tema 4. intercambiadores de calor mejorado

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Prof Mahuli González

Es un equipo de transferencia de calor empleado en procesos químicos con la finalidad de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso

INTERCAMBIADOR DE CALOR

CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

DEFINICIÓN

Según de tipo de servicio De acuerdo al proceso de transferencia De acuerdo a los mecanismos de transferencia

de calor De acuerdo al numero de fluidos involucrados De acuerdo a la disposición de los fluidos De acuerdo a la compactación de la superficie De acuerdo al tipo de construcción

CLASIFICACIÓN: SEGÚN SERVICIO

SEGÚN SU SERVICIO

RefrigeradorEnfrían una corriente de proceso con un liquido refrigerante a fin de obtener temperaturas menores que las que se obtendrían con un enfriador

CondensadorCondensan una corriente

de proceso

EnfriadorEnfría una corriente de proceso

con agua o aire

CalentadorCalientan una corriente

de proceso

RehervidorVaporiza una corriente

de proceso

Generador de VaporProducen vapor de agua y se conocen como calderas

de recuperación de calor

VaporizadorConvierte liquido a vapor. Cuando el

liquido es diferente al agua

SobrecalentadorCalienta un vapor por encima de condiciones de saturación

CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN

• Es uno de los diseños más simples • Consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente

circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos.

• Este es un tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil.

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

Multitubular

CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN

• Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por fuera de un haz de tubos, actúa como medio refrigerante para condensar y/o enfriar el fluido que va por den-tro de los mismos.

• Se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar perpendicularmente al eje de los tubos

ENFRIADORES DE AIRE

CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN

INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL

Estos intercambiadores se originaron en Suecia hace mas de 40 años para ser utilizados en la industria del papel y son llamados también SHE debido a sus siglas en inglés: Spiral Heat Exchanger.

Su diseño consiste en un par de láminas de metal enrolladas alrededor de un eje formando pasajes paralelos en espiral por entre los cuales fluye cada sustancia.

Son muy utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos y líquidos con sólidos en suspensión, así como también en operaciones de condensación y vaporización.

INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL

CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN

INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Es el más utilizado en las refinerías y plantas químicas en general debi-do a que:• Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volu-

men. • Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños. • Es bastante fácil de limpiar y de reparar. • Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con

cualquier aplicación.

Haz de tubos dentro de una carcaza cilíndrica, con presencia de deflecto-res para generar turbulencia y soportar los tubos. El arreglo de tubos es paralelo al eje longitudinal de la carcaza y puede estar fijo o ser de cabezal flotante. Tubos internos lisos o aleteados

INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO

INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO

INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Carcaza cilíndrica

Deflectores transversales(baffles)

Boquilla de la carcaza

Boquilla de la carcaza

Boquilla para los tubos

Tubos

Placa de tubos flotante

Boquilla para los tubos

Divisor de paso o

baffles longitudinal

Cabezal flotante

CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Se diseñan

TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association

Clase R Clase C Clase B

Petróleo y aplicaciones relacionadas

Procesos químicos

Propósitos generales

Según estándares publicados por Asociación de Fabricantes de

intercambiadores tubulares

Intercambiadores de carcaza y tubo

APLICABLE :Diámetro interno de la carcaza (DIC) ≤ 1,524 mm (60 in)Presión ≤ 207 bar (3000Psi)DIC*Presión ≤ 105000 mm bar (60000 in psi)

CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Designación de intercambiadores

X X X

Cabezal anterior Cabezal

posterior

Tipo de carcaza

CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Tienen las dos placas de tubos soldadas a la carcaza

De Cabezal flotante:

De cabezal fijo:Tubos en forma de U

Tienen solo una placa donde se insertan los tubos en forma de U

Tiene una sola placa de tubos sujeta a la carcaza

Según su construcciónmecánica

CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

De cabezal flotanteDe cabezal flotante

Tubos en forma de UTubos en forma de U

De Cabezal fijoDe Cabezal fijo

Tipo BEM

Tipo CFU

Tipo AES

ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

TUBOSTUBOS Proporcionan la superficie de transferencia de calor entre un fluido que fluye dentro de ellos y otro que fluye sobre su superficie externa

