conceptualizacion de procesos

1. 1
INTERCAMBIADORES
DE CALOR
(CONCEPTOS)
Intercambiador de calor
Los intercambiadores de calor son
equipos de transferencia de calor.
Pueden clasificarse según su
construcción o el servicio que prestan.

2. 2
Refigerador: utiliza un refrigerante para
enfriar un fluido hasta una temperatura
menor que la obtenida si se utilizara agua.
Condensador: unidades de carcaza y tubo
que se utilizan para la condensacion de
vapores de desecho. (contacto directo)
Enfriador: unidad en la cual una corriente del
proceso intercambia calor con agua o aire sin
cambio de fase
Clasificación de intercambiadores de
calor según el servicio
Calentador: aumenta la entalpia de una
corriente sin cambio de fase.
Rehervidor: un vaporizador que provee
calor latente de vaporizacion
Generadores de vapor: (calderas)
Sobrecalentador: calienta el vapor por
encima de la temperatura de
saturacion.
Vaporizador: convierte el liquido en
vapor. ( liquidos diferentes al agua)

3. 3
Intercambiador de doble tubo
Intercambiador de coraza y tubo
Intercambiador de calor de placas
Intercambiadores de calor de flujo cruzado
Clasificación de intercambiadores de
calor según configuración.
Intercambiador de doble tubo: están constituidos por
uno o mas tubos en forma de U, encerrados dentro
de otro tubo que hace papel de carcaza.
Las secciones de doble tubo permiten un flujo en
contracorriente y co-corriente. Soportan hasta
presiones de 16500 kPa en el lado de la carcaza y
103400 kPa en tubos. Estos intercambiadores se
justifican económicamente si el área requerida es
menor de 30 m2
Clasificación de intercambiadores de
calor según configuración.

4. 4
Versátil
Manejan altas presiones
Disponibles en muchos tamaños
Fácilmente modificables para
mantenimiento
U Comparable con
intercambiadores de tubo y coraza
Grandes, pesados, y caros por
unidad de área
Intercambiadores de tubo y
coraza son menos caros para
áreas > 30 m2
Pros Contras

5. 5
Intercambiador de doble tubo en serie
Clasificación de intercambiadores de
calor según configuración.
Intercambiador carcaza y tubo: consiste en
un haz de tubos paralelos encerrados en
una carcaza cilíndrica llamado coraza
Tipos:
- Cabezal fijo: tiene ambos extremos del
cabezal de tubos sujetos a la carcaza.
- Cabezal móvil: tiene un solo extremo del
cabezal de tubos sujeto a un extremo, y el
otro a un cabezal móvil.

6. 6
Clasificación de intercambiadores de
calor según configuración.
Amplio intervalo de
operación , tamaños, y
en especial
1.8 < A < 3 millon
ft2 bajo costo/ ft2
Inflexibles una vez
instalados
Pros Contras
Intercambiador de tubos y carcaza

7. 7
Intercambiador de tubos y carcaza
Intercambiador serie

8. 8
Cabezal
Carcaza
Deflectores
Boquilla de canal
Boquilla de la coraza
Componentes de un intercambiador de tubo y carcaza
Boquilla canal
Boquilla de la carcaza

9. 9
Barras tirantes
Deflectores transversales
Bafle
Intercambiador de calor de platos : consiste en una
serie de placas finas con corrugación que separa los
fluidos
Clasificación de intercambiadores de
calor según configuración.

10. 10
Intercambiadores de calor de placas
Desarrollados para la industria
alimenticia
Especialmente útil donde la
corrosión, sedimentación, limpieza y
esterilización son importantes.
EL flujo es altamente turbulento ⇒
alto U’s,
Fácil de desmantelar y limpiar
Pros
• Limitado a temperaturas modestas y
bajas presiones <25 bar
• Los empaques son caros y deben
ser re-usables.
Contras

11. 11
r1
r2
T1
T2Ecuación de Fourier:
dT
q kA
dr
= −
2A rLπ=
2
1 1
2
oTr
r T
q
kdT
rLπ
= −∫ ∫
2 1
2 1
2 ( )
ln( / )
Lk T T
q
r r
π −
=
Ecuaciones básicas de diseño
r3
T3
Resistencias térmicas:
3a
tot
T T
R
q
−
=
q
T3 T2 T1 Ta
RaR1R2
Ley enfriamiento Newton
2 1
1 2
( )
ln( / )
2
T T
q
r r
Lkπ
−
=
2 1
1
ln( / )
2
r r
R
Lkπ
= 3 2
2
2
ln( / )
2
r r
R
Lkπ
=
1
1
( ) 1
1 2
a
a
a
T T
q R
r Lh
hA
π
−
= → =
3 22 1
1
ln( / )ln( / )1
2 2 2
tot
a
r rr r
R R
r Lh Lk Lkπ π π
= = + +∑
r1
r2
T1
T2
Ta

