Diseño de Intercambiadores de Calor ü ü ü ü
Introducción Principales tipos de intercambiador intercambiadores es Bases de la teoría de intercambiadores Casos: ü ü ü
ü
Método DTML Método del factor F Método NUT
Diseño soportado por Aspen Plus
Objetivos Ø Ø Ø Ø Ø Ø
Conocer los principales tipos de intercambiadores intercambiadores de calor Seleccionar intercambiadores intercambiadores de acuerdo con su aplicación Entender los factores principales en el diseño de intercambiadores intercambiadores de calor Evaluar intercambiadores intercambiadores de calor para una aplicación determinada determinada Dimensionar intercambiadores intercambiadores de calor de tubos y coraza y de intercambiadores intercambiadores de placas Familiarizarse con el uso u so de Aspen Plus ® para la evaluación y diseño de intercambiadores de calor
Objetivos Ø Ø Ø Ø Ø Ø
Conocer los principales tipos de intercambiadores intercambiadores de calor Seleccionar intercambiadores intercambiadores de acuerdo con su aplicación Entender los factores principales en el diseño de intercambiadores intercambiadores de calor Evaluar intercambiadores intercambiadores de calor para una aplicación determinada determinada Dimensionar intercambiadores intercambiadores de calor de tubos y coraza y de intercambiadores intercambiadores de placas Familiarizarse con el uso u so de Aspen Plus ® para la evaluación y diseño de intercambiadores de calor
Introducción ¿Por qué usar intercambiadores de calor?
• Para llevar los fluidos de proceso a la
temperatura correcta correcta para la siguiente operación o proceso – Ejemplo: se necesitan fluidos a altas temperaturas
para llevar a cabo una reacción
• Para condensar vapores • Para evaporar líquidos • Para recuperar calor de alguna corriente
caliente disponible • Para llevar a cabo un ciclo de potencia
Introducción (II) Generalidades • Entre dos fluidos separados por una pared (no contacto directo) • Intercambio por convección y conducción • Procesos e industrias químicas, acondicionamiento de aire, producción de energía… • Condiciones económicas:
– Eficacidad – Dimensionamiento…
Nosotros veremos: • Principales tipos de intercambiadores • Cálculos de superficie de intercambio y temperaturas de salida
Intercambio de calor entre una alimentación y una salida Intercambiador de calor
Reacción exotérmica REACTOR
Recuperación de calor
En la destilación: Condensador del reflujo
Producto de cima Alimentación
Columna de destilación Rehervidor
Producto de fondos
Nafta y gases
En destilación de petr pe tróleo óleo Bombeo de cima
Kerosene n ói c al
E2
Desalador
it
Bombeo de cima E2
Bombeo de fondos
Gasóleo pesado E3
E5
s e d e d e r r o T
Gasoleo ligero
Gasóleo pesado
Gasoleo ligero
Kerosene E4 E1
Bombeo de fondos E5
Almacenamiento
Horno
E6
Crudo reducido
Crudo reducido
Ciclo de potencia Turbina de vapor
Condensador Caldera
Calentador de agua de alimentación
Principales tipos de intercambiadores Intercambiadores coaxiales
Formas compactas
Fluido b
Fluido a
Fluido b
Fluido a
ü ü ü ü
De fácil fabricación y mantenimientos Bajo costo Multipropósito Bajo intercambio
Principales tipos de intercambiadores (II) Intercambiadores multitubulares Arreglo de tubos al interior de una coraza
Ø Ø Ø
Los más utilizados a nivel industrial Bajo costo Multipropósito
Principales tipos de intercambiadores (III) Intercambiadores multitubulares
Principales tipos de intercambiadores (IV) Intercambiadores multitubulares
BEM
AEM
AES
Principales tipos de intercambiadores (V)
Principales tipos de intercambiadores (VI)
Principales tipos de intercambiadores (VII) Intercambiadores de placas
Ø Ø Ø Ø
Complejos Presiones y temperaturas moderadas Costos elevados
Principales tipos de intercambiadores (VIII) Intercambiadores de placas
Principales tipos de intercambiadores (IX) Intercambiadores espiral
Principales tipos de intercambiadores (X) Intercambiadores de aletas
Principales tipos de intercambiadores (XI) Intercambiadores de calor en reactores Chaqueta: Son utilizados para:
ü
Ø
Control de la temperatura de operación
Ø
Precalentamiento de reactivos
Ø
Etc
•
ü
Simple, canales, serpentín…
Principales tipos de intercambiadores (XII) Intercambiadores de calor en reactores
Serpentín ü Interno o externo
•
Intercambiadores externos: ü De fondos o de condensados
ü
Principales tipos de intercambiadores (XIII) Intercambiadores de calor ACHE & torres
Tubos ACHES ü Forzados o inducidos
Torres de enfriamiento: ü Forzadas o inducidas
•
ü
Principales tipos de Curvas intercambiadores de distribución de (XIV)
temperaturas Tce
Tce Tcs
Tcs
Tfs
Tfe
Tfs
Tfe Co-corriente
Contracorriente
Tce
Tce
Tfs
Tcs
Tcs Tfs
Tfe Dos pasos
Tfe Condensador
Etapas del Diseño de un intercambiador de calor 1.Especificar las condiciones del proceso.
