intercambiadores+de+calor
TRANSCRIPT
1
INTERCAMBIADORES DE CALOR
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
1
CLASIFICACIÓN
• POR EL SENTIDO DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS.– A. PARALELO
– FLUJO EQUICORRIENTE
T0
TL
0 LDistancia desde la entrada
Frío
Caliente
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
2
2
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
) FLUJO CONTRACORRIENTE
Caliente
Frío
T0
TL
0 LDistancia desde la entrada
3
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
•MEZCLADO•NO MEZCLADO
B. FLUJO CRUZADO
Finned-Both FluidsUnmixed
Unfinned-One Fluid Mixedthe Other UnmixedAmbos flujos sin mezclar Un flujo mezclado, otro sin mezclar
4
3
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
) SEGÚN EL DISEÑO
A. INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBOS
Un paso por tubos, uno por carcasa
Salida Tubos
EntradaTubos
SalidaCarcasa
DeflectoresEntradaCarcasa
EntradaCarcasa
Salida Carcasa
Salida Tubos
EntradaTubos
EntradaCarcasa
SalidaCarcasa
EntradaTubos
Salida Tubos
Dos pasos por tubos, uno por carcasa Cuatro pasos por tubos, Dos por carcasa
5
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
A. INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBOS
6
4
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
) B. INTERCAMBIADORES DE PLACAS
CONTRACORRIENTE EQUICORRIENTE
7
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
C. INTERCAMBIADORES COMPACTOS
Caracterizados por relaciones area/volumen elevadas
Tubo Plano
Tubo Circular
Aleta Plana Aleta Circular
Aletas
Placas Paralelas
8
5
9
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
9
• Con Aire– De tubos y aletas
9
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
2.1. Balances de Energía en un Intercambiador
2. ESTUDIO TÉRMICO DEL INTERCAMBIADOR
cm ceT
fm feTcsT
fsT
Volumen de Control fefsfcscec hhmhhm
Si se introduce la aproximación (válida para líquidos y gases a baja presión sin cambio de fase Tch p
fefsfpfcscecpc TTcmTTcm
fefsfcscec TTCTTCq
pcmC Y definiendo Capacidad Térmica del Flujo
10
6
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
3.3. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMISIÓN DE CALOR (U)
Considerando constante el coeficiente global de transferencia de calor a lo largo de todo el intercambiador en cualquier diferencial de área se cumplirá
)( ei TTUAq Coeficiente global de transmisión de calor U:
Definición UA:
cfffcconvcondfconv RRRRRUA
,,,,
1
)( ei TTdAUdq
fría) (corriente ntoensuciamie de aResistenci
caliente) (corriente ntoensuciamie de aResistenci
,
,
ff
cf
R
R
11
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
TABLA DE VALORES REPRESENTATIVOS DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMISIÓN DE CALOR
COMBINACIÓN DE FLUIDOS Km/WU 2
Agua-agua 850-1700
Agua-aceite 110-350
Condensador de vapor (agua en los
tubos)1000-6000
Condensador que funciona con
amoniaco (agua en tubos)800-1400
Condensador que funciona con alcohol
(agua en tubos)250-700
Intercambiador de tubos aleteados
(agua en tubos, aire en flujo cruzado)25-50
12
7
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
) Se define el factor de ensuciamiento (“fouling factor”), que tiene en cuenta la deposición de suciedad, con unidades de resistividad:
W
Kmr
2
f
La resistencia térmica provocada por la capa de ensuciamiento en una superficie A será, por tanto:
