13/10/2021

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Curso de experto en climatización

Profesor: Juan Alberto Alarcón

Tema: Intercambiadores de calor de placas3.6 Tecnología en el mercado

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Intercambiadores de calor de placas

0. Introducción

1. Principio de funcionamiento

2. Ecuaciones de intercambio de calor

3. Propiedades termodinámicas de los fluidos

4. Adimensionales

5. Factor de ensuciamiento y sobredimensión

6. Intercambiadores de placas y juntas. Tipos de placas

7. Intercambiadores de placas y juntas. Tipos de bastidores

8. Normas de fabricación. Certificados aparatos a presión

9. Intercambiadores de placas Termosoldados

10. Aplicaciones más comunes en climatización. Programa de cálculo

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ESPIRALES

CARCASA Y TUBOS(Tubulares)

INTERCAMBIADORES

DE PLACAS

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INTERCAMBIADORES DE PLACAS

o Alta eficiencia térmica

o Bajo ensuciamiento

o Diseño compacto y modular

o Facilidad limpieza y mantenimiento

(juntas)

o No válido para altas presiones y

temperaturas (juntas)

o No adecuado para fluidos con

sólidos/depósitos (salvo diseños

especiales)

o Menor eficiencia térmica

o Mayor peso/volumen

o Muy robusto, válido para altas

presiones/temperaturas

o Gran versatilidad según la tipología

o Válido para servicios sucios, con

depósitos

o Apto cambio de fase (evaporadores).

TUBULARESVS

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¿CUÁNDO UN INT. PLACAS?

o Cruce de Temperaturas

o Material de construcción muy caro

(Titanio, Duplex, etc). Sólo placas y

conexiones

o Limitaciones de espacio (diseño

muy compacto)

o Limpieza frecuente requerida

SERVICIOS TÍPICOS:

o Industria alimentaria (leche,

cerveza, etc)

o Climatización: calefacción, aire

acondicionado, etc

o Enfriamiento con agua de mar, agua

río, etc

Motores de barcos

Ciclos combinados y cogeneración

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Termosoldados

Placas y Juntas

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1. Principio de funcionamiento

Flujos paralelos o cruzados, siempre en CONTRACORRIENTE

El caudal total se distribuye en un número calculado de canales, cada canal formado por dos placas y con la misma pérdida de carga.El intercambio de calor se produce en cada canal.Las juntas permiten o no, el paso del fluido a el canal.

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Flujos paralelos

Flujos cruzados

Siempre contracorriente

50ºC

70ºC

60ºC

90ºC

60ºC

70ºC

50ºC

90ºC

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2. Ecuaciones de intercambio de calor

Salto Térmico Temperatura Media Q

∆t tm m3/h

1º 30 75 26,78

2º 20 60 39,92

Diferencia de temperatura logarítmica media

Eficiencia Térmica

MTD =

10

20

5

15

0

5

5 DTLM = 5

� =��

��= ��%

2012,5

5� =

�, �

��= �, �%

0

7,5

20

0

10 � =��

��= ��%

Superficie de intercambio ∞

Conectar un intercambiador de placas enequicorriente es un grave error ya quenunca se obtendrá la eficiencia que setiene conectándolo en contracorriente

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Longitud de intercambio Térmico

ϑ1 = NTU1 = ∆t1 / DTLM = 30 / 14,4 = 2,08

ϑ 2 = NTU2 = ∆t2 / DTLM = 20 / 14,4 = 1,38

P = A . U . MTD = S . Ks . DTLM Ks = Coeficiente de transmisión global de servicio

P = (S m2) . Ks (W/m2 . °K) . DTLM (°K)

P = 10,46 . 6038,7 . 14,43 = 911.468 W ≈ 912 kW

P = P1 = P2

P = m. Cp . ∆t m= caudal másico Kg/h

P = Q (m3/h) . ρ (kg/m3) . Cp (kJ/kg °k) . ∆t = kJ/h

P1 = 26,78 . 975 . 4,19 . 30 = 3.282.089 kJ/h ≈ 912 kW

P2 = 39,92 . 983 . 4,18 . 20 = 3.280.577 kJ/h ≈ 912 kW

Potencia de intercambio

P = m . Cp . ∆t ; P = S . Ks . DTLM

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100

1

99

0

1

1 DTLM = 1

� =�

=

DTLM

∆T

� =�T

�� �� = 0,1, 0,2…….20

fabricante

100

5

95

0

5

5 DTLM = 5

� =��

= �

80

60

60

40

20

20 DTLM = 20

� =����

= �

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PPPPPP3. Propiedades termodinámicas de los fluidos

1cP= 1 mPa . s Valor que se utiliza en nuestro programa

El cálculo se realiza a las temperaturas medias entre la entrada y la salida y en la viscosidad se considera, además, la temperatura pared.

