diseño de intercambiadores de calor

Diseño de Intercambiadores de Calor

Introducción Principales tipos de intercambiadores Bases de la teoría de intercambiadores Casos:

Método DTML Método del factor F Método NUT

Diseño soportado por Aspen Plus

Objetivos Conocer los principales tipos de intercambiadores de calor

Seleccionar intercambiadores de acuerdo con su aplicación

Entender los factores principales en el diseño de intercambiadores de calor

Evaluar intercambiadores de calor para una aplicación determinada

Dimensionar intercambiadores de calor de tubos y coraza y de intercambiadores de placas

Familiarizarse con el uso de Aspen Plus ® para la evaluación y diseño de intercambiadores de calor

Introducción

¿Por qué usar intercambiadores de calor?• Para llevar los fluidos de proceso a la temperatura

correcta para la siguiente operación o proceso– Ejemplo: se necesitan fluidos a altas temperaturas para llevar a cabo

una reacción

• Para condensar vapores• Para evaporar líquidos• Para recuperar calor de alguna corriente caliente

disponible• Para llevar a cabo un ciclo de potencia

Introducción (II)Generalidades• Entre dos fluidos separados por una pared (no contacto directo)• Intercambio por convección y conducción• Procesos e industrias químicas, acondicionamiento de aire,

producción de energía…• Condiciones económicas:

– Eficacidad

– Dimensionamiento…

Nosotros veremos:• Principales tipos de intercambiadores• Cálculos de superficie de intercambio y temperaturas de salida

Intercambio de calor entre una alimentación y una salida

REACTOR

Intercambiadorde calor Reacción exotérmica

Recuperación de calor

En la destilación:

Producto de fondos

Alimentación

Producto de cima

Condensador del reflujo

Rehervidor

Columna de destilación

En destilación de petróleo

E2

E1

E3

E4

E5 E6

E2

E5

Almacenamiento

Desalador

Bombeo de cima

Bombeode cima

Nafta ygases

Kerosene

Kerosene

Horno

Crudo reducido

Crudoreducido

Gasóleopesado

Gasóleo pesado

Gasoleoligero

Gasoleo ligero

Torr

e de

des

tila

ción

Bombeode fondos

Bombeo defondos

Ciclo de potencia

CalderaCondensador

Turbina de vapor

Calentador de agua de alimentación

Principales tipos de intercambiadores

Intercambiadores coaxialesFormas compactas

De fácil fabricación y mantenimientos Bajo costo Multipropósito Bajo intercambio

Fluido a

Fluido b

Fluido a

Fluido b

Principales tipos de intercambiadores (II)

Intercambiadores multi-tubularesArreglo de tubos al interior de una coraza

Los más utilizados a nivel industrial Bajo costo Multipropósito Compactos

Principales tipos de intercambiadores (III)

Intercambiadores multi-tubulares

Principales tipos de intercambiadores (IV)

Intercambiadores multi-tubulares

Principales tipos de intercambiadores (V)BEM

AEM

AES

Principales tipos de intercambiadores (VI)

Principales tipos de intercambiadores (VII)

Intercambiadores de placas

Complejos Presiones y temperaturas moderadas Costos elevados Altas perdidas de carga

Principales tipos de intercambiadores (VIII)

Intercambiadores de placas

Principales tipos de intercambiadores (IX)

Intercambiadores espiral

Principales tipos de intercambiadores (X)

Intercambiadores de aletas

Principales tipos de intercambiadores (XI)

Intercambiadores de calor en reactoresSon utilizados para:

Control de la temperatura de operación

Precalentamiento de reactivos

Etc

Chaqueta: Simple, canales, serpentín…

Principales tipos de intercambiadores (XII)

Intercambiadores de calor en reactoresSerpentín Interno o externo

Intercambiadores externos: De fondos o de condensados

Principales tipos de intercambiadores (XIII)

