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7/31/2019 7. Anlisis trmico e hidrulico
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Diseo de Equipo para Transferencia de Calor Dr. Juan M. Belman
7. ANLISIS TRMICO E HIDRULICO
Los intercambiadores de recuperacin se clasifican usualmenteen funcin del arreglo del flujo y el tipo de construccin:
Constituye el intercambiador de calor mssimple en el que los fluidos caliente y fro se
mueven en la misma direccin (equicorriente)
o en direcciones opuestas (contracorriente) en
una disposicin de tubos concntricos.
Flujo Paralelo
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En este caso los fluidos se mueven
perpendicularmente entre s. Las
configuraciones difieren segn el fluido quecircula por el exterior de los tubos se mezcla
(cruzado con mezcla) o no (cruzado sin
mezcla).
Flujo Cruzado
Es una configuracin comn que se
caracteriza por el nmero de pasos por
carcasa y por tubos. Normalmente se instalan
deflectores para aumentar el coeficiente deconveccin del fluido que circula por la
carcasa.
Carcasa y tubos
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Son intercambiadores que se utilizan para
conseguir una elevada superficie detransferencia de calor por unidad de volumen.
Compactos
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Para caracterizar la transferencia de calor en intercambiadores
y de esta forma disear o modelizar el comportamiento del
intercambiador disponemos de:
Balances
EnergticosLa cesin de potencia trmica del fluido
caliente, en ausencia de transferencia de
calor entre el intercambiador y sus
alrededores, es igual a la absorcin depotencia trmica por parte del fluido fro.
Si ninguno de los dos fluidos experimenta un
cambio de fase y se suponen calores
especficos constantes:
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Transferencia de
CalorSe puede obtener otra expresin til al
relacionar la transferencia de calor total con la
diferencia de temperaturas entre los fluidoscaliente y fro, donde T = Tc-Tf. Y llamando
T* a una diferencia de temperaturas media
apropiada:
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Coeficiente global de transferencia de calor
Una parte esencial en cualquier anlisis de un intercambiador
de calor es la determinacin del coeficiente global de
transferencia de calor, U.
En todos los casos existe una pared que
separa el fluido fro del fluido caliente y
en el caso habitual de geometra
cilndrica este coeficiente toma la
siguiente expresin:
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Diferencia de temperatura media logartmica
En la ecuacin
T* representa unadiferencia de temperaturas media. Sin
embargo, como T (Tc Tf), vara con la
posicin en el intercambiador, es necesario
trabajar con una diferencia de temperaturas
media apropiada.
La forma de T se puede determinar mediante la aplicacin de un
balance de energa para elementos diferenciales en los fluidos
caliente y fro. As, consideraremos cada elemento diferencial delongitud dx y de rea dS. Y los balances de energa estarn sujetos a
las siguientes suposiciones:
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Intercambiador de calor aislado de sus alrededores
La conduccin de calor axial a lo largo de los tubos es insignificante
Los cambios de energa potencial y cintica son despreciables
Los calores especficos de los fluidos son constantes
El coeficiente global de transferencia de calor es constante
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A la misma expresin se llega haciendo el anlisis para unintercambiador de flujo paralelo equicorriente.
De esta forma, la potencia trmica de un intercambiador de flujo
paralelo se puede predecir en base al clculo del coeficiente global de
transferencia de calor y de una diferencia de temperaturas logartmicamedia
Nota: Hay que advertir que en las mismas condiciones la diferencia de temperaturaslogartmica media para el intercambiador contracorriente supera al de disposicin
equicorriente, por lo tanto el rea de transferencia de calor necesaria para transferir una
misma potencia trmica es inferior en contracorriente.
As, existe la posibilidad que Tfs pueda exceder a Tcs en un intercambiador de flujo paralelo
contracorriente. Sin embargo, esta posibilidad no existe en un intercambiador equicorriente.
razonar
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Condiciones especiales de operacin:
Existen condiciones especiales de operacin para los intercambiadores
de flujo paralelo como son:
1. Un fluido tiene una capacitancia
trmica mucho mayor que el otro
(C1>> C2).
2. Los fluidos presentan iguales
capacitancias trmicas (C1= C2).
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Un fluido tiene una capacitancia trmica mucho mayor que el otro
(C1>> C2).
En este caso la temperatura del fluido de mayor capacitancia
permanecer aproximadamente constante mientras que el otro fluidosufrir la variacin de temperatura. El caso extremo es en el caso de
que un fluido puro cambie de estado (C1) donde, en ausencia de
prdidas de carga significativas, el fluido que cambia de estado
permanece a temperatura constante.