2. 3.Obtener las propiedades físicas de la sustancias en los intervalos de T y P de interés para la operación.
4. 5.Seleccionar el tipo de intercambiador que e desea usar.
6. 7.Estimar de forma preliminar el tamaño del intercambiador.
8.
Etapas del Diseño de un intercambiador de calor
6.Evaluación del diseño seleccionado: capacidad para satisfacer las especificaciones del proceso.
7.En caso de se necesario según los resultados d la etapa 6 se elige una nueva configuración (la etapa 5), y se repite la etapa 6.
8.Establecer el diseño final : que cumpla requisitos procesos , al costo más bajo. Costo que debe incluir la operación el
¿Preguntas? ü ü ü ü
Introducción Principales tipos de intercambiadores Bases de la teoría de intercambiadores Casos: ü ü ü
ü
Método DTML Método del factor F Método NUT
Laboratorio
Diseño de Intercambiadores de Calor ü ü
Bases de la teoría de intercambiadores Casos: ü ü ü
ü
Método DTML Método del factor F Método NUT
Diseño soportado por Aspen Plus
Bases de la teoría de intercambiadores Cálculo de potencia termina de intercambio
Consideraciones:
Tce
Tcs
1. Sistema adiabático
Ф Tfe
Tfs
2. Superficie de intercambio S 3. Fluidos:
El calor perdido por el fluido caliente por unidad de tiempo Ф es ganado por el fluido frio:
Caliente (subíndice “c”)
–
Frio (subíndice “f”)
4. Flujo másico: (1)
Permite el cálculo de una temperatura.
–
–
Densidad
–
Velocidad media
–
Sección transversal
Bases de la teoría de intercambiadores (II) Ley de Newton
Consideraciones:
Tce
Tcs
1. H es el coeficiente global de transferencia de calor
Ф Tfe
Tfs
2. S es la superficie de intercambio H : coeficiente de transferencia global de la superficie de intercambio.
(2)
3. ΔTm es la diferencia de la temperatura media a lo largo del intercambiador 4. Si ΔTm es continua, las ecuaciones 1 y 2 permiten el análisis de desempeño térmico del intercambiador. 5.
Bases de la teoría de intercambiadores (III) Expresión del H
Coeficiente global de transferencia: Ø Capas límites hidrodinámicas Ø Pared metálica
• • • • • •
Pared plana: (3)
Pared cilíndrica: (4)
Ф
(5)
Tc
Tcp hc
Tfp λ/e
Tf hf
h : coeficiente de película del costado frio o caliente.