Intercambiadores de calor ACHE & torresTubos ACHES Forzados o inducidos

Torres de enfriamiento: Forzadas o inducidas

Principales tipos de intercambiadores (XIV)Curvas de distribución de temperaturas

Tcs

Tce

Tfs

Tfe

Contracorriente

Tce

Tcs

Tfs

Tfe

Co-corriente

Tcs

Tce

Tfs

Tfe

Dos pasos

Tce

Tcs

Tfs

Tfe

Condensador

Etapas del Diseño de un intercambiador de calor

1. Especificar las condiciones del proceso.

2. Obtener las propiedades físicas de la sustancias en los intervalos de T y P de interés para la operación.

3. Seleccionar el tipo de intercambiador que e desea usar.

4. Estimar de forma preliminar el tamaño del intercambiador.

5. 5. Selección de un diseño inicial.

Etapas del Diseño de un intercambiador de calor

6.Evaluación del diseño seleccionado: capacidad para satisfacer las especificaciones del proceso.

7.En caso de se necesario según los resultados d la etapa 6 se elige una nueva configuración (la etapa 5), y se repite la etapa 6.

8.Establecer el diseño final : que cumpla requisitos procesos , al costo más bajo. Costo que debe incluir la operación el mantenimiento, ventajas para satisfacer cambios en el proceso alargo plazo además de los costos de capital ( costo inicial).

¿Preguntas?

Introducción Principales tipos de intercambiadores Bases de la teoría de intercambiadores Casos:


Laboratorio


Bases de la teoría de intercambiadores Casos:


Diseño soportado por Aspen Plus

Bases de la teoría de intercambiadores

Cálculo de potencia termina de intercambio

Consideraciones:

1. Sistema adiabático

2. Superficie de intercambio S

3. Fluidos:

– Caliente (subíndice “c”)

– Frio (subíndice “f”)

4. Flujo másico:

– Densidad

– Velocidad media

– Sección transversal

Ф

Tce

Tfe

Tcs

Tfs

El calor perdido por el fluido caliente por unidad de tiempo Ф es ganado por el fluido frio:

Permite el cálculo de una temperatura.

(1)

Bases de la teoría de intercambiadores (II)

Ley de NewtonConsideraciones:

1. H es el coeficiente global de transferencia de calor

2. S es la superficie de intercambio

3. ΔTm es la diferencia de la temperatura media a lo largo del intercambiador

4. Si ΔTm es continua, las ecuaciones 1 y 2 permiten el análisis de desempeño térmico del intercambiador.

Ф

Tce

Tfe

Tcs

Tfs

H : coeficiente de transferencia global de la superficie de intercambio.

(2)

Bases de la teoría de intercambiadores (III)

Expresión del HCoeficiente global de transferencia:

Capas límites hidrodinámicas Pared metálica

• Pared plana:

• Pared cilíndrica:

(3)

(4)

(5)

Ф

Tc Tcp Tfp Tf

λ/ehc hf

h : coeficiente de película del costado frio o caliente.

Bases de la teoría de intercambiadores (IV)

Resistencia por ensuciamientoCoeficiente global de transferencia:

Válido para superficies limpias Resistencia térmica del ensuciamiento

• Pared cilíndrica:

(6)

(7)

Ф

Tc Tcp Tfp Tf

λ/ehc hf

Tcd Tfd

RtfRtc

Rt : resistencia del ensuciamiento o resistencia térmica del depósito

Bases de la teoría de intercambiadores (V)

Resistencia por ensuciamientoFluido Resistencia térmica del

depósito (m2.K.W-1) Agua de mar (T<50°C) 9.10-5

Agua de mar (T>50°C) 2.10-4

Agua de caldera tratada 2.10-4

Agua dura 2.10-3

Fuel 9.14-4

Aceite 7.10-4

Vapor de alcohol 9.10-5

Vapor de agua 9.10-5

Líquido de refrigeración 2.10-4

Hidrocarburos gaseosos (etileno, benceno…)

9.10-5

Gasolina 2.10-4

Aire industrial 4.10-4

Bases de la teoría de intercambiadores (VI)