Ar
R ff
FACTOR DE ENSUCIAMIENTO
TABLA DE VALORES REPRESENTATIVOS DEL FACTOR DE ENSUCIAMIENTO
FLUIDO WKmrf /2
Agua de mar y agua de alimentación del
evaporador tratada (por debajo de 50ºC) 0.0001
Agua de mar y agua de alimentación del
evaporador tratada (por encima de 50ºC) 0.0002
Agua de río (por debajo de 50ºC) 0.0002-0.001
Fuel oil 0.0009
Líquidos refrigerantes 0.0002
Vapor (comportamiento no oleoso) 0.0001
13
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
2.2. METODOLOGÍA DE LA DMLT.
0 Lx
Hipótesis• Ausencia de Conducción Axial• Propiedades termofísicas constantes• Coeficientes Convección constantes
Balance de Energía
ccconv dTCdq
ffconv dTCdq
Transmisión de Calor
)()( xTxTdAUdq fccond
dqconv,c
dqconv,f
Fluido Caliente
Fluido Frio
Pared
mccpcTcemccpcTcs
mfcpfTfe mfcpfTfs
x=0 x=Lx
dqcond
Intercambiador contracorriente
14
8
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
En un elemento diferencial de área
)()( xTxTUdAdTC fccc
)()( xTxTUdAdTC fcff
2.2. METODOLOGÍA DE LA DMLT.
fcfc
fc
CCUdA
xTxT
xTxTd 11
)()(
)()(
dqconv,c
dqconv,f
Fluido Caliente
Fluido Frio
Pared
mccpcTcemccpcTcs
mfcpfTfe mfcpfTfs
x=0 x=Lx
dqcond
Intercambiador contracorriente
0 Lx
15
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
2.2. METODOLOGÍA DE LA DMLT.
De la ecuación de balance global del intercambiador fefsfcscec TTCTTCq
q
TT
q
TTTT
q
TTTT
CCLfecsfscefefscsce
fc
011
operando
Y sustituyendo 0)()(
)()(TT
q
UdA
xTxT
xTxTdL
fc
fc
dqconv,c
dqconv,f
Fluido Caliente
Fluido Frio
Pared
mccpcTcemccpcTcs
mfcpfTfe mfcpfTfs
x=0 x=Lx
dqcond
Intercambiador contracorriente
0 Lx
16
9
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
2.2. METODOLOGÍA DE LA DMLT.
Integrando desde x=0 hasta x=L
Lx
xL
Lx
xfc
fc dATTq
U
xTxT
xTxTd000 )()(
)()(
0
00
lnln TTq
UA
T
T
TT
TTL
L
xfc
Lxfc
DMLTUA
TT
TTUAq
L
L
0
0
ln
El calor intercambiado se puede expresar en función de la diferencia Media
Logarítmica de Temperaturas (DMLT)
Y despejando
dqconv,c
dqconv,f
Fluido Caliente
Fluido Frio
Pared
mccpcTcemccpcTcs
mfcpfTfe mfcpfTfs
x=0 x=Lx
dqcond
Intercambiador contracorriente
0 Lx
17
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
2.2. METODOLOGÍA DE LA DMLT. Intercambiador contracorriente
dqconv,c
dqconv,f
Fluido Caliente
Fluido Frio
Pared
mccpcTcemccpcTcs
mfcpfTfe mfcpfTfs
x=0 x=Lx
dqcond
DMLTUA
TT
TTUAq
L
L
0
0
ln
T0
TL
0 LDistancia desde la entrada
Tce
TcsTfs
Tfe
fecs TTT 0
Caso Particular:LTT 0 LTTDMLT 0
fsceL TTT
Si sólo se conocen las temperaturas de entrada de ambos flujos, la metodología DMLT requiere un proceso iterativo. 18
10
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
2.2. METODOLOGÍA DE LA DMLT. Intercambiador equicorriente
dqconv,c
dqconv,f
Fluido Caliente
Fluido Frio
Pared
mccpcTcsmccpcTce
mfcpfTfe mfcpfTfs
x=0 x=Lx
dqcond
DMLTUA
TT
TTUAq
L
L
0
0
ln
fece TTT 0 fscsL TTT T0
TL
0 L
x
Misma Expresión que para el flujo contracorriente pero con distintas definiciones para ΔT0 , ΔTL
Si sólo se conocen las temperaturas de entrada de ambos flujos, la metodología DMLT requiere un proceso iterativo. 19
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
GENERALIZACIÓN A OTRAS CONFIGURACIONES
Se generaliza el método de la DMLT a otras configuraciones (intercambiadores de carcasa y tubo, y de flujo cruzado). Para ello se define un factor de corrección F de tal forma que:
),( PRFDMLTDMLT ientecontracorrCORREGIDA
CORREGIDADMLTUAq
)(
)(
)(
)(
11
12
12
21
tT
ttP
tt
TTR
La DMLTcontracorriente se calcula considerando las temperaturas de los flujos como si éstos fueran a contracorriente.
