Unidad 4 Intercambiadores de Calor Copiar

UNIDAD 4 INTERCAMBIADORES DE CALOR

4.1 Coeficiente global de transferencia de calor. La temp temper erat atur ura a supe superf rfic icia iall o los los fluj flujos os de calo calorr no son son espe especi cififica cado doss para para los los interc intercamb ambiad iadore oress de calor calor.. Esta Esta compli complicac cación ión es resuelt resuelta a median mediante te la utiliz utilizaci ación ón del Coeficiente Global de Transferencia de Calor. Este coeficiente es definido en términos de la resi resist sten enci cia a térm térmic ica a tota totall a la tran transf sfer eren enci cia a de calo calorr entr entre e dos dos flui fluido dos. s. Cuan Cuando do consideramos fluidos de un intercambiador de calor fluyendo fuera y dentro de un tubo. e manera !ue podemos escribir !ue"

ond onde e # $ % designa al coeficiente global de transferencia de calor% referido al &rea e'tern e'terna% a% y de igual forma% forma% i $ se refiere al coeficiente global de transferencia de calor  referido referido al &rea interna. interna. ic(a distinción distinción es necesaria% necesaria% debido a !ue el &rea disponible disponible para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando se a)anza radialmente. En la tabla siguiente se muestra )alores t*picos del coeficiente global de Transferencia de calor% $ +ituación ,*sica $ - /m02

figura 4.1 tabla de combinación de fluidos

,actores de impureza representati)os"

Fig 4.2 factores de impureza La cantidad 3# se denomina eficiencia superficial global efectiva de la temperatura  de una superficie con aletas. +e define de modo !ue% la transferencia de calor es"

!

= η

( 4 5 Tb 6 T∞ 7

0

Con"

3

#

=1 −

A

f 

(1 −3 ) f  A

+i se emplea una aleta recta o de alfiler de longitud L% y se supone e'tremo adiab&tico"

η

f 

=

ta n ( 5 m L 7 m L

donde m 8 50(/t7 1/0 y t el espesor de la aleta.

4.0 ,actores de suciedad.

Las superficies de transferencia de calor de un intercambiador de calor pueden llegar a recubrirse con )arios depósitos presentes en las corrientes o las superficies pueden corroerse como resultado de la interacción entre los fluidos y el material empleado en la fabricación y dise9o del intercambiador. El efecto global se representa generalmente mediante un factor de suciedad o resistencia de suciedad% :f. ;ue debe incluirse junto con las otras resistencias térmicas para obtener  el coeficiente global de transferencia de calor. Los factores de suciedad se tienen !ue obtener e'perimentalmente% la determinación de los )alores de <$= del intercambiador de calor% tanto en condiciones de limpieza como en suciedad.

Fig. 4.3 factores de depreciacionpor suciedad

El factor de suciedad !ueda definido entonces como" Rf: 1/Sucio – 1/Limpio

+e deber*a destacar !ue el )alor de <$= )iene determinado en muc(os casos por solo uno de los coeficientes de transferencia de calor por con)ección. En la mayor*a de los problemas pr&cticos la resistencia a la conducción es pe!ue9a comparada con la resistencia a la con)ección. +i uno de los )alores de <(= es notablemente mas bajo !ue otro tender& a dominar en la ecuación de <$= donde" $i" Coeficiente global de transferencia de calor interna.

 e. 1 > e.Ln5re/ri7 > 1  i . (i 0L (e

$e" Coeficiente global de transferencia de calor e'terna. $i 1 > i.Ln5re/ri7 > i . 1

onde%

(i 0L e . (e

(i" ?u.@ (e" 1.A0 T 1/4

$e 1

ddB

,ig. 4.4 formula de los factores de suciedad

4.A Tipos de intercambiadores de calor. Estos son dispositi)os !ue facilitan la transferencia de calor de una corriente de fluido a otra. Los procesos de producción de energ*a% refrigeración% calefacción y acondicionamiento de aire% elaboración de alimentos% elaboración de productor !u*micos% y el funcionamiento de casi todos los )e(*culos dependen de di)ersos tipos de intercambiadores de calor. Los intercambiadores se clasifican normalmente de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción. ntercambiador de calor de tubos concéntricos. ,lujo paralelo. Contraflujo. •

. fig. 4.D ntercambiador de calor de tubos concéntricos.

ntercambiador de calor de tubos y coraza. Con un paso por la coraza y un paso por los tubos 5modo de operación contraflujo cruzado7. •

,ig. 4. ntercambiador de calor de tubos y coraza.