Bases de la teoría de intercambiadores (IV) Resistencia por ensuciamiento
Coeficiente global de transferencia: Ø Válido para superficies limpias Ø Resistencia térmica del ensuciamiento
Pared cilíndrica:
• • • •
(6)
(7)
Ф
Rt Tc
Tcd Tcp hc
Rtc
Tfp Tfd λ/e
Rtf
Tf hf
: resistencia del ensuciamiento resistencia térmica del depósito
o
Bases de la teoría de intercambiadores (V) Resistencia por ensuciamiento
Fluido
Resistencia térmica del depósito (m2.K.W-1 )
Agua de mar (T<50°C)
9.10-5
Agua de mar (T>50°C)
2.10-4
Agua de caldera tratada
2.10-4
Agua dura
2.10-3
Fuel
9.14-4
Aceite
7.10-4
Vapor de alcohol
9.10-5
Vapor de agua
9.10-5
Líquido de refrigeración
2.10-4
Hidrocarburos gaseosos (etileno, benceno…)
9.10-5
Gasolina
2.10-4
Aire industrial
4.10-4
Bases de la teoría de intercambiadores (VI) Coeficientes de transferencia local (h)
Se estiman a través de correlaciones:
Ø
Tipo de intercambiador
Ø
Turbulencia (intensidad de la transferencia)
Ejemplo: para tubos rectos
Ø
Régimen laminar
Ø
(8)
Ø Ø
Régimen turbulento Ø
Ø (9)
Bases de la teoría de intercambiadores (VII) Cálculo ΔTm
A partir de un balance energético en dx , con las siguientes hipótesis: Ø Intercambiador aislado Ø La condición axial del tubo es despreciable Ø Las variaciones de energía cinética y potencial son despreciables Ø El calor específico Cp permanece constante
Ø
El coeficiente de transferencia global de calor H permanece constante a lo largo del intercambiador
Cálculo ΔTm (intercambiadores
tubulares) Contra-corriente
Tce
•
Co-corriente Tce
ΔTs Tcs ΔTe
Tfs ΔTx
ΔTe
ΔTs
ΔTx
Tfe Tfe
dx
dx
Tcs Tfs
Casos: Método DTML (II) Cálculo ΔTm (intercambiadores
tubulares) Diferencia de temperaturas en la ley de Newton para intercambiadores coaxiales:
(10)
2. Encuentre la expresión de la ley de Newton para H variable.
Ø
Tarea: 1. Realice el balance energético y deduzca ΔTm.
Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML, método)
Casos: Método DTML (III) Cálculo ΔTm (intercambiadores
tubulares) Diferencia de temperaturas en la ley de Newton para intercambiadores coaxiales:
Tenga en cuenta: 1. A mayor complejidad:
Ø
Método del factor F
Ø
Método NUT
(10)
Ø
Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML, método)
Casos: Método DTML (IV) Contra-corriente Vs. Cocorriente (Ejercicio)
Se decide elevar la temperatura de un fluido frio de 100 a 200 °C. Para esto se dispone de un segundo fluido a 315 °C, donde su flujo y calor específico son tales que su temperatura de salida es de 260 °C.
¿Qué configuración conduce a la mas baja superficie de intercambio?
Casos: Método DTML (V) Contra-corriente Vs. Cocorriente (Ejercicio)
315°
315°
ΔTs 260° ΔTe
200° ΔTx
ΔTe
ΔTs
ΔTx
100° 100°
dx
dx
260° 200°
Casos: Método DTML (V) Contra-corriente Vs. Cocorriente (Ejercicio)
315°
315°
ΔTs 260° ΔTe
200° ΔTx
ΔTe
ΔTs
ΔTx
100° 100°
dx
ΔTml
dx
ΔTml
260° 200°
Casos: Método DTML (V) Contra-corriente Vs. Cocorriente (Ejercicio)
Suponiendo a los coeficiente de transferencia de calor idénticos Ф = H Sco-corriente
ΔTml co-corriente
= H Scontra-corriente
ΔTml contra-corriente
… donde tenemos ΔTml co-corriente
/ ΔTml contra-corriente
= Scontra-corriente
/ Sco-corriente
Esto significa una superficie de intercambio a co-corriente 12,3 % mayor que la utilizada por un sistema contra-corriente.
