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![Intercambiadoresde calorde doble tubo
• Hay combinaciones predeterminadas por la existencia
comercial de los tubos como se muestra en la siguiente tabla:
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
TUBO EXTERNO [in] TUBO INTERNO [in]
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INTERCAMBIADORES DE CALOR #1.pptx
- 1. INTERCAMBIADORES DE CALOR Ing. DesireéÁlvarez, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 2. OBJETIVOS Describir los mecanismosde transferencia de calor presentes en los equipos del LOU Experimentar con cambiadores de calor de tubos concéntricos y tubos y coraza. Justificar el uso específico que tiene cada uno de los cambiadores de calor en la industria química. Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 3. FUNDAMENTOS DEL FLUJODE CALOR EN LOS FLUIDOS • En la Ingeniería Química se presenta con gran frecuencia el flujo de calor desde un fluido a otro pasando a través de una pared sólida. • Esto implica que en un intercambiador de calor participen dos o mas corrientes de proceso: • Fuentes de calor • Receptores de calor • Transmisión de calor se da por: • Conducción • Convección Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 4. APARATOS TÍPICOS PARAEL INTERCAMBIO DE CALOR 1‐ Arreglo del flujo • Flujo paralelo • Contraflujo • Flujo cruzado (placas) 2‐ Tipo de construcción • Doble tubo (tubos concéntricos) • Tubo y coraza (banco de tubos) Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
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- 10. Intercambiadores de calorde tubos y coraza • Formado por un haz de tubos dispuestos en el interior de un cuerpo o coraza • Los tubos se encuentran fijados en placas perforadas. • Uno de los fluidos se mueve dentro de los tubos y el otro por fuera de los tubos (lado de la coraza). • Pueden ser de un pase o multipases (desplazamiento). Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 11. Intercambiadores de calorde doble tubo • Está integrado por dos tubos concéntricos. • El tubo exterior tiene mayor diámetro que el interior. • Un fluido pasa por el interior del tubo interior y el otro por el espacio anular entre los tubos. • Se utilizan para procesar pequeños flujos de fluidos, transferencia líquido vapor y como refrigerante de gases. Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 12. Intercambiadoresde calorde dobletubo Ventajas: • Son equipos sencillos con alto coeficiente de transferencia de calor • Menor posibilidad de incrustaciones, debido a la elevada velocidad de los fluidos. Limitaciones: • Son mas voluminosos y costosos. • El área de intercambio se crea solamente en la superficie de los tubos internos. • No es fácil la limpieza en el espacio anular. Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 13. Intercambiadoresde calorde dobletubo • Hay combinaciones predeterminadas por la existencia comercial de los tubos como se muestra en la siguiente tabla: Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. TUBO EXTERNO [in] TUBO INTERNO [in] 2 1 1 4 2 1 2 1 1 4 3 2 4 3
