Intercambiadores
de calor
Un Intercambiador de Calor es un equipo
utilizado para enfriar un fluido que está más caliente de lo
deseado, transfiriendo esta calor a otro
fluido que está frío y necesita ser calentado. La transferencia de
calor se realiza a través de una pared
metálica o de un tubo que separa ambos fluidos.
Las aplicaciones de los intercambiadores de calor
son muy variadas y reciben diferentes nombres:
• Intercambiador de Calor: Realiza la
función doble de calentar y enfriar dos fluidos.
• Condensador: Condensa un vapor o mezcla de
vapores.
• Enfriador: Enfría un fluido por medio de
agua.
• Calentador: Aplica calor sensible a un
fluido.
• Rehervidor: Conectado a la base de una
torre fraccionadora proporciona el calor de reebulición
que se necesita para la destilación. (Los
hay de termosifón, de circulación forzada, de caldera,...)
• Vaporizador: Un calentador que vaporiza
parte del líquido
TIPOS
DE INTERCAMBIADORES DE CALOR.
En este punto se realiza una descripción de
los tipos fundamentales de intercambiadores que son.
• Intercambiadores de tubería doble
• Intercambiadores enfriados por aire
• Intercambiadores de tipo placa
• Intercambiadores de casco y tubo
Intercambiadores de
tubería doble.
Consiste
en un tubo pequeño que está dentro de otro tubo mayor, circulando los fluidos
en el interior del
pequeño
y entre ambos.
Estos
intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de área de transferencia son
pequeños.
Intercambiadores
enfriados por aire.
Consisten
en una serie de tubos situados en una corriente de aire, que puede ser forzada
con ayuda de
un
ventilador. Los tubos suelen tener aletas para aumentar el área de
transferencia de calor .
Pueden
ser de hasta 40 ft (12 m) de largo y anchos de 8 a 16 ft (2,5 a 5 m).
La
selección de un intercambiador enfriado por aire frente a uno enfriado por agua
es una cuestión
económica,
hay que consideran gastos de enfriamiento del agua, potencia de los
ventiladores y la
temperatura
de salida del fluido (un intercambiador de aire, tiene una diferencia de
temperatura de unos
15
ºF (8 ºC)). Con agua se obtienen diferencias menores.
Intercambiadores de
tipo placa.
Llamados
también intercambiadores compactos. Pueden ser de diferentes tipos:
•
Intercambiadores de tipo placa y armazón (plate-and-frame) similares a un
filtro prensa.
•
Intercambiadores de aleta de placa con soldadura (plate fin).
Admiten
una gran variedad de materiales de construcción, tiene una elevada área de
intercambio en una disposición muy compacta. Por la construcción están
limitados a presiones pequeñas.
Intercambiadores de
casco y tubo.
Son
los intercambiadores más ampliamente utilizados en la industria química y con
las consideraciones
de
diseño mejor definidas. Consisten en una estructura de tubos pequeños colocados
en el interior de un
casco
de mayor diámetro.
Las
consideraciones de diseño están estandarizadas por The Tubular Exchanger Manufacturers
Association
(TEMA).
Un
intercambiador de calor de casco y tubo conforme a TEMA se identifica con tres
letras, el diámetro en
pulgadas
del casco y la longitud nominal de los tubos en pulgadas.
La
primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los tipo A
(Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son los más comunes.
La
segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La más común es la E (casco
de un paso) la F de dos
pasos
es mas complicada de mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las
perdidas de presión
en
el casco. El tipo K es el tipo de rehervidor de caldera utilizado en torre de
fraccionamiento.
La
tercera letra nos indica el tipo de cabezal del extremo posterior, los de tipo
S , T y U son los más
utilizados.
El tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el diámetro del cabezal
es mayor que el
del
casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal flotante sin
contrabrida) puede sacarse
sin
desmontar, pero necesita mayor diámetro de casco para la misma superficie de
intercambio. El tipo U
(haz
de tubo en U) es el mas económico, pero a la hora de mantenimiento necesita una
gran variedad de
tubos
en stock.
