Prof. Ing. Mahuli González
Universidad Nacional Experimental“Francisco de Miranda”
Programa de Ingeniería QuímicaUnidad Curricular: Operaciones Unitarias I
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Equipos donde se realiza el fenómeno de transporte de transferencia de calor entre dos fluidos
SEGÚN SU SERVICIORefrigerador
Condensador
Enfriador
Calentador Rehervidor
Generador de Vapor
Vaporizador
Sobrecalentador
Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen
Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños
Es bastante fácil de limpiar y reparar
Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier aplicación
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
Deflectoreslongitudinales
Boquilla para los tubos
Se diseñan
TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association
Clase R Clase C Clase B
Petróleo y aplicacionesrelacionadas
Procesos químicos
Propósitos generales
Según estándares publicados por Asociación de Fabricantes de intercambiadores tubulares
Intercambiadores de carcaza y tubo
Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo
Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo
De Cabezal flotante:
De cabezal fijo:Tubos en forma de U:
Tienen solo una placa donde seinsertan los tubos en forma de U
Tiene una sola placa de tubos sujeta a la carcaza
Según su construcciónmecánica
Tienen las dos placas de tubos soldadas a la carcaza
Clasificación de intercambiadores de carcaza y tubo
De cabezal flotante
Tubos en forma de U
De Cabezal fijo
Tipo BEM
Tipo CFU
Tipo AES
Elementos del intercambiador 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
Elementos del intercambiador de carcaza y tubo
Arreglo cuadrado Arreglo cuadrado rotado
El fluido de la carcaza debe ser sucioSe 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°)
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 mayores
efectos de trasferencia de calor.
DEFLECTORES
Elementos del intercambiador de carcaza y tubo
Distancia centro a centro entre deflectores adyacentes
B1/5 DC < B > DC
Doble Segmentado
Tipos de Deflectores
Segmentado
Para deflectores segmentados el corte estáentre 15-40%El mejor resultado se obtiene con 25% de corte.
La altura de la ventana expresada como unporcentaje del diámetro de la carcasa, se denomina CORTE DEL DEFLECTOR.
Elementos del intercambiador de carcaza y tubo
TIPO E TIPO F
Un paso por la carcasa Dos paso por la carcasa con bafle longitudinal
Elementos del intercambiador de carcaza y tubo
Elementos del intercambiador de carcaza y tubo
Selección del fluido por los tubos
Fluidos mas corrosivos
Fluidos con mayor tendencia a la formación de depósitos
Fluido caliente
Corriente de mayor presión
El menos viscoso de los 2 fluidos
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.
AihiRi
.1
=
LKriroLnRcond...2
)/(π
=
AohoRo
.1
=AohoLK
riroLnAihi
Rtotal.1
...2)/(
.1
++=π
AohoLKriroLn
AihiRtotal
.1
...2)/(
.1
++=π
RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA Y EXTERNA
AohoAoro
LKriroLn
Airi
AihiRtotal
.1
...2)/(
.1
++++=π
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*****
*
++++=
π
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
++++=
π
11 FrwRoRio
Uc+++=
BTUFpiehF °
=..0001.0
2
1donde
Relación Uo y Uc
1
1
11
1
FrorioUcUo
FrwRoRioUc
−++=
+++=
Uc > Uo siempre
Resistencia por ensuciamiento debido a lubricantes y corrosión
TAUQ Δ= ..
Relación básica que sirve para calcular los intercambiadores de calor
Diferencia de temperatura media logarítmica
La verdadera fuerza impulsora mediante la cual se transfiere el calor
Disposición de fluidos
ContracorrienteFlujo en Paralelo o Cocorriente
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 .
Cuando hay combinados de flujos, como en un intercambiador distinto de 1:1
LMTDMTDFt =
Ft =1 Flujo equivalente a contracorriente
Para cualquier arreglo, FT < 0.75 Inaceptable
Procedimiento general de diseño
Calcular la cantidad de calor intercambiado (Q)
)(**)(** totiCptmToTiCpsmQ −=−=
Calcular la diferencia de temperatura media efectiva
LMTDFtMTD *=
Asumir el coeficiente global de transferencia de calor Uo
Calcular el área basada en Uo supuesto
Procedimiento general de diseño
Determinar las dimensiones físicas del intercambiador a partir del área calculada
Calcular el coeficiente global de transferencia de calor Uo
Calcular la caída de presión a través del intercambiador
Calcular el área de transferencia basada en Uo calculado y MTD
horo
LKriroLnAo
AiriAo
AihiAoUo 1
...2)/(..
.
1
++++=
π
Comparación del área de transferencia calculada con el paso anterior
Repetir los cálculos hasta igualar las área de transferencia