Intercambio de calor entre dos fluidos

Operaciones unitarias con transferencia de calor.

Calentamiento o enfriamiento de corrientes de proceso.

Modificar estado físico mediante evaporación condensación.

Una corriente cede calor a otra que lo recibe (intercambiadores de calor).

Corrientes de proceso (participan en el balance de masa)

Corrientes de servicio (no se mezclan con las corrientes de proceso, pero pueden afectar los balances energéticos)

Introducción

Transferencia de calor por unidad de tiempo (procesos continuos)

W = flujo másico de una corriente

Subíndices: h (fluido caliente), c(fluido frio), 1 (condición de entrada), 2 (condición de salida).

En temperaturas: T(fluido caliente), t(fluido frio).

Q = cantidad de calor intercambiado por unidad de tiempo

i = entalpía específica

Expresiones de los balances entálpicos

Para que haya transferencia de calor entre dos fluidos es necesario:

1. Que haya un diferencial de temperatura (a mayor delta mayor velocidad de transmisión).

2. Que ambos fluidos estén separados por una superficie (área de transferencia)

U = coeficiente global de transferencia de calor

Ecuación de cinética de transferencia de calor

A depende de U, el cual se modifica en función de las características de diseño del equipo.

En todo problema de diseño participan las ecuaciones de balance y de cinética.

Participan también ecuaciones que permitan calcular el valor de U

Área de transferencia y coeficiente de transferencia de calor

Razón a la cual se transmite el calor desde un fluido a otro por unidad de superficie de pared y por grado de diferencia de temperatura entre ambos fluidos.

Incluye los mecanismos de transporte de energía de convección y conducción, y si la radiación es significativa incluirá también dicho mecanismo.

Coeficiente global de transmisión de calor

U para paredes planas o ligeramente curvadas:

𝑈 =1

1ℎ𝑖+

𝑒𝑗𝑘𝑗

𝑛𝑗=1 +

1ℎ𝑒

Para tuberías, se tiene dos casos:

𝑈𝑖 =1

1ℎ𝑖+𝑒𝑘+

𝐷𝑖ℎ𝑒𝐷𝑒

Para el área interna de la tubería

𝑈𝑒 =1

𝐷𝑒ℎ𝑖𝐷𝑖

+𝑒𝑘+1ℎ𝑒

Para el área externa de la tubería

Si los tubos tienen paredes gruesas, se debe sustituir el término (e/k) por 𝐷𝑖2𝑘𝑙𝑛𝐷𝑒𝐷𝑖 𝑦

𝐷𝑒2𝑘𝑙𝑛𝐷𝑒𝐷𝑖

Coeficiente global de transmisión de calor

Cuando un equipo de transferencia de calor ha estado durante cierto tiempo en operación, se le depositan incrustaciones o basura en la parte interna y externa de los tubos.

Esto agrega dos resistencias más de las que fueron consideradas en el cálculo de U

𝑈𝑖𝑠 =1

1ℎ𝑖+𝑒𝑘+

𝐷𝑖ℎ𝑒𝐷𝑒

+ 𝑅𝑠

𝑈𝑒𝑠 =1

𝐷𝑒ℎ𝑖𝐷𝑖

+𝑒𝑘+1ℎ𝑒+ 𝑅𝑠

Σ𝑅𝑠 = 𝑅𝑠𝑖 + 𝑅𝑠𝑒

Resistencia de Ensuciamiento

Disposición en corrientes paralelas

MLDT

Disposición en contracorriente

MLDT

La diferencia de temperatura promedio Tm depende de la distribución de flujo en el intercambiador de calor y su tipo de construcción

El cálculo del MLDT anterior se limita a los intercambiadores de flujo paralelo o a contraflujo.

Se desarrollan relaciones similares para los intercambiadores de flujo cruzado y de tubos y coraza de pasos múltiples (expresiones de extrema complejidad).

Se toma como referencia el MLDT calculado para contraflujo y se aplica un factor de corrección.

MLDT para otros patrones de flujo

F depende de la configuración geométrica del intercambiador y de las temperaturas de entrada y de salida de las corrientes de fluido caliente y frío.

