- 1. ESCUELA SUPERIORPOLITCNICA DE CHIMBORAZOFACULTAD DE
MECNICAESCUELA DE MANTENIMIENTOTERMODINMICAPAGUAY NSTORPAREDES JOS
LUISQUISINTUA ALEJANDRARiobamba Ecuador2012
2. 1 Objetivos2 Estudio de la transferencia del calor3
Definiciones4 Formas de intercambiar calor5 Tipos de
intercambiadores de calor 5A Clasificacin de los intercambiadores
de calor5A.1 Tipos segn su construccin5A.2 Tipos segn su
operacin5A.3 Intercambiadores de un solo paso (o paso simple) yde
mltiple pasos.5A.4 Por su funcin en un sistema5A.5 Grado de
contacto entre los fluidos 3. 5 B Clasificacin de los
intercambiadores de calor5B.1intercambiadores de tubera doble5B.2
intercambiadores enfriados por aire5B.3 intercambiadores de tipo
placa5B.4 intercambiadores de casco y tubo6 Etapas para la
transferencia de calor7 Parmetros para el diseo de
intercambiadores.8 Materiales de construccin9 Aplicaciones10
Conclusiones10 Bibliografa 4. Para cualquiera que sea el tipo de
aparato utilizado, si slo seconsideran las condiciones de entrada y
de salida de los fluidos,se puede establecer el balance trmico
global del aparatoescribiendo que la cantidad de calor Q perdida
por el fluidocaliente es igual a la que gana el fluido menos
caliente, si sedesprecian las prdidas trmicas.Q = M (H1 - H2) = m
(h2 - h1)Las letras maysculas se reservan para el fluido caliente y
lasminsculas para el fluido menos caliente, mientras que losndices
1 y 2 corresponden respectivamente, a las condicionesde entrada y
de salida. M y m representan los caudales msicosde los fluidos; H y
h las entalpas de los fluidos en funcin de sustemperaturas, T y t.
5. 3.1 Un intercambiador de calor es un equipoutilizado para
extraer calor de un fluidoque esta mas caliente de lodeseado,
transfiriendo este calor a otrofluido que esta menos caliente y
necesitaser calentado. La transferencia de calor serealiza a travs
de una pared metlica ode un tubo que separa a ambos fluidos. 6. 3.2
Un intercambiador de calor es uncomponente que permite la
transferencia decalor de un fluido (lquido o gas) a otro fluido.En
los sistemasmecnicos, qumicos, nucleares yotros, ocurre que el
calor debe ser transferidode un lugar a otro, o bien, de un fluido
a otro.Los intercambiadores de calor son losdispositivos que
permiten realizar dicha tarea. 7. 3.3 Un intercambiador de calor es
undispositivo diseado para transferir calorentre dos medios, que
estn separadospor una barrera o que se encuentren encontacto. Son
parte esencial de losdispositivos derefrigeracin, acondicionamiento
deaire, produccin de energa yprocesamiento qumico. 8. 4.1
Transferencia de calor convectiva delfluido hacia la pared interna
del tubo4.2 Transferencia de calor conductiva atravs de la pared
del tubo4.3 Transferencia de calor convectiva desdela pared externa
del tubo hacia el fluidoexterior. 9. Para el estudio de los
intercambiadores de calorse pueden realizar
diferentesclasificaciones, dependiendo de varioscriterios, en este
documento se han clasificado dedos formas, un tanto diferentes,
pero no debemosconfundirnos, solo es otra manera declasificarlos.
10. 5A.1.1 Carcasa y tubo:Este tipo de intercambiador consiste en
un conjunto de tubos enun contenedor llamado carcaza. El flujo de
fluido dentro de lostubos se le denomina flujo interno y aquel que
fluye en el interiordel contenedor como fluido de carcaza o fluido
externo. 11. 5A.1.2 PlatoConsiste de placas en lugar de tubos para
separar a los dos fluidos caliente y fro. Los lquidos calientes y
fros se alternan entre cada uno de las placas y los baflesdirigen
el flujo del lquido entre las placas. 12. 5A.2.1 Flujo paralelo:
Existe un flujo paralelocuando el flujo interno o de los tubos y el
flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en la mismadireccin. 13.
Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en lamisma
direccin pero en sentido opuesto. 14. Son comnmente usado donde uno
de los fluidos presenta cambio defase y por tanto se tiene un
fluido pasado por el intercambiador en dosfaces bifsico. 15. Figura
6: Intercambiador de un solo paso e intercambiador de mltiple paso.