Para cada configuración se dispone de expresiones analíticas o gráficas, que proporcionan el valor de F en función de los parámetros R y P.
T1 T2 t1 t2 se especifica en cada configuración
20
11
FACTOR DE CORRECCIÓN "F"Configuración 1-2
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
P
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1F
R =
0.1
0.2
0.4
0.6
0.811.2
1.41.62346810
R =
20
tubos
carcasatubos
TT
RTT
P
;max
21
22
FACTOR DE CORRECCIÓN "F"Configuración 2-4
P
0 0,2 0,4 0,6 0,8 10,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1F
0.1
0.20.40.6
0.811.2
1.4
1.62346810
R =
20
tubos
carcasatubos
TT
RTT
P
;max
22
12
FACTOR DE CORRECCIÓN "F"Cruzados con mezcla en un fluido
P
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 10,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1F
0.1
0.2
0.4
0.6
0.811.2
1.41.62346
tubos
carcasatubos
TT
RTT
P
;max
23
FACTOR DE CORRECCIÓN "F"Flujos cruzados con mezcla en ambos
P
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 10,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1F
R =
0.1
0.2
0.4
0.6
0.811.52346
R =
8
tubos
carcasatubos
TT
RTT
P
;max
24
13
2.3. METODOLOGÍA DE LA EFICIENCIA. DEFINICIONES
fece TTC
q
q
q
minmax
Eficiencia: Calor intercambiado respecto al calor máximo transferible por un intercambiador en contracorriente.
Cc Tce
TcsCf
Tfs
TfeCc=(m Cp)c
Cf=(m Cp)f
NTU: Número unidades de transferencia: UA del intercambiador respecto a la capacidad mínima de transferencia de calor de ambas corrientes.
minC
UANTU
Capacidad mínima de transferencia de calorde ambas corrientes.
),min(min fc CCC
),,( tipoCNTUf r
Existe para cada tipo de intercambiador una relación específica entre dichas variables
25
T1(x)
T2
Para un intercambiador donde uno de los flujos se mantiene a temperatura constante (cambio de fase o fluidos de gran capacidad calorífica: aire atmosférico, agua de mar, etc.): )(11 xTT cteTT 2
