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Equipos de Transferencia de Calor

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Introducción al diseño de intercambiados de calor

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Equipos de Transferencia de Calor

  1. 1. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Presenta: DR. MIGUEL ANGEL MORALES CABRERA FEBRERO 2016 Equipos de Transferencia de Calor Prof. Jesús F. Ontiveros
  2. 2. El entendimiento, operación y optimización de las transformaciones de materias primas a productos de mayor valor agregado, por ganancia o beneficio social, son el principal campo de desarrollo de los Ingenieros Químicos. Materias Primas Proceso Producto terminado Físicos (Operaciones Unitarias) Químicos Fenómenos de Transporte (base de las operaciones unitarias) Fenómenos de Transporte acoplados a reacciones químicas MomentumCalor Masa INGENIERO QUÍMICO
  3. 3. PROCESO QUÍMICO Diagrama de flujo del proceso del proceso de separación del MCB EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
  4. 4. CLASIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Función • Evaporadores • Calentadores • Enfriadores • Intercambiadores • Refrigeradores • Condensadores • Rehervidores • Calderas Proceso de Transferencia • Contacto Directo • Contacto Indirecto Clasifica Según el proceso de T Contacto Directo C Según la geometría de Tubos Platos Clasificación Según el proceso de Transferencia[3] Contacto Directo Contacto Indirecto Según la geometría de construcción[3] Tubos Platos Superficies Extendidas
  5. 5. Geometría • Tubos • Platos • Superficies Extendidas Flujo • Paralelo • Contracorriente • Cruzado Según el proceso de Transferencia[3] Contacto Directo Contacto Indirecto Según la geometría de construcción[3] Tubos Platos Superficies Extendidas Clasificación Según el proceso de Transferencia[3] Contacto Directo Contacto Indirecto Según la geometría de construcción[3] Tubos Platos Superficies Extendidas Clasificación el proceso de Transferencia[3] cto Directo Contacto Indirecto la geometría de construcción[3] Platos Superficies Extendidas Cla Según el arreg Paralelo C Según el mec Monofásico Ev Clasificación Según el arreglo del flujo[3] Paralelo Contracorriente Flu Según el mecanismo involucr Monofásico Evaporación Cond Clasificación Según el arreglo del flujo[3] Paralelo Contracorriente Flujo Cruzado Según el mecanismo involucrado[3] Monofásico Evaporación Condensación
  6. 6. INTERCAMBIADORES DE CALOR Clasificación • Doble Tubo • Tubo y Coraza • Placas y Juntas Componentes Principales Coraza
  7. 7. INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO Caracteristicas • Se usa cuando el área de intercambio requerida es menor a 50m2 • Configuración apropiada para manejo de fluidos a altas presiones • Arreglos en serie y en paralelo • Adición de aletas (superficiesextendidas) en tubo interno Desventajas • Costosos • Dificultadde limpieza • Emplean mucho espacio Intercambiadores Tubulares Doble Tubo[2,3] •Se usa cuando el área de intercambio es menor a 50m 2 •Configuración adecuada para manejar fluidos a altas presiones. •Arreglos en serie y en paralelo •Adición de aletas en tubo interno × Costosos
  8. 8. INTERCAMBIADORES DE TUBO Y CORAZA Caracteristicas • Más empleados en la industria de procesos • Alcanzan áreas entre 50m2 y 700 m2 • Mayor rigurosidad en el diseño • Corazas (8–48 pulg) • Tubos (3/4–1 pulg) • Longitud (8, 10, 16, 20 pies) Intercambiadores Tubulares Coraza y Tubo[2,3] •Intercambiador más utilizado en la industria de procesos •Áreas entre 50 y 700m 2 . •Mayor rigurosidad en el diseño “T.E.M.A.” Int. Coraza y Tubo tipo AES Coraza
  9. 9. INTERCAMBIADORES DE PLACAS Y JUNTAS Caracteristicas • Alcanzan áreas entre 50m2 y 2000 m2 • Presiones de hasta 350 psi (25 bar) y T interiores a 250 oC • Amplio uso en la industria de alimentos • Compactos • Fáciles de limpiar • Flexibilidad • Economía
