Intercambiadores de Calor (2013-1)

INTERCAMBIADORES DE CALOR


Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera sólida o que se encuentren en contacto.

Q


APLICACIONES DE INGENIERIA

Destiladores

Caldera

Conversor eléctrico

Aire acondicionado

Colector solar

Torres de enfriamiento


CLASIFICACIÓN

1. RECUPERADORES Y REGENERADORES RECUPERADORES REGENERADORES

Bajas capacidades, pero baratos


CLASIFICACION 2. PROCESO DE TRANSFERENCIA

CONTACTO INDIRECTO: No existe contacto entre el fluido caliente y el frio

CONTACTO DIRECTO: Existe un contacto intimo entre los dos fluidos

CONTACTO INDIRECTO


Contacto directo

Torres de enfriamiento

CLASIFICACION 2. PROCESO DE TRANSFERENCIA

Lugares con alta humedad no funcionan bien


CLASIFICACION 3. ARREGLO DE FLUJOS


CLASIFICACION 3. ARREGLO DE FLUJOS

Flujo cruzado

Flujos no mezclados Un flujo mezclado, un flujo no mezclado


CLASIFICACION 4. GEOMETRIA

Tubulares

Tubos en U

Tubos concéntricos

Colector solar por termosifón

http://heatexchanger-design.com/wp-content/uploads/2011/09/double-pipe-heat-exchanger.jpg


Tubo y coraza



Placas


ALTAS CAPACIDADES Termosoldados o con juntas


Superficies extendidas

Aumentar el h del gas



CLASIFICACION 5. MECANISMO DE TRANSFERENCIA

Una fase Dos fases: Evaporacion o condensacion


SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

Debe satisfacer las especificaciones del proceso y sobrepasar las condiciones de servicio que necesita la planta. Debe resistir la corrosión y las condiciones medio ambientales. Debe permitir su fácil mantenimiento y el remplazo fácil de componentes dañados. Debe ser costeable. La instalación, operación y mantenimiento, incluyendo las perdidas de producción durante tiempos caídos, deben tener un costo bajo. Debe considerar las limitaciones por las dimensiones del lugar, inventario y servicio de mantenimiento.


Coeficiente global de transferencia de calor U

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

El área de transferencia de calor A, debe de satisfacer las condiciones de operación del proceso especifico

En el caso de intercambiadores de calor hay 4 diferentes temperaturas y debemos de buscar una “global”


FACTOR DE ENSUCIAMIENTO

fo es ocasionado por la precipitación de sólidos, corrosión, incrustaciones e incrustaciones biológicas

fohk

Mh

U

SOLMENF

+++= 11

1


ANALISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

DISEÑO DE INTERCAMBIA-DORES DE CALOR

∆TML

NTU Principalmente se conoce el área de transferencia de calor, y se calculan las temperaturas de salida

Principalmente se tienen las temperaturas de entrada y salida, entonces se calcula el área


METODO DE LA DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA

Calculo de la ∆Tml para un intercambiador de calor simple en flujo en cocorriente



1. Partiendo de un balance de energía en cocorriente

4. Sustituyendo las ecuaciones y arreglando:

2. Restando las temperaturas:

3. Ec. de transferencia de calor δQ = U dA (Th – Tc)



5. Integrando entradas y salidas

)( ,, ENTCSALCCC TTcpmQ −=Q

TTcpm

ENTCSALC

CC

)(1 ,, −=

)( ,, SALHENTHHH TTcpmQ −=Q

TTcpm

SALHENTH

HH

)(1 ,, −=

6. Utilizando un balance de energía global y sustituyendo en 5

Para flujos en contracorriente

∆T1 = TH,IN – TC,OUT

∆T2 = TH, OUT – TC, IN


Cuando el espesor es pequeño y k es alta

Q = UAS ∆TML

CASOS EN LAS CORRIENTES DE TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA


Tambien en casos en que la ∆T1 y ∆T2 sean no mas del 40%, se pude utilizar la diferencia media aritmetica, que dar un error menos al 1% con respecto a la dtml


No se toma la dtml, pues daria infinito asi que se representa por:

=


FACTOR DE CORRECCION

Para intercambiadores de flujos de multiples pasos y flujo cruzado es mas complejo el desarrollo por lo cual se agrega un FACTOR DE CORRECCION


ANALISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

METODO DE LA ∆TML Pasos:

1. Se conoce el tipo de IC apropiado (no el tamaño), por que se conoce U

2. Se conocen las temperaturas (∆T ent-sal y Flujos)

3. Calcular la ∆Tml

4. Calcular el área


PROBLEMA

Si el coeficiente global de transferencia de calor para un intercambiador de tubos concéntricos es de 640 W/m2 °C, determine la longitud requerida utilizando el Método de ∆TML

Cp (agua) = 4.18 kJ/kg C

Cp (agua geotermica) = 4.31 kJ/kg C Respuesta: 108 mts


METODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU

1. Partiendo de un balance de energía (paso 5 del método ∆TML)

2. Haciendo C = m Cp 1

3. Si igualamos QC = QH

2



4. Manipulando la definición de EFECTIVIDAD

3

EFECTIVIDAD: Es la razón de la transferencia de calor real de un intercambiador entre la razón máxima posible que se puede transferir



5. Combinando las ecuaciones 1, 2 y 3

La ecuación anterior puede expresarse como sigue:

NTU es el numero de unidades de transferencia de calor



Graficando NTU vs Efectividad



PASOS:

• Se conoce Cp, flujos y área del IC

• Se conoce la TENT,CAL y TENT, FRIA

• Se calcula CMIN y QMAX

• Se calcula NTU y ε por tablas

• Calculo de las temperaturas de salida


PROBLEMA

Un intercambiador de flujo cruzado consta de 40 tubos de pared delgada de 1 cm de diámetro ubicados en un ducto con sección transversal de 1 m x 1 m. Entra agua fría (cp = 4.18 kJ /kg C y ρ = 1000 kg/m3) a los tubos a 18 C con una velocidad promedio de 3 m/s, en tanto que al canal entra aire caliente (cp = 1 kJ/kg C y ρ = 1 kg/m3) a 130 C a una velocidad promedio = 12 m/s. Si el coeficiente global de transferencia de calor es de 130 W/m2 C, determine las temperaturas de salida de los dos fluidos y la razón de la transferencia de calor.


Se va a calentar aceite de motor (cp = 2100 J/kg C) de 20 C hasta 60 C, a razón de 0.3 kg/s, en un tubo de cobre de pared delgada y de 2 cm de diámetro, por medio de vapor de agua en condensación que se encuentra fuera a una temperatura de 130 C (hfg= 2174 kJ/kg). Para un coeficiente de transferencia de calor total de 650 W/m2. Determine la velocidad de transferencia de calor y la longitud de requerida del tubo para lograrlo.

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