estos intercambiadores puede cumplir la tarea. Nota: si dos, tres, o cuatro de los intercambiadores están conectados en serie, serán equivalentes a un intercambiador 2-4, 3-6 o 4-8 respectivamente. Si el sistema de intercambiadores es el adecuado. Suponga que el factor de ensuciamiento

Problema 3 Un calentador es diseñado para calentar 116,000 lb/hr de una mezcla de 57% de etano, 25% de propano y 18% de nbutano de 80°F a 96°F. La corriente entrará en el intercambiador se encuentra a 520 psia y no debe llegar al punto de burbuja en el intercambiador. La corriente se calienta con gasolina, que entrará a 240°F y 95 psia. Con una velocidad de flujo de 34.000 lb/hr. La práctica estándar de la compañía es utilizar la un intercambiador de tubo y coraza 1-2 con ¾ " de diámetro, los tubos son de acero al carbono 16 BWG de 20 ft de largo, con arreglo de 1" de paso cuadrado. El conteo de tubos depende del diámetro de la carcasa, con los siguientes diámetros disponibles:

La gasolina fluirá en el lado de la carcasa. Suponga que el factor de ensuciamiento combinado es de 0,002 (hr-ft2-°F)/btu. Diseñar un sistema de intercambio de calor adecuado, puede suponer un factor de sobredimensionamiento del 25%.