7. análisis térmico e hidráulico

7/31/2019 7. Anlisis trmico e hidrulico

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Diseo de Equipo para Transferencia de Calor Dr. Juan M. Belman

7. ANLISIS TRMICO E HIDRULICO

Los intercambiadores de recuperacin se clasifican usualmenteen funcin del arreglo del flujo y el tipo de construccin:

Constituye el intercambiador de calor mssimple en el que los fluidos caliente y fro se

mueven en la misma direccin (equicorriente)

o en direcciones opuestas (contracorriente) en

una disposicin de tubos concntricos.

Flujo Paralelo


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En este caso los fluidos se mueven

perpendicularmente entre s. Las

configuraciones difieren segn el fluido quecircula por el exterior de los tubos se mezcla

(cruzado con mezcla) o no (cruzado sin

mezcla).

Flujo Cruzado

Es una configuracin comn que se

caracteriza por el nmero de pasos por

carcasa y por tubos. Normalmente se instalan

deflectores para aumentar el coeficiente deconveccin del fluido que circula por la

carcasa.

Carcasa y tubos


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Son intercambiadores que se utilizan para

conseguir una elevada superficie detransferencia de calor por unidad de volumen.

Compactos


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Para caracterizar la transferencia de calor en intercambiadores

y de esta forma disear o modelizar el comportamiento del

intercambiador disponemos de:

Balances

EnergticosLa cesin de potencia trmica del fluido

caliente, en ausencia de transferencia de

calor entre el intercambiador y sus

alrededores, es igual a la absorcin depotencia trmica por parte del fluido fro.

Si ninguno de los dos fluidos experimenta un

cambio de fase y se suponen calores

especficos constantes:


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Transferencia de

CalorSe puede obtener otra expresin til al

relacionar la transferencia de calor total con la

diferencia de temperaturas entre los fluidoscaliente y fro, donde T = Tc-Tf. Y llamando

T* a una diferencia de temperaturas media

apropiada:


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Coeficiente global de transferencia de calor

Una parte esencial en cualquier anlisis de un intercambiador

de calor es la determinacin del coeficiente global de

transferencia de calor, U.

En todos los casos existe una pared que

separa el fluido fro del fluido caliente y

en el caso habitual de geometra

cilndrica este coeficiente toma la

siguiente expresin:


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Diferencia de temperatura media logartmica

En la ecuacin

T* representa unadiferencia de temperaturas media. Sin

embargo, como T (Tc Tf), vara con la

posicin en el intercambiador, es necesario

trabajar con una diferencia de temperaturas

media apropiada.

La forma de T se puede determinar mediante la aplicacin de un

balance de energa para elementos diferenciales en los fluidos

caliente y fro. As, consideraremos cada elemento diferencial delongitud dx y de rea dS. Y los balances de energa estarn sujetos a

las siguientes suposiciones:


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Intercambiador de calor aislado de sus alrededores

La conduccin de calor axial a lo largo de los tubos es insignificante

Los cambios de energa potencial y cintica son despreciables

Los calores especficos de los fluidos son constantes

El coeficiente global de transferencia de calor es constante


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A la misma expresin se llega haciendo el anlisis para unintercambiador de flujo paralelo equicorriente.

De esta forma, la potencia trmica de un intercambiador de flujo

paralelo se puede predecir en base al clculo del coeficiente global de

transferencia de calor y de una diferencia de temperaturas logartmicamedia

Nota: Hay que advertir que en las mismas condiciones la diferencia de temperaturaslogartmica media para el intercambiador contracorriente supera al de disposicin

equicorriente, por lo tanto el rea de transferencia de calor necesaria para transferir una

misma potencia trmica es inferior en contracorriente.

As, existe la posibilidad que Tfs pueda exceder a Tcs en un intercambiador de flujo paralelo

contracorriente. Sin embargo, esta posibilidad no existe en un intercambiador equicorriente.

razonar


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Condiciones especiales de operacin:

Existen condiciones especiales de operacin para los intercambiadores

de flujo paralelo como son:

1. Un fluido tiene una capacitancia

trmica mucho mayor que el otro

(C1>> C2).

2. Los fluidos presentan iguales

capacitancias trmicas (C1= C2).


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Un fluido tiene una capacitancia trmica mucho mayor que el otro

(C1>> C2).

En este caso la temperatura del fluido de mayor capacitancia

permanecer aproximadamente constante mientras que el otro fluidosufrir la variacin de temperatura. El caso extremo es en el caso de

que un fluido puro cambie de estado (C1) donde, en ausencia de

prdidas de carga significativas, el fluido que cambia de estado

permanece a temperatura constante.

En este caso resulta indiferente si la disposicin es equicorriente o

contracorriente, ya que la distribucin de temperaturas a lo largo del

intercambiador ser exactamente la misma y, por tanto, lo ser la

diferencia de temperaturas logartmica media.


