diseño interc [modo de compatibilidad]

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INSTALACIONES TERMOMECÁNICAS

Tema:

DISEÑO DE INTECAMBIADORES DE CALOR

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DEFINICION:

Es un equipo destinado al intercambio de calor entre dosEs un equipo destinado al intercambio de calor entre dosfluidos.

En aplicaciones industriales, generalmente un fluidopertenece a la corriente de procesos y el otro a la corrientede servicios de la planta.

El objetivo de estas operaciones de intercambio de calor escalentar o enfriar un fluido de proceso, o bien modificar suestado físico (evaporación, condensación)

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CLASIFICACIÓN:

Por la distribución de flujo:j

* Flujo en paralelo

* Flujo en contracorriente

* Flujo cruzado

* Flujo cruzado de paso múltiple

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CLASIFICACIÓN:

Por el tipo de Aplicación:

* Calderas o evaporadores

* Condensadores

* Intercambiadores de calor de casco y tubos

* Torres de enfriamiento

* Intercambiadores compactos

* Para plantas espaciales

* Regenerativos

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CÁLCULO TÉRMICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

El cálculo térmico de un Intercambiador de Calor involucra:

•Conceptos Termodinámicos

•Conceptos Termomecánicos•Conceptos Termomecánicos

•Conceptos de Mecánica de los Fluidos

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EXPRESIONES DE LOS BALANCES ENTÁLPICOS:

Si una corriente cede calor a un medio que lo recibe, sufrirá una disminución en su

entalpía:

)( 21 hhh HHWQ

Si h bi d f l f i i tSi no hay cambio de fase en el enfriamiento:

)( 21 TTCWQ hh

Si el fluido sufre una condensación isotérmica:

hhWQ

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Si el calor cedido es recibido por un fluido a menor temperatura:

)( 12 ccc HHWQ

Si no hay cambio de fase en el calentamiento:

)( 12 ttCWQ cc

S f f ó éSi el fluido sufre una evaporación isotérmica:

ccWQ

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Como ambos calores deben ser iguales:

)()( 1221 ccchhh HHWHHWQ

Si hay intercambio de calor sin cambio de fase:

)()( 1221 ttCWTTCWQ cchh

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ÁREA DE TRANSFERENCIA Y COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA

DE CALOR:DE CALOR:

Para que suceda una transferencia de calor entre dos fluidos, es necesario:

a) Que exista una diferencia de temperatura entre ellos. A > ∆T >Q.

b) Q b fl id té d fi i t é d l l db) Que ambos fluidos estén separados por una superficie a través de la cual pueda

transferirse calor. A > Área >Q.

TAUQ

U= Coeficiente global de transmisión de calor

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EXPRESIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DE CALOR “U”

EN FUNCIÓN DE LOS COEFICIENTES PELICULARES:

1)Transferencia de calor entre fluido interno y pared.

2) Transmisión de calor entre cara interna y externa .

)( wiii TTAhQ

3)Transferencia de calor entre pared y fluido externo

)(5.0

)(

io

wowim

DD

TTAkQ

Donde:

o

iom

D

DDDL

Aln

)(

)( tTAhQ wooo iD

h=Coeficiente pelicular del fluido.

K=Coeficiente de conductividad térmica.

Am= promedio logarítmico entre áreas exterior-interior.

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EXPRESIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DE CALOR EN

FUNCIÓN DE LOS COEFICIENTES PELICULARES:

Operando y sumando las tres ecuaciones anteriores:

)1

2

1(

oom

io

ii AhAk

DD

AhQtT

Comparando con: TAUQ

oom

io

ii AhAk

DD

AhAU

1

2

11

Si A = Ao, y considerando la conducción en el tubo ≈ 0.

oio hhU

111 Donde: )(

o

iiio A

Ahh

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RESISTENCIA DE ENSUCIAMIENTO:

Debido al uso se forman incrustaciones en el interior y exterior del tubo 2

nuevas resistencias por conducción.

