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Equipos de Transferencia de Calor
Prof. Jesús F. Ontiveros
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Equipos de Transferencia de Calor
ClasificaciónEtapas del Dimensionamiento
Coeficiente de PelículaEnsuciamientoCaída de Presión
Rating o EvaluaciónLMDT vs. NTU
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Clasificación
Según su función[1,2]
EvaporadoresCalentadores Enfriadores Intercambiadores Refrigeradores Condensadores Rehervidores SobrecalentadoresCalderas
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ClasificaciónSegún el proceso de Transferencia[3]
Contacto Directo Contacto Indirecto
Según la geometría de construcción[3]
Tubos Platos Superficies Extendidas
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ClasificaciónSegún el arreglo del flujo[3]
Paralelo Contracorriente Flujo Cruzado
Según el mecanismo involucrado[3]
Monofásico Evaporación Condensación
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Intercambiadores Tubulares
Doble Tubo[2,3]
•Se usa cuando el área de intercambio es menor a 50m
2
•Configuración adecuada para manejar fluidos a altas presiones.
•Arreglos en serie y en paralelo
•Adición de aletas en tubo interno
Int. Multitubo
× Costosos× Díficiles de limpiar por el lado tubo
×Ocupan mucho espacio
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Intercambiadores Tubulares
Coraza y Tubo[2,3]
•Intercambiador más utilizado en la industria de procesos
•Áreas entre 50 y 700m2.
•Mayor rigurosidad en el diseño “T.E.M.A.”
Int. Coraza y Tubo tipo AES
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Intercambiadores Tubulares
Características Geométricas Coraza y Tubo
Corazas : D entre 8 y 48 pulgadasTubos : D ¾ y 1 pulgada Longitud : 8,10,16,20 pies
Espiral[3]
•Condensadores y evaporadores coaxiales
•Fluidos Limpios
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Intercambiadores de Plato
Intercambiador de Placas y Juntas[3,4]
•Áreas de hasta 2000m2.
•Presiones de hasta 350psi(25bar) y T inferiores a 250ºC•Amplia aplicación en la industria de alimentos.
CompactosFáciles de Limpiar
AccesibilidadFlexibilidadEconomía
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Intercambiadores de Plato
Lamelar•Estructura similar a un coraza y tubo 1:1
2.•Áreas de hasta m•Presiones de hasta 500psi(35bar) y T inferiores a 500ºC•Poco ensuciamiento
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Intercambiadores de PlatoEspiral
•Áreas de hasta 500m2.
•Presiones de hasta 220psi(15bar) y T inferiores a 500ºC
Tipo I Tipo II
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Intercambiadores de Superficie Extendida
Tubos Aletados[3]
•Calentamiento, refrigeración, sistemas de aire acondicionado, intercambiadores de aire.
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Etapas del Dimensionamiento
Definición del Problema
Selección del Tipo de Intercambiador
Selección de un conjunto tentativo de parámetros de diseño
Cálculo del Desempeño Térmico Cálculo de la Caída de Presión
EvaluaciónNo
Si
¿Con qué materiales?Diseño mecánico de cada pieza
¿Cuánto cuesta?
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Coeficiente de PelículaAnálisis de las Resistencias Involucradas
Geometría Tubular
Geometría Placas
Simplificaciones¿Cómo determinar “h”?
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
+⋅
=
o
ie
e
i
e
i hkr
rr
rr
h
U
1ln
1
1
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+
⋅∆⋅
+⋅
=
o
e
i
e
i hAkxA
AA
h
U11
1
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Coeficiente de PelículaCorrelación Ecuación Restricciones
Correlación de Prandtl
Régimen Turbulento. Tuberías Circulares.
Correlación de Gnielinski
10000<Re<5000000, 0.5<Pr<200Tuberías Circulares
CorrelaciónModificada de Dittus-Boelter
0.5<Pr<1; Re>5000. Gases. Tuberías Circulares
Correlación de Sieder- Tate
0.48<Pr<16700Régimen Laminar
Líquidos. Tuberías Circulares
--- L/D>60 , Pr>0.6Régimen Turbulento
Líquidos. Tuberías Circulares
--- 30<L/D<120 , 7000<Re<300000
Régimen TurbulentoAire. Tuberías Circulares
( ) ( )1Pr2/7.81PrRe)2/(
5.0 −⋅⋅+⋅⋅
=f
fNu
( ) ( )1Pr2/7.1207.1PrRe)2/(
3/25.0 −⋅⋅+⋅⋅
=f
fNu
14.03/1PrRe86.1 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅⋅⋅=
wLdNu
µµ
5.08.0 PrRe023.0 ⋅⋅=Nu
14.03/18.0 PrRe023.0 ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅⋅⋅=
wNu
µµ
55.01
01
PrRe023.0 4.08.0
−=→>
=→<
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅⋅⋅=
nTTw
nTTw
TTNu
nw
2)28.3ln(Re)58.1( −−⋅=f
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EnsuciamientoDefinición
Categorías [3]
Particulado
Biológico
Corrosión
Cristalización
Químico
Primer día de operación
Tiempo después
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EnsuciamientoA nivel de cálculo : A nivel práctico
outiD
Di
o
D
RRR
Rhorhi
rU
n+=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++
⋅=
11
Rating
Disminución del calor transferido
Tiempo
T2
t2
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Caída de Presión¿Por qué es importante la caída de presión
que genera un intercambiador?
Costos de bombeo
Fluido Caída de Presión Disponible (psi/kPa)
Gas alta presión 5-10 / 34.46-68.92Gas baja presión 2-5 /13.79-34.46Gases a presión
atmosférica0.5-2 /3.44-13.79
Aplicaciones al vacío <0.5 / <3.44Líquidos 10 / 68.92
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Referencias[1] Perry. “Manual del Ingeniero Químico”. Sexta
Edicion. Mc Graw-Hill. (1997). Pág. 11-3 y ss, 10-24 y ss.
[2] Kern, D. “Process Heat Transfer”. Mc Graw-Hill (1950). Pág. 102 y ss, 127 y ss., 221 y ss.
[3] Kakaç, S. & Liu, H., “Heat Exchangers, Selection, Rating and Thermal Design”. Department of Mecanical Engineering, University of Miami. CRC Press. (1995). Pág. 53 y ss
[4] Carlson, J., “Understand the Capabilities of Plate-and_Frame Heat Exchangers”. Chemical Engineering Progress., 26-31 July 1992.