Balance de Materia y Energía

Jeanneth Hernandez

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Intercambiador de contacto directo Intercambiador de contacto indirecto Regenerativos Recuperativos

Una sola corriente

Dos corrientes en flujo para lelo

Dos corrientes en contracorriente

Dos corrientes en flujo cruzado

Dos corrientes en contraflujo cruzado

Dos corrientes a pasos múltiples

Intercambiadores de contacto directo

En los intercambiadores de calor que no poseen almacenamiento de calor las corrientes se contactó interactúan uno con otro, cediendo la corriente más caliente directamente su calor a la corriente que se encuentra más fría, se usa cuando las fases en contacto son insolubles y no reaccionan una con otra.

También se tiene intercambiadores fluido-fluido en los que son mutuamente inmiscibles, aunque no siempre es necesario que los dos fluidos en contacto sean mutuamente insolubles.

Hay también intercambiadores de calor donde uno de los fluidos circulantes se disuelve sobre el otro, en los sistemas aire-agua el intercambiador de contacto directo es de gran importancia ya que justo una de las fases se disuelve , o evapora, en la otra fase a más de que es el más usado en la industria.

Regenerativos

Posee una corriente caliente de gas que transfiere su calor a un cuerpo intermedio, normalmente un sólido que posteriormente cede calor almacenado a una segunda corriente de un gas frío

El tubo de calor transporta calor muy eficazmente desde un lugar a otro, y puesto que la resistencia principal a la transmisión de calor esta en los dos extremos del tubo, donde el calor se toma y cede, donde se usa normalmente tubos con aletas en estas zonas

Una propuesta es utilizar un intercambio de calor en contracorriente de dos corrientes de sólidos, utilizando corriente líquida de ida y vuelta.

Recuperativos

Existen diversos flujos posibles en un intercambiador ente las más importantes se destacan las siguientes

Una sola corriente. La configuración de una sola corriente se define como un intercambiador en el que cambia la temperatura de un solo fluido como es el caso de los condensadores, evaporadores y las calderas

Dos corrientes flujos paralelos

Los dos fluidos fluyen en direcciones paralelas y en el mismo sentido, este tipo de intercambiador consta de dos tubos concéntricos, una gran cantidad de tubos se coloca en una coraza para formar el llamado intercambiador de coraza

Mientras que el intercambiador de tipo placas, consiste en varias placas separadas debido a juntas y por lo que llega ser más adecuado para gases a baja presión. Esta configuración se conoce también como intercambiador de corrientes paralelas

Dos corrientes en contracorriente

Los fluidos se desplazan en direcciones paralelas pero en sentido opuesto. Para un número dado de unidades de transferencia, la efectividad de un intercambiador de corriente es mayor que la del intercambiador en

contracorriente. Los precalentadores de agua de alimentación para calderas y los enfriadores de aceite para aviones son ejemplos de este tipo intercambiadores de calor. Esta configuración se conoce también como intercambiadores de contracorriente.

Dos corrientes en flujo cruzado

Las corrientes fluyen en direcciones perpendiculares, donde la corriente caliente puede fluir por el interior de los tubos de una haz y la corriente fría puede hacerlo a través del haz en una dirección generalmente perpendicular a los tubos , esta configuración tiene una efectividad intermedia entre la de un intercambiador de corriente paralela y la de una contracorriente.

Dos corrientes en contraflujo cruzado es debido a una configuración de pasos, conforme aumenta el número de pasos la efectividad se aproxima a la de un intercambiador de corriente ideal

Dos corrientes a pasos múltiples cuando los tubos están dispuestos en uno o más pasos en el interior de la coraza, algunos pasos producen flujo paralelo mientras q otros producen un flujo contracorriente

Vapores condensables

Son gases o vapores los cuales cuando se someten a condiciones alteradas de temperatura o presión apropiadas se convierten en líquidos.

Un ejemplo es el N2O (óxido nitroso) porque, como el gas carbónico, se mantiene en estado líquido dentro de los cilindros, a temperatura abajo de los 36º y presiones relativamente bajas. Por lo general estos vapores son los de agua, hidrocarburos y algunas sustancias volátiles.

El método de Dumas es el método usual para la determinación del peso molecular en fase de vapor de los líquidos volátiles; este método determina los pesos moleculares aproximados empleando la ley de los gases ideales.

Los procesos incluidos en las operaciones con vapores condensables: secado, destilación y enfriamiento de agua; todas tienen en común el hecho de que uno o más líquidos se vaporizan o uno o más gases se condensan

Ecuación general de diseño

La eficiencia de un intercambiador de calor debe tener una muy buena metodología para su construcción a más de requerir unos materiales precisos, para lo cual es muy necesario conocer las condiciones de operación del equipo, la corrosión y el ensuciamiento que se pueden ocasionar los fluidos de trabajo, a más de tomar en cuenta las propiedades físicas, químicas y mecánicas de los materiales y costos.

Según una metodología propuesta por bajo las normas TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURES ASSOCIATION Y EL CÓDIGO DE LA AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERING platea que los pasos a seguir son los siguientes.

Paso 1 las condiciones de operación de un intercambiador debe estar sus rangos de temperatura entre los 80 y 40°C en los tubos y de 10 a 20° en la coraza y los rangos de los flujos máximos fueron de 15000L/h en los tubos y coraza .

Pasos 2 determinaron ciertas dimensiones en función del espacio y de las condiciones del banco de pruebas.

Paso 3 selección del tipo de materiales la cual se hizo en función de cada componente del equipo a más de costo y accesibilidad en el mercado.

