Intercambiadores de Calor

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Faculta de ingeniería industrial

Es un equipo de transferencia de calor cuya función es cambiar la entalpía de una corriente. En otras palabras, un intercambiador transfiere calor entre dos o más co-rrientes de proceso a diferentes temperaturas. Los intercambiadores de calor son muy usados en refrigeración, aire acondicionado, calefacción, producción de energía, y procesamiento químico.

INTERCAMBIADOR DE CALOR

CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

DEFINICIÓN

Según de tipo de servicio De acuerdo al proceso de transferencia De acuerdo a los mecanismos de transferencia

de calor De acuerdo al numero de fluidos involucrados De acuerdo a la disposición de los fluidos De acuerdo a la compactación de la superficie De acuerdo al tipo de construcción

VaporizadorConvierte liquido a vapor.

Cuando el liquido es diferente al agua

Generador de VaporProducen vapor de agua y se conocen

como calderas de recuperación de calor

Condensador Es una unidad en la cual los va-pores de proceso se convierten total o parcialmente en líquidos.

SEGÚN SU SERVICIO

RehervidorVaporiza una corriente

de proceso

CalentadorCalientan una corriente

de proceso

RefrigeradorEs una unidad que utiliza una sustancia refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que la

obtenida si se utilizara aire o agua como medio de enfria-

miento.

EnfriadorEnfría una corriente de pro-

ceso con agua o aire

SobrecalentadorCalienta un vapor por encima de condiciones de saturación

Definiciones

CLASIFICACIÓN: DE ACUERDO AL PROCESO DE TRANSFERENCIA De Contacto Directo En este tipo de intercambiador, el calor es transferido

por contacto directo entre dos corrientes en distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy baja presión de vapor) fácilmente separables después del proceso de transferencia de energía; como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo de aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural.

De Contacto Indirecto En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, las

corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a través de una pared divisora, o desde el interior hacia el exterior de la pared de una forma no continua.

CLASIFICACIÓN: SEGÚN CONSTRUCCIÓN

• Es uno de los diseños más simples • Consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente

circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el ánulo formado entre los tubos.

• Este es un tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil.

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

Multitubular


• Son equipos de transferencia de calor tubulares en los que el aire ambiente al pasar por fuera de un haz de tubos, actúa como medio refrigerante para condensar y/o enfriar el fluido que va por den-tro de los mismos.

• Se le conoce como intercambiadores de flujo cruzado debido a que el aire se hace soplar perpendicularmente al eje de los tubos

ENFRIADORES DE AIRE


INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL

Estos intercambiadores se originaron en Suecia hace mas de 40 años para ser utilizados en la industria del papel y son llamados también SHE debido a sus siglas en inglés: Spiral Heat Exchanger.

Su diseño consiste en un par de láminas de metal enrolladas alrededor de un eje formando pasajes paralelos en espiral por entre los cuales fluye cada sustancia.

Son muy utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos y líquidos con sólidos en suspensión, así como también en operaciones de condensación y vaporización.

INTERCAMBIADORES EN ESPIRAL

GUIA PARA LA SELECCIÓN DEL MEJOR TIPO DE INTERCAMBIADOR

COMPARACION ENTRE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR MAS COMUNES


INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Es el más utilizado en las refinerías y plantas químicas en general debi-do a que:• Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volu-

men. • Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños. • Es bastante fácil de limpiar y de reparar. • Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con

cualquier aplicación.

Haz de tubos dentro de una carcaza cilíndrica, con presencia de deflecto-res para generar turbulencia y soportar los tubos. El arreglo de tubos es paralelo al eje longitudinal de la carcaza y puede estar fijo o ser de cabezal flotante. Tubos internos lisos o aleteados

INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO

INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Carcaza cilíndrica

Deflectores transversales(baffles)

Boquilla de la carcaza

Boquilla de la carcaza

Boquilla para los tubos

Tubos

Placa de tubos flotante

Boquilla para los tubos

Divisor de paso o

baffles longitudinal

Cabezal flotante

CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

Se diseñan

TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association

Clase R Clase C Clase B

Petróleo y aplicaciones relacionadas

Procesos químicos

Propósitos generales

Según estándares publicados por Asociación de Fabricantes de

intercambiadores tubulares

Intercambiadores de carcaza y tubo

APLICABLE :Diámetro interno de la carcaza (DIC) ≤ 1,524 mm (60 in)Presión ≤ 207 bar (3000Psi)DIC*Presión ≤ 105000 mm bar (60000 in psi)


Designación de intercambiadores

X X X

Cabezal anterior Cabezal

posterior

Tipo de carcaza


De cabezal flotante

Tubos en forma de U

De Cabezal fijo

Tipo BEM

Tipo CFU

Tipo AES

Tiene una sola placa de tubos sujeta a la carcasa

Tienen solo una placa donde se

insertan los tubos en forma de U

Tienen las dos placas de tubos

soldadas a la carcasa

ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADORES DE CARCAZA Y TUBO

TUBOS Proporcionan la superficie de transferencia de calor entre un fluido que fluye dentro de ellos y otro que fluye sobre su superficie externa

