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• DanielZambranoJuca

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TRANSFERENCIA DE CALOR

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INTERCAMBIADORES DE CALOR III.

T IPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Resumen—Un intercambiador de calor es un dispositivo que permite la transferencia de calor de un fluido más caliente a otro menos caliente. La transmisión de calor en estos aparatos es básicamente por conducción y por convección.

Los intercambiadores de calor se clasifican de la manera siguiente:

Index Terms—Transferencia de calor, Intercambiadores De Calor, Convección Forzada.

III-A.

I.

I NTRODUCCIÓN

os intercambiadores de calor son dispositivos que intercambia calor entre un fluido caliente (pierde calor) hasta un fluido frío (gana calor). Los intercambiadores de calor han adquirido gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y de materias primas necesarias para cumplir una determinada función. Como ejemplo de intercambiadores de calor se pueden mencionar los serpentines de los aires acondicionados (evaporador y condensador), los condensadores y regeneradores de las plantas de vapor, el radiador de un carro entre otros.

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II.

Contacto indirecto o recuperadores

III-A1. TUBOS CONCÉNTRICOS O DOBLE TUBO: Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Estan constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

C ARACTERÍSTICAS P RINCIPALES

Como hemos mencionado, un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes: Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura. Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura. Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío. Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura. Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.

Figura 1. Tubos concéntricos o doble tubo

III-A2. CORAZA Y TUBOS: El intercambiador de calor de coraza y tubos es el más utilizado en la industria. Está formado por una coraza y por multitud de tubos. Se clasifican por el número de veces que pasa el fluido por la coraza y por el número de veces que pasa el fluido por los tubos. En los intercambiadores de calor de paso múltiple se utiliza un número par de pasos en el lado del tubo y un paso o más por el lado de la coraza. Así por ejemplo el primer intercambiador representado en la Figura2 es 1-2, es decir, que el fluido circula una vez por la coraza y el que se encuentra en el interior de los tubos pasa dos veces.

En la Figura3 se presenta un intercambiador de calor de coraza y tubos 1-4, por donde circula el fluido caliente 4 veces por dentro de los tubos y el fluido frío 1 vez por la coraza.

En la Figura4 se presenta un intercambiador de calor de coraza y tubos 2-4, por donde circula el fluido caliente 4 veces por dentro de los tubos y el fluido frío 2 veces por la coraza.

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realizar una purga de aire.

Figura 2. Intercambiador de calor de coraza y tubos 1-2

Figura 5. Condensador

En laFigura6 vemos el tambor de una columna de destilación, donde se produce la evaporación de una parte del disolvente procedente de la columna de destilación que se encuentra en forma líquida. Esta evaporación es gracias al vapor de agua que circula por dentro de los tubos, que cede el calor de condensación al líquido. El líquido se evapora y el vapor de agua se condensa. El producto sale por la parte inferior del tambor. Siempre queda una mezcla de líquido y vapor de agua que es devuelto a la columna de destilación para poder separar sus componentes.

Figura 3. Intercambiador de calor de coraza y tubos 1-4

En la Figura5 se ve un condensador, donde el vapor entra por la parte de la coraza y sale por la parte inferior en forma de líquido. El líquido frío, que normalmente es agua, entra por la parte inferior, por dentro de los tubos, y sale por la parte superior. A veces no condensa todo el vapor y se ha de

Figura 6. Calderín de una columna de destilación

Por último en la Figura7 se presenta el esquema de un evaporador.

Los tubos que van por dentro de la coraza son colocados mediante una placa deflectora perforada, representada en la Figura 8 : Figura 4. Intercambiador de calor de coraza y tubos 2-4

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Figura 7. Evaporador

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III-A3. PLACAS: Los intercambiadores de placas son el tipo de intercambiador a elegir siempre que la diferencia de temperaturas entre ambas corrientes fluidas sea baja, en cuyo caso los intercambiadores de carcasa y tubos son poco eficientes. Los intercambiadores de placas logran una alta eficiencia gracias a la gran superficie de intercambio que existe entre las dos corrientes fluidas, pero en cambio presentan fácilmente problemas de ensuciamiento y una pérdida de carga relativamente elevada. Un intercambiador de calor de placas consiste en una sucesión de láminas de metal armadas en un bastidor y conectadas de modo que entre la primera y la segunda placa circule un fluido, entre la segunda y la tercera otro, y así sucesivamente. Estas placas están separadas por juntas, fijadas en una coraza de acero. La circulación de estos fluidos puede tener diferentes configuraciones, en paralelo y contracorriente.

