Intercambiadores de Calor:Consideraciones de Diseño

Capítulo 11Secciones 11.1 a 11.3

TiposTipos

Tipos Intercambiadores de Calor

Los Intercambiadores de Calor son inherentes a la utilización y a la conversión de energía. Se utilizan en el intercambio de calor entre dos fluidos separados por un sólido. Abarca un amplio espectro de configuraciones de flujo.

� INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOS

Flujo Paralelo Contra-flujo

� Es la configuración más simple de todas.

� Los que tienen mejor desempeño son los intercambiadores en contra-flujo.

Tipos (cont.)Tipos (cont.)

� INTERCAMBIADORES DE CALOR EN FLUJO CRUZADO

Aleteado-los dos fluidosNO se mezclan

No aleteados-un fluido MezcladoEl otro no

� Para el flujo cruzado sobre los tubos, el movimiento de fluido, y por tanto elel mezclado, en la dirección transversal (y) no es posible por la presencia delas aletas, en cambio lo anterior si se da para los intercambiadores en flujo cruzado no aleteados.

� El desempeño de este tipo de intercambiadores de calor se ve afectado por las características del mezclado.

Tipos (cont.)Tipos (cont.)

� INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBO (SHELL-AND-TUBE )

UN PASO POR LA CORAZA (SHELL) Y UN PASO POR LOS TUBOS

� Los BAFLES o DEFLECTORES son utilizados para generar un flujo cruzadoe inducir un mezclado turbulento en el fluido que va por la coraza, lo cual mejora el intercambio por convección.

� El número de pasos por la coraza y por los tubos puede variarse, esto es:

UN PASO POR LA CORAZA,DOS PASOS POR LOS TUBOS DOS POSOS POR LA CORAZA,

CUATRO PASOS POR LOS TUBOS

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBO (SHELL-AND-TUBE )

Tipos (cont.)Tipos (cont.)

� INTERCAMBIADORES DE CALOR COMPACTOS

� Ampliamente utilizados para lograr altas tasas de transferencia decalor por unidad de volumen, en especial cuando uno o ambos fluidos es un gas.

� Se caracterizan porque tienen una área de transferencia de calor por unidadde volumen muy grande (≥700 m2/m3), Dh ≤ 5 mm y un flujo laminar.

(a) Tubo aleteado (tubos planos, Placas aleteadas continuas)(b) Tubo aleteado (tubos circulares, Placas aleteadas continuas)(c) Tubo aleteado (tubos circulares, aletas circulares)(d) Placa aleteada (un solo paso)(e) Placa aleteada (multiples pasos)

Coeficiente Global de Transferencia de Calor

• Parámetro esencial para el diseño o para el cálculo de la eficiencia de Intercambiadores de Calor.

• Entre los factores que influyen en cálculo tenemos la convección y la conducciónasociadas a los dos fluidos y al sólido que los separa, así mismo el uso potencial dealetas en ambos lados y los efectos del encostramiento (fouling) de la superficie que empeora con el tiempo.

• Con los subíndices i y o designamos los fluidos intratubular (in) y extratubular (out),respectivamente, la expresión más general para calcular el Coeficiente Global es:

ooii AUAUUA

111 ==

( )ooo

of

w

io

i

if

ii AhA

R

LNk

dd

A

R

AhUA

1

2

/ln11"

,"

, ++++=π

Considerando extremo adiabático, la eficiencia de la aleta esta dada por la expresión

� R” f → Factor de costra por unidad de área (m2K/W) → Tabla 11.1

� Rw → Resistencia de conducción (K/W)

� ηo → Eficiencia global de un arreglo de aletas (Sección 3.6.5)

A = At → Área superficial total (Aleta más base expuesta)Af → Área superficial de las aletas solamente

→ Coeficiente Global Parcial

( )hc

ff

hco A

A

ó

ó

−−= ηηηηηηηη 11,

( )hc

hcf mLmL

ó ó

= tanh,ηηηη

( ) hcwphc tkUm ó ó 2/1/2=

hcfhcp hR

hU

ó

ó

+=

", 1

Métodos para el Cálculo y Diseño de Intercambiadores de Calor

� para el cálculo del calor disipado por un fluido en un intercambiador de calor podemos utilizar una forma modificada de la ley de enfriamiento de Newton empleando la diferencia de temperatura logarítmica media entre los dos fluidos:

El cálculo de ∆T1 y ∆T2 depende del tipo de Intercambiador de Calor.

El método de la Diferencia de Temperatura Logarítmica Media (LMTD)

� Intercambiadores de Calor en FLUJO PARALELO:

( ) ( )12

12

21

21

/ln/ln TT

TT

TT

TTTlm ∆∆

∆−∆=∆∆

∆−∆=∆

lmTUAq ∆=

icihch TTTTT ,,1,1,1 −≡−≡∆

ocohch TTTTT ,,2,2,2 −≡−≡∆

� Observe que Tc,o no puede exceder Th,o para un HX FP, pero si se puede en HX CF.

� Para valores equivalentes de UA y temperaturas de entrada,

� Intercambiadores de Calor de CORAZA Y TUBO y en FLUJO CRUZADO:

Figures 11.10 - 11.13F →

Para tener en cuenta las complejas condiciones de flujo presentes en losintercambiadores de coraza y tubos y en flujo cruzado, el ∆Tml debe afectarse por un factor de corrección llamado F :

� Intercambiadores de Calor en CONTRA-FLUJO:

( ) ( )( ) ( )[ ]icohocih

icohocihCFlm TTTT

TTTTT

,,,,

,,,,, ln −−

−−−=∆

FPlmCFlm TT ,, ∆>∆

ocih

ch

TT

TTT

,,

1,1,1

−≡−≡∆

icoh

ch

TT

TTT

,,

2,2,2

−≡−≡∆

CFlmCFlm TFT ,, ∆=∆

Factor de Corrección para ∆Tlm

Donde t es la temperatura por el lado de los tubos T la temp por el lado de la coraza

HX tipo CORAZA Y TUBO

� hi la correlación más recomendada es la Sieder y Tate

� ho la correlación más recomendada la de Donohue

14.0

318.0

,

PrRe027.0

=

sif

ii

k

dh

µµ

14.0

31

55.0

,

Pr22.0

=s

ee

of

eo Gd

k

dh

µµ

µ

Donde: Ge: velocidad de masa geométrica media del fluido (kg/hr�m2)

de: Diámetro equivalente por el lado de la coraza

kf: Conductividad térmica del fluido

µs: Viscosidad dinámica calculada a la temperatura de pared del tubo

Cálculos de hi y ho en

� Cómo Calcular Ge

m: flujo másico Ae: Área equivalente B: Distancia entre bafles

C’: Ver figura abajo ID: Diámetro interno coraza PT: Pitch

húmedo Perímetro

flujo de Área4×=ed

� Arreglo cuadrado( )

o

oTe

πd

/πdPd

44 22 −×=

� Arreglo triangular

o

oTT

e

πd

/πdPPd

21

421

86.021

4 2

−××=

� Cómo calcular el diámetro equivalente De

Figura tomada de “Donald Q. Kern, Process Heat Transfer, 1950.”

ee A

mG

&=

Te P

BCIDA

××= 'Donde:

HX tipo CORAZA Y TUBO

do: diámetro externo de los tubos De: Diámetro equivalente

�� Cómo Calcular µµµµs

( )ccsotio

socs tT

hh

htT −

++=

φφφφφφφφφφφφ

HX tipo HX tipo CORAZA Y TUBO

Tc: Temperatura “calorica” fluido caliente tc: Temperatura “calorica” fluido frío

ID: Diámetro interno de los tubos OD: Diámetro externo de los tubos

hio: Coeficiente convectivo interno referido a la superficie externa del tubo

o

iiio d

dhh ×=

14.0

=

ss µµµµ

µµµµφφφφ

31, Pr

=∴×=

i

fiH

t

i

o

i

t

i

t

io

d

kj

h

d

dhh

φφφ

31,, Pr

==

e

ofoH

s

o

s

o

d

kj

hh

φφ

jH,i se obtiene de la figura B

jH,o se obtiene de la figura C

( )icoccicc TTFTt ,,, −+= ( )ohihcohc TTFTT ,,, −+= Fc se obtiene de la figura A

14.0

=

st µµµµ

µµµµφφφφ

Cálculo de Fc

ocih

icoh

h

c

TT

TT

t

t

,,

,,

−−

=∆∆

CÁLCULO DE jH,i

CÁLCULO DE JH,o

Balance de Energía Global

� Consideremos despreciable:� la transferencia de calor entre el intercambiador y los alrededores � los cambios en la energía cinética y potencial para cada fluido.

� Asumiendo que no hay cambio de fase l/v y calor específico constante,

� Se aplica tanto al fluido caliente (h) como al frío (c) :

i → entalpía del fluido

Ch, Cc → Capacitancia térmica

( )ohihh iimq ,, −= &

( )icocc iimq ,, −= &

( ) ( )ohihhohihhph TTCTTcmq ,,,,, −=−= &

( ) ( )icoccicoccpc TTCTTcmq ,,,,, −=−= &

Condiciones Especiales de Operación

� Caso (a): Ch>>Cc → un vapor que se condensa

– el cambio en Th (Th,o=Th,i) es cero o despreciable

� Caso (b): Cc>>Ch → un líquido que se evapora

– El cambio en Tc (Tc,o=Tc,i) es cero o despreciable

� Caso (c): Ch=Cc.

–lmTTT ∆=∆=∆ 21

∞→hC

∞→cC

RECOMENDACIONES DE DISEÑO

• Para HX con agua por los tubos: v > 0.9 m/s• Evitar temperatura de salida del agua > 50 ºC• Si F < 0.75 para un HX 1 – 2, entonces se debe emplear

un HX 2 – 4• Para hallar hi en un HX Agua/Agua emplear la Figura 25

(Donald Kern)