DISEÑO DE
INTERCAMBIADORES.
Las
fases a seguir en el diseño de un intercambiador de calor son:
1.- Comprobar el BALANCE
DE ENERGÍA, hemos de conocer las
condiciones
del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones,
propiedades
físicas de los fluidos,...
2.- Asignar las
corrientes al tubo y casco.
3.- Dibujar los
diagramas térmicos.
4.- Determinar el número
de intercambiadores en serie.
5.- Calcular los valores
corregidos de la diferencia media de temperaturas (MTD).
6.- Seleccionar el
diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los tubos.
7.- Estimar los
coeficientes de película y de suciedad. Calcular los
coeficientes
globales de transmisión de calor
8.- Calcular la
superficie de intercambio estimada.
9.- Seleccionar el
tamaño del casco (utilizando dos pasos en tubo).
10.- Calcular las
perdidas de presión en el lado del tubo y recalcular el
número
de pasos para cumplir con las perdidas de presión admisibles.
11.- Asumir la separación
entre desviadores y el área de paso para
conseguir
la perdida de presión en casco admisible.
12.- Recalcular los
coeficientes de película en el lado del tubo y del
casco
utilizando las velocidades másicas disponibles.
13.- Recalcular los
coeficientes globales de transmisión de calor y
comprobar
si tenemos suficiente superficie de intercambio.
14.- Si la superficie de
intercambio es muy grande o muy pequeña
revisar
los estimados de tamaño de carcasa y repetir las etapas 9-13.
·
Balance de energía.
La ecuación del balance de energía para un
intercambiador de calor es :
APORTE DE CALOR AL FLUIDO FRÍO - APORTE DE
CALOR AL FLUIDO CALIENTE + PERDIDAS
DE CALOR = 0
Los problemas del balance de energía pueden
ser:
1.
Se
conocen los caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2 ), el calor transferido
(q) y las
temperaturas de entrada y salida de ambas
corrientes (T1, T2, t1, t2), en este caso solo se comprueban los calores
específicos y latentes de ambas corrientes y el calor transferido por ambas.
2.
Se
conocen los caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2 ) y las temperaturas de
entrada y salida
de una corriente así como la entrada de la
otra (T1, T2, t1), en este caso solo se calcula el calor
cedido en una corriente (q) y se utiliza
este para determinar la temperatura de salida de la otra
(t2).
3.
Se
conocen el caudal de una corriente, (Q1 ) y las temperaturas de entrada y
salida de ambas
(T1, T2, t1, t2), en este caso solo se
calcula el calor cedido en una corriente (q) y se utiliza este
para determinar el caudal de la otra (Q2).
4.
Se
conocen los caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2 ) y las temperaturas de
entrada de
ambas corrientes (T1, t1), en este caso hay
que calcular las temperaturas de salida de ambas
(T2, t2), y el calor transferido (q). Este
cálculo introduce el concepto de Temperatura de Acercamiento (approach). El
punto de acercamiento es aquel en que la temperatura de las dos corrientes es
más próxima.
Los valores típicos de las temperaturas de
acercamiento son:
Aplicaciones
Δ T (ºF) Δ T (ºC)
Unidades criogénicas 5 - 10
3 - 6
Intercambiadores enfriados por agua 15
- 25 8 - 14
Intercambiadores en refinerías 40
- 50 20 - 30
Hornos de convección 75
- 100 40 – 55
·
Asignación de flujos.
Las reglas aplicables para determinar que
fluido va por el casco y cual por los tubos son:
1.- El fluido a mayor presión va en los
tubos.
2.- El fluido más corrosivo va en los tubos.
3.- Los fluidos más sucios van en los tubos
4.- El fluido con menor pérdida de presión
va en el casco.
5.- El fluido a condensar en el casco.
·
Número de celdas en
serie.
El número de celdas en serie se determina a
través del diagrama térmico. En un intercambiador con un
paso en casco y dos en tubo no es posible
que se crucen las temperaturas, es necesario establecer varias celdas donde las
temperaturas de salida sean iguales (T2 = t2)
- Diferencia de temperatura media corregida.