- 14. FENÓMENODETRANSFERENCIADECALOR DENTRODELINTERCAMBIADOR • Ecuaciones básicas •𝑄 = 𝑚𝑐 λ • 𝑄 = 𝑚𝐴𝐶𝑝𝐴∆𝑇𝐴 • 𝑄 = 𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀 Q = Calor transmitido A = Área del Intercambiador U = Coeficiente global de transmisión LMTD* = Diferencia logarítmica media de temperaturas (*): expresa la diferencia de temperatura entre ambos fluidos a lo largo del intercambiador. Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 15. FENÓMENODETRANSFERENCIADECALORDENTRODEL INTERCAMBIADOR • Una vezelegido el tipo de intercambiador, la optimización del cálculo se conseguirá con el máximo valor de U dentro de la pérdida de presión admisible. • El valor de U puede aumentarse: • Aumentando la velocidad de los fluidos. • Utilizando superficies de intercambio irregulares (corrugación). • Rompiendo el flujo laminar. Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 16. Tubos corrugados Ventajas, consecuencias •Aumento de la turbulencia • Aumento del coeficiente global de transmisión de calor • Reducción del área requerida. • Aumento de la turbulencia ⇒ menor ensuciamiento Beneficios para el usuario • Menor espacio requerido • Reducción de coste • Reducción del tiempo de residencia y como consecuencia mejora la calidad del producto • Aumento del tiempo de funcionamiento Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 17. Tubos corrugados • Losefectos técnicos que produce la corrugación son: • Reduce el número de Reynolds crítico Dícese de la velocidad crítica de un líquido por un tubo, expresada mediante un número de Reynolds, por encima del cual el deslizamiento laminar se vuelve turbulento. • Aumenta la turbulencia, especialmente en flujo de transición. • Puede romper el flujo laminar. Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 18. TRANSFERENCIA DE CALOR TUBOSCONCÉNTRICOS Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 19. CALENTADOR Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. Ecuaciones básicas (1) 𝑄= 𝑚𝑐 λ (2) 𝑄 = 𝑚𝑎𝐶𝑝𝑎∆𝑇𝑎 (3) 𝑄 = 𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀 . Cambio de fase Equilibrio térmico Estado estacionario Alimento Vapor Flujo paralelo
- 20. CALENTADOR Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. En (1) Entregaenergía 𝑄 = 𝑚𝑐 λ 𝑚𝑐 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑙𝑏 ℎ𝑟 λ = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒, 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑎 𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒍𝒖𝒕𝒂 𝐵𝑇𝑈 𝑙𝑏 Steam table 𝑃𝑇 = 𝑃𝑜𝑝 + 𝑃𝑎𝑡
- 21. CALENTADOR Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. En (2) Recibeenergía 𝑄 = 𝑚𝑎𝐶𝑝𝑎∆𝑇𝑎 𝑚𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑙𝑏 ℎ𝑟 (rotámetro) 𝐶𝑝𝑎 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 ∆𝑇𝑎= 𝑡𝑠𝑎 − 𝑡𝑒𝑎 𝑡𝑎 = 𝑡𝑒𝑎 + 𝑡𝑠𝑎 2
- 22. CALENTADOR Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. En (3) 𝑄 =𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀 Q = Calor transmitido A = Área del Intercambiador U = Coeficiente global de transmisión LMTD* = Diferencia logarítmica media de temperaturas (*): expresa la diferencia de temperatura entre ambos fluidos a lo largo del intercambiador
- 23. CALENTADOR Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. De Di A = Áreade transferencia de calor 𝐴 = 𝜋𝐷𝑒𝐿 12 𝑓𝑡 0,057 𝑓𝑡 𝐿𝑇𝐷𝑀 = ∆𝑡1 − ∆𝑡2 𝑙𝑛 ∆𝑡1 ∆𝑡2 ∆𝑡1= 𝑡𝑣 − 𝑡𝑒𝑎 ∆𝑡2= 𝑡𝑐 − 𝑡𝑠𝑎
- 24. CALENTADOR Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. U = Coeficienteglobal de transmisión de calor U= 1 𝑅𝑇 Alimento Vapor Fluido frío Fluido caliente Ri Rp Ro Ri Rp Ro Rinc 𝑅𝑇 = 𝑅𝑖 + 𝑅𝑜 U= 1 𝑅𝑖+𝑅𝑜 𝑅𝑖 = 𝐷𝑒 𝐷𝑖 1 ℎ𝑖 𝑅𝑜 = 1 ℎ𝑜 ℎ𝑖 = Coeficiente de película interno ℎ𝑜= Coeficiente de película externo Rt= resistencia total Ri = resistencia de la pelicula sobre el interior del tubo Ro= resistencia de la película sobre el exterior del tubo.