Se encuentran disponibles en varios metales como: acero de bajo carbono, cobre, aluminio, 70-30 cobre-níquel, acero inoxidable

Arreglo triangularArreglo triangular Arreglo triangular rotado Arreglo triangular rotado

El fluido de la carcaza debe ser limpio El arreglo triangular rotado raramente se usa por las altas caídas de presión que generan

ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Arreglo cuadrado Arreglo cuadrado Arreglo cuadrado rotado Arreglo cuadrado rotado

El fluido de la carcaza debe ser sucio Se prefiere cuando la limpieza mecánica es critica

Espaciado de tubos (Pitch)Espaciado de tubos (Pitch) 1.25*Diámetro externo del tubo

• En las refinerías se prefieren tubos de 20 pie de longitud

• Los haces no removibles usan siempre arreglos triangulares (30°)

Cuanto más largo es un intercambiador, menos tubos contiene, menor es el diámetro de la carcaza,

su diseño es más simple y menor es su costo.

SELECCIÓN DEL ANGULO DEL PITCH

ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Soportar el haz de tubos.

Restringir la vibración de los tubos debido a los choques con el fluido.

Canalizar el flujo de fluidos por la carcasa originando turbulencia para lograr mayo-

res efectos de trasferencia de calor.

DEFLECTORESDEFLECTORES

ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Distancia centro a centro entre deflectores adyacentes

B1/5 DC < B > DC

Doble Segmentado

Tipos de DeflectoresTipos de Deflectores

Segmentado

Para deflectores segmentados el corte está

entre 15-40% El mejor resultado se obtiene con 25% de corte.

La altura de la ventana expresada como un porcentaje del diámetro de la carcasa, se de-nomina CORTE DEL DEFLECTOR.

ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

TIPO DE CARCAZATIPO DE CARCAZA

TIPO FTIPO F

Un paso por la carcasa Dos paso por la carcasa con bafle longitudinal

TIPO ETIPO E

LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS

Cuando se opera con un fluido muy corrosivo debe hacerse circular por el interior

de los tubos para evitar la corrosión de todo el intercambiador

Para los fluidos con un alto factor de ensuciamiento, es conveniente hacerlo

circular por los tubos donde se puede mantener un mejor control de la velocidad

que puede reducir este efecto.

En servicios de alta temperatura se fabrican los tubos de aleaciones convenientes

que reduzcan la expansion termica y se hace circular el fluido caliente por el

interior de ellos.

Los fluidos con mayor presión deben generalmente colocarse por los tubos.

Los fluidos muy viscosos deben colocarse fuera de los tubos para obtener

altos coeficientes de transferencia de calor, por crearse alli mayor turbulencia.

El fluido de menor flujo masico se coloca fuera de los tubos, ya que alli se

somete a mayor turbulencia, mejorandose el coeficiente de transferencia de

calor.

LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Ti > ToETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALORETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR

1. Convección desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes del mismo.

2. Conducción del interior al exterior del tubo.

3. Convección desde el exteriordel tubo al fluido.

h i

Ts

h o

ToTi

AihiRi

.

1

LK

riroLnRcond

...2

)/(

AohoRo

.

1

AohoLK

riroLn

AihiRtotal

.

1

...2

)/(

.

1

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

AohoLK

riroLn

AihiRtotal

.

1

...2

)/(

.

1

RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNARESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNA

AohoAo

ro

LK

riroLn

Ai

ri

AihiRtotal

.

1

...2

)/(

.

1

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTALCOEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL

**.1

AURtotal

* Basado en cualquier área

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

COEFICIENTE LIMPIO DE TRANSFERENCIA DE CALORCOEFICIENTE LIMPIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Aoho

A

Ao

roA

LK

riroLnA

Ai

riA

Aihi

AU

.

.

...2

)/(..

.

1*****

*

Es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se coloca por primera vez en servicio.

REFERIDA AL ÁREA EXTERNAREFERIDA AL ÁREA EXTERNA

horo

LKriroLnAo

AiriAo

AihiAo

Uo1

...2)/(..

.

1

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

1

1FrwRoRio

Uc

BTU

FpiehF

..0001.0

2

1donde

Relación Uo y UcRelación Uo y Uc

1

1

11

1

FrorioUcUo

FrwRoRioUc

Uc > Uo siempre

Resistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosiónResistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosión

TAUQ ..

