CAÍDA DE PRESIÓN EN UN INTERCAMBIADOR DE CALOR
Si bien la velocidad de transferencia de calor se mejora debido al incremento de la velocidad lineal, cada perfeccionamiento será limitado por un balance económico entre el valor del ahorro de equipos y el costo de bombeo. Una regla práctica es cuando la caída de presión en condensadores de vacío se ve limitada a 0.5-1 psi o menos, dependiendo del proceso requerido de presión río r ío arriba. En el servicio de líquido, las caídas de presión de d e 510 psi son empleadas como un mínimo y hasta el 15% o menos de la presión río arriba. El cálculo de la caída de presión en un lado del tubo es sencillo, incluso en mezclas de vapor-líquido cuando sus proporciones pueden ser estimadas. El lado de la coraza con una serie de deflectores representa más de un problema. Se puede tratar como una serie de tubos ideales conectados por zonas con cavidades, pero también acompañados por algunas tuberías secundarias en los haces de los tubos y en las fugas a través de los deflectores. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Los intercambiadores de calor son equipados primordialmente por la transferencia de calor entre una corriente caliente y una fría. Estas tienen conductos separados para las dos corrientes que operan continuamente, éstas también reciben el nombre de recuperadores para ser distinguidos de los regeneradores, en estos, las corrientes de frío y calor pasan alternativamente por los mismos conductos conductos e intercambian calor con la la masa del equipo. Los recuperadores en su mayoría son empleados para propósitos criogénicos; el otro extremo que posee alta temperatura se utiliza como precalentador. El intercambiador más versátil y ampliamente utilizado es el de tipo de coraza y tubos, pero algunos otros como el de placas y otros tipos también son valorados, ya que son económicamente competitivos e incluso superiores en algunas aplicaciones; éstos serán mencionados brevemente: INTERCAMBIADORES DE PLACAS Y MARCOS. Los intercambiadores de placas y marcos son ensamblados con placas corrugadas y presionadas por medio de un marco. Tal como la Figura 8.8 presenta, pr esenta, los elementos que la componen se encuentran próximos en forma de ranuras que se encuentran alrededor de la periferia, donde contienen los fluidos y se dirigen los flujos dentro y fuera fuer a de los espacios entre las placas. La figura 8.8 (b) muestra algunas algunas de las variadas combinaciones de flujos paralelos y de contracorriente que pueden llevarse llevars e a cabo. Un espaciamiento cerrado y la presencia de corrugaciones da lugar a coeficientes altos de ambos lados del intercambiador y, en donde el equipo de coraza y tubos así como factores de suciedad presentan coeficientes bajos del orden de l-5 x 10-s Btu/(hr)(sqft)(°F). La accesibilidad a la superficie del intercambiador de calor para su limpieza lo hace particularmente conveniente para servicios de ensuciamiento, donde se requiere un alto 1
grado de saneamiento, como es el caso de procesos alimenticios y farmacéuticos. Las presiones y temperaturas de operación son limitadas por la naturaleza de los materiales que se encuentran juntos, con un máximo que oscila entre los 300 psi y 400°F. Los factores de fricción y los coeficientes de transferencia de calor varían con el espacio que exista entre las placas y los tipos de corrugaciones que presenten. Los costos de bombeo por unidad pueden ser más bajos que en el de coraza y tubos. El costo de construcción con acero inoxidable del intercambiador de placas y marcos es de 50-70% del costo de construcción de coraza y tubos. INTERCAMBIADORES DE CALOR EN ESPIRAL Como se observa en la figura 8.8 (c), el fluido caliente entra en el centro del espiral y fluye hacia la periferia, el flujo del fluido frío se lleva a cabo a contracorriente; entrando por la periferia y saliendo por el centro. Los coeficientes de transferencia de calor son altos en ambos lados, y no hay ninguna corrección a la diferencia de temperatura media logarítmica debido a la acción contracorriente. Estos factores pueden conducir a requerir de una superficie de 20% por lo menos en los de los intercambiadores de carcasa y tubo. Los intercambiadores en espiral generalmente pueden ser superiores con fluidos altamente viscosos a presiones moderadas. INTERCAMBIADORES COMPACTOS (PLACA- ALETA) Unidades presentadas como en la figura 8.6 (h) con tipos similares de conductos para fluidos fríos y calientes, son empleados primordialmente para gases. Típicamente, estos tienen superficies del orden de 1200m2/m3, su altura de corrugación u ondulación es 3.8 a 11.8 mm, el espesor de corrugación es de 0,2-0,6 mm, y densidad de las aletas es 230-700 aletas / m. La gran superficie extendida permite una velocidad de cuatro veces la tasa de transferencia de calor por unidad de volumen, que es lo que se puede lograr con la construcción de un intercambiador de coraza y tubos. Estos intercambiadores han sido designados para presiones de 80 atm o menos. Comercialmente los intercambiadores compactos son utilizados en ensayos de criogenia y para recuperación de calor a altas temperaturas en conexión con turbinas de gas. Cualquier tipo de arreglo de flujos cruzados o a contracorriente es factible, cabe mencionar que al adicionar tres o más corrientes diferentes, estas pueden ser distribuidas en el mismo equipo. ENFRIADORES DE AIRE En estos equipos, el proceso de flujo de fluidos se lleva a cabo a través de aletas de refrigeración y de aire que sopla a través de ellos por medio de ventiladores. La economía de la aplicación de los enfriadores de aire favorece los servicios que permiten obtener una diferencia de 25 a 40 ° F de temperatura entre el aire ambiente y la salida del proceso. En 2
un rango arriba de lOMBtu/(hr) los enfriadores de air pueden ser económicamente competitivos con enfriadores de agua, cuando ésta se encuentra en una calidad adecuada y se encuentra disponible en una cantidad suficiente. DOBLE TUBERÍA Este tipo de intercambiador consta de un tubo central soportado dentro de uno más grande por medio del embalaje de las glándulas como se observa en la [Fig. 8.4 (a)]. La longitud recta se limita a un máximo de alrededor de 20 pies, de lo contrario el tubo central podría hundirse y esto causaría una mala distribución en el espacio anular. La superficie interior puede estar provista de raspadores [fig. 8.4 (b)] como en el desparafinado de aceites o de cristalización a partir de soluciones. Aletas longitudinales externas en el espacio anular pueden utilizarse para mejorar la transferencia de calor con gases o fluidos viscosos. Cuando se necesitan mayores superficies de transferencia de calor, varios dobles tubos se pueden apilar en cualquier combinación de serie o en paralelo. Es de importancia considerar estas situaciones: 1. Cuando el coeficiente de lado del casco es menos de la mitad que la del lado del tubo; el coeficiente lateral anular se puede hacer comparable al lado del tubo. 2. Cruces de temperatura que requieren unidades de carcasa y tubo multicasco se pueden evitar por el verdadero flujo en contracorriente inherente en tubos dobles. 3. Las altas presiones se pueden acomodar de manera económica en el espacio anular de lo que se pueden en un casco de mayor diámetro. 4. En casos que requieren sólo 100-200 pies cuadrados de superficie del intercambiador de doble tubería, puede ser más económico. En este diseño de intercambio de calor, el cálculo de la caída de presión es sencillo.
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