4.4 Temperatura media logar*tmica. Los intercambiadores de calor son dispositi)os !ue sir)en para calentar o enfriar un fluido % mediante el intercambio de calor !ue se realiza entre dos o m&s fluidos separados entre s* por una superficie sólida transmisora de calor. entro de estos intercambiadores de calor uno de los tipos m&s sencillos y f&ciles de estudiar e'perimentalmente est& constituido por los intercambiadores de calor en serie o en paralelo% de paso simple. La ecuación general !ue gobierna la transferencia de calor entre el fluido de mayor  temperatura y el de menor temperatura es la siguiente" Q = U A ð  !L

onde" $" Coeficiente total de transferencia de calor basado en el &rea e'terior  de la tuber*a de menor di&metro. ;" Felocidad de transferencia de calor entre el flu*do m&s caliente y el m&s fr*o. THL" iferencia media logar*tmica entre los flu*dos en circulación. ð  !L = " ma# $  min %/ & Ln " ma# / min%' 

,ig. 4.I es!uema de la e)aluación de los fluidos

El término diferencia media logar*tmica de temperatura se presenta debido a !ue la temperatura de uno de los dos fluidos en consideración )ar*a de acuerdo con su recorrido en la dirección de flujo.  tra)és de una longitud L% en un punto donde L 8 # e'istir& un T entre los dos fluidos y en un punto donde L 8 L e'istir& otra T realiz&ndose la medición de L en el sentido del flujo de uno de los dos fluidos. ndiferente del sentido recorrido % Tma'. +er& el T mayor y el T min. +er& el T menor en cada uno de los puntos citados.

Entre los fluidos en circulación se cumplir& la ley de conser)ación de la energ*a% de tal modo !ue el calor cedido por uno de ellos al enfriarse% ser& tomado por otro al calentarse . Considerando por ejemplo% !ue el fluido !ue circula por la tuber*a interior )ar*a su temperatura durante el intercambio de calor% se podr& calcular la )elocidad de transferencia de calor% si se conoce la cantidad de masa de fluido !ue circula durante un tiempo determinado% su calor espec*fico promedio y las temperaturas iniciales y finales. +i adem&s mediante el uso de termocuplas determinamos las temperaturas de los dos fluidos al comienzo y al final de la longitud de recorrido en estudio y medimos el &rea total de transferencia de calor correspondiente a dic(a longitud % podemos calcular el )alor del coeficiente total de transferencia de calor% !ue ser& la Jnica incógnita de la ecuación de transferencia de calor. Esto podemos repetir para di)ersas situaciones e'perimentales y tendremos oportunidad de obtener las )ariaciones del coeficiente total de transferencia de calor en relación con las )ariables !ue deseamos estudiar.

,ig 4.K intercambiador de temperatura

4.D Hétodo del ?$T 5nJmero de unidades de transferencia76 rendimiento. +e usa para calcular la )elocidad de transmisión de calor en ntercambiadores de calor 5especialmente en contracorriente7 cuando no (a y información suficiente para calcular la iferencia de Temperaturas Hedia Logar*tmica 5THL7.

Fig 4.9 El caudal masico y el calor especıco inuyen sobre la variacion de la temperatura.