ν =viscosidad cinemática =

Densidad

Calor específico

Conductividad

Viscosidad, inverso de la fluidez

Conversión de viscosidades

μ =

1 Poise=1P=100cP=0,1Pa.s

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Viscosidad media y viscosidad pared

80 ºC 30 ºC Fluido Viscoso

40ºC 20 ºC Agua

Fluido 1

Viscosidad Media a tM = = 55ºC

Fluido 2

= 55ºC

= 30ºC

= 30ºCViscosidad Pared a tW =

Viscosidad Media a tM =

Viscosidad Pared a tW =

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4. Adimensionales

Nu = St . Re . Pr

Re =Reynold, determina la característica del flujo (laminar o turbulento)

Pr =Prandtl, propiedades físicasdel fluido

ϑ= longitud térmica

j = relación entre pérdida de carga y transferencia de calor. Colburn, j-factor

St = f (Re, Pr) = relación de ∝(convección) con Re y Pr

Nu = Transmisión por convección. Transferencia de calor de una superficie plana a un fluido en movimiento ⬆ V ⬆ ∝

-

-

-

-

-

-

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• Factor de ensuciamiento: tiene como finalidad prever un área adicional calculadapara compensar la pérdida de transferencia de calor cuando el intercambiador seensucia. Factor de ensuciamiento dependerá del fluido 20-80%

• Sobredimensionamiento: se calcula la necesidad de área de intercambio de calor,para ello no se tiene en cuenta ningún ensuciamiento y posteriormente sesobredimensiona dicha área. Sobre dimensión típica 0-20%

1 / Ks = 1 / α1 + 1 / α2 + δ / λ + ff

1 / Ks = 1 / KL + ff

� = espesor placa, m

P = S . Ks . DTLM

Ks: Coeficiente de transmisión global de servicio.

α1: Coeficiente de convección entre fluido 1 y la superficie de transmisión.

α2: Coeficiente de convección entre la superficie de transmisión y el fluido 2.

� / λ: Coeficiente de transmisión característico de la placa. Conducción.

ff: Factor de ensuciamiento.

%: Sobredimensionamiento.

KL: Coeficiente de transmisión global limpio.

5. Factor de ensuciamiento y sobredimensionamiento

Ks …. ff …. %

KL …. ff = 0

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6. Tipos de placas.Estampaciones

Tipo Descripción

L Ángulos agudos (30ºC) Poca capacidad de intercambioBaja pérdida de carga

H Ángulos obtusos (120ºC) Gran capacidad de intercambioGran pérdida de carga

M Mezcla de L+H

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Tipo de combinaciones Descripción

L Todas placas tipo L

H Todas placas tipo H

M Combinación placas 50 % L+H

LH Combinación placas L, H en función del %

LM Combinación placas L, H en función del %

MH Combinación placas L, H en función del %

UFP301/402-LM85-IS10

M:342 L:171 H:171

L:60

TOTAL: L: 231 H: 171

6. Tipos de placas.Combinaciones de placas

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Intercambiadores de placas Fluido entre placas

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Materiales Placas

Espesores

AISI 304 0.4 / 0.5 / 0.6 mm

AISI 316 0.4 / 0.5 / 0.6 mm

TITANIO 0.4 / 0.5 / 0.6 mm

Tipo Conexionado Materiales Normativa

ROSCADAS AISI 316TITANIO

Americana (INCH)

EMBRIDADAS FORRO GOMAAISI 316TITANIO

Europea (DIN) PN10/16/25Americana (ANSI) B16.5#150 (PN10)

B16.5#300 (PN16/25)

6. Tipos de placas.Materiales

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Modelo Temperaturas Compatibilidad materiales

NITRILO HT 140 ºC ACEITE / AGUA

EPDM 150 ºC AGUA

VITON 160 ºC AGRESIONES QUIMICAS

6. Tipos de placas.Juntas

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Pegamento Sonderlock Hang on

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PLACA Tipo Canal ∆Pmca Fabricante J ∆P/ϑ Q L/h Canal

UFP 102 L 1 0,71 1,4 2100

UFP 102 L 10 0,44 22,72 7600

ϑ

ϑ Fabricante > ϑ = ∆t/DTLM

22,72

1,4

2100 7600 L/h Canal

J

88

60

80

50

ϑ1 =

La placa UFP102 con canal “L” puede resolver el intercambio de calor requerido

ϑ2 =

ϑ∆P=1

ϑ∆P=10

Datos fabricante

Ejemplo:

P=400000 kcal/h; Q∆T8=50000 l/h

Q∆T10=40000 l/h

4000 5000

DTLM = 28,99 ºC

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Intercambiadores de placas Sedical Multipasos

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Intercambiador 1 Paso

Intercambiador 2 Pasos

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Modelo Descripción Presiones

C1 Compacto (UFP 30/32/34/52/54) PN10

C Compacto PN16

H / IG Con patas PN10/16

IS Con patas y ruedas PN 6/10/16/25

7. Tipos de bastidores.

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NORMAS DE FABRICACIÓN

Alemana AD-MERKBLÄTTER

EEUU ASME (U-STAMP / U-STAMP)

CERTIFICADOS APARATOS A PRESION

PED 2014/68/UE Art 4.3 CELíquidos < 110 ºCPV < 50

PED 2014/68/UE Kat … CE Líquidos >110ºC

8. Normas de fabricación. Certificados aparatos a presión

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F1 F2

F4 F3

F1-F4 / F3-F2 F4-F1 / F2-F3

F1 F2

F4 F3

F1 F2

F4 F3

F3-F2 / F1-F4 F2-F3 / F4-F1

F1 F2

F4 F3

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9. Intercambiadores de placas Termosoldados

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9. Intercambiadores de placas Termosoldados.Dimensiones

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• ACS Antilegionela

Producción centralizada

• Torre Refrigeración

Aislamiento CondensadorFree-cooling de agua

• Circuito Recuperación.

Enfriadora y Bomba de calor

• Enfriadora condensada por Aire. 100% Recuperación

• Enfriadora consensada por Aire. 15% Recuperación

• Enfriadora consensada por Agua. Recuperación 100%

• Bomba de calor Aire/Agua. 100% Recuperación

• Solar. ACS y Piscina

Circuito SolarClimatización de piscinas

• Fan-coil. Bomba de calor y caldera

• Piscina

1º Calentamiento y mantenimiento

Dry cooler

• Enfriadora. Protección/Aislamiento

Edificios Altos (h>140m). Rotura Presión

estática

• Acumulación térmica de hielo

Desacumulación + enfriadora

• District cooling and heating

• Refrigeración agua de mar

• Bomba de calor Agua/Agua.Verano/InviernoFuncionamiento

• Refrigeración de motor. Aftercooler y Engine jacketConexionado

• Recuperación motor

10. Aplicaciones más comunes en climatización

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ACS

Funcionamientohabitual

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ACS

Antilegionela

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ACS

Funcionamientohabitual-Antileg

40

Producción centralizada ACS

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Torre Refrigeración

Aislamientocondensador

DTLM 3ºC

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Torre Refrigeración

Aislamientocondensador

DTLM 2ºC

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Aislamiento Condensador

Freecooling de agua

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Circuitorecuperación. Enfriadora y Bomba de calor

Recuperación100%

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Enfriadora condensada por Aire. Recuperación 100%

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Circuitorecuperación. Enfriadora y Bomba de calor

Recuperación 15%

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47

Enfriadora condensada por Aire. Recuperación 15%

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Bomba de calor aire/agua. 100% Recuperación

Enfriadora condensada por Agua. 100% Recuperación

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ACS solar

Intercambiador de placastermosoldado

50

ACS solar

Intercambiador de placas y juntas

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Circuito solar

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Climatizaciónpiscinas

Intercambiador de placas y juntas.

Agua clorada

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Climatización piscinas

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Fancoil

Bomba de calor

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Fancoil

Caldera

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Piscina

1º Calentamiento

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Piscina

Mantenimiento

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Piscina

Dry-cooler

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Enfriadora

Protección -aislamiento

60

Edificios Altos (h > 140 m). Rotura Presión Estática.

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Desacumulacióntérmica de hielo

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Desacumulación + enfriadora

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Frio y calor de distrito

Frio

40%+40%+20%

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Frio y calor de distrito

Calor

40%+40%+20%

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Refrigeraciónagua de mar

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Bomba de caloragua-agua

Verano

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Bomba de caloragua-agua

Invierno

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Refrigeraciónmotor

Aftercooler

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Refrigeraciónmotor

Engine

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Dry-Cooler

Conexionado

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Recuperaciónmotor

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UFPF-209/264

74

Muchas gracias

Juan Alberto Alarcón

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Ser socio de Atecyres algo más