  10. 10. ETAPAS DE DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DEFINCIÓN DEL PROBLEMA SELECCIÓN DEL TIPO DE INTERCAMBIADOR SELECCIÓN DE PARAMETROS DE DISEÑO CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR CÁLCLULO DE LA CAIDA DE PRESIÓN EVALUACIÓN MATERIALES, DISEÑO MECÁNICO, COSTO ENSUCIAMIENTO • CORROSIÓN • CRISTALIZACIÓN • BIOLOGICO • QUÍMICO Ensuciamiento Definición Particulado Primerdíade operación Tiempodespués iamiento culado rdíade ación después TIEMPO DESPUES PRIMER DIA , ..'. ' , ' 616 ." . TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA FIGURA 11 -9 El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos que se encuentran en un fluido sobre las superficies de transferencia de calor. El lector puede observar este tipo de incrustación incluso en su casa. Si revisa las superficies interiores de su tetera después de un uso prolongado, es proba- ble que advierta una capa de depósitos de calcio sobre las superficies en las cuales ocurre la ebullición. Esto se presenta en especial en zonas en donde el agua es dura. Al raspar se desprenden las escamas de ese tipo de depósitos y las superficies se pueden limpiar de ellos por medio de un tratamiento quími- co. Imagine ahora el lector esos depósitos minerales formándose sobre las su- perficies interiores de los finos tubos de un intercambiador de calor (figura 11-9) y el efecto perjudicial que pueden tener sobre el área de paso del flujo y sobre la transferencia de calor. Con el fin de evitar este problema potencial, el agua en las plantas generadoras y de procesos se trata en forma extensa y se elimina su contenido sólido antes de permitir que circule por el sistema. Las partículas de ceniza sólida que se encuentran en los gases de combustión y que se acumulan sobre las superficies de los precalentadores de aire crean pro- blemas semejantes. Otra forma de incrustación, la cual es común en la industria de procesos químicos, es la corrosión y otra la incrustación química. En este caso las su- perficies se incrustan por la acumulación de los productos de las reacciones químicas sobre ellas. Esta forma de incrustación se puede evitar recubriendo los tubos metálicos con vidrio o usando tubos de plástico en lugar de los me- tálicos. Los intercambiadores también pueden incrustarse por el crecimiento de algas en los fluidos calientes. Este tipo de incrustación se conoce como in- crustación biológica y se puede impedir mediante el tratamiento químico. En las aplicaciones donde es probable que ocurra, la incrustación debe con- siderarse en el diseño y selección de los intercambiadores de calor. En esas aplicaciones puede ser necesario seleccionar un intercambiador más grande y, por ende, más caro, para garantizar que satisfaga los requisitos de diseño de transferencia de calor incluso después de que ocurra la incrustación. La lim- pieza periódica de los intercambiadores y el tiempo de suspensión de activi- dades resultante son inconvenientes adicionales asociados con la incrustación. Es obvio que el factor de incrustación es cero para un nuevo intercambiador, y aumenta con el tiempo a medida que se acumulan los depósitos sólidos so- bre la superficie del mismo. El factor de incrustación depende de la tempera- tura de operación y de la velocidad de los fluidos, así como de la duración del servicio. La incrustación se incrementa al aumentar la temperatura y dismi- nuir la velocidad. Incrustación por precipitación de partículas de ceniza sobre los tubos de un sobrecalentador, (Tomado de Sream, Its Generarion, alld Use, Babcock alld Wilcox Co" 1978, Impreso con autorización,) http://carlos2524.jimdo.com/
  11. 11. VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR 𝑄 = 𝑈𝐴∆𝑇𝑙 𝑛 𝑄 = 𝑚𝑐𝑝 ∆𝑇 FENÓMENOS DE TRANSPORTE TERMODINÁMICA COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR GLOBAL (COEFICIENTE DE PELÍCULA) - Incluye efectos de conducción y convección, y - Efectos de ensuciamiento: resistencia adicional • GEOMETRÍA CILÍNDRICA • GEOMETRÍA CARTESIANA Coeficiente de Película Análisis de las Resistencias Involucradas Geometría Tubular Geometría Placas Simplificaciones ¿Cómo determinar “h”? ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +⋅ = o i e e i e i hk r r r r r h U 1 ln 1 1 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ⋅ ∆⋅ +⋅ = o e i e i hAk xA A A h U 11 1 Coeficiente de Película Análisis de las Resistencias Involucradas Geometría Tubular Geometría Placas Simplificaciones ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +⋅ = o i e e i e i hk r r r r r h U 1 ln 1 1 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ⋅ ∆⋅ +⋅ = o e i e i hAk xA A A h U 11 1 Tomillo de apriete Un empaque montado sobre cada placa sella el canal entre ella y la placa siguiente. Las placas A y B se disponen en forma alternada. La barra guía rectangular inferior garantiza una alineación absoluta de las placas, impidiendo el movimiento lateral. FIGURA 11 -6 Intercambiador