12. 12
Resistencias térmicas:
3 22 1
1
ln( / )ln( / )1
2 2 2
tot
a
r rr r
R R
r Lh Lk Lkπ π π
= = + +∑
3
3 22 1
1
( )
ln( / )ln( / )1
2 2 2a
Ta T
q
r rr r
r Lh Lk Lkπ π π
−
=
+ +
r3
T3
q
T3 T2 T1 Ta
RaR1R2
r1
r2
T1
T2
T
Coeficiente global de transferencia de calor
1
globalq UA T UA
R
= ∆ → =
Coeficiente total de transferencia de calor Uo
Cuando el calor fluye desde un fluido que circula por un lado de un
tubo a otro fluido que circula por el otro lado del tubo, dicho calor
debe vencer las resistencias:
• Rio resistencia de la película laminar del fluido en el interior del tubo
referida al área externa del tubo
• rio resistencia ( factor de ensuciamiento) del material extraño
depositado en el interior del tubo
• rw resistencia de la pared del tubo
• ro resistencia del material extraño depositado en el exterior tubo
• Ro resistencia de la película laminar del fluido en el exterior tubo

13. 13
Coeficiente global de transferencia
0( )
ln( / )1 1
2
f i f oo i
i i i o o o
Ti T
q
R Rr r
h A A Lk A h Aπ
−
=
+ + + +
Ai
Ao
Ti
To
ri
ro
hi
ho
*
* *** *
1
ln( / )
2
f i f oo i
i i i o o o
U
R A A RA r rA A
h A A Lk A h Aπ
=
+ + + +
1
ln( / ) 1
2
o
f i oo o o i
f o
i i i o
U
R AA A r r
R
h A A Lk hπ
=
+ + + +
1
globalq UA T UA
R
= ∆ → =
( )2
/U W m K⎡ ⎤= ⎣ ⎦
La ecuación Q=A*U*(Ti-To) se aplica solamente a un
punto particular donde el gradiente de temperatura esta
definido como (Ti-To). Para aplicar esta ecuación a un
intercambiador, donde las temperaturas de ambas
corrientes cambian se expresa en forma no muy
rigurosa, pero aceptable para la mayoría de los
cálculos ingenieriles como:
* *Q Uo Ao LMTD=
:LMTD Diferencia de temperatura media logarítmica

14. 14
Diferencia de temperatura media
logaritmica (LMTD)
Suposiciones:
-Las propiedades de las corrientes son constantes
-El intercambio de calor se realiza en estado estacionario
-Cada corriente tiene un calor especifico constante
-El coeficiente global de transferencia de calor es constante
-La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante
-No hay perdida de calor
-El flujo es en contra- o co-corriente
HT
CT
L0
T
( )H C iT T−
( )oH cT T−
Flujo Paralelo o co-correinte

15. 15
( )
1 1
( )
h c
h c
h c h c
T T T
d T dT dT
dq dq
d T dq
C C C C
∆ = −
∆ = −
⎛ ⎞
∆ = − − → − +⎜ ⎟
⎝ ⎠
Th
Tc
Th+dTh
Tc+dTc
dq h h h h h
c c c c c
dq m Cp dT C dT
dq m Cp dT C dT
= − = −
= =
Ahora sustituyendo
1 1
( )
h c
d T U TdA
C C
⎛ ⎞
∆ = − ∆ +⎜ ⎟
⎝ ⎠
dq UdA T= ∆
Integrando
2
1
2
1
( ) 1 1
1 1
ln
( )
( )
( )
( )
ln [( ) ( )]
h c
h c
h hi ho h
hi ho
c co ci c
co ci
hi ci ho co
d T
U dA
T C C
T
UA
T C C
q
q C T T C
T T
q
q C T T C
T T
T UA
T T T T
T q
⎛ ⎞∆
= − +⎜ ⎟
∆ ⎝ ⎠
⎛ ⎞⎛ ⎞∆
= − +⎜ ⎟⎜ ⎟
∆⎝ ⎠ ⎝ ⎠
= − → =
−
= − → =
−
⎛ ⎞∆
= − − − −⎜ ⎟
∆⎝ ⎠
∫ ∫
1
2
hi ci
ho co
T T T
T T T
− = ∆
− = ∆
2 1
2 1ln( / )
T T
q UA
T T
∆ − ∆
=
∆ ∆

