56610004 Diseno de Intercambiadores de Calor
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Diseño de Intercambiadores de
Calorü Introducciónü Principales tipos de intercambiadoresü Bases de la teoría de intercambiadoresü Casos:
ü Método DTMLü Método del factor Fü Método NUT
ü Diseño soportado por Aspen Plus
Objetivos
Ø Conocer los principales tipos de intercambiadores de calor
Ø Seleccionar intercambiadores de acuerdo con su aplicación
Ø Entender los factores principales en el diseño de intercambiadores de calor
Ø Evaluar intercambiadores de calor para una aplicación determinada
Ø Dimensionar intercambiadores de calor de tubos y coraza y de intercambiadores de placas
Ø Familiarizarse con el uso 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 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
REACTOR
Intercambiadorde calor Reacción exotérmica
Recuperación de calor
En la destilación:
Producto de fondos
Alimentación
Producto de cima
Condensador del reflujo
Rehervidor
Columna de destilación
En destilación de petróleo
E2
E1
E3
E4
E5 E6
E2
E5
Almacenamiento
Desalador
Bombeo de cima
Bombeode cima
Nafta ygases
Kerosene
Kerosene
Horno
Crudo reducido
Crudoreducido
Gasóleopesado
Gasóleo pesado
Gasoleoligero
Gasoleo ligero
Torr
e de
des
tila
c ión
Bombeode fondos
Bombeo defondos
Ciclo de potencia
CalderaCondensador
Turbina de vapor
Calentador de agua de alimentación
Principales tipos de intercambiadores
Intercambiadores coaxiales
Formas compactas
ü De fácil fabricación y mantenimientos
ü Bajo costoü Multipropósitoü Bajo intercambio
Fluido a
Fluido b
Fluido a
Fluido b
Principales tipos de intercambiadores (II)
Intercambiadores multi-tubularesArreglo de tubos al interior de una coraza
Ø Los más utilizados a nivel industrial
Ø Bajo costoØ MultipropósitoØ Compactos
Principales tipos de intercambiadores (III)
Intercambiadores multi-tubulares
Principales tipos de intercambiadores (IV)
Intercambiadores multi-tubulares
Principales tipos de intercambiadores (V)BEM
AEM
AES
Principales tipos de intercambiadores (VI)
Principales tipos de intercambiadores (VII)
Intercambiadores de placas
Ø
Ø ComplejosØ Presiones y temperaturas
moderadasØ Costos elevadosØ Altas perdidas de carga
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 reactoresSon utilizados para:
Ø Control de la temperatura de operación
Ø Precalentamiento de reactivos
Ø Etc
•
Chaqueta:ü Simple, canales, serpentín…
ü
Principales tipos de intercambiadores (XII)
Intercambiadores de calor en reactoresSerpentínü Interno o externo
•
Intercambiadores externos:ü De fondos o de condensados
ü
Principales tipos de intercambiadores (XIII)
Intercambiadores de calor ACHE & torresTubos ACHESü Forzados o inducidos
•
Torres de enfriamiento:ü Forzadas o inducidas
ü
Principales tipos de intercambiadores (XIV)Curvas de distribución de
temperaturas
Tcs
Tce
Tfs
Tfe
Contracorriente
Tce
Tcs
Tfs
Tfe
Co-corriente
Tcs
Tce
Tfs
Tfe
Dos pasos
Tce
Tcs
Tfs
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.
8.9.5. Selección de un diseño inicial.
10.11.
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 mantenimiento, ventajas para satisfacer cambios en el proceso alargo plazo además de los costos de capital ( costo inicial).
¿Preguntas?
ü Introducciónü Principales tipos de intercambiadoresü Bases de la teoría de intercambiadoresü Casos:
ü Método DTMLü Método del factor Fü Método NUT
ü Laboratorio
Diseño de Intercambiadores de
Calorü Bases de la teoría de intercambiadoresü Casos:
ü Método DTMLü Método del factor Fü Método NUT
ü Diseño soportado por Aspen Plus
Bases de la teoría de intercambiadores
Cálculo de potencia termina de intercambio
Consideraciones:
1. Sistema adiabático
2. Superficie de intercambio S
3. Fluidos:– Caliente (subíndice “c”)
– Frio (subíndice “f”)
4. Flujo másico:– Densidad
– Velocidad media
– Sección transversal
Ф
Tce
Tfe
Tcs
Tfs
El calor perdido por el fluido caliente por unidad de tiempo Ф es ganado por el fluido frio:
Permite el cálculo de una temperatura.