Rfi = resistencia de ensuciamiento interna

Rfo = resistencia de ensuciamiento externa

RRR R111

fofif RRR

Para prever Rf se diseña suponiendo el depósito formado entre 2 limpiezas del

intercambiador.

foio

RhhU

TU

QA

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DIFERENCIA MEDIA DE TEMPERATURA ENTRE 2 FLUIDOS:

El Calor transferido por unidad de área es variable a lo largo del intercambiador cual se utiliza para la formula?:

”Se determina un T medio” TU

QA

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dTCWdQ hh

dtCWdQ cc

)( tTdAUdQ )( tTdAUdQ

Donde: dxDdA o

Operando llegamos a una ED cuya integración entre x=0 y x=L, nos da:

11 tT

12

21ln)11

(tT

tT

CWCWULD

cchho

Luego, considerando el calor total intercambiado en el equipo, y reemplazando:

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12

21

1221

ln

)()()(

tTtT

tTtTULDQ o

El término entre corchetes se llama diferencia media logarítmica de temperaturas

DMLT, y es el promedio logarítmico de los T en los extremos del equipo:

Para un equipo de corrientes paralelas:

11

2211

ln

)()(

TtT

tTtTDMLTCP

22 tT

Estas ecuaciones se cumplen si:

U=Cte.

C=Cte.

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INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBO

CARACTERÍSTICAS GENERALES:Se utilizan cuando se requieren grandes superficies de intercambio de calor en un

equipo reducido. La idea básica es poner muchos tubos dentro de mayor diámetro:

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CARACTERÍSTICAS GENERALES:

Bafles o Deflectores:

El aumento en la velocidad y en la turbulencia de los fluidos aumentan el coeficiente

de transferencia de calor se colocan deflectores para lograr este cometido.

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Tubos y arreglos de tubos:

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Intercambiadores multipasos:

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Intercambiadores con cabezal flotante:

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DISEÑO DE INTECAMBIADORES DE CASCO Y TUBO:

Consiste en el desarrollo de tres etapas principales:

•Cálculo Térmico: consiste en definir el área de intercambio necesaria para satisfacer losrequerimientos (T1, T2, t1, t2, Wh y Wc). Cálculo iterativo de Transferencia de calor.

•Cálculo Mecánico: ASME, TEMA.

•Verificación de la carcaza a la flexión.

•Cálculo de bulones de cabezales.

•Verificación a las presiones internas de los tubos y carcaza•Verificación a las presiones internas de los tubos y carcaza.

•Vibraciones de los tubos y carcaza

•Realización de planos de fabricación.

•Procedimiento de armado y desarme

•Período de inspección y limpieza

•Plan de Mantenimiento:

•Período de inspección y limpieza

•Vida útil.

•Instrumentación.

•Medidas de seguridad.

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DISEÑO DE INTECAMBIADORES DE CASCO Y TUBO:Cálculo Térmico, procedimiento:

1. Cálculo de las variables del proceso que se desconozcan (T, t, Q, W, etc).

2. Selección de un valor estimativo de ”U”, según tablas.

3. Cálculo de la “DMLT” y del “Ft” según la configuración de equipo elegida.

4. Estimación del área de transferencia “A”, para el “U” supuesto.

5. Selección del tamaño y arreglo de los tubos.

6. Cálculo del largo “L”, número de tubos “N” y número de pasos en los tubos “n” .

7. Cálculo del coeficiente pelicular dentro de los tubos “hio”.

8. Cálculo del coeficiente pelicular dentro de la carcaza “ho”, por método de Kern oBell.

9. Corrección de los coeficientes peliculares por temperatura de pared “Tw”.

10. Determinación de “R” y cálculo de “U” real.

11. Cálculo del “Acal”.

12. Comparacion entre “Acal” y “Areal”.

13. Pérdidas de carga en carcaza, por método de Kern o Bell.

14. Pérdidas de carga en los tubos y en los cabezales.

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DISEÑO DE INTECAMBIADORES DE CASCO Y TUBO:Cálculo Mecánico, procedimiento:

1. Determinación de las propiedades mecánicas de los materiales.

2. Verificación de la carcaza a la flexión.

3. Cálculo de la flecha.

4. Cálculo de cabezales (flotantes y fijos).

5. Cálculo de bulones.

6. Verificaciones según presiones internas, determinación presión de pruebahidráulica.

7. Cálculo de vibraciones en los tubos.

8. Cálculo de vibraciones en carcaza.

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