16. Un mtodo que combina las caractersticas de dos o
msintercambiadores y permite mejorar el desempeo de
unintercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidosvarias
veces dentro de un intercambiador de paso simple.Cuando los fluidos
del intercambiador intercambian calor msde una vez, se denomina
intercambiador de mltiples pasos.S el fluido slo intercambia calor
en una sola vez, sedenomina intercambiador de calor de paso simple
o de un solopaso.En la figura (6) se muestra un ejemplo de
estosintercambiadores. 17. 5A.5 GRADO DE CONTACTO ENTRE LOS
FLUIDOS5A.5.1 INTERCAMBIADORES DE CONTACTO DIRECTOTambin conocidos
como cambiadores de mezcla, son aquellos dispositivos en los que
los fluidos sufren una mezcla fsica completa, realizndose, como
consecuencia, la transferencia energtica entre ellos.Pertenecen a
este grupo, entre otros tipos de cambiadores, las denominadas
torres de refrigeracin o torres hmedas, as como los enfriadores de
gases.5A.5.2 INTERCAMBIADORES DE CONTACTOINDIRECTO. Estos pueden a
su vez dividirse en alternativos y de superficie. 18. 5A.5.2.1
INTERCAMBIADORES ALTERNATIVOS En cuanto a los intercambiadores
alternativos, ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma
alternada, sin coincidencia entre ellos, de forma tal que la mezcla
fsica de ambos fluidos puede considerarse despreciable. El elemento
fundamental de este subgrupo de cambiadores es la superficie que
alternativamente recibe y cede la energa trmica.5A.5.2.1
INTERCAMBIADORES DE SUPERFICIE Se denominan intercambiadores de
superficie a aquellos equipos o dispositivos en los que la
transferencia trmica se realiza a travs de una superficie, plana o
cilndrica, que separa fsicamente las corrientes de ambos fluidos,
no existiendo por tanto ninguna posibilidad de contacto directo o
contaminacin entre dichos fluidos, salvo en el caso de rotura de la
antedicha superficie de separacin. 19. Consiste en un tubo pequeo
que estdentro de otro tubo mayor, circulando losfluidos en el
interior del pequeo y entreambos.Se utilizan cuando los requisitos
de reade transferencia son pequeos. 20. Consiste en una serie de
tubos situados en unacorriente de aire, que puede ser forzada por
ayudade un ventilador. Los tubos suelen tener aletaspara aumentar
el rea de transferencia de calor.Pueden ser de 40 ft (12m) de largo
y anchos de 8a 16 ft (2,5 a 5 m), para su seleccin se considerael
factor econmico. 21. Pueden ser de diferentes tipos:5B.3.1 De tipo
placa y armazn similares aun filtro prensa.5B.3.2 De aleta de placa
con soldaduraPor la construccin estn limitados apresiones pequeas.
22. Sonlos ms ampliamente utilizados en laindustria qumica y con
lasconsideraciones de diseo mejordefinidas. Consisten en una
estructura detubos pequeos colocados en el interior deun casco de
mayor dimetro. Las consideraciones de diseo estnestandarizadas por
The TubularExchanger Manufacturers Association(TEMA) 23. La primera
letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario.Los tipo A
(Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son losms comunes.La
segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La ms comn esla E
(casco de un paso) la F de dos pasos es ms complicada demantener.
Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las prdidas depresin en
el casco. El tipo K es el tipo de Rehervidor de calderautilizado en
torre de fraccionamiento. La tercera letra nos indica el tipo de
cabezal del extremo posterior,los de tipo S, T y U son los ms
utilizados. El tipo S (cabezal flotantecon dispositivo de apoyo) el
dimetro del cabezal es mayor que eldel casco y hay que desmontarlo
para sacarlo. El tipo T (Cabezalflotante sin contrabrida) puede
sacarse sin desmontar, pero necesitamayor dimetro de casco para la
misma superficie de intercambio.El tipo U (Haz de tubo en U) es el
ms econmico. 24. ETAPAS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALORTi > To6.1
Conveccin desde el fluido en el interior del tubo hasta las paredes
del mismo.1 Rihi. Ai Ts6.2 Conduccin del interior al exterior del
tubo. hiTo Ln(ro / ri ) Ti ho Rcond2. .K .L3. Conveccin desde el
exterior del tubo al fluido.1 1 Ln(ro / ri )1RoRtotalho. Aohi. Ai
2. .K .L ho. Ao 25. RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO INTERNA YEXTERNA1
Ln(ro / ri )1 Rtotalhi. Ai 2. .K .L ho. Ao 1 riLn(ro / ri
)ro1Rtotal hi. AiAi 2. .K .L Aoho. AoCOEFICIENTE DE TRANSFERENCIADE
CALOR TOTAL1U *. A*Rtotal 26. 1 U*A*A*.ri A*.Ln(ro / ri ) A*.roA*
hi. AiAi 2. .K .L Aoho. AoREFERIDA AL REA EXTERNA1UoAoAo.ri
Ao.Ln(ro / ri ) 1ro hi. AiAi 2. .K .Lho 27. FACTOR DE CORRECCIN DE
LA LMTDINTERCAMBIADOR 28. 7 PARMETROS PARA EL DISEO
DEINTERCAMBIADORES. 29. 7.1 Comprobar el balance de energaHemos de
conocer las condiciones del procesamiento, caudales,temperaturas,
presiones, propiedades fsicas de los fluidos,...7.2 Asignar las
corrientes al tubo y casco.7.3 Dibujar los diagramas trmicos.7.4
Determinar el nmero de intercambiadores en serie.7.5 Calcular los
valores corregidos de la diferencia media detemperaturas (mtd).7.6
Seleccionar el dimetro, espesor, material, longitud yconfiguracin
de los tubos.7.7 Estimar los coeficientes de pelcula y de suciedad.
calcular loscoeficientes globales de transmisin de calor 30. 7.8
Calcular la superficie de intercambio estimada.7.9 Seleccionar el
tamao del casco (utilizando dos pasos en tubo).7.10 Calcular las
perdidas de presin en el lado del tubo yrecalcular el nmero de
pasos para cumplir con las perdidas depresin admisibles.7.11 Asumir
la separacin entre desviadores y el rea de paso paraconseguir la
perdida de presin en casco admisible.7.12 Recalcular los
coeficientes de pelcula en el lado del tubo ydel casco utilizando
las velocidades msicas disponibles.7.13 Recalcular los coeficientes
globales de transmisin de calor ycomprobar si tenemos suficiente
superficie de intercambio.7.14 Si la superficie de intercambio es
muy grande o muy pequearevisar los estimados de tamao de carcasa y
repetir lasetapas 9-13. 31. 8 MATERIALES DE CONSTRUCCIN 32. El
material de construccin ms comn en los intercambiadores de calor
esel acero al carbono. Otros materiales en orden de utilizacin son:
Acero inoxidable de la serie 300 Nquel Monel Aleaciones de cobre,
como latn Admiralty Aluminio Acero inoxidable de la serie 400Los
materiales a utilizar se seleccionan por su resistencia a la
corrosin.Se utilizan tubos bimetlicos cuando las condiciones de
temperatura yrequisitos de corrosin no permiten la utilizacin de
una aleacin simple.Consisten en dos materiales laminados juntos.
Hay que tener cuidado con laaccin galvnica.Tambin se encuentran
intercambiadores de construccin no metlica comoson tubos de vidrio,
en casco de vidrio o acero. Tambin se encuentranintercambiadores de
calor de grafito, y de tefln. 33. Los intercambiadores de calor se
encuentran en muchossistemas qumicos o mecnicos, sirven para ganar
calor oexpeler calor en determinados procesos.Los intercambiadores
de calor de casco y tubo (o tubular) tienenusos en donde se
demandan de manera significativa una altatemperatura y presin. El
uso de estos equipos tambinabarca aplicaciones donde el lquido
contiene partculas quebloquearan los canales de un cambiador de
calor de placas. 34. Las aplicaciones ms comunes se encuentran en
calentamiento,ventilacin, sistemas de acondicionamiento de
espacios, radiadoresen mquinas de combustin interna, calderas,
condensadores, yprecalentadores o enfriamiento de
fluidos.Precalentador.- En sistemas de vapor de gran escala, o en
sistemasdonde se requieren grandes temperaturas, el fluido de
entrada escomnmente precalentado en etapas, en lugar de tratar de
calentardicho fluido en una sola etapa desde el ambiente hasta
latemperatura final. El precalentamiento en etapas incrementa
laeficiencia del la planta y minimiza el choque trmico de
loscomponentes, que es el caso de inyectar fluido a
temperaturaambiente en una caldera u otro dispositivo operando a
altatemperatura. 35. Radiador.- Algunas plantas dependen de
intercambiadores decalor aire/liquido. El ejemplo ms familiar de
unintercambiador de calor aire-lquido es un radiador deautomvil. El
lquido refrigerante fluye por el motor y toma elcalor expelido y lo
lleva hasta el radiador. El lquidorefrigerante fluye entonces por
tubos que utilizan aire frescodel ambiente para reducir la
temperatura del lquidorefrigerante. Ya que el aire es un mal
conductor del calor, elrea de contacto trmico entre el metal del
radiador y el airese debe maximizar. Esto se hace usando aletas en
el exteriorde los tubos. 36. Todos los sistemas de aire
acondicionado contienen por lo menos dosintercambiadores de calor,
generalmente llamados evaporador ycondensador. En cualquier caso,
el evaporador o el condensador, elrefrigerante fluye en el
intercambiador de calor y transfiere el calor,ya sea ganndolo o
expelindolo al medio fro. Comnmente, elmedio fro es aire o agua.Los
intercambiadores de calor de placa son de uso frecuente en
fluidosde baja viscosidad con demandas moderadas de temperaturas
ypresin, tpicamente por debajo de los 150C. El material de
lossellos se elige preferentemente para soportar la temperatura
deoperacin y conforme a las caractersticas del lquido de proceso.
37. Calentar un fluido fro mediante un fluido con
mayortemperatura.Reducir la temperatura de un fluido mediante un
fluido conmenor temperatura.Llevar al punto de ebullicin a un
fluido mediante un fluido conmayor temperatura.Condensar un fluido
en estado gaseoso por medio de un fluidofro.Llevar al punto de
ebullicin a un fluido mientras se condensa unfluido gaseoso con
mayor temperatura. 38. El diseo trmico de los intercambiadores es
un rea en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de
transferencia de calor.El diseo real de un intercambiador de calor
es un problema mucho ms complicado que el anlisis de la
transferencia de calor porque en la seleccin del diseo final juegan
un papel muy importante los costos, el peso, el tamao y las
condiciones econmicas. 39. Los intercambiadores de calor de casco y
placas son extremadamenteeficientes debido a la alta turbulencia
creada por la geometracompleja de cada paso de la placa. La elevada
turbulencia conducea un coeficiente mucho ms alto de transferencia
de calorcomparado con los intercambiadores de calor convencionales,
esdecir que requieren de menor superficie de transferencia de
calorpara realizar un trabajo dado. Esto demuestra que no slo
soncompactos sino que tambin son rentables pues se requiere
menosmaterial para su fabricacin.El intercambiador de casco y
placas es muy durable. Esto es debido a que los casetes de placas
circulares, al ser soldados en su totalidad y por su propia
estructura, proveen suficiente rigidez para eliminar la vibracin
por induccin y permitirle un diseo para muy altas presiones. 40. En
un intercambiador de flujo paralelo el fluido con mayor temperatura
y el fluido con menor temperatura fluyen en la misma direccin.En un
intercambiador de Contraflujo el fluido con mayor temperatura y el
fluido con menor temperatura fluyen en con la misma direccin pero
en sentido contrario. 41. En un intercambiador de flujo cruzado el
fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura
fluyen formando un ngulo de 90 entre ambos, es decir perpendicular
uno al otro.Los intercambiadores de un solo paso tienen fluidosque
transfieren calor de uno a otro una sola vez.Los intercambiadores
de mltiple paso tienen fluidosque transfieren calor de uno a otro
ms de una veza travs del uso de tubos en forma de "U" y el usode
bafles. 42. Los intercambiadores de calor regenerativos usan
elmismo fluido para calentar y enfriar.Los intercambiadores de
calor no-regenerativos usanfluidos separados para calentar y
enfriar.Debe quedar claro que la funcin de los intercambiadores de
calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados
deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que
el calor slo se transfiere en una sola direccin, del fluido con
mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. 43. En los
intercambiadores de calor los fluidos utilizados no estn en
contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor
temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos
fluidos en contacto trmico con las paredes metlicas que los
separan.Los intercambiadores de calor son dispositivos quepermiten
remover calor de un punto a otro demanera especfica en una
determinada aplicacin.