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Eficiencia-NTU (-NTU)

Se define la eficiencia de un intercambiador de calor como la relacin

existente entre la potencia trmica transferida por un intercambiador

y la potencia trmica mxima posible.

La potencia trmica mxima, qmax, es aquella se puede alcanzar en un

intercambiador de flujo paralelo contracorriente con una longitud

infinita.

En tal intercambiador, uno de los

fluidos (el de capacitancia mnima,

Cmin) experimentar la diferencia

de temperaturas mxima posible

(Tce Tfe).


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Nmero de Unidades de Transferencia (NTU)

El nmero de unidades de transferencia (NTU, number of transfer units)

es un parmetro adimensional que se utiliza ampliamente en el anlisis

de intercambiadores de calor.

Se puede demostrar que para cualquier intercambiador de calor su

eficiencia se puede calcular a partir del parmetro NTU y de la relacin

de capacidades, Cr(Cmin/Cmax).


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Relaciones -NTU

Para cualquier intercambiador de calor su eficiencia se puede calcular a

partir del parmetro NTU y de la relacin de capacidades, Cr

(Cmin/Cmax).

Caso de un intercambiador de flujo paralelo equicorriente donde Cmin = Cc


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Se desea intercambiar potencia trmica entre dos corrientes del mismo fluido,

para ello se ha diseado un dispositivo integrado por dos intercambiadores en

paralelo, tal como se muestra en el esquema. Las temperaturas de entrada

son de 70C para la corriente fra y 120C para la caliente, y las capacidadescalorficas totales de esas corrientes son de 3500 y 4000 Kcal/hC para la fra y

caliente respectivamente.

El intercambiador 1 se sabe posee una

eficiencia de 0.64, su disposicin escontracorriente y su nmero de unidades

de transferencia de calor es de 1,2.

Mientras que el intercambiador 2 tiene

una eficiencia de 0.421 y se desconoce el

tipo de configuracin y valor de NTU. Se

desea saber cuales sern lastemperaturas finales de salida de ambas

corrientes.

Problema


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Metodologa de anlisis de un intercambiador

Cualquiera de los dos mtodos presentados puede utilizarse y obtener

resultados equivalentes. Sin embargo, dependiendo de la naturaleza del

problema, el mtodo eficiencia NTU puede resultar ms sencillo de

aplicar.

En los problemas de diseo de un intercambiador donde se

establecen las condiciones de entrada de los fluidos (temperaturas y

flujos), as como la temperatura de salida deseada en el fluido deinters, se pueden utilizar ambos mtodos con similar sencillez (ya que

es fcil establecer todas las temperaturas del problema y, por tanto,

resulta sencillo de determinar LMTD).

El problema se cie, entonces, al seleccionar el tipo de intercambiadorde calor ms apropiado y dimensionarlo, es decir, determinar la

superficie de transferencia de calor requerida para alcanzar la

temperatura deseada.


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En otros problemas, se puede conocer el tipo de intercambiador y su

tamao, siendo el objetivo determinar la transferencia de calor y la

temperatura de salida del fluido de inters

(modelizacin/simulacin), a partir de las condiciones de entrada

establecidas.

En este caso el mtodo LMTD o factor de correccin F necesita de un

clculo iterativo basado en una estimacin inicial de la temperatura

de salida del fluido de inters y, por tanto, resulta ms sencilla la

aplicacin del mtodo eficiencia NTU.


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Existen problemas de diseo o simulacin de intercambiadores donde

existe una ganancia o prdida de calor sensible y calor latente. Es el

caso de los evaporadores y condensadores reales, donde el intercambio

trmico no se encuentra limitado slo al cambio de estado, sino que

suelen coexistir recalentamientos en la fase vapor o subenfriamientosen la fase lquida.

Nota


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En ambos casos, el anlisis del intercambiador se basa en la utilizacinde informacin emprica para determinar los coeficientes de

transferencia de calor por conveccin y, de esta forma, obtener U. El

diseo o simulacin del intercambiador se puede llevar a cabo con

cualquiera de los dos mtodos presentados.


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Intercambiadores de calor compactos

Los intercambiadores de calor compactos se utilizan cuando se desea

disponer de una elevada superficie de transferencia de calor por unidad

de volumen. Normalmente, presentan dimetros hidrulicos reducidos(DH 5 mm.)

Dentro de los intercambiadores compactos tenemos los

intercambiadores basados en bancos de tubos aleteados (utilizados

donde, al menos, uno de los fluidos es un gas), donde las diferencias se

deben principalmente al diseo de las aletas y al arreglo, y los

intercambiadores de placas.

7. análisis térmico e hidráulico

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