En este caso resulta indiferente si la disposicin es equicorriente o
contracorriente, ya que la distribucin de temperaturas a lo largo del
intercambiador ser exactamente la misma y, por tanto, lo ser la
diferencia de temperaturas logartmica media.
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Eficiencia-NTU (-NTU)
Se define la eficiencia de un intercambiador de calor como la relacin
existente entre la potencia trmica transferida por un intercambiador
y la potencia trmica mxima posible.
La potencia trmica mxima, qmax, es aquella se puede alcanzar en un
intercambiador de flujo paralelo contracorriente con una longitud
infinita.
En tal intercambiador, uno de los
fluidos (el de capacitancia mnima,
Cmin) experimentar la diferencia
de temperaturas mxima posible
(Tce Tfe).
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Nmero de Unidades de Transferencia (NTU)
El nmero de unidades de transferencia (NTU, number of transfer units)
es un parmetro adimensional que se utiliza ampliamente en el anlisis
de intercambiadores de calor.
Se puede demostrar que para cualquier intercambiador de calor su
eficiencia se puede calcular a partir del parmetro NTU y de la relacin
de capacidades, Cr(Cmin/Cmax).
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Relaciones -NTU
Para cualquier intercambiador de calor su eficiencia se puede calcular a
partir del parmetro NTU y de la relacin de capacidades, Cr
(Cmin/Cmax).
Caso de un intercambiador de flujo paralelo equicorriente donde Cmin = Cc
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Se desea intercambiar potencia trmica entre dos corrientes del mismo fluido,
para ello se ha diseado un dispositivo integrado por dos intercambiadores en
paralelo, tal como se muestra en el esquema. Las temperaturas de entrada
son de 70C para la corriente fra y 120C para la caliente, y las capacidadescalorficas totales de esas corrientes son de 3500 y 4000 Kcal/hC para la fra y
caliente respectivamente.
El intercambiador 1 se sabe posee una
eficiencia de 0.64, su disposicin escontracorriente y su nmero de unidades
de transferencia de calor es de 1,2.
Mientras que el intercambiador 2 tiene
una eficiencia de 0.421 y se desconoce el
tipo de configuracin y valor de NTU. Se
desea saber cuales sern lastemperaturas finales de salida de ambas
corrientes.
Problema
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Metodologa de anlisis de un intercambiador
Cualquiera de los dos mtodos presentados puede utilizarse y obtener
resultados equivalentes. Sin embargo, dependiendo de la naturaleza del
problema, el mtodo eficiencia NTU puede resultar ms sencillo de
aplicar.
En los problemas de diseo de un intercambiador donde se
establecen las condiciones de entrada de los fluidos (temperaturas y
flujos), as como la temperatura de salida deseada en el fluido deinters, se pueden utilizar ambos mtodos con similar sencillez (ya que
es fcil establecer todas las temperaturas del problema y, por tanto,
resulta sencillo de determinar LMTD).
El problema se cie, entonces, al seleccionar el tipo de intercambiadorde calor ms apropiado y dimensionarlo, es decir, determinar la
superficie de transferencia de calor requerida para alcanzar la
temperatura deseada.
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En otros problemas, se puede conocer el tipo de intercambiador y su
tamao, siendo el objetivo determinar la transferencia de calor y la
temperatura de salida del fluido de inters
(modelizacin/simulacin), a partir de las condiciones de entrada
establecidas.
En este caso el mtodo LMTD o factor de correccin F necesita de un
clculo iterativo basado en una estimacin inicial de la temperatura
de salida del fluido de inters y, por tanto, resulta ms sencilla la
aplicacin del mtodo eficiencia NTU.
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Existen problemas de diseo o simulacin de intercambiadores donde
existe una ganancia o prdida de calor sensible y calor latente. Es el
caso de los evaporadores y condensadores reales, donde el intercambio
trmico no se encuentra limitado slo al cambio de estado, sino que
suelen coexistir recalentamientos en la fase vapor o subenfriamientosen la fase lquida.
Nota
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En ambos casos, el anlisis del intercambiador se basa en la utilizacinde informacin emprica para determinar los coeficientes de
transferencia de calor por conveccin y, de esta forma, obtener U. El
diseo o simulacin del intercambiador se puede llevar a cabo con
cualquiera de los dos mtodos presentados.
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Intercambiadores de calor compactos
Los intercambiadores de calor compactos se utilizan cuando se desea
disponer de una elevada superficie de transferencia de calor por unidad
de volumen. Normalmente, presentan dimetros hidrulicos reducidos(DH 5 mm.)
Dentro de los intercambiadores compactos tenemos los
intercambiadores basados en bancos de tubos aleteados (utilizados
donde, al menos, uno de los fluidos es un gas), donde las diferencias se
deben principalmente al diseo de las aletas y al arreglo, y los
intercambiadores de placas.