INTERCAMBIADOR DE CALOR

INTERCAMBIADOR DE CALORTransferencia de Calor Ing. El Guayn Huaccha

CALCULO ENERGTICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALORSumarioEl presente trabajo tiene como fin realizar el clculo desde el punto de vista de la energa de un equipo muy ampliamente usado en la industria, como lo es el intercambiador de calor. Para tal fin se har uso de ecuaciones de balance energtico as como las ecuaciones que gobiernan el estudio de la transferencia de calor (esencialmente las ecuaciones de conveccin).Con ello se obtendr, para ciertos datos de entrada de las sustancia de trabajo (como de temperatura y presin, caudal msico), los valores de salida de temperatura y presin de la mismas.

1. GENERALIDADES:1.1. Introduccin

Probablemente una de las aplicaciones ms usuales que presentan los principios de la transferencia de calor se encuentra en el diseo de equipo y seleccin de los mismos, con el fin de cumplir con cierto objetivo que plantea la ingeniera.

Aun cuando pueda parecer que los problemas que intervienen en el diseo completo de un intercambiador de calor son mltiples y de carcter muy diverso, la metodologa para predecir el comportamiento trmico es relativamente sencilla.

El uso de los intercambiadores en los procesos industriales es amplio.

Se usa tanto para la calefaccin de locales y el acondicionamiento de aire, produccin de potencia, refrigeradores domsticos, radiadores de diversos automviles, recuperacin de calor de desecho y en los procesos qumicos.

En este trabajo solo se har nfasis en el estudio trmico de un tipo especial de intercambiador de calor.

A continuacin se trata de dar a conocer algunos aspectos relevantes de los tipos de intercambiadores de calor que son tiles en las industrias

1.2. Objetivos del Proyecto

Objetivo general: Calculo energtico del intercambiador de calor de un compresor industrial de aire tipo Sullair.

Objetivo Especfico: Determinar el caudal msico de aire necesario para el enfriamiento de aceite. Determinar el valor de la temperatura de salida del aire

2. DESARROLLO DE LA SOLUCION DEL PROBLEMA

2.1. Fundamentacin Conceptual

El desarrollo de los intercambiadores es diverso existiendo una amplia gama de tamaos y tecnologa, adaptndose a las necesidades que ocurren en los procesos industriales. Los tipos comunes de intercambiadores se estn utilizando en casi todos los campos de Transferencia de Calor.

Las aplicaciones que los intercambiadores de calor es inmensa siendo las ms resaltantes las siguientes:

Industria petrolera, condensacin de hidrocarburos. Industria azucarera, evaporacin de jugo de caa Industria alimenticia, bsico para la industria de pasteurizacin de lquidos, enfriamiento de bebidas. Refrigeracin, enfriamiento de productos por evaporacin de refrigerante, condensacin del refrigerante. Industria minera, para enfriamiento de soluciones que se usan en minera Industria del acero, enfriamiento de coladas continas. Industria azucarera, evaporacin de jugo de caa. Industria del aceite, en enfriamiento y calentamiento de aceite vegetal.

Los intercambiadores de placas estn desplazando a los clsicos de carcasa tubos y de tubos concntricos, por su versatilidad y funcionalidad.

En las calderas y los condensadores, es de fundamental importancia la Transferencia de Calor por ebullicin y condensacin. En otros tipos de intercambiadores, como las torres de enfriamiento, el flujo de agua se enfra mezclndola directamente con el fluido de aire. Esto es, el agua se enfra por conveccin y vaporizacin, al pulverizarla o dejarla caer en una corriente (o tiro) inducida de aire.

El anlisis de un intercambiador desde el punto de vista trmico no es el nico que se requiere para el diseo de un equipo como este .El diseo real de un intercambiador de calor es un problema mucho ms complejo que el anlisis de la Transferencia de Calor porque en la seleccin del diseo final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamao y las condiciones econmicas.