4. ntercambiadores de calor compactos. Este es un grupo de intercambiadores desarrollados con el objeti)o de disminuir el )olumen de los e!uipos. $no de los m&s utilizados es el de tipo placa"

Fig. 4.! tipos de placas

Fig. 4. "ntercambiador de un paso

4.I n&lisis de propiedades en los intercambiadores de calor. ara el dise9o térmico de un ntercambiador de Calor se (ace un balance de calor entre los fluidos calientes y fr*os sobre la superficie de intercambio térmico"

Fig. 4.2 dise#o t$rmico de un intercambio de calor

En un caso sin cambio de fases"

 dem&s si consideramos la ley de enfriamiento de ?eMton"

La diferencia media de temperatura Ntm correcta se debe determinar.

ntercambiador de calor en flujo paralelo. OEn este caso el fluido fr*o y el fluido caliente circulan en la misma dirección% as* NTmes grande al comienzo y disminuye con '. En este ntercambiadorde calor la temperatura de salida del fluido fr*o nunca e'cede la temperatura de salida del fluido caliente.

Fig. 4.3 Flu%o paralelo

4.K Consideraciones sobre el dise9o y la e)aluación de intercambiadores de calor. Las fases a seguir en el dise9o de un intercambiador de calor son" 1.6 Comprobar el PL?CE E E?E:GQ% (emos de conocer las condiciones del procesamiento% caudales% temperaturas% presiones% propiedades f*sicas de los fluidos%... 0.6 signar las corrientes al tubo y casco. A.6 ibujar los diagramas térmicos. 4.6 eterminar el nJmero de intercambiadores en serie. D.6 Calcular los )alores corregidos de la diferencia media de temperaturas 5HT7. .6 +eleccionar el di&metro% espesor% material% longitud y configuración de los tubos. I.6 Estimar los coeficientes de pel*cula y de suciedad. Calcular los coeficientes globales de transmisión de calor. K.6 Calcular la superficie de intercambio estimada. R.6 +eleccionar el tama9o del casco 5utilizando dos pasos en tubo7. 1#.6 Calcular las perdidas de presión en el lado del tubo y re calcular el nJmero de pasos para cumplir con las perdidas de presión admisibles. 11.6 sumir la separación entre des)iadores y el &rea de paso para conseguir la perdida de presión en casco admisible. 10.6 :e calcular los coeficientes de pel*cula en el lado del tubo y del casco utilizando las )elocidades m&sicas disponibles. 1A.6 :e calcular los coeficientes globales de transmisión de calor y comprobar si tenemos suficiente superficie de intercambio. 14.6 +i la superficie de intercambio es muy grande o muy pe!ue9a re)isar los estimados de tama9o de carcasa y repetir las etapas R61A.

Fig. 4.4 recuperador de calor

Fig. 4.& Es'uema de un intercambiador de calor de tubo y carcasa con un paso por la carcasa y un paso por los tubos

4.R Fariación de an&lisis de propiedades térmicas. (os aceros de uso en recipientes de presi)n en general presentan una microestructura no *omog$nea a lo largo del espesor de su pared debido al proceso de su fabricaci)n. Esto se ve agravado por'ue los espesores t+picos son del orden de los 2!!,2&! mm. (o e-puesto nos conduce a 'ue en distintas partes del mismo var+en no s)lo su microestructura sino tambi$n sus propiedades mecnicas. /or lo tanto0 deben estandarizarse los m$todos de evaluaci)n del material antes de su uso en condici)n no irradiada y en su posterior irradiaci)n a trav$s de programas de vigilancia 'ue nos permiten vericar el estado del acero del recipiente de presi)n colocando probetas tipo c*arpy,v0 tracci)n y fractomecnicas dentro del reactor 'ue sern evaluadas y nos darn informaci)n del estado en 'ue se encuentra el material del recipiente. /ara analizar estos cambios se realizaron ensayos con probetas c*arpy,v tomadas con distintas orientaciones dentro del blo'ue representativo del espesor de pared y se construy) para cada direcci)n sus respectivas curvas de transici)n ductil,frgil. (as orientaciones a tomar sern 4 en total y son las denominadas por la norma 1 E,399 59936 como (0 (0  y (. (as conclusiones a las 'ue se arribo surgen de un anlisis comparativo de los resultados obtenidos para cada orientaci)n estudiada y se conrma lo recomendado por las normas en cuanto a la selecci)n de la orientaci)n ( como la ms conservativa.

,ig. 4.1 an&lisis térmico