TEMA “INTERCAMBIADORES DE CALOR” CURSO: MAQUÍNAS TERMICAS 5TO SEMESTRE Mantenimiento de Planta Po!e"o: In#$ %il!edo Olando M&illo 'il()e* Al&mno": +&nio Ale,i" 'il(a-e Coa Ant)on. Mamani Contea" Ale/ando Moe.a Soto An#el Pinto Ca"a" TECSUP 0 1234
3$ INTRODUCCIN La transferencia de calor, es un proceso en el que se intercambia energía calórica entre disntos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a disnta temperatura. La transferencia de calor abarca fenómenos sicos como la conducción y convección, que se deben de comprender antes de proceder a desarrollar metodologías que conduzcan al diseño trmico de los sistemas correspondientes como por e!emplo los que implican procesos de transferencia de calor de un "uido a otro #$%. &n intercambiador de calor es un disposivo usado para transferir energía trmica #entalpia% entre dos o más "uidos, entre una super'cie sólida y un "uido, o entre par(culas sólidas y un "uido a diferentes temperaturas y en contacto trmico. Las aplicaciones (picas involucran calentamiento o enfriamiento de una corriente de "uido que puede involucrar evaporación o condensación de corrientes de "uidos simples o mulcomponente. )n otras aplicaciones, el ob!evo podría ser recuperar o rec*azar calor, pasteurizar, deslar, concentrar, cristalizar o controlar un "uido de proceso. #+% Los intercambiadores de calor se pueden clasi'car de acuerdo a su construcción, el proceso de transferencia, el grado de compacidad de la super'cie, la disposición de los "u!os, disposición de los pasos, la fase de los "uidos involucrados en el proceso y el mecanismo de transferencia de calor #%. -e los diferentes pos de intercambiadores de calor que *ay, el más simple es uno en el cual los "uidos caliente y frio se mueven en la misma u opuesta dirección en una construcción de tubo concntrico o doble tubo #%. &n esquema de este intercambiador se muestra en la 'gura $. /igura $. 0ntercambiador de calor de doble tubo
/uente1 #+%.
2ecientemente el -epartamento de 0ngenierías de la &niversidad 3utónoma -el 4aribe adquirió unos equipos marca )-0567, los cuales son unos bancos intercambiadores de calor para realizar práccas de laboratorio y con ellos poder determinar varios parámetros fundamentales en el proceso de transferencia de calor. 4on lo anteriormente mencionado nacen las siguientes interrogantes1
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89u parámetros podemos manipular y calcular con estos equipos: 89u tan e'cientes son estos equipos: 84uáles son las condiciones ópmas de operación de estos equipos: 89u diferencias pueden e;isr entre los equipos:
/uente1 )-0567 =.3. 4atálogos 6nline, )dición1 )-6$>?@, Aayo +??@
1$ AN6LISIS DE INTERCAMBIADORES
1$3$ Di!een(ia media lo#a7tmi(a La diferencia de temperaturas entre los "uidos varia a lo largo del intercambiador y depende de la disposición del "u!o #/lu!o paralelo o contra "u!o%, ver /igura , es por eso que es necesario de'nir una correcta diferencia temperatura promedio entre los dos "uidos y esta es la diferencia de temperatura media logarítmica #BC lm% #%. /igura . -istribución de temperaturas en intercambiador de calor doble tubo con "u!o paralelo y a contra"u!o
8&ente: )-0567 =.3. 4atálogos 6nline, )dición1 )-6$>?@, Aayo +??@
DE D DFD D
=iendo DC$ F C*i G Cci DC+ F C*o G Cco
)ntonces, el cálculo de la transferencia de calor total en el intercambiador es determinado mediante1
q F &3DClm
1$1$ M9todo NTU 0 e!e(;idad =i las temperaturas de salida de un intercambiador no son conocidas, para calcular la taza de transferencia de calor a parr de la diferencia media logarítmica de temperaturas se tendría que resolver el problema por iteración, parendo de un valor apro;imado de una de las temperaturas. )ste mtodo seria lento y costoso, en estos casos es preferible usar el mtodo 7C& H efecvidad.
3ntes de empezar a ulizar el mtodo 7C& es necesario de'nir la efecvidad. )sta es el cociente entre el valor realmente intercambiado y el má;imo que podría transferirse en un intercambiador de área in'nita en "u!o contracorriente #$%.
F -ónde. qmá;imo F m* 4p* #C*,i H Cc,i% si m* 4p* I mc 4pc porque el "uido caliente e;perimentaría el cambio mayor de temperatura. qmá;imo F mc 4pc #C*,i H Cc,i% si mc 4pc I m* 4p* porque el "uido frio e;perimentaría el cambio mayor de temperatura siendo #C *,i H Cc,i% el má;imo posible de diferencia de temperaturas que sufriría uno de los "uidos.
