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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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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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51
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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28
55
Fancoil
Caldera
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Piscina
1º Calentamiento
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57
Piscina
Mantenimiento
58
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
70
Refrigeraciónmotor
Engine
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71
Dry-Cooler
Conexionado
72
Recuperaciónmotor
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73
UFPF-209/264
74
Muchas gracias
Juan Alberto Alarcón
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Ser socio de Atecyres algo más