Dentro de la categora de intercambiadores tenemos los siguientes:

REGENERADORES.Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a travs del mismo espacio seguido de uno fro en forma alternada, con tan poca mezcla fsica como sea posible entre las dos corrientes. La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energa trmica, es muy importante en este dispositivo. Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y del fluido de las corrientes fluidas, y con la geometra del sistema, son cantidades que deben conocer para analizar o disear los regeneradores. INTERCAMBIADORES DE TIPO ABIERTO.Son dispositivos en los que las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cmara abierta, y ocurre una mezcla fsica completa de las corrientes. Las corrientes caliente y fra que entran por separado a este intercambiador salen mezcladas en una sola. El anlisis de los intercambiadores de tipo abierto involucra la ley de la conservacin de la masa y la primera ley de la termodinmica; no se necesitan ecuaciones de relacin para el anlisis o diseo de este tipo de intercambiador. INTERCAMBIADORES DE TIPO CERRADO O RECUPERADORES.Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre s. Las corrientes de fluido que estn involucradas en esa forma estn separadas entre s por una pared de tubo, o por cualquier otra superficie que por estar involucrada en el camino de la transferencia de calor. En consecuencia, la transferencia de calor ocurre por la conveccin desde el fluido ms cliente a la superficie slida, por conduccin a travs del slido y de ah por conveccin desde la superficie slida al fluido ms fro.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES.Clasificacin por la distribucin de flujo. En la distribucin de flujo en paralelo, los fluidos caliente y fro, entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a travs de l en la misma direccin y salen por el otro extremo.

En la distribucin en contracorriente, los fluidos caliente y fro entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.

En la distribucin en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido. En la distribucin en flujo cruzado de paso mltiple, un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.

Clasificacin segn su aplicacin.Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el trmino generador de vapor para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo caliente en vez de los productos de la combustin a temperatura elevada. Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso qumico y plantas elctricas nucleares para vehculos espaciales. Los tipos principales son los condensadores de superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos.Intercambiadores de calor de coraza y tubos: Las unidades conocidas con este nombre estn compuestas en esencia por tubos de seccin circular montados dentro de una coraza cilndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza. Los intercambiadores de calor lquido-lquido pertenecen en general a este grupo y tambin en algunos casos los intercambiadores gas-gas. Torres de enfriamiento: Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en la atmsfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo en el agua de un ro, un lago o en el ocano.Los tipos ms comunes son las torres de enfriamiento por conveccin natural y por conveccin forzada. Intercambiadores compactos de calor: La importancia relativa de criterios tales como potencia de bombeo, costo, peso y tamao de un intercambiador de calor vara mucho de una instalacin a otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar tales criterios con respecto a la clase de aplicacin. Radiadores para plantas de fuerza espaciales: La remocin del calor sobrante en el condensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para la propulsin, el comando y el equipo de comunicaciones de un vehculo espacial presenta problemas serios an en plantas que generan slo unos pocos kilovatios de electricidad. EFECTIVIDAD DE UN INTERCAMBIADOR.La efectividad de transferencia de calor se define como la razn de la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la mxima transferencia posible, si se dispusiera de rea infinita de transferencia de calor. A la mayor razn de capacidad se le designa mediante C y a la menor capacidad mediante c. En el caso del contra flujo, es aparente que conforme se aumenta el rea del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la temperatura de entrada del fluido mximo en el lmite conforme el rea se aproxima al infinito.En el caso del flujo paralelo, un rea infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos sera la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto.Para dichos clculos se encuentran expresiones aritmticas que expresan la transferencia de calor lograda, por diferentes tipos de intercambiadores de calor.FORMAS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR

CONDUCCIN.La Transferencia por conduccin a travs de un medio conductor, se produce desde una regin de alta temperatura hasta una regin de baja temperatura. El calor transferido es directamente proporcional al rea de las paredes que son normales al flujo de calor, a la diferencia de temperaturas en las paredes e inversamente proporcional al espesor de la pared. Entonces se tiene:

Donde:Q = flujo de calor [w]A = rea de paredes normales al flujo de calor [m ]K = conductividad trmica [w/ m K]Tint = temperatura de la superficie interior de la pared [C]Text = temperatura de la superficie exterior de la pared [C]L = espesor de la pared [m]

CONVECCIN.La conveccin es una forma de Transferencia de Calor en la que un fluido est en contacto con una superficie que tiene una temperatura diferente. Cuando una pared caliente est en contacto con un fluido fro, con el transcurso del tiempo, ste se calienta por conduccin hacindose menos denso, por lo que el fluido ms caliente se eleva, remplazndolo uno ms fro, volvindose el proceso iterativo.El flujo de calor para la conveccin viene dado por la conocida ley de enfriamiento de Newton:

Donde:Q = calor transferido por la superficie al fluido (W)h = coeficiente de conveccin de Transferencia de Calor (W/m2 K)A = rea de superficie de contacto (m2)Ts = temperatura en la superficie ( C)T = temperatura del fluido circundante (C)

Grupos AdimensionalesLos grupos adimensionales que se utilizan en la Transferencia de Calor por conveccin bsicamente son los siguientes:

Donde:Re nmero de Reynolds.Pr = nmero de Prandtl.Nu = nmero de Nusselt.U= densidad del fluido, [Kg/m ]V= velocidad media del fluido, [m/s]P= viscosidad dinmica del fluido, [kg/m*s]Cp = calor especifico del fluido, [w*s/kg*C]k = conductividad trmica, [w/m*C]h = coeficiente de Transferencia de Calor por conveccin, [w/m *C]D = dimetro de la tubera, [m]L = longitud, [m]E = coeficiente de dilatacin trmica del fluido, [m/s *C]

ANLISIS TRMICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR.

Cuando se realiza el estudio desde el punto de vista energtico de un intercambiador de calor el principal objetivo es el de ser capaces de expresar la cantidad total de calor transferido, q, del fluido caliente al fluido fro, en trminos de un importante coeficiente que caracteriza la transferencia de calor por conveccin, es el llamado coeficiente global de transferencia de calor. El rea de transferencia de calor A, y las temperaturas de entrada y salida de los fluidos caliente y fro tambin son vitales para tal objetivo.

Basndonos en la ley de conservacin de la energa, tenemos:

Expresndolo matemticamente:

: Flujo msico del fluido caliente : Calor especfico del fluido caliente,: Temperatura de entrada del fluido caliente: Temperatura de salida del fluido caliente: Flujo msico del fluido fro: Calor especfico del fluido fro,: Temperatura de entrada del fluido fro: Temperatura de salida del fluido froDescripcin Procedimental y solucin del problemaEl problema planteado consiste en realizar el anlisis trmico de un intercambiador de calor de un compresor industrial Sullair. Dicho intercambiador sirve para enfriar aceite para lubricacin (el fluido circula por este equipo), por medio de una corriente de aire frio que circula transversalmente al flujo del aceite. La corriente de aire es generado por medio de un ventilador grande. La corriente de aire incide sobre el intercambiador a una temperatura promedio de 20 C. Mientras que el aceite de lubricacin ingresa al intercambiador a una temperatura de 85 C y sale una temperatura de 78 C. Adems se tiene de conocimiento que el aceite proveniente de un motor que permite la compresin del aire, fluye a razn de 50 kilogramos por segundo. Lo que se desea determinar es el flujo msico de aire necesario para obtener las condiciones de temperatura del aceite y comprobar el calor que disipa dicho intercambiador, con los datos de placa que se tiene. Estos datos fueron proporcionados por el molino de arroz donde se emplea el equipo.

Datos Geomtricos del intercambiador de calor:L = 0.71 mN tubos = 32h = 0.52 me = 1 mmMaterial: NquelNmero de filas: 32K =

Especificaciones de los conductos:

Las longitudes estn dadas en milmetrosDatos trmicos del intercambiador de calor:c = 50 kg/s Tce = 87 CTfe= 20CTcs = 76 C

Deseamos determinar: f =? Tfs =?

HIPOTESIS:

1. Transferencia de calor insignificante entre el intercambiador y los alrededores.2. Cambios de Energa Cintica y Potencial despreciables. 3. No existen cambios de fase.4. Propiedades Fsicas constantes.5. Rgimen Permanente.

PROCEDIMIENTO DE CLCULO:

En el siguiente procedimiento se encontrar la cantidad de vapor necesario (), as como la temperatura de salida de la misma TCS , puesto que se tienen como datos iniciales , , TFE, TFE . El anlisis es para un flujo en contracorriente.

Por lo que procederemos al anlisis energtico.