de calor de placas y armazón, de líquido hacia líquido. (Cortesía de Trante Corp.) a la pared por convección, después a través de la pared último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por era efectos de la radiación suelen incluirse en los coefi- a de calor por convección. as térmicas asociada con este proceso de transferencia os resistencias por convección y una por conducción, figura 11-7. En este caso, los subíndices i y o represen- rior y exterior del tubo interior. Para un intercambiador la resistencia térmica de la pared del tubo es In (DolD¡) Rpared = 27TkL (11-1) ctividad térmica del material de la pared y L es la lon- es la resistencia térmica total queda 1 In (DolD¡) l + Rpared + Ro = h.A- + 2 kL + h A 1 1 7T o o (11-2) erficie interior de la pared que separa los dos fluidos Y erficie exterior de esa misma pared. En otras palabras, uperficiales de la pared de separación mojada por los ior, respectivamente. Cuando uno de los fluidos fluye rcular y el otro afuera de éste, se tiene A¡ = 7TD¡L Y -8). intercambiadores de calor resulta conveniente combi- as térmicas que se encuentran en la trayectoria del flu- frío caliente cia de calor Fluido frío FIGURA 11 -7 Red de resistencias térmicas asociada con la transferencia de calor en un inter- cambiador de calor de tubo doble. “El área de transferencia de calor A, es el parámetro de diseño” Convección interna, conducción y convección externa
  12. 12. COMO CALCULAR EL COEFICIENTE DE TRANFERENCIA DE CALOR CONVECTIVO (CASO CONVECCIÓN INTERNA) Coeficiente de Película Correlación Ecuación Restricciones Correlación de Prandtl Régimen Turbulento. Tuberías Circulares. Correlación de Gnielinski 10000<Re<5000000, 0.5<Pr<200 Tuberías Circulares Correlación Modificada de Dittus-Boelter 0.5<Pr<1; Re>5000. Gases. Tuberías Circulares Correlación de Sieder- Tate 0.48<Pr<16700 Régimen Laminar Líquidos. Tuberías Circulares --- L/D>60 , Pr>0.6 Régimen Turbulento Líquidos. Tuberías Circulares --- 30<L/D<120 , 7000<Re<300000 Régimen Turbulento Aire. Tuberías Circulares ( ) ( )1Pr2/7.81 PrRe)2/( 5.0 −⋅⋅+ ⋅⋅ = f f Nu ( ) ( )1Pr2/7.1207.1 PrRe)2/( 3/25.0 −⋅⋅+ ⋅⋅ = f f Nu 14.03/1 PrRe 86.1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅⋅ ⋅= wL d Nu µ µ 5.08.0 PrRe023.0 ⋅⋅=Nu 14.0 3/18.0 PrRe023.0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅⋅⋅= w Nu µ µ 55.01 01 PrRe023.0 4.08.0 −=→> =→< ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅⋅⋅= n T Tw n T Tw T T Nu n w 2 )28.3ln(Re)58.1( − −⋅=f O"M ""Mg"/W rtÉlcJ h - 2(a + b) - a + b FIGURA 8-4 El diámetro hidráulico D" = 4A!p se define en tal forma que se reduce al diámetro común para los tubos circulares, Laminar Turbulento Note que la temperatura media Tm de un fluido cambia durante el calentam to o el enfriamiento. Asimismo, las propiedades del fluido en el flujo int suelen evaluarse en la temperatura media delfluido con respecto a la mas cual es el promedio aritmético de las temperaturas medias en la admisión salida; es decir, Tb = (Tm, i + Tm, e)/2. Flujos laminar y turbulento en tubos El flujo en un tubo puede ser laminar o turbulento, dependiendo de las co ciones del mismo. El flujo de fluidos sigue líneas de corriente y, como co cuencia, es laminar a velocidades bajas, pero se vuelve turbulento confo se incrementa la velocidad más allá de un valor crítico. La transición de f laminar a turbulento no ocurre de manera repentina; más bien, se presenta bre algún intervalo de velocidad, donde el flujo fluctúa entre laminar y tu lento antes de volverse por completo turbulento. La mayor parte de los fl en tubos que se encuentran en la práctica son turbulentos. El flujo lamina encuentra cuando fluidos intensamente viscosos, como los aceites, fluye tubos de diámetro pequeño o pasos angostos. Para el flujo en un tubo circular, el número de Reynolds se define com pVprornD Re = f.L VpromD v en donde Vprom es la velocidad promedio del flujo, D es el diámetro del tu JJ = fJv/p es la viscosidad cinemática del fluido. Para el flujo por tubos no circulares, el número de Reynolds así como e mero de Nusselt y el factor de fricción se basan en el diámetro hidráulico definido como (figura 8-4) donde Ac es el área de la sección transversal del tubo y p es su perímetro diámetro hidráulico se define en tal forma que se reduce al diámetro comú para los tubos circulares, ya que Tubos circulares: Por supuesto, resulta conveniente tener valores precisos de los