Diseño de Intercambiador de Placas (EJEMPLO )

Condiciones de diseño

Se desea obtener obtener un caudal caudal de 40 m3/h de agua para la fabricación de helados, el cual tiene una temperatura de entrada a la cámara frigorífica de 30°C en la estación estación de verano, verano, pero se requiere que el agua este a una temperatura de 2°C, para obtener un producto producto de calidad de la crema helada 3 .De tal forma que se usa amoniaco, con un caudal de 30 m /h que entra a 20°C, para poder obtener dicha temperatura del agua. Datos: Agua

Amoniaco

 ̇  40



 ̇  30



   30°

 

   20°

   2°

1. Flujo másico  ̇  ̇  ̇    100040  40000 /ℎ

2. Carga de calor: Q  T 2 )  ̇ =  ̇  Cp (T 1  –  T     2)= 4679360kJ/h ̇ = 40000x 4,178 x (30  –  2)=

3. Temperatura de salida del fluido: T 2 = T 1  –  Q/(   Q/(  ̇   Cp) 20 +4679360 /[(30 x 5.020)x 568.024] = 74.7 °C T 2 = 20

4. Propiedades físicas de los fluidos Agua

Amoniaco

Tm=(30+2)/2=16

T m=(20+74.7)/2=47.35 °C

 = 4.00 kg/m.h

 = 0.407 kg/m.h

 = 998.88 kg/m3

 = 568.024 kg/m3

 = 2.145 kJ/mh°C

 = 1.549 kJ/mh°C

   5.020 kJ/kg°C

   5.020 kJ/kg°C

5. Tipo de intercambiador INTERCAMBIADOR DE PLACAS a) Para el agua

   0.8610−

 b) Para el amoniaco    110

−



  º

 º

6. Temperatura media logarítmica

Agua: T 1 = 30 °C Amoniaco: t 2 = 74.7°C Δt 1 = 44.7°C ∆  

T 2 = 2 °C t 1 = 20 °C Δt 2 =

18°C

43.9  18  29.05° 43.9 ln 18

7.  Número de unidades de transferencia de calor  − − Fluido caliente:  = 0.964     = ∆ . 

Fluido frio:

 

 − ∆

 =

.− .

 = 1.855

   0.964 + 1.855  2.819

8.

VALORES APROXIMADOS DE COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR GOLBAL

Suponemos U =1050W/m 3 °C 8.1. Área provisional requerida    

  ∆ 1000 3600 105029.05

4679360x    

    42.613

8.2. Tipos y característica de placa Placas “Alfa Laval” tipo P45, cuyas

dimensiones son:

 A P = 0,55 m2 (área lateral de cada placa) b = 4.9 mm (distancia entre placa)  x = 0,6 mm (espesor de las placas) W = 800 mm (ancho de cada placa)

8.3. Número de placas térmicas Np y número total de canales (  )     .       .  Placas < (Ref. Tabla 4.3)  . 

 Número total de canales       + 1  78 + 1   

8.4. Número de canales paralelos por paso (número de canales en que debe dividirse el flujo)    V = 40





v=4





 

 para el agua (se toma el mayor caudal total)

, canal (Ref. Tabla 4.3, v = 3  –  5 m3/h. Para este tipo de placas)   

 



40 3.8

 10.52 ≅ 11

8.5. Numero de pasos 



2  79    3.59 ≅ 4 211

 Número de placas    ( de pasos x de canales)  + ( de pasos x de canales)  1    411 + 411  1    87

8.6. Factor térmico

   ()    0.915

8.7. Halamos Reynolds a) Para agua caliente  (   

 ) 





Pero    2  24.910−  9.810−   39955.2      1019265.3  39.210− ℎ.     40998.88  39955.2 ℎ

Hallamos        3.9210− 10  39.210−      0.84.910−  3.9210− 

Entonces  (   

 ) 



9.810−  

1019265.3 10  249.72 < 400(flujo laminar)

4.00

Hallamos el número de Prandth   

 



5.0204

 9.36

2.145

ℎ  0.742 ( )−. ( )−. (

 

).

ℎ  0.7425.0201019265.3(249.72)−. (9.36)−. ( ℎ  28754.128

ℎ   8215.465

 ℎ   ℎ

 b) Hallamos para el amoniaco   30568.024  17040.72 −

   2  24.910

ℎ

 9.810− 

   434712.249  39.210− ℎ.  Hallamos        3.9210− 10  39.210−  







17040.72

    0.84.910−  3.9210− 

4.00 . ) 3.20

Hallamos el número de Reynolds  (   

 ) 





9.810− 

434712.249 10  1046.72 > 400( flujo turbulento /)

0.407

Hallamos el número de Prandth 

  





5.0200.40710

1.549 10

 1.319

 ℎ  0.2536( )().(Pr). 

1.549

ℎ  0.2536( )(1046.72). ( 1.319). 9.810− 

ℎ  4109.302     ℎ   1141.47 ℎ

8.8. Coeficiente total de transferencia de calor       +  +  +   + =     

  346 1 

 





º 1

8215.465

  1101.645

−

+ 0.8610

0.610− 1 +   + 1.010− + 346 1141.47

  º

8.9. Área necesaria para la transferencia de calor        

8.10.

 ∆  1299822.22

  44 1101.64529.050.915

Área disponible        = 870.55  47.85Mayor que lo requerida .−

Exceso de área  0.0875 ≅ 8.75%   Nota: se realizó el cálculo con un coeficiente total de transferencia de calor    1050   , en los valores de la tabla se encuentra dentro del rango permitido  °

8.11.

Caídas de presión ∆ para cada fluido ∆    

2     2.5

( ).

a) Para el agua   

2.5

  0.477 (249.72).   1019265.3      0.55      0.6875  0.8   0.687520  1.375    9.810−      1.2710  ℎ 2(1019265.3) 0.4771.375 ∆  1.2710 9.810− 5.020 ∆  218.118

 b) Para el amoniaco   

2.5 (1046.72).

  434712.249

  0.31  . 

     0.55      0.6875  0.8   0.687520  1.375    9.810−      1.2710  ℎ 2(434712.249) 0.311.375 ∆  1.2710 9.810− 5.020 ∆  25.784

RESPUESTA: Se selecciona un intercambiador de Placas “Alfa Laval”, tipo P4.Este intercambiador trae 500 placas térmicas, de las cuales se usan 78 y se arreglan en cuatro pasos para cada fluido con 11 canales paralelos por paso con lo cual se tiene un área de transferencia de calor de    47.85 la cual es superior al área necesaria de     44