Coeficientes de transferencia local (h)Se estiman a través de correlaciones:

Tipo de intercambiador

Turbulencia (intensidad de la transferencia)

Ejemplo: para tubos rectos Régimen laminar

Régimen turbulento

(8)

(9)

Bases de la teoría de intercambiadores (VII)

Cálculo ΔTm

A partir de un balance energético en dx, con las siguientes hipótesis: Intercambiador aislado

La condición axial del tubo es despreciable

Las variaciones de energía cinética y potencial son despreciables

El calor específico Cp permanece constante

El coeficiente de transferencia global de calor H permanece constante a lo largo del intercambiador

Casos: Método DTML

Cálculo ΔTm (intercambiadores tubulares)

Contra-corriente Co-corriente

Tcs

Tce

Tfs

Tfe

Tce

Tcs

Tfs

Tfe

ΔTsΔTxΔTe

ΔTs

ΔTxΔTe

dx dx

Casos: Método DTML (II)


Diferencia de temperaturas en la ley de Newton para intercambiadores coaxiales:

Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML, método)

Tarea:

1. Realice el balance energético y deduzca ΔTm.

2. Encuentre la expresión de la ley de Newton para H variable.

(10)

Casos: Método DTML (III)


Diferencia de temperaturas en la ley de Newton para intercambiadores coaxiales:

Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML, método)

Tenga en cuenta:

1. A mayor complejidad: Método del factor F

Método NUT(10)

Casos: Método DTML (IV)

Contra-corriente Vs. Co-corriente (Ejercicio)Se decide elevar la temperatura de un fluido frio de 100 a 200 °C. Para esto se dispone de un segundo fluido a 315 °C, donde su flujo y calor específico son tales que su temperatura de salida es de 260 °C.

¿Qué configuración conduce a la mas baja superficie de intercambio?

Casos: Método DTML (V)

Contra-corriente Vs. Co-corriente (Ejercicio)

260°

315°

200°

100°

315°

260°

200°

100°

ΔTsΔTxΔTe

ΔTs

ΔTxΔTe

dx dx



260°

315°

200°

100°

315°

260°

200°

100°

ΔTsΔTxΔTe

ΔTs

ΔTxΔTe

dx dx

ΔTml ΔTml



Suponiendo a los coeficiente de transferencia de calor idénticos

Ф = H Sco-corriente ΔTml co-corriente = H Scontra-corriente ΔTml contra-corriente

… donde tenemos

ΔTml co-corriente / ΔTml contra-corriente = Scontra-corriente / Sco-corriente

Esto significa una superficie de intercambio a co-corriente 12,3 % mayor que la utilizada por un sistema contra-

corriente.




Laboratorio

Recapitulando

Fluido1 frio

Fluido1 caliente

Co-corriente Contracorriente

Recapitulando

Corrientes cruzadas

Entrada de agua

Colector

Salida de agua

Entrada de agua

Aire

Agua

Vaire

Taire

Tagua

RecapitulandoCapacidad Vs. Tipo Principales configuraciones T&C

Intercambiadores no compactos

< 700 m2/ m3

Intercambiadores compactos

> 700 m2/ m3

Criogénicos

Placas aleteadas

Tubos; Tubos y coraza

Intercambiador de placasDiámetro hidráulico

Capacidad

Caja fija

Caja flotante

Tubos en U

La d

ifere

ncia

de te

mp

era

tura

en

tre lo

s d

os flu

idos a

um

en

ta

Au

men

ta e

l tap

on

am

ien

to

RecapitulandoNúmero de pasos Arreglo de tubos

EntradaEntrada Salida Salida

Nú

mero

de p

asos Flujo

Normal

FlujoInverso

FlujoInverso

FlujoNormal

RecapitulandoGeometrías de baffles

Orificios circulares

Segmentos

Discos y coronas

Barrotes (rod baffle)