(1)
Bases de la teoría de intercambiadores (II)
Ley de NewtonConsideraciones:
1. H es el coeficiente global de transferencia de calor
2. S es la superficie de intercambio
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.
Ф
Tce
Tfe
Tcs
Tfs
H : coeficiente de transferencia global de la superficie de intercambio.
(2)
Bases de la teoría de intercambiadores (III)
Expresión del HCoeficiente global de transferencia: Ø Capas límites hidrodinámicasØ Pared metálica
• Pared plana:•••• Pared cilíndrica:•
(3)
(4)
(5)
Ф
Tc Tcp Tfp Tf
λ/ehc hf
h : coeficiente de película del costado frio o caliente.
Bases de la teoría de intercambiadores (IV)
Resistencia por ensuciamientoCoeficiente global de transferencia: Ø Válido para superficies limpiasØ Resistencia térmica del
ensuciamiento
• Pared cilíndrica:•••
(6)
(7)
Ф
Tc Tcp Tfp Tf
λ/ehc hf
Tcd Tfd
RtfRtc
Rt : resistencia del ensuciamiento o resistencia térmica del depósito
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 rectosØ Régimen laminar
Ø
Ø
Ø Régimen turbulentoØ
Ø
(8)
(9)
Bases de la teoría de intercambiadores (VII)
Cálculo ΔTmA partir de un balance energético en dx, con las siguientes hipótesis: Ø Intercambiador aisladoØ La condición axial del tubo es despreciableØ 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
: C a so s M é to d o D T M L
Cálculo ΔTm (intercambiadores
tubulares)Contra-corriente Co-corriente
•Tcs
Tce
Tfs
Tfe
Tce
Tcs
Tfs
Tfe
ΔTsΔTxΔTe
ΔTs
ΔTxΔTe
dx dx
Casos: Método DTML (II)
Cálculo ΔTm (intercambiadores
tubulares)Diferencia de temperaturas en la ley de Newton para intercambiadores coaxiales:
Ø Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML, método)
Tarea:
1. Realice el balance energético y deduzca ΔTm.
2. Encuentre la expresión de la ley de Newton para H variable.
(10)
Casos: Método DTML (III)
Cálculo ΔTm (intercambiadores
tubulares)Diferencia de temperaturas en la ley de Newton para intercambiadores coaxiales:
Ø Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML, método)
Tenga en cuenta:
1. A mayor complejidad:Ø Método del factor F
Ø Método NUT(10)
Casos: Método DTML (IV)Contra-corriente Vs. Co-corriente (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. Co-corriente (Ejercicio)
260°
315°
200°
100°
315°
260°
200°
100°
ΔTsΔTxΔTe
ΔTs
ΔTxΔTe
dx dx
Casos: Método DTML (V)Contra-corriente Vs. Co-corriente (Ejercicio)
260°
315°
200°
100°
315°
260°
200°
100°
ΔTsΔTxΔTe
ΔTs
ΔTxΔTe
dx dx
ΔTml ΔTml
Casos: Método DTML (V)Contra-corriente Vs. Co-corriente (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
Calorü Bases de la teoría de intercambiadoresü Casos:
ü Método DTMLü Método del factor Fü Método NUT
ü Laboratorio
Recapitulando
Fluido1 frio
Fluido1 caliente
Co-corriente Contracorriente
Recapitulando
Corrientes cruzadas
Entrada de agua
Colector
Salida de agua
Entrada de agua
Aire
Agua
Vaire
Taire
Tagua
RecapitulandoCapacidad Vs. Tipo
Principales configuraciones T&C
Intercambiadores no compactos< 700 m2/ m3
Intercambiadores compactos> 700 m2/ m3
Criogénicos
Placas aleteadas
Tubos; Tubos y coraza
Intercambiador de placasDiámetro hidráulico
Capacidad
Caja fija
Caja flotante
Tubos en U
La d
iferen
ci a d
e temp
er atu
ra entre lo
s do
s fluid
os au
men
ta
Au
me
nta
el t apo
nam
ient o
RecapitulandoNúmero de pasos Arreglo de tubos
EntradaEntrada Salida Salida
Nú
mer
o d
e p
aso
s
FlujoNormal
FlujoInverso
FlujoInverso
FlujoNormal
RecapitulandoGeometrías de baffles
Orificios circulares
Segmentos
Discos y coronas
Barrotes (rod baffle)
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
•••••
RecapitulandoEvaporadores
Evaporador inundado
Tubosen U
MamparaVapor
Baffle límite
Vapor
Vapor
LíquidoSoportes
Soluciónconcentrada
Evaporador de tubos roseados
Seccióntubular
horizontal
Solucióna evaporar
Carcaza delevaporador
Vapor producido
Soluciónconcentrada
Vapor decalentamiento
RecapitulandoConcentradores
AguaAgua
AguaAgua
Vapor
Vapor
CondensadoCondensado
Venteo
Venteo
RecapitulandoDiferencia de Temperatura Media Logarítmica (DTML)
. Este factor de corrección toma el valor de 1 en el caso de un intercambiador contracorriente
Tenga en cuenta que este es un f
RecapitulandoFactor 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
–
• Aumento de
μ << λ
Concepto de eficacidad y NUTEficacidad
Concepto de eficacidad y NUTEficacidad
Co-corrienteContracorriente
Concepto de eficacidad y NUTEficacidadLa 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