El factor de corrección es menor que la unidad (F < 1). El valor límite de F = 1 corresponde al intercambiador a contraflujo

MLDT para otros patrones de flujo

Un intercambiador de calor se puede describir como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas a la vez (superficie de contacto).

Tipos:

- Intercambiador de calor de tubos concéntricos (de doble tubo)

- Intercambiador de calor de carcasa

- Intercambiador de calor de aletas (superficie ampliada)

- Intercambiador de calor de placas (superficie ampliable)

- Intercambiador de calor especiales (bloque múltiple, de serpentín o en espiral, de tubos en espiral, otros)

Intercambiadores de Calor

Intercambiador de calor de doble tubo o tubos concéntricos. Es el más simple. Flujo en paralelo o en contracorriente (contraflujo).

Intercambiador de calor tipo compacto. Gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen, densidad de área β. Un β > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. Gas-Gas, Gas-Líquido. Flujo cruzado (mezclado o no mezclado). Los dos fluidos suelen moverse de manera perpendicular entre sí.

Intercambiador de calor de tubo y carcasa (tubo y coraza). Tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales. Uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos. Peso y tamaño relativamente grandes. Se clasifican según el número de pasos que se realizan por la coraza y por los tubos.

Intercambiador de calor de placas y armazón (o sólo de placas). Una serie de placas con pasos corrugados y aplastados para el flujo . Los fluidos caliente y frío fluyen en pasos alternados, de este modo cada corriente de fluido frío queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente.

Intercambiador de calor regenerativo. Estático y dinámico

Tipos de intercambiadores de calor

Valores representativos de los coeficientes totales de transferencia de calor en los intercambiadores de calor

Seleccionar un intercambiador de calor que logre un cambio de temperatura específica de una corriente de fluido de gasto de masa conocido. Método en base al MLDT.

Predecir las temperaturas de salida de las corrientes de fluido caliente y del frío en un intercambiador de calor específico. Método de la efectividad-NTU

ANÁLISIS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

EFICACIA DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

EFICACIA DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Flujo Paralelo

Flujo Paralelo

Flujo Paralelo

Expresiones para otras configuraciones

Efectividad para los intercambiadores de calor

Es uno de los equipos más sencillos (operación continua). Suelen producirse fuga de fluidos. El desarme del equipo es laborioso. Por eso es poco frecuente su uso a nivel industrial. Longitud máxima del orden de los 6 m.

Tamaños normalizados de longitud efectiva de 12, 15, 20 pies.

Por qué no se construyen de mayor tamaño?

Solución

Relación entre diámetros de los tubos

Combinaciones comunes para intercambiadores de doble tubo (pulgadas)

Intercambiadores de calor de doble tubo

1. Cantidad de Movimiento

1.1. Sin cambio de fase

- Fluido en el interior del tubo (Q=V*A). Q=valor conocido, v=valor asumido (entre 0,25 y 1,30 m/s. Fluidos poco viscosos entre 1 y 2 m/s). Corrección de diámetro. Calcular Re (elegir ecuación para el cálculo de h).

- Fluido en el espacio anular. Con el d anterior estimar en D mediante tablas. Q =V*A. Calcular Re ((elegir ecuación para el cálculo de h).

1.2. Con cambio de fase.

- Identificar fluido que no cambia de fase.

- Para calentamiento de fluidos (en este caso el vapor circula por tubo externo). Igual que 1.1.

- Para condensación de vapores. El vapor circula por el tubo interno. En este caso lo correcto es trabajar con diámetros de tubería entre 1 ¼ a 2 pulg. Con tabla ver el diámetro del tubo externo

Algoritmo de Cálculo

2. Balances de energía

3. Cálculo del MLDT

4. Cálculo del coeficiente de convección interno (se define en función del Re).

5. Cálculo del coeficiente de convección externo (igual que 4, pero usando el diámetro equivalente.

Algoritmo de Cálculo

DIÁMETRO EQUIVALENTE:

Para los cálculos del fluido que circula en el espacio anular, es necesario utilizar un diámetro equivalente.

6. Cálculo del coeficiente global de transporte de energía

U=f(hi, he, e, k, Di, De, Rsi, Rse)

7. Cálculo del área de transferencia

8. Cálculo de L (A=DL)

9. Modificación del diseño original. Cuando la pérdida de carga es excesiva.

Algoritmo de Cálculo