Figura 8. Placa deflectora de un intercambiador de calor

Estas placas deflectoras están puestas para generar un flujo cruzado e inducir una mezcla turbulenta en el fluido que va por la coraza, lo cual mejora el intercambio por convección. Por otro lado los tubos pueden presentar diferentes distribuciones (Figura 9 ): Ajuste cuadrado. Esta configuración permite una mejor limpieza de los tubos. También hace que haya una menor caída de presión en el lado de la coraza. Ajuste cuadrado girado. Las ventajas de esta distribución es la misma que el anterior. Ajuste triangular. Se consigue una mayor superficie de transferencia de calor que con el ajuste cuadrado no se consigue. Si la distancia de centro a centro de los tubos es muy pequeña, no se puede limpiar.

Figura 10. Intercambiador de calor de Placas

La Figura10 y la Figura11 presentan ejemplos de este timpo de intercambiador.

Figura 9. Distribuciones de los tubos en un intercambiador de calor de coraza y tubos Figura 11. Intercambiador de calor de Placas

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III-A4. COMPACTO: Los intercambiadores de calor compactos están diseñados para conseguir una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. En los intercambiadores compactos, los dos fluidos normalmente se mueven en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración del flujo recibe el nombre de flujo cruzado. El flujo cruzado se clasifica en mezclado (uno de los dos fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones) y no mezclado (se ponen unas placas para guiar el flujo de uno de los fluidos).

Figura 14. Intercambiador de calor regenerativo

Estos intercambiadores pueden tener una eficiencia térmica de más del 90 %.

Figura 12. Configuraciones de un intercambiador de calor compacto

En la Figura13 se presenta un ejemplo de intercambiador de calor compacto.

Figura 15. Ejemplo de intercabiador de calor regenerativo

Figura 13. Intercambiador de calor compacto

III-A5. REGENERADORES: En los regenerativos una corriente caliente de un fluido transfiere su calor a un cuerpo intermedio, normalmente un sólido, que posteriormente cede calor almacenado a una segunda corriente de un fluido frío.

III-B.

Contacto directo

III-B1. TORRES DE ENFRIAMIENTO: Las torres de enfriamiento son un tipo de intercambiadores de calor que tienen como finalidad quitar el calor de una corriente de agua caliente, mediante aire seco y frío, que circula por la torre. El agua caliente puede caer en forma de lluvia y al intercambiar calor con el aire frío, vaporiza una parte de ella, eliminándose de la torre en forma de vapor de agua.

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Figura 18. Configuración en paralelo

Donde el fluido 1 es el fluido caliente (rojo) que circula por el tubo interior y el fluido 2 es el fluido frío (azul) que circula por el tubo más exterior. IV-B.

C ONTRACORRIENTE

En la Figura 19 se presenta un intercambiador de calor de doble tubo con la configuración a contracorriente: Figura 16. Torre de enfriamiento

Existe diferentes clasificaciones de las torres de enfriamineto segun la forma de suministro de aire. En la Figura16 y en la Figura17 se presenta ejemplos de una torre de enfriamiento con circulación natural de aire. Figura 19. Configuración a contracorriente

Donde el fluido 1 es el fluido caliente (rojo) que circula por el tubo interior y el fluido 2 es el fluido frío (azul) que circula por el tubo más exterior. IV-C.

Figura 17. Torre de enfriamiento

F LUJO COMBINADO

En algunos tipos de intercambiadores de calor hay la posibilidad de que alguno de los fluidos tenga las dos configuraciones, contracorriente y paralelo, en el mismo equipo. En la Figura 20 se presenta un intercambiador de calor de coraza y tubos (1-2) con la configuración de flujo combinado:

IV. CONFIGURACIONES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR En los intercambiadores de calor, las configuraciones de los dos flujos pueden ser en paralelo, a contracorriente, flujo combinado (paralelo y contracorriente) o flujos cruzados (movimiento ortogonal de los flujos).