Paso 4 obtención de la presión máxima interna de diseño en caso de un material termoplástico se debe usar la siguiente ecuación don de Des es el diámetro exterior de la corza y Ss en esfuerzo permitido del acrílico a la temperatura de diseño y ts el espesor de la coraza.

Paso 5 cálculo de la longitud y el diámetro interior de la coraza. Con la finalidad de visualizar el comportamiento del flujo del fluido a través de la coraza del intercambiador donde la tts es el espesor del espejo y la pts es la profundidad del canal de los espejos para poder obtener una mejor unión entre la coraza y los espejos de entrada y salida y el Dis es el diámetro interno de la coraza.

Paso 6 para obtener en el diseño la presión interna máxima donde St lega hacer el esfuerzo permitido del material de los tubos a la temperatura de diseño, Et la eficiencia de la junta de los tubos para el siguiente caso es para tubos sin costura, mientras que tt es el espesor de la pared de tubos y Dtt el diámetro interno

Paso 7 para hacer el arreglo de los tubos se debe hacer a 30° ya que de esta manera se llega a obtener una mayor área de transferencia de calor el paso de los fluido Ltp se calculó 1.5 veces el diámetro exterior de los tubos fp

Paso 8 es para obtener el número de tubos que se requiere donde Dotl es el diámetro exterior del arreglo de tubos y Dctl el diámetro del arreglo de tubos para la cual se usa estos dos datos y la constante C1 para un arreglo de tubos triangular de 30°(C1=0.866) donde se calcula Ntt en número total de tubos

Paso 9 obtención del área donde va ocurrir la transferencia de calor donde está dada por Att , Dtt diámetro interno. Lt longitud de tubos

Paso 10 selección y dimensionamiento de las mamparas para la cual analizaron que las mas optima es una simple con un corte horizontal del 25% a más de que en el dimensionamiento esta incluyendo el porcentaje de corte, el diámetro, el claro entre los tubos y las mamparas, la coraza y las mamparas y la distancia entre las mamparas de entrada, central y salida así como su espesor y número de mamparas. Para la máxima distancia entre los tubos sin soporte es de acuerdo al material Det diámetro exterior.

El claro que mínimo se determina mediante el diámetro interno de la coraza, haciendo que exista menor fuga entre el claro de la coraza y las mamparas, donde Lsb es el claro mínimo entre la coraza y la mampara y Dis es el diámetro interno de la coraza.

Para el diámetro de la mamparas Db se usa la siguiente ecuación

Para el corte de mamparas se usara la siguiente donde Bc que es el porcentaje de corte

Diámetro de Barrenos es la Dbb

El número de mamparas que direccionan el flujo de trabajo en la coraza a través de un arreglo de tubos Nb es el número de mamparas, Lb la longitud de los tubos entre espejos y Lbc la distancia entre mamparas centrales

Siendo Lbc la distancia entre las mamparas centrales y Nb el número de mamparas, el espesor de las mamparas se determinó considerando el diámetro

exterior de la coraza y la distancia entre mamparas centrales calculados anteriormente.

PASO 11 El dimensionamiento de los espejos se debe seleccionar en este caso fue de tipo fijo el cual se utiliza como brida siendo ts el espesor de los espejos fijos, F un factor para espejos fijos, Sts el esfuerzo permisible a la temperatura de diseño del material del espejo y Cpts es la corrosión permisible de los espejos, ptd,sd es la presión de diseño entre la coraza y tubos.

Paso 12 dimensionamiento de los cabezales en este estudio utilizaron cabezales de entrada y salida tipo bonete obteniéndose de esta manera una mejor distribución del flujo en el arreglo de tubos este consta del canal, tapa elipsoidal y brida. El espesor del canal tc se calculó utilizando el valor de la presión de diseño de los tubos, Ptd el esfuerzo del material del canal a la temperatura a la que se está diseñando , Sc la eficiencia de la junta del canal que es de 1 por ser un tubo sin costura, Ec y la corrosión permitida del canal , Cpc.

El espesor de las tapas de los cabezales se calcula con la expresión.

Siendo Decc el diámetro exterior de la tapa elipsoidal, dcc el diámetro, Rcc el radio exterior de la tapa, rcc el radio exterior de curvatura de la tapa, H1

la profundidad de la tapa, h2 la extensión de la tapa y hcc la longitud total de la tapa.

La longitud total del cabezal que permite una buena distribución del fluido de trabajo en los tubos Hc se calculó con el diámetro de coraza Ds, para determinar del canal hc se restó la longitud total de la tapa, hcc a la longitud total.

Paso 13 dimensionalmente de las bridad. Las bridas de los cabezales seleccionadas fueron deslizable. Siendo Debc y Dibc, el diámetro exterior e interior de la brida, tbc el espesor de la brida, Sb la separación existente entre los pernos y Kb el asentamiento del empaque, Gb el diámetro, jb el escalón de asentamiento del empaque y Np el número de pernos.

Conclusiones

El intercambiador de calor es un dispositivo que va a transferir calor de los cuales se clasifica en intercambiadores de calor directo en donde los compuestos se llegan a mezclar entre sí y también hay intercambiadores de calor indirecto donde hay 2 tipos de intercambiadores de calor como es el caso de los cambiadores de flujo paralelo (liquido-liquido) y cambiadores flujo cruzado (liquido-gas).

La eficiencia de un intercambiador de calor debe tener una serie de cálculos para su construcción a más de ver cuáles son los materiales precisos para el proceso que vamos a realizar para la cual debemos ver las condiciones del proceso, coefeicientes global de calor , resistencias, la corrosión,el ensuciamiento , las propiedad físicas químicas y mecánicas de los materiales.

Bibliografía

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