1111 ))(( TdCpmxTTAdUdq cte
111
1
))(( Cpm
dAU
TxT
Td
cte
111_
1_
)(
)(ln
Cpm
AU
TT
TT
cteent
ctesal
11)( 1_1_Cpm
AU
cteentctesal eTTTT
11 Cpm
AUNTU
En este caso Cmín es (m1Cp1) ya que la otra corriente tiene capacidad infinita
)( 1_1_11 entsal TTCpmq
)( 1_11max entcte TTCpmq
NTU
entcte
entNTU
cteentcte
entcte
entsal eTT
TeTTT
TT
TT
q
q
1
)(
)(
)(
)(
1_
1_1_
1_
1_1_
max
2.3. METODOLOGÍA DE LA EFICIENCIA.
14
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
0 Lx
dqconv,c
dqconv,f
Fluido Caliente
Fluido Frio
Pared
mccpcTcemccpcTcs
mfcpfTfe mfcpfTfs
x=0 x=Lx
dqcond
contracorriente
ccCpmC min ff CpmC max
Supongamos (en caso contrario sería análogo)
)(
)(ln
)()()(
fecs
fsce
fecsfscecscecc
TT
TT
TTTTUATTCpmq
)(
)()(
)(
)(ln
csce
fecsfsce
fecs
fsce
TT
TTTTNTU
TT
TT
La ecuación de transferencia de calor en un intercambiador a contracorriente era:
Que podemos reorganizar como:
2.3. METODOLOGÍA DE LA EFICIENCIA.
27
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
0 Lx
dqconv,c
dqconv,f
Fluido Caliente
Fluido Frio
Pared
mccpcTcemccpcTcs
mfcpfTfe mfcpfTfs
x=0 x=Lx
dqcond
ccCpmC min ff CpmC max
Supongamos (en caso contrario sería análogo)
csce
fefs
ff
cc
TT
TT
Cpm
Cpm
C
CCr
max
min
csce
fefscsce
TT
TTTTCr
)(1
De la relación de capacidades caloríficas y con el balance global en el intercambiador
Operando
CrNTUTT
TT
fecs
fsce
1
)(
)(ln
La ecuación de transferencia de calor en un intercambiador a contracorriente será:
)(
)()(
)(
)(ln
csce
fecsfsce
fecs
fsce
TT
TTTTNTU
TT
TT
contracorriente2.3. METODOLOGÍA DE LA EFICIENCIA.
28
15
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
dqconv,c
dqconv,f
Fluido Caliente
Fluido Frio
Pared
mccpcTcemccpcTcs
mfcpfTfe mfcpfTfs
x=0 x=Lx
dqcond)(
)(
)(
)(
minmax fece
csce
fece
cscecc
TT
TT
TTC
TTCpm
q
q
fece
fecs
TT
TT
1
De la definición de eficiencia
Operando
fece
fsce
csce
fefs
fece
csce
TT
TT
TT
TT
TT
TTCr
11 Haciendo uso de
fecs
fsce
TT
TTCr
1
1
Cr
De donde
CrNTUTT
TT
fecs
fsce
1
)(
)(ln
La ecuación de transferencia de calor en un intercambiador a contracorriente será:
CrNTUCr
11
1ln
Siendo esta la relación existente para este tipo de intercambiadores
contracorriente2.3. METODOLOGÍA DE LA EFICIENCIA.
29
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
Equicorriente Contracorriente
Para cualquier intercambiador se han desarrollado expresiones analíticas
para poder calcular la eficiencia o la NTU en función de las otras variables,
normalmente utilizadas en forma gráfica:
tipo),C
Cf(NTU,
max
min
RELACIONES GRÁFICAS PARA DIFERENTES CONFIGURACIONES
30
16
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
Carcasa y tubos:1 paso por carcasa y
múltiplo de 2 por tubos
Carcasa y tubos:2 paso por carcasa y
múltiplo de 4 por tubos
RELACIONES GRÁFICAS PARA DIFERENTES CONFIGURACIONES
31
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
Flujo cruzado:ambas corrientes sin mezclar
Flujo cruzado:una corrientes mezclada
y la otra sin mezclar
RELACIONES GRÁFICAS PARA DIFERENTES CONFIGURACIONES
32
17
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
Formulas Efectividad Intercambiadores
NOTA: La formula 11.31a se usa junto a la formula 11.30a con la salvedad de que NTU1 ES NTU/n donde n son los pasos por carcasa 33
TE
MA
1. I
NT
ER
CA
MB
IAD
OR
ES
. (2h
)
Formulas Efectividad Intercambiadores
Configuración Ecuación
Tubos Concentricos
Equicorriente
Contracorriente
Carcasa y Tubos
Un paso por carcasa(2, 4, 6, 2n,….) pasos por tubo
N pasos por carcasa(2n, 4n,….) pasos por tubo
Flujo Cruzado (Monopaso)
Cmax (mezclado) Cmin (Sin mezclar)
Cmin (mezclado) Cmax (Sin mezclar)
Intercambiadores de una Corriente (Cr=0)
34