16. 16
( )hi coT T−
HT
CT( )ho ciT T−
Flujo contra-corriente
2
1
ho ci
hi co
T T T
T T T
− = ∆
− = ∆
2 1
2 1ln( / )
T T
LMTD
T T
∆ − ∆
=
∆ ∆
Ejemplo:
Para la siguiente configuración calcule la diferencia de
temperatura media logarítmica.
Contracorriente
Fluido Caliente Fluido Frio
300 F entra 100 F sale
200 F sale 150 F sale
(300 150) (200 100)
(300 150)
ln
(200 100)
LMTD
− − −
=
⎛ ⎞−
⎜ ⎟−⎝ ⎠
( )Hi coT T−
HT
cT( )Ho ciT T−

17. 17
Intercambiadores de calor de paso multiple
2 pasos en tubo 1 cacaza
Ti
Toti
to
Intercambiador de calor 1-2
Intercambiador 1-2 carcaza tubo
Ti
To
ti
to
Ti
Ti
to
ti

18. 18
El LMTD es valido para flujos en corriente y contracorriente.
Para los demás tipos de intercambiador es necesario hacer
una corrección.
MTD= F*LMTD
Se define R= Relacion de las capacidades termicas entre
el fluido frio y caliente
2 1 1 2
2 1
2 1
( )
( )
c pc c c h h
h ph c c
h h
q
m C T T T T
R
qm C T T
T T
− −
= = =
−
−
P= relación entre el calor real calculado con el fluido frio y la
cantidad máxima de calor que pudiera recibir el fluido frio si el
intercambiador tuviera un área infinita y saliera en equilibrio
2 1 2 1
1 1 1 1
( ) ( )
( ) ( )
c pc c c c c
c pc h c h c
m C T T T T
P
m C T T T T
− −
= =
− −

19. 19
Ft= 1 Flujo equivalente a contracorriente
Ft<1 debido a que la configuracion en paralelo no es tan efectiva
como la contracorriente
o i
i i
t t
P
T t
−
=
−
i o
o i
T T
R
t t
−
=
−
MTD= F*LMTD
Grafica para calcular FT

20. 20
Reglas para el FT
Generalmente evitar diseños con FT <0.75
Conduce a áreas muy grandes, usualmente se
puede encontrar otro arreglo que trabaje mejor
Para una simple coraza, con cualquier
numero de pasos en tubo (1-2n), FT debe
ser mayor que 0.9
Intercambiadores coraza tubo 2-2
∆Tm= F*LMTD
Toti
to bafle
Bafles longitudinales: permiten obtener flujos siempre en
contracorrientes
2 pasos en carcaza 2 pasos en tubo

21. 21
Toti
to
to
Intercambiador 1-2 en serie

22. 22
Problema:
Para las siguientes temperaturas terminales,
calcule la diferencia de temperatura media
efectiva (MTD)
200180200200to 200To250
100280100300ti 100Ti 350
Fluido
Frio
Fluido
Calien
Fluido
Frio
Fluido
Calien
Fluido
Frio
Fluido
Calien

23. 23
Análisis del intercambiador de calor
Método la diferencia de temperatura
media logarítmica
Método de eficiencia NUT
Temperatura media logarítmica
1 2
1 2
2 1 1 2
1 1 2 1
* *
ln( / )
;
( , , )
c c h h
h c c c
Q U A LMTD
T T
LMTD
T T
T T T T
P R
T T T T
F P R arregloφ
=
∆ − ∆
=
∆ ∆
− −
= =
− −
=

24. 24
Método eficiencia NTU
Defina la relación de capacidades, donde Cmin y Cmax son el mas
pequeño y mas grande de Ch y Cc , respectivamente
Definir la eficiencia, como la razón entre la transferencia real de
calor para un intercambiador de calor y la transferencia de calor
máxima posible
* min
max
C
C
C
=
* min
max
C
C
C
=
* min
max
C
C
C
=
* min
max
C
C
C
=
, , , ,
max min , , min , ,
min , ,
( ) ( )
=
( ) ( )
Q= C ( )
h h i h o c c o c i
h i c i h i c i
h i c i
C T T C T Tq
q C T T C T T
T T
ε
ε
− −
= →
− −
−
Método eficiencia NTU
Calcule el numero de unidades de transferencia
* min
max
C
C
C
=
* min
max
C
C
C
=
* min
max
C
C
C
=
min
AU
NUT
C
=