Relación básica que sirve para calcular los intercambiadores de calor

Relación básica que sirve para calcular los intercambiadores de calor

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Diferencia de temperatura media logarítmica

Disposición de fluidos

ContracorrienteLos fluidos fluyen en dirección opuestas

el uno del otro

ContracorrienteLos fluidos fluyen en dirección opuestas

el uno del otro

Flujo en Paralelo o Cocorriente

Ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y sa-

len por el otro extremo

Flujo en Paralelo o Cocorriente

Ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y sa-

len por el otro extremo

La diferencia de temperaturas en cada punto del intercambiador constituye la fuerza impulsora mediante la cual se transfiere el calor. En el intercambiador los fluidos pueden viajar en contracorriente, paralelo, flujo cruzado o una combinación de ellas, experimentado variaciones de temperatura que no son lineales a lo largo de su recorrido en el intercambiador. Así, la diferencia de temperatura entre los fluidos diferirá punto a punto en el intercambiador.

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

To

w Ti

w

to

w ti

w

T

Ti

to

To

ti

0 L

Intercambiador de doble tubo en contracorrienteIntercambiador de doble tubo en contracorriente

LMTD = (T - t ) - (T - t )

lnT - t

T - t

i o o i

i o

o i

Termodinámicamente es una disposición superior a cualquier otra .

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Intercambiador de doble tubo en paralelo o corrienteIntercambiador de doble tubo en paralelo o corriente

to

W Ti

wti

W To

w

Ti

ti

To

to

0 L

T

LMTD = (T - t ) - (T - t )

T - t

T - t

i i o o

i i

o o

ln

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Para las diferentes configuraciones de flujo mostradas a continuación, calcule la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)

A. ContracorrienteFluido caliente Fluido fríoTi= 300 °F entra to=150 °F saleTo= 200 °F sale ti=100 °F entra

LMTD = (300 - 150) - (200 - 100)

300 - 150

200 - 100ln

LMTD = (T - t ) - (T - t )

lnT - t

T - t

i o o i

i o

o i

LMTD = 123.32 °F

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Para las diferentes configuraciones de flujo mostradas a continuación, calcule la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)

B. ParaleloFluido caliente Fluido fríoTi= 300 °F entra to=150 °F saleTo= 200 °F sale ti=100 °F entra

LMTD = (300 - 100) - (200 - 150)

300 - 100

200 - 150ln

LMTD = (T - t ) - (T - t )

T - t

T - t

i i o o

i i

o o

ln

LMTD = 108.2 °F

Cuando hay combinados de flujos, como en un intercambiador distinto de 1:1

LMTD

MTDFt

Ft =1 Flujo equivalente a contracorriente Para cualquier arreglo, FT < 0.75 Inaceptable

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Fluido por la carcaza

Ti Entrada

Fluido por los tubos

t o Salida

Entrada

Fluido por los tubosFluido por la carcaza

To Salida

t*

t i

Intercambiador 1-2 carcaza y tubo

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Intercambiador 2-2 carcaza y tubo

Fluido por los tubos(salida)

Fluido por los tubos(entrada)

Fluido por la carcaza(entrada)

Fluido por la carcaza(salida)

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Intercambiador 1-2 en serie

to Ti

To ti

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Intercambiador 1-2 en serie

to Ti

To ti

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 1-2)FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 1-2)

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 2-4)FACTOR DE CORRECCIÓN DE LA LMTD (INTERCAMBIADOR 2-4)

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO

Calcular la cantidad de calor intercambiado (Q)

)(**)(** totiCptmToTiCpsmQ

LMTDFtMTD *

Calcular la diferencia de temperatura media efectiva

Asumir el coeficiente global de transferencia de calor Uo

Calcular el área basada en Uo supuesto

A = Q

Uo * MTDtc

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO

Determinar las dimensiones físicas del intercambiador a partir del área calculada

Calcular el coeficiente global de transferencia de calor Uo

Calcular la caída de presión a través del intercambiador

Calcular el área de transferencia basada en Uo calculado y MTD

horo

LKriroLnAo

AiriAo

AihiAo

Uo1

...2)/(..

.

1

Comparación del área de transferencia calculada con el paso anterior

Repetir los cálculos hasta igualar las área de transferencia