Diseño de Intercambiadores de Calor ü ü
Bases de la teoría de intercambiadores Casos: ü ü ü
ü
Método DTML Método del factor F Método NUT
Laboratorio
Recapitulando
Fluido1 caliente
Fluido1 frio
Co-corriente
Contracorriente
Recapitulando Entrada de agua
Entrada de agua
Agua
Taire Colector Aire Vaire
Tagua Salida de agua
Corrientes cruzadas
Recapitulando Principales configuraciones T&C
Capacidad Vs. Tipo
Intercambiadores no compactos < 700 m2 / m3
Intercambiadores compactos > 700 m2 / m3 A u m e n ta e
Criogénicos Placas aleteadas Tubos; Tubos y coraza l
Intercambiador de placas Diámetro hidráulico
Capacidad
ta p o n a m ei n
to
L a d if e re n c ia d e et m p e
ra tu ra e n tr e lo
Caja fija
s d o s
Caja flotante
fl
u id o s a u m e n ta
Tubos en U
Recapitulando
Número de pasos Entrada
Salida
Entrada
Arreglo de tubos
Salida
Flujo Inverso
p e d or e m ú N
s o s a
Flujo Normal
Flujo Normal
Flujo Inverso
Recapitulando
Geometrías de baffles Discos y coronas
Orificios circulares Barrotes (rod baffle)
Segmentos
Consideraciones para bafles o deflectores
Deben poseer un espaciamiento mínimo de 1/5 del diámetro de la coraza y nos menor a 50.8mm (2in). Espaciamiento máximo esta dado por 74d0.75 (d:diámetro exterior del tubo en in)
Existen diferentes cortes de deflectores identificados como de : segmento sencillo segmento doble o de segmento triple
Recapitulando
Evaporadores Solución a evaporar
Vapor Tubos en U
Mampara
Baffle límite Vapor
Solución concentrada
Sección tubular horizontal
Soportes
Vapor producido
Líquido Vapor Evaporador inundado
Carcaza del evaporador
Vapor de calentamiento
Solución concentrada
Evaporador de tubos roseados
Recapitulando
Concentradores
Venteo
Vapor Agua
Agua
Agua
Agua
Vapor Venteo
Condensado
Condensado
Recapitulando Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML)
Este factor de corrección toma el valor de 1 en el caso de un int
Tenga en cuenta que este es un f
Recapitulando Factor de corrección (F)
Recapitulando ¿Cómo se puede aumentar flux?
• Aumentar el K – Aumentar la
convección del fluido de menor capacidad calorífica • Aumentando Re • Aumentando las
perdidas de carga
• Disminuir el Prandlt μ << λ
–
• Aumento de
Concepto de eficacidad y NUT Eficacidad
Concepto de eficacidad y NUT Eficacidad
Contracorriente
Co-corriente
Concepto de eficacidad y NUT Eficacidad
La eficacidad realiza una relación entre el flux real limitado por la longitud del intercambiador y el flux teórico asumiendo longitud infinita.
1. Eficacidad definida por el fluido 1
2. 3. 4. 5. Eficacidad definida por el fluido 2
6. 7. 8.
si…
9. Eficacidad del intercambiador
10. 11. 12. La eficacidad estará definida por el
Concepto de eficacidad y NUT NUT
Denominaremos al Número Unidades Transferencia.
si…
NUT de de
Correspondencia entre NUT, ε y matrices de transferencia Intercambiador Co-corriente
Intercambiador Contracorriente
Dimensionamiento térmico Lógica para un dimensionamiento
Cálculos DTML
Cálculo para el dimensionamiento de intercambiador de tubos y coraza mperatura media característica a partir de las temperaturasun de entrada y salida para enfriamiento de do-decano (Q 1=15 m3/h, Te1 =120 °C y Ts1 =60 °C) con agua industrial que circula por los tubos a contra corriente (T e2 =20 °C y Ts2 =30 Cálculo del ΔTML y del coeficiente correctivo F °C). Las propiedades físicas del do-decano a temperatura media de 90°C son: ρ = 750 kg/ m 3, Cp= 2260 J/(kg.K), λ=0,151 Cálculo de la carga intercambiada: W/(m.K) y μ=7,5 x 10 -4 Pa.s. El intercambiador esta constituido por un juego de 66 tubos en acero dulce de conductividad λ=50 W/(m.K), con Búsqueda del área de intercambio: relación de diámetros 20/24 mm, con paso triangular normal p=30 mm. Los tubos realizan dos pasos. La coraza tiene un díametro D=337 mm y cuenta con baffles de espesor e=5 mm espaciados con una distancia b=100mm. La altura libre de cada baffle esponde al 25% del diámetr
Cálculos DTML
Cálculo para el dimensionamiento de un intercambiador de tubos y coraza para enfriamiento de do-decano (Q 1=15 m3/h) de doble paso (Te1 =120 °C y Ts1 =60 °C) con agua industrial que circula a contra corriente (Te2 =20 °C y Ts2 =30 °C).