número Reynolds para los flujos laminar, de transición y turbulento, pero, en la p tica, este no es el caso. Esto se debe a que la transición de flujo laminar a bulento también depende del grado de perturbación que ese flujo recibe parte de la aspereza de la superficie, las vibraciones del tubo y lasfluctua nes en el flujo. En las condiciones más prácticas, el flujo en un tubo e minar para Re < 2 300, turbulento para Re > 10 000 y, en los valores i medios, de transición. Pero se debe tener presente que, en muchos caso flujo se vuelve completamente turbulento para Re > 4000, como se dis en el 'Tema de interés especial", al final de este capítulo. Cuando se dis redes de tuberías y se determina la potencia de bombeo, se aplica un enf conservador y se supone que los flujos con Re > 4000 son turbulentos. En el flujo de transición éste oscila entre laminar y turbulento de ma ___ _____ _____ ", " ',.' TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA O"M ""Mg"/W rtÉlcJ h - 2(a + b) - a + b FIGURA 8-4 El diámetro hidráulico D" = 4A!p se define en tal forma que se reduce al diámetro común para los tubos circulares, Laminar Turbulento Note que la temperatu to o el enfriamiento. suelen evaluarse en la cual es el promedio a salida; es decir, Tb = Flujos laminar El flujo en un tubo pu ciones del mismo. El cuencia, es laminar a se incrementa la velo laminar a turbulento bre algún intervalo de lento antes de volver en tubos que se encu encuentra cuando flu tubos de diámetro pe Para el flujo en un en donde Vprom es la v JJ = fJv/p es la viscosi Para el flujo por tu mero de Nusselt y el definido como (figur donde Ac es el área d diámetro hidráulico s para los tubos circula Tubos circulares: Por supuesto, resu Reynolds para los flu tica, este no es el cas bulento también dep parte de la aspereza nes en el flujo. En l minar para Re < 2 3 medios, de transició flujo se vuelve comp en el 'Tema de inter redes de tuberías y s conservador y se sup http://carlos2524 Ts =constante Flujo laminar completamente desarrollado FIGURA 8-22 u (r) En el flujo laminar en un tubo con temperatura superficial constante tanto el factor de fricción como el coeficiente de transferencia de calor permanecen constantes en la región completamente desarrollada. (8-56) La solución deseada para el problema se obtiene al aplicar las condiciones de frontera aTlax = Oen r = O(debido a la simetría), y T = Ts' en r = R. Se ob- tiene (8-57) La temperatura media de la masa T¡n se determina al sustituir las relaciones de los perfiles de velocidades y de temperaturas (ecuaciones 8-41 y 8-57) en la ecuación 8-4 y llevar a cabo la integración. Esto da (8-58) Al combinar esta relación con tis = h(Ts - Tm) da 24 k 48 k k h = ui? = UD = 4.36 15 (8-59) o bien, Tubo circular, laminar (qx = constante): hD Nu = T = 4.36 (8-60) Por lo tanto, para el flujo laminar completamente desarrollado en un tubo circular sujeto a flujo de calor constante en la superficie, el número de Nusselt es constante. No se tiene dependencia con respecto a los números de Reynolds o de Prandtl. Temperatura superficial constante Se puede realizar un análisis semejante para el flujo laminar completamente desarrollado en un tubo circular para el caso de temperatura superficial cons- tante Ts• En este caso el procedimiento de solución es más complejo, ya que se requieren iteraciones, pero la relación del número de Nusselt que se obtiene es igualmente simple (figura 8-22): Tubo circular, laminar (Ts = constante): hD Nu = - = 366k . (8-61) Número de Reynolds Número de Nusselt
  13. 13. QUE DEBO SABER PARA DISEÑAR EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR??? Principalmente: • Fundamentos de transferencia de Momentum y Calor • Termodinámica • Identificación de Mecanimos de Transferencia de Calor • Conocimiento para la estimación de Coeficientes de Transporte • Ingeniería y Ciencia de los Materiales • Ingeniería Económica
  14. 14. BIBLIOGRAFÍA • Geankoplis Ch., (2006). Procesos de Transporte y Principios de Procesos de Separación. 4a Edición. México, CECSA. • Cengel Y.A., (2007). Transferencia de Calor y Masa: Un Enfoque Práctico. 3ra. Edición. México, Mc Graw Hill. • Perry R. H. and Green D. W., (2010). MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO. Sección 10. “Transferencia de Calor”. Sección 11. “Equipos de Transferencia de Calor”. 7a edición. España, Mc Graw Hill.

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