26.7.8.9. Eficacidad del intercambiador10.11.12.La eficacidad estará definida por el valor mayor entre ε1 y ε2 .
si…
Concepto de eficacidad y NUTNUTDenominaremos NUT al Número de Unidades de Transferencia.
si…
Correspondencia entre NUT, ε y matrices de transferencia
Intercambiador Co-corriente Intercambiador Contracorriente
Dimensionamiento térmicoLógica para un dimensionamiento
Selección del tipo de intercambiador
Selección de la geometría
Cálculo térmico del intercambio
¿ Potencia y pérdidas aceptables?
Costeo y cálculos mecánicos
Modificar los parámetros de concepción
CálculosDTML
Cálculo para el dimensionamiento de un intercambiador de tubos y coraza para enfriamiento de do-decano (Q1=15 m3/h, Te1=120 °C y Ts1=60 °C) con agua industrial que circula por los tubos 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 espaciados con una distancia b=100mm. La altura libre de cada baffle corresponde al 25% del diámetro interior de la coraza.
Determinación de la temperatura media característica a partir de las temperaturas de entrada y salida
Cálculo del ΔTML y del coeficiente correctivo F
Cálculo de la carga intercambiada:
Búsqueda del área de intercambio:
Cálculos
DTMLCálculo para el dimensionamiento de un intercambiador de tubos y coraza para enfriamiento de do-decano (Q1=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/ m3,
La relación de velocidades de los flujos sería:
–
– Y la eficacidad del intercambiador
estaría dad por:
–
– Coeficiente de corrección , F=0,97
CálculosDeterminación del coeficiente de intercambio h de los fluidos.
Velocidad del agua en los tubos,
–
Cálculo del número de Reynolds ,
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
Para el cálculo de velocidad del do-decano por la coraza, se busca la sección de paso por los bafles,
–
La velocidad por la carcaza será,
Cálculo del número de Reynolds con d=24,
Y el número de Nusselt será,
El coeficiente de del costado carcaza será,
–
CálculosDeterminación 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,
CálculosNTU
Cálculo para el dimensionamiento de un intercambiador de tubos y coraza para enfriamiento de do-decano (Q1=15 m3/h, Te1=120 °C y Ts1=60 °C) con agua industrial que circula por los tubos 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 espaciados con una distancia b=100mm. La altura libre de cada baffle corresponde al 25% del diámetro interior de la coraza.
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 °C .
Estimación de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Cálculo del coeficiente global K
Determinación del NTU y de la eficiencia ε
Cálculo de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Iteración
CálculosNTU
Estimación de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Cálculo del coeficiente global K
Determinación del NTU y de la eficiencia ε
Cálculo de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Iteración
1.
2.3.4.
5.6.
7.8.
CálculosNTU
Estimación de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Cálculo del coeficiente global K
Determinación del NTU y de la eficiencia ε
Cálculo de las temperaturas de salida Ts1 y Ts2
Iteración
5.
6.7.8.
9.10.
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 coraza- líquido 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
fluido -Fluctuación de la presión -Acoplamiento acústico4. Pruebas: Localizar y reparar
fugas principalmente en extremos de tubos
1.2.
Diseño de Intercambiadores de
Calorü Bases de la teoría de intercambiadoresü Casos:
ü Método DTMLü Método del factor Fü Método NUT
ü Laboratorio
Feliz Semana de Receso!
Conceptos teóricos de base Ejercicios
Aspectos técnico-económicos