La diferencia media de temperaturas (MTD) en
un intercambiador de calor de casco y tubo es la
diferencia media logarítmica de temperaturas
(LMTD) multiplicado por un factor (F)
MTD = F x LMTD
Donde :
LMTD = ΔTln = (T1 – t2) – (T2
– t1)
= ΔTA –ΔTB
ln (T1
– t2) ln ΔTA
(T2 –
t1) ΔTB
siendo: T: temperatura fluido caliente; t:
temperatura fluido frío 1: entrada; 2: salida.
Si tenemos varias zonas de transición (p.e.,
condensación más enfriamiento), hay que aplicar la ecuación
de LMTD a cada tramo.
El factor F se obtiene de las siguientes
gráficas. Un valor de F < 0,8 no es admisible por
diseño, hay que calcular P y R según las
ecuaciones:
P= t2-t1/T1-t1 R= T1-T2/t2-t1
Cálculo del diámetro del tubo, espesor y
longitud.
El tamaño nominal de los tubos de un
intercambiador de calor es el diámetro exterior en pulgadas, los valores típicos son 5/8, ¾ y 1 in. Con
longitudes de 8,10,12, 16 y 20 pies. Siendo la típica de 16 pies.
Los espesores de tubos está dados según BWG
(Birmingham Wire Gauge) y se determinan por la presión de trabajo y el sobreespesor de
corrosión. Los valores típicos son 16 ó 18 para Latón Admiralty y12, 13 ó 14 para acero al carbono.
La configuración de los tubos puede ser
cuadrada, cuadrada girada 90º, o triangular. La cuadrada se utiliza por facilidad de limpieza mecánica.
Las dimensiones típicas son:
Diámetro
del tubo
|
Separación
entre tubos
|
Configuración
|
5/8
|
13/16
|
Triangular
|
5/8
|
7/8
|
Cuadrada
|
5/8
|
7/8
|
Cuadrada
girada
|
3/4
|
15/16
|
triangular
|
3/4
|
1
|
triangular
|
3/4
|
1
|
cuadrada
|
3/4
|
1
|
Cuadrada
girada
|
1
|
1-1/4
|
triangular
|
1
|
1-1/4
|
cuadrada
|
1
|
1-1/4
|
Cuadrada
girada
|
Coeficientes
de transferencia de calor.
La
ecuación básica de transferencia de calor es:
q=Uo*Ao*MTD
Donde:
q = Calor transmitido por unidad de tiempo
Uo = Coeficiente global de transmisión de
calor
Ao = Area de intercambio
MTD= Diferencia media de temperaturas
corregida.
El
problema consiste en determinar el valor de Uo . Este coeficiente depende de la
configuración del intercambiador el cual es función del area de intercambio.
Por lo tanto el proceso es iterativo. Se comienza con una estimación preliminar
de Uo basada en reglas generales, con este valor podemos despejar el area de
intercambio, con lo queconoceremos el número de tubos y su configuración y finalmente
el tamaño del casco del intercambiador. Con las dimensiones se recalcula Uo y
si este valor no concuerda con el previsto se repite el proceso.
El
coeficiente global de transmisión de calor combina todas las resistencias al
flujo calorífico. Todas deben basarse en el area exterior.
1/U0
= rio + rdio + rmo
+ rdo + ro
1/U0
= 1/hio+ rdi(d0/di)+ d0ln(d0/di)
/ 2km + rdo + 1/h0
rio
= Resistencia de película interna = 1/hio
rdio
= Resistencia de suciedad interna
rmo
= Resistencia de la pared metálica
rdo=
Resistencia de suciedad externa
ro
= Resistencia de película externa = 1/ho
h
= Coeficiente de pelicula de transmisión de calor
di
= Diámetro interno
do
= Diámetro externo
km
= Conductividad térmica del material.
Se adjuntan algunos videos sobre intercambiadores de calor
ejemplo casero:
videode ejemplo:
el video incluye un ejemplo de turbina y uno de intecambiador de calor
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