Consideraciones para bafles o deflectores

Deben poseer un espaciamiento mínimo de 1/5 del diámetro de la coraza y nos menor a 50.8mm (2in).Espaciamiento máximo esta dado por 74d0.75 (d:diámetro exterior del tubo en in)

Existen diferentes cortes de deflectores identificados como de :

segmento sencillosegmento dobleo de segmento triple

RecapitulandoEvaporadores

Evaporador inundado

Tubosen U

MamparaVapor

Baffle límite

Vapor

Vapor

LíquidoSoportes

Soluciónconcentrada

Evaporador de tubos roseados

Seccióntubular

horizontal

Solucióna evaporar

Carcaza delevaporador

Vapor producido

Soluciónconcentrada

Vapor decalentamiento

RecapitulandoConcentradores

AguaAgua

AguaAgua

Vapor

Vapor

CondensadoCondensado

Venteo

Venteo

RecapitulandoDiferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML)

Este factor de corrección toma el valor de 1 en el caso de un intercambiador contracorriente.

Tenga en cuenta que este es un f

RecapitulandoFactor de corrección (F)

Recapitulando¿Cómo se puede aumentar flux?

• Aumentar el K– Aumentar la convección del fluido

de menor capacidad calorífica• Aumentando Re• Aumentando las perdidas de

carga

• Disminuir el Prandlt

• Aumento de

μ << λ

Concepto de eficacidad y NUTEficacidad

Concepto de eficacidad y NUTEficacidad

Co-corrienteContracorriente

Concepto de eficacidad y NUT

EficacidadLa eficacidad realiza una relación entre el flux real limitado por la longitud del intercambiador y el flux teórico asumiendo longitud infinita.

1. Eficacidad definida por el fluido 1

2. Eficacidad definida por el fluido 2

3. Eficacidad del intercambiador

La eficacidad estará definida por el valor mayor entre ε1 y ε2 .

si…

Concepto de eficacidad y NUT

NUTDenominaremos NUT al Número de Unidades de Transferencia.

si…

Correspondencia entre NUT, ε y matrices de transferencia

Intercambiador Co-corriente

Intercambiador Contracorriente

Dimensionamiento térmico

Lógica para un dimensionamientoDatos

•Velocidades•Temperaturas•Ensuciamiento

•Presión•Propiedades físicas

•Tipo de intercambiador•Configuración•Flujos

Cálculos térmicos•Cálculos geométricos

•Cálculos de transferencia de calor

•Cálculos de pérdidas de presión

Indicadores térmicos

•Carga térmica

•Superficie de intercambio

•Pérdidas de presión

Selección del tipo de

intercambiador

Selección de la geometría

Cálculo térmico del intercambio

¿Potencia y pérdidas

aceptables?

Costeo y cálculos

mecánicos

Modificar los parámetros de

concepción

CálculosDTML

Cálculo para el dimensionamiento de un intercambiador de tubos y coraza para enfriamiento de do-decano (Q1=15 m3/h, Te1=120 °C y Ts1=60 °C) con agua industrial que circula por los tubos a contra corriente (Te2=20 °C y Ts2=30 °C).

Las propiedades físicas del do-decano a temperatura media de 90°C son: ρ = 750 kg/ m3, Cp= 2260 J/(kg.K), λ=0,151 W/(m.K) y μ=7,5 x 10-4 Pa.s.

El intercambiador esta constituido por un juego de 66 tubos en acero dulce de conductividad λ=50 W/(m.K), con relación de diámetros 20/24 mm, con paso triangular normal p=30 mm. Los tubos realizan dos pasos. La coraza tiene un díametro D=337 mm y cuenta con baffles de espesor e=5 mm espaciados con una distancia b=100mm. La altura libre de cada baffle corresponde al 25% del diámetro interior de la coraza.