- 25. CALENTADOR-Coeficientedepelículainterno Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. 𝑁𝑁𝑢 = ℎ𝑖𝐷𝑖 𝑘 ℎ𝑖 = 𝑁𝑁𝑢𝑘 𝐷𝑖 𝑁𝑁𝑢= 0,023(𝑁𝑅𝑒)0,8(𝑁𝑃𝑟)𝑛 0,4: calentamiento 0,3: enfriamiento 𝑁𝑅𝑒 = 𝐷𝑖𝑉𝜌 𝜇 𝑁𝑃𝑟 = 𝜇𝐶𝑝 𝑘 𝑃𝑟𝑜𝑝𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑓í𝑠𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑎 𝑡𝑎 (k, 𝜌, 𝜇, 𝐶𝑝) tabla A4 Chapman Cálculo de la velocidad 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 𝑉𝐴 𝑉 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝐴 𝜋 4 𝐷𝑖 2
- 26. CALENTADOR-Coeficientedepelículaexterno Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. 𝑁𝑁𝑢 = ℎ𝑜𝐷𝑒 𝑘 ℎ𝑜 = 𝑁𝑁𝑢𝑘 𝐷𝑒 𝑁𝑁𝑢= 0,725 𝑔𝜌2λ𝐷𝑒 3 𝜇𝑘∆𝑡 1 4 𝑡𝑓 = 𝑡𝑣 − 3 4 𝑡𝑣 − 𝑡𝑠 ∆𝑡 = 𝑡𝑣 − 𝑡𝑠 𝑃𝑟𝑜𝑝𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑓í𝑠𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑎 𝑡𝑓 (k, 𝜌, 𝜇, 𝐶𝑝) tabla A4 Chapman Comprobando ts ℎ𝑜(𝑇𝑣 − 𝑇𝑠) = 𝑈(𝑇𝑣 − 𝑇𝑓) 𝑆𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎 𝑡𝑠 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 ≤ 𝑡𝑠 𝑎𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 1°, 𝑠𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑛𝑢𝑒𝑣𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑡𝑠= valor asumido (tv-30)
- 27. ENFRIADOR #1-2-3 Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. Ecuaciones básicas (1)𝑄 = 𝑚𝑎𝐶𝑝𝑎∆𝑇𝑎 (2) 𝑄 = 𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀 Equilibrio térmico Estado estacionario Alimento Agua fría Contraflujo tsaf1 teaf1 tsa tea
- 28. ENFRIADOR #1-2-3 Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. En (1) 𝑄= 𝑚𝑎1𝐶𝑝𝑎1∆𝑇𝑎1 𝑚𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑙𝑏 ℎ𝑟 (rotámetro) 𝐶𝑝𝑎 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 ∆𝑇𝑎= 𝑡𝑠𝑎 − 𝑡𝑒𝑎 𝑡𝑎 = 𝑡𝑒𝑎 + 𝑡𝑠𝑎 2 Cambia según el número de enfriador
- 29. ENFRIADOR #1-2-3 Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. En (2)Recibe energía 𝑄 = 𝑚𝑎𝑓𝐶𝑝𝑎𝑓∆𝑇𝑎𝑓 𝑚𝑎𝑓 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑙𝑏 ℎ𝑟 (rotámetro) 𝐶𝑝𝑎 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 ∆𝑇𝑎= 𝑡𝑠𝑎𝑓 − 𝑡𝑒𝑎𝑓 𝑡𝑎 = 𝑡𝑒𝑎𝑓 + 𝑡𝑠𝑎𝑓 2
- 30. ENFRIADOR #1-2-3 Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. En (3) 𝑄= 𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀 Q = Calor transmitido A = Área del Intercambiador U = Coeficiente global de transmisión LMTD* = Diferencia logarítmica media de temperaturas (*): expresa la diferencia de temperatura entre ambos fluidos a lo largo del intercambiador
- 31. ENFRIADOR #1-2-3 Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. De Di A =Área de transferencia de calor 𝐴 = 𝜋𝐷𝑒𝐿 12 𝑓𝑡 0,057 𝑓𝑡 𝐿𝑇𝐷𝑀 = ∆𝑡1 − ∆𝑡2 𝑙𝑛 ∆𝑡1 ∆𝑡2 ∆𝑡1= 𝑡𝑒𝑎1 − 𝑡𝑠𝑎𝑓1 ∆𝑡2= 𝑡𝑠𝑎1 − 𝑡𝑒𝑎𝑓1
- 32. ENFRIADOR #1-2-3 Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. U =Coeficiente global de transmisión de calor U= 1 𝑅𝑇 Alimento A. Enf. Fluido caliente Fluido frío Ri Rp Ro Ri Rp Ro Rinc 𝑅𝑇 = 𝑅𝑖 + 𝑅𝑜 U= 1 𝑅𝑖+𝑅𝑜 𝑅𝑖 = 𝐷𝑒 𝐷𝑖 1 ℎ𝑖 𝑅𝑜 = 1 ℎ𝑜 ℎ𝑖 = Coeficiente de película interno ℎ𝑜= Coeficiente de película externo
- 33. ENFRIADOR #1-2-3-Coeficientede películainterno Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. 𝑁𝑁𝑢 = ℎ𝑖𝐷𝑖 𝑘 ℎ𝑖= 𝑁𝑁𝑢𝑘 𝐷𝑖 𝑁𝑁𝑢 = 0,023(𝑁𝑅𝑒)0,8(𝑁𝑃𝑟)𝑛 0,4: calentamiento 0,3: enfriamiento 𝑁𝑅𝑒 = 𝐷𝑒𝑞𝑉𝜌 𝜇 𝑁𝑃𝑟 = 𝜇𝐶𝑝 𝑘 𝑃𝑟𝑜𝑝𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑓í𝑠𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑎 𝑡𝑎 (k, 𝜌, 𝜇, 𝐶𝑝) tabla A4 Chapman Cálculo de la velocidad 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 𝑉𝐴 𝑉 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝐴 𝜋 4 𝐷𝑖 2
- 34. ENFRIADOR #1-2-3-Coeficientede películaexterno Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. 𝑁𝑁𝑢 = ℎ𝑜𝐷