Procedimiento de clculoa. Calculo de parmetros Dimetro hidrulico ()

Donde: : rea de paso : Permetro humedecido de todos los conductos ms la parte de la carcasa (superficie interna)

Donde:d: distancia entre conductos: Numero de tubos

Tenemos tambin =32x2x (0.00635+0.71)=45.85 m

0.01259 m

a. rea de paso externa

0.144

b. rea de paso interna

Clculo de superficie externa de transferencia de calor

=2.9536

Clculo de superficie interna de transferencia de calor

c. Balance de energa

Asumiendo

Adems asumimos

Calculamos las propiedades fsicas del fluido interno (aceite caliente) Analizando el fluido interno (caliente)Las propiedades: , De modo que:

De tabla, interpolando encontramos los siguientes resultados (texto Holman) A :

3532.131852.020.3750.138

354.52.1376851.120.36210.13715

3732.219840.010.2030.137

CALCULANDO EL COEFICIENTE DE CONVECCIN INTERNA

Donde : Velocidad media (dentro del tubo): Densidad del fluido: rea de paso interna

CALCULO DEL NMERO DE REYNOLDS:

CALCULO DEL NUMERO DE NUSSELT ()Para flujo laminar473.95CORRELACIONES EMPRICASa. Condicin:-flujo turbulento-temperatura superficial constante-completamente desarrollado-Reemplazando datos en la correlacin emprica, tenemos:A

Tenemos: b.

98.79Entonces:

De lo anterior tenemos:

Ahora asumiendo

120.22Entonces:

De lo anterior tenemos:

81,5-((B10*B45*(B11-B12))/(B75*B35))

Que es un valor razonable comparado con el supuesto

Analizando el fluido externo (aire fro)

Primera iteracinAsumiendo De modo que

Utilizando tablas A e interpolando

2501.0061.3947159.622.3

2951.00691.1847182.125.9

3001.0071.1614184.626.3

De tablas tenemos: Pr=0.7083BALANCE DE ENERGIA

1150.17

Que es el coeficiente de conveccin exterior del tubo

Ahora, sabemos que:

Donde LMTD representa en castellano diferencia de Temperatura Media Logartmica.

Calculo de

Ahora para el fluido caliente

De aqu se deduce que el valor de debe aumentar para aproximarnos al valor real de Segunda iteracinAsumiendo De modo que

Utilizando tablas A e interpolando.

3001.0071.1614184.626.3

3081.007321.1348188.37626.892

3501.0090.9950208.230

De tablas tenemos: Pr=0.707BALANCE DE ENERGIA

Que es el nuevo coeficiente de conveccin exterior del tubo

Nuevamente aplicamos:

Calculo de

Ahora para el fluido caliente

Teniendo as que para el valor de temperatura de salida el valor de calculado tericamente se asemeja bastante al dado por la placa.

III.-RESULTADOS OBTENIDOS

De acuerdo al anlisis realizado, el caudal msico del aire que sirve para enfriar el aceite debe ser igual a o cercano a .As tambin la temperatura de salida del aire tiene una valor de .

Realmente en el molino de arroz donde se emplea el intercambiador analizado no se tiene mucho conocimiento acerca del caudal necesario del aire para enfriar el aceite, pero de acuerdo a la temperatura obtenida cuyo valor es correctamente aceptable (con un pequeo error), debe suceder que el valor obtenido del caudal es aproximado al que se tiene realmente.

IV.-CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS En la realidad surge la necesidad de redisear los sistemas que sirven ya sea para el enfriamiento o calentamiento de determinado fluidos de trabajo que sirven para diversos procesos de la industria. En este caso la importancia que tiene el conocimiento del procedimiento de clculo de un sistema energtico como lo es el intercambiador de calor s de vital importancia para los ingenieros.

Se sugiere, adems de los clculos realizados de manera analtica, estos sean corroborados por medio de la simulacin del sistema (intercambiador) con cualquier software especializado en temas de simulacin de fluidos y que incorpore transferencia de calor.

VI.-BIBLIOGRAFIA

1. Transferencia de Calor, Holman, J.P, Cecsa, Mxico, 1995,6ta ed. Pg. 253-2822. Principios de Transferencia de Calor, Kreith, J.P,Herrero, Hermanos, Mxico, 1970,1ra ed. Pg. 524-551.3. Frank P. Incropera, David P. De Witt. FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Cuarta Edicin, 1999.4. J. P. Holman. TRASFERENCIA DE CALOR. Octava Edicin, 1998.5. Donald Q. Kern PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Trigsima primera reimpresin. Mxico, 1999

UNT Ingeniera MecnicaPgina 2