Determinación de la temperatura media característica a partir de las temperaturas de entrada y salida

Cálculo del ΔTML y del coeficiente correctivo F

Cálculo de la carga intercambiada:

Búsqueda del área de intercambio:

Cálculos

DTMLCálculo para el dimensionamiento de un intercambiador de tubos y coraza para enfriamiento de do-decano (Q1=15 m3/h) de doble paso (Te1=120 °C y Ts1=60 °C) con agua industrial que circula a contra corriente (Te2=20 °C y Ts2=30 °C).


El intercambiador esta constituido por un juego de 66 tubos en acero dulce de conductividad λ=50 W/(m.K), con relación de diámetros 20/24 mm, con paso triangular normal p=30 mm. Los tubos realizan dos pasos. La coraza tiene un díametro D=337 mm y cuenta con baffles de espesor e=5 mm espaceados con una distancia b=100mm. La altura libre de cada baffle corresponde al 25% del diámetro interior de la coraza.

1. Determinación de la longitud Cálculo de la carga intercambiada

Flujo másico del agua industrial

Con Cp2 =4180 J/(kg.K)

Q2=36,5 m3/h con ρ = 1000 kg/ m3,

La relación de velocidades de los flujos sería:

Y la eficacidad del intercambiador estaría dad por:

Coeficiente de corrección , F=0,97

CálculosDeterminación del coeficiente de intercambio h de los fluidos.

Velocidad del agua en los tubos,

Cálculo del número de Reynolds ,

Con μ=8,9 x 10-4 Pa.s y d=20 mm

Utilizando la correlación de Colburn, el coeficiente será:

Con λ=0,607 W/(m.K) y Pr=6,13

Para el cálculo de velocidad del do-decano por la coraza, se busca la sección de paso por los bafles,

La velocidad por la carcaza será,

Cálculo del número de Reynolds con d=24,

Y el número de Nusselt será,

El coeficiente de del costado carcaza será,

CálculosDeterminación del coeficiente de intercambio h de los fluidos.

El inverso del coeficiente de intercambio global estará dado por,

Donde K (H o U) determinará una superficie de intercambio de,

Con ΔTML ,

Determinando una longitud de,

CálculosNTU

Cálculo para el dimensionamiento de un intercambiador de tubos y coraza para enfriamiento de do-decano (Q1=15 m3/h, Te1=120 °C y Ts1=60 °C) con agua industrial que circula por los tubos a contra corriente (Te2=20 °C y Ts2=30 °C).


El intercambiador esta constituido por un juego de 66 tubos en acero dulce de conductividad λ=50 W/(m.K), con relación de diámetros 20/24 mm, con paso triangular normal p=30 mm. Los tubos realizan dos pasos. La coraza tiene un díametro D=337 mm y cuenta con baffles de espesor e=5 mm espaciados con una distancia b=100mm. La altura libre de cada baffle corresponde al 25% del diámetro interior de la coraza.

Para el ejemplo anterior tome una superficie de intercambio S=7,88 m2, para un caudal de do-decano Q1=18m3/h, y se dispone del mismo servicio de agua industrial Te2=20 °C .

Estimación de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2

Cálculo del coeficiente global K

Determinación del NTU y de la eficiencia ε

Cálculo de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2

Iteración

CálculosNTU





Iteración

1.

2.

3.

4.

CálculosNTU





Iteración

5.

6.

7.

8. agua

Consideraciones generales de diseño1. Selección de la trayectoria de flujo.

Dentro del tubo: el más corrosivo , el más sucio o el de más alta presión. En la coraza- líquido de viscosidad elevada o un gas.

2. Códigos de construcción. ASME en su publicación Roules of construction of pressure vessels, Division I proporcionan normas mínimas para la construcción.

3. Vibración de haz de tubos. Mecanismos básicos:-Derramamiento en vórtice-Acoplamiento elástico de fluido-Fluctuación de la presión-Acoplamiento acústico

4. Pruebas: Localizar y reparar fugas principalmente en extremos de tubos




Laboratorio

Feliz Semana de Receso!

• Conceptos teóricos de base• Ejercicios

• Aspectos técnico-económicos

diseño de intercambiadores de calor

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