Las propiedades físicas del do-decano a temperatura media de 90°C son: ρ = 750 kg/ m3, Cp= 2260 J/(kg.K), λ=0,151 W/ (m.K) y μ=7,5 x 10-4 Pa.s. El intercambiador esta constituido por un juego de 66 tubos en acero dulce de conductividad λ=50 W/(m.K), con relación de diámetros 20/24 mm, con paso triangular normal p=30 mm. Los tubos realizan dos pasos. La coraza tiene un díametro D=337 mm y cuenta con baffles de espesor e=5 mm espaceados con una distancia b=100mm. La altura libre de cada baffle corresponde al 25% del diámetro interior de la coraza.
1. Determinación de la longitud
Cálculo de la carga intercambiada – –
Flujo másico del agua industrial –
–
Con Cp2 =4180 J/(kg.K)
Q2=36,5 m3/h con ρ = 1000 kg/ m 3,
La relación de velocidades de los flujos sería: – –
Y la eficacidad del intercambiador estaría dad por: – –
Coeficiente de corrección , F=0,97
Cálculos Determinación del coeficiente de intercambio h de los fluidos. Velocidad del agua en los tubos,
–
Con μ=8,9 x 10 -4 Pa.s y d=20 mm
Utilizando la correlación de Colburn, el coeficiente será:
Con λ=0,607 W/(m.K) y Pr=6,13
Y el número de Nusselt será,
Cálculo del número de Reynolds con d=24,
La velocidad por la carcaza será,
–
Cálculo del número de Reynolds ,
Para el cálculo de velocidad del do-decano por la coraza, se busca la sección de paso por los bafles,
El coeficiente de del costado carcaza será, –
Cálculos Determinación del coeficiente de intercambio h de los fluidos. El inverso del coeficiente de intercambio global estará dado por,
– –
Donde K (H o U) determinará una superficie de intercambio de,
Con ΔTML ,
Determinando una longitud de,
Cálculos NTU
Cálculo para el dimensionamiento de un intercambiador de tubos y coraza para enfriamiento de do-decano (Q1=15 m3 /h, T e1 =120 °C y T s1 =60 °C) con agua industrial que circula por los tubos a contra corriente (T e2 =20 °C y T s2 =30 °C).
Estimación de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Las propiedades físicas del do-decano a temperatura media de 90°C son: ρ = 750 kg/ m3, C p= 2260 J/ (kg.K), λ=0,151 W/(m.K) y μ=7,5 x 10 -4 Pa.s.
Cálculo del coeficiente global K
El intercambiador esta constituido por un juego de 66 tubos en acero dulce de conductividad λ=50 W/(m.K), con relación de diámetros 20/24 mm, con paso triangular normal p=30 mm. Los tubos realizan dos pasos. La coraza tiene un díametro D=337 mm y cuenta con baffles de espesor e=5 mm espaciados con una distancia b=100mm. La altura libre de cada baffle corresponde al 25% del diámetro interior de la coraza.
Determinación del NTU y de la eficiencia ε
Cálculo de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Iteración
Para el ejemplo anterior tome una superficie de intercambio S=7,88 m2, para un caudal de do-decano Q1=18m3/h, y se dispone del mismo servicio de agua industrial Te2 =20
Cálculos NTU
Estimación de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Cálculo del coeficiente global K
1.
2. 3. 4.
Determinación del NTU y de la eficiencia ε
5. 6.
Cálculo de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Iteración
7. 8.
Cálculos NTU
Estimación de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Cálculo del coeficiente global K
5.
6. 7. 8.
Determinación del NTU y de la eficiencia ε
9. 10.
Cálculo de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Iteración
11. 12.
agua
Consideraciones generales de diseño 1. Selección de la trayectoria de flujo. Dentro del tubo: el más corrosivo , el más sucio o el de más alta presión. En la corazalíquido de viscosidad elevada o un gas.
2. 3. Códigos de construcción. ASME en su publicación Roules of construction of pressure vessels, Division I proporcionan normas mínimas para la construcción.
4. 5. Vibración de haz de tubos. Mecanismos básicos: -Derramamiento en vórtice -Acoplamiento elástico de
Diseño de Intercambiadores de Calor ü ü
Bases de la teoría de intercambiadores Casos: ü ü ü
ü
Método DTML Método del factor F Método NUT
Laboratorio