IV-A.

PARALELO Figura 20. Configuración combinada

En la F igura 18 se representa un intercambiador de calor de doble tubo con la configuración en paralelo:

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Donde el fluido 1 es el fluido caliente (rojo) que circula por la coraza y el fluido 2 es el fluido frío (azul) que circula por el interior del tubo. El fluido frío circula dos veces por el interior de los tubos, mientras que el fluido caliente solo circula una vez por el interior de la coraza. IV-D.

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La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La más común es la E (casco de un paso), la F de dos pasos es mas complicada de mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las perdidas de presión en el casco. El tipo K es el rehervidor de caldera utilizado en las torres de fraccionamientos.

F LUJO CRUZADO

En los intercambiadores de calor los fluidos pueden circular en direcciones ortogonales entre sí, de manera que el flujo caliente y el flujo frío se cruzan (flujo cruzado). El flujo cruzado se clasifica en mezclado ( uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones) y en no mezclado ( se disponen unas placas para guiar el flujo de uno de los fluidos). En la Figura 21 se puede diferenciar los dos tipos de flujo cruzado:

Figura 21. Configuración cruzada

V.

PARTES PRINCIPALES DE UN INTERCAMBIADOR DE

Figura 23. normas TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association)

CALOR DE CARCASA Y TUBOS

En la Figura 22 se presentan las partes principales de un intercambiador de calor de carcasa y tubos. VII.

P RINCIPALES INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

Los intercambiadores de casco y tubo según TEMA descritos a continuación tienen la siguiente descripción de sus componentes principales:

Figura 22. Partes principales de un intercambiador de calor de carcasa y tubos

VI.

N OMENCLATURA DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

Un intercambiador de calor de casco y tubo conforme a las normas TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) se identifica con tres letras, el diámetro en pulgadas del casco y la longitud nominal de los tubos en pulgadas. La primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los tipo A (Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son los más comunes.

VII-A.

Modelo AES

Es el modelo más común, tiene casco de un paso, tubos de doble paso con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo. tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus características son:

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Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede desmontarse para limpieza. Tiene el inconveniente de necesitar más mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.

VII-D.

Modelo CFU

Figura 24. Intercambiador de calor de carcasa y tubos AES

Permite la expansión térmica de los tubos respecto al casco. Permite el desmontaje En lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos. Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separación modifican la velocidad en el casco y su perdida de carga. El flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos. VII-B.

Modelos BEM

Figura 27. Intercambiador de calor de carcasa y tubos CFU

El conjunto de tubos en U permite un fácil desmontaje del conjunto de tubos. Tiene el inconveniente a la hora de sustituir un tubo dañado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos.

Figura 25. Intercambiador de calor de carcasa y tubos BEM

VII-E.

Modelo AKT

Este intercambiador no tiene apenas diferencia entre ambos extremos, es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la velocidad dentro de los tubos, lo que reduce el coeficiente de transmisión de calor. Los cabezales pueden quitarse para limpiar el interior de los tubos. Tiene junta de expansión en casco. Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco, pudiendo usarse la limpieza química, para la superficie externa de los tubos alojados dentro del casco. VII-C.

Modelo AEP Figura 28. Intercambiador de calor de carcasa y tubos AKT

Figura 26. Intercambiador de calor de carcasa y tubos AEP

Este intercambiador se caracteriza por la configuración del casco. El conjunto de tubos puede ser también A-U, dando lugar al AKU. El vertedero a la derecha de los tubos mantiene el liquido hirviente sobre los tubos. El vapor sale por la tobera superior y el liquido caliente sale por la tobera inferior.

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VII-F.

Modelo AJW

Figura 29. Intercambiador de calor de carcasa y tubos AJW

Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues disminuye la pérdida de carga El desviador central divide el flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a través de los tubos para enfriarse. Parte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede utilizarse como enfriador.

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