25. 25
Condiciones de flujo
Flujo Laminar: se caracteriza por un movimiento suave
de capas de fluido, desplazándose una sobre la otra
sin mezclarse, la velocidad en un punto dado es
constante y sigue un perfil constante
Flujo Turbulento: se caracteriza por el intercambio y
mezcla del fluido en la direccion radial de una parte del
fluido a otra, la velocidad en un punto dado fluctua en
un valor promedio
El régimen del flujo existente se caracteriza por el numero de Reinold
Re
DiV GDiρ
µ µ
= =
donde:
3
2
Di Diametro interno del tubo (m)
V = Velocidad promedio del fluido en el tubo ( m/s)
= Densidad del fluido ( kg/m )
= Viscosidad del fluido (kg/m.s)
G= velocidad masica (kg/s.m )
ρ
µ
=
Re > 10000 Flujo turbulento
Re <= 2.000 Flujo laminar
2100< Re < 10000 zona transición

26. 26
ch L
Nu
k
=
Numero de Nusselt: coeficiente adimensional de
transferencia de calor
Numero de Prandtl: coeficiente adimensional formado a
partir de las propiedades del fluido, cociente entre a
viscosidad cinemática y la difusividad térmica. (tabulados)
Pr
Cp
k
µ
=
K = conductividad térmica del fluido
Cp= calor especifico del fluido
0.8 0.4
0.023*Re PrNu =
Flujo turbulento: ( Dittus y Boelter) : aplicable en diferencias
moderadas entre la pared y el fluido
Para 0.5 < Pr < 100 104 < Re <5x106
Flujo laminar: ( Sieder y Tate) : propiedades evaluadas a la
media aritmética de la diferencias de temperatura de
entrada y salida
0.141/3
1/3
1.86*(RePr)
p
d
Nu
L
µ
µ
⎛ ⎞⎛ ⎞
= ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
µp= viscosidad a la temperatura de la pared

27. 27
Temperatura calórica
( )c salida c entrada salidaT T F T T= + −
Para el fluido caliente se expresa
Para el fluido frio
( )c entrada c salida entradat t F t t= + −
Las propiedades de transporte de fluido se evalúan a las temperaturas
calóricas respectivas. (fluidos alta viscosidad )
Fc se calcula con los rangos de temperatura del fluido caliente y
frió y la densidad API (grafica 17 Kern):
1 2
1 2
h h h
c c c
T T T
T T T
∆ = −
∆ = −
Gravedad API
50
100
Rango temperatura
kc
/tc th∆ ∆
kc0.01
10
Fc
Kc mayor = pelicula controlante

28. 28
Factor de obstrucción
La resistencia a la transferencia de calor debida al ensuciamiento
son causadas por sedimentos, polímetros y otros depósitos.
Mecanismo de ensuciamiento
Ensuciamiento por sedimentación:
Algunas corrientes en particular el agua contienen sólidos
suspendidos
que se depositan sobre el área de transferencia. El ensuciamiento
por
sedimentación depende de la velocidad del fluido.
Ensuciamiento por inversión de la solubilidad:
Ciertas sales presentes en las aguas, son menos solubles en aguas
calientes que en fria, ej: sulfato de calcio. Si la temperatura de la
superficie es mayor que la temperatura de saturacion de la sal esta
precipita.
Mecanismo de ensuciamiento
Ensuciamiento por reacción química:
Ocurre cuando hay reacción química en una de las corrientes, que
origina la producción de una fase sólida cerca de la superficie.
Ensuciamiento por corrosión:
Si una corriente corroe el metal de la superficie de transferencia.
Ensuciamiento biológico:
Aguas que contienen organismos que se adhieren a la superficies
sólidas

29. 29
Criterios para el diseño de intercambiadores:
•El ensuciamiento no es usualmente severo por debajo del los 120 C.
•El ensuciamiento es mas severo cuando los hidrocarburos se
calientan
•Vaporización en un intercambiador puede causar ensuciamiento
severo.
•Altas velocidades tienden a reducir el ensuciamiento
•La alimentación a los reformadores catalíticos y plantas de
desintegración catalítica, muchas veces se ven afectadas por un
proceso de ensuciamiento severo debido a las reacciones orgánicas
con oxigeno, que ocurre mientras alimentación se encuentra
almacenada en los tanques.
Temperatura de la pared
0.14
w
µ
φ
µ
⎛ ⎞
= ⎜ ⎟
⎝ ⎠
Coeficiente de corrección por viscosidad
viscosidad a la temperatura de la paredwµ =
En el caso de líquidos, la viscosidad disminuye al
aumentar la temperatura.