Se encuentran disponibles en varios metales como: acero de bajo carbono, cobre, aluminio, 70-30 cobre-níquel, acero inoxidable

Arreglo triangular Arreglo triangular rotado

El fluido de la carcaza debe ser limpio El arreglo triangular rotado raramente se usa por las altas caídas de presión que generan


Arreglo cuadrado Arreglo cuadrado rotado

El fluido de la carcaza debe ser sucio Se prefiere cuando la limpieza mecánica es critica

Espaciado de tubos (Pitch) 1.25*Diámetro externo del tubo

• En las refinerías se prefieren tubos de 20 pie de longitud

• Los haces no removibles usan siempre arreglos triangulares (30°)

Cuanto más largo es un intercambiador, menos tubos contiene, menor es el diámetro de la carcaza,

su diseño es más simple y menor es su costo.

SELECCIÓN DEL ANGULO DEL PITCH


Soportar el haz de tubos. Restringir la vibración de los tubos debido a los choques con el fluido. Canalizar el flujo de fluidos por la carcasa originando turbulencia para lograr mayo-

res efectos de trasferencia de calor.

DEFLECTORES


Distancia centro a centro entre deflectores adyacentes

B1/5 DC < B > DC

Doble Segmentado

Tipos de Deflectores

Segmentado

Para deflectores segmentados el corte está entre 15-40% El mejor resultado se obtiene con 25% de corte.

La altura de la ventana expresada como un porcentaje del diámetro de la carcasa, se de-nomina CORTE DEL DEFLECTOR.


TIPO DE CARCAZA

TIPO F

Un paso por la carcasa Dos paso por la carcasa con bafle longitudinal

TIPO E

LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS

Cuando se opera con un fluido muy corrosivo debe hacerse circular por el interior

de los tubos para evitar la corrosión de todo el intercambiador

Para los fluidos con un alto factor de ensuciamiento, es conveniente hacerlo

circular por los tubos donde se puede mantener un mejor control de la velocidad

que puede reducir este efecto.

En servicios de alta temperatura se fabrican los tubos de aleaciones convenientes

que reduzcan la expansion termica y se hace circular el fluido caliente por el

interior de ellos.

Los fluidos con mayor presión deben generalmente colocarse por los tubos.

Los fluidos muy viscosos deben colocarse fuera de los tubos para obtener

altos coeficientes de transferencia de calor, por crearse alli mayor turbulencia.

El fluido de menor flujo masico se coloca fuera de los tubos, ya que alli se

somete a mayor turbulencia, mejorandose el coeficiente de transferencia de

calor.

LUGAR DE CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS

ECUACIONES BASICAS PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Ti > ToETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR

1. Convección desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes del mismo.

2. Conducción del interior al exterior del tubo.

3. Convección desde el exteriordel tubo al fluido.

h i

Ts

h o

ToTi

AihiRi

.1

LKriroLnRcond...2

)/(

AohoRo

.1

AohoLK

riroLnAihi

Rtotal.1

...2)/(

.1


AohoLKriroLn

AihiRtotal

.1

...2)/(

.1

RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNA

AohoAoro

LKriroLn

Airi

AihiRtotal

.1

...2)/(

.1

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL

**.1

AURtotal

* Basado en cualquier área


COEFICIENTE LIMPIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

AohoA

AoroA

LKriroLnA

AiriA

AihiA

U

..

...2)/(..

.

1*****

*

Es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se coloca por primera vez en servicio.

REFERIDA AL ÁREA EXTERNA

horo

LKriroLnAo

AiriAo

AihiAoUo 1

...2)/(..

.

1


11 FrwRoRioUc

BTU

FpiehF

..0001.02

1donde

Relación Uo y Uc

1

1

11

1

FrorioUcUo

FrwRoRioUc

Uc > Uo siempre

Resistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosión

TAUQ ..

Relación básica que sirve para calcular los intercambiadores de calor


Diferencia de temperatura media logarítmica

Disposición de fluidos

ContracorrienteLos fluidos fluyen en dirección opuestas

el uno del otro

Flujo en Paralelo o CocorrienteAmbos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y sa-

len por el otro extremo

La diferencia de temperaturas en cada punto del intercambiador constituye la fuerza impulsora mediante la cual se transfiere el calor. En el intercambiador los fluidos pueden viajar en contracorriente, paralelo, flujo cruzado o una combinación de ellas, experimentado variaciones de temperatura que no son lineales a lo largo de su recorrido en el intercambiador. Así, la diferencia de temperatura entre los fluidos diferirá punto a punto en el intercambiador.


To

w Ti

w

to

w ti

w

T

Ti

to

To

ti

0 L

Intercambiador de doble tubo en contracorriente

LMTD = (T - t ) - (T - t )

lnT - tT - t

i o o i

i o

o i

Termodinámicamente es una disposición superior a cualquier otra .

PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO

Calcular la cantidad de calor intercambiado (Q)

)(**)(** totiCptmToTiCpsmQ

LMTDFtMTD *

Calcular la diferencia de temperatura media efectiva

Asumir el coeficiente global de transferencia de calor Uo

Calcular el área basada en Uo supuesto

A = Q

Uo * MTDtc

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