J F C*,i G C*,o si m* ∗ 4p* I mc ∗ 4pc C*,i G Cc,i J F Cc,o G Cc,i si mc ∗ 4pc I m* ∗ 4p* C*,i G Cc,i )l nKmero de unidades de transmisión #7C&% es un parámetro adimensional ampliamente usado para el análisis de intercambiadores de calor y se de'ne como. ∗
F # ∗%
$
7C& F
Ln E$
$G
E $J
$ Cmin Cmax
Cmax
7C& F Ln $G
$GJ
-)/070407 -)L <264)=6 Un inte(am
La -oten(ia t9mi(a en un "uido en estado líquido de-ende del (a&dal m>"i(o y de la di!een(ia ente la" tem-eat&a" de entada . "alida. )n un "uido con cambio de fase en condiciones de saturación #condensación o evaporación%, la potencia trmica depende del caudal másico y de la entalpía de cambio de fase, la cual viene determinada por la presión de saturación. )l proceso queda de'nido cuando todos los parámetros *an sido '!ados por el cliente, a e;cepción de uno, que será calculado por aplicación del balance de energía anterior.
Pod&(to l7?&ido @- "e;i(io (on (am
<26<0)-3-)= CN2A043= " de la ;elo(idad de -a"o por el intercambiador.
O03O0L0-3--)L 07C)243A503-62 &na vez establecido el proceso y caracterizadas las propiedades trmicas de los "uidos, comienza la labor de de'nición del intercambiador de calor. Ele((in de lo" mateiale"$ =346A) fabrica sus intercambiadores de calor en acero ino;idable y acero carbono, y pone al servicio de sus clientes otros materiales especiales para aplicaciones con alto riesgo de corrosión. Ele((in de la #eomet7a$ )sta elección dependerá del po de proceso y de la naturaleza del producto. )l -epartamento Ccnico de =346A) le orientará para seleccionar el intercambiador tubular adecuado, evaluando los diferentes requerimientos del cliente1 velocidades de paso, prdidas de carga, espacio disponible, etc. Las geometrías tubulares más empleadas son1
0ntercambiador de dos tubos concntricos.
0ntercambiador de espacio anular.
0ntercambiador de carcasa y tubos.
Ele((in de la (on#&a(in . lo" a(aea de inte(am
)sta ecuación debe discrezarse a lo largo del intercambiador en un nKmero su'ciente de secciones1 la efecvidad de la transferencia de calor entre los "uidos varía a lo largo del intercambiador porque, entre otros movos, las propiedades trmicas varían con la temperatura y e;isten comple!os fenómenos trmicos que se desarrollan a lo largo del intercambiador.
1$ Detemina(in de la di!een(ia lo#a7tmi(a media de tem-eat&a" . =e de'ne entre dos secciones del intercambiador, y depende de las temperaturas de entrada y de salida del producto y del servicio. 4uando se aplica a la totalidad del intercambiador, estas cuatro temperaturas sí son conocidasQ cuando se aplica sobre una discrezación, *ay valores a priori desconocidos y es preciso e!ecutar un proceso iteravo de convergencia.
F$ Detemina(in del (oe(iente #lo
.$. 2esistencia trmica de convección. )valKa la transferencia de calor que se produce por convección en ambos canales de paso de "uido. )s inversamente proporcional al coe'ciente de transferencia trmica del "uido, *. )n el canal de producto, siendo - p y dp los diámetros e;terior e interior del tubo interior, es1
)n el canal de servicio es1
)l paso críco en el diseño del intercambiador es precisamente la determinación de los coe'cientes de transferencia trmica * de una manera 'able y precisa1 un cálculo erróneo de dic*os coe'cientes dará como resultado un funcionamiento insu'ciente del intercambiador, llegando incluso a no alcanzar las temperaturas deseadas. -ependiendo del canal de paso #tubo, espacio anular, etc.% y del rgimen del "u!o #laminar, turbulento, etc.% será necesario establecer una correlación empírica adecuada para el nKmero de 7usselt 7u, que es el parámetro adimensional a parr del cual se obene el coe'ciente de transferencia *. )n general, el 7usselt dependerá de otros parámetros adimensionales como son el nKmero de 2eynolds, el nKmero de
.+. 2esistencia trmica de conducción. )valKa la transferencia de calor que se produce por conducción en el tubo interior que separa a ambos "uidos.
.. 2esistencia trmica de ensuciamiento. 4on el funcionamiento del intercambiador, es *abitual que en las super'cies en contacto con los "uidos se vayan depositando películas formadas por las impurezas de los propios "uidos. )stas resistencias de ensuciamiento, o TfoulingU, empeoran la transferencia de calor.
)n aplicaciones, generalmente industriales, en las que se requiere retrasar la parada del intercambiador para su limpieza, es prácca comKn considerar que estas resistencias e;tra estarán presentes desde el inicio, con lo que se sobredimensiona el equipo. )n aplicaciones alimentarias no se consideran, ya que los traba!os de limpieza son más connuos. )n el canal de producto es1
)n el canal de servicio es1
G$ C>l(&lo del >ea de inte(am
)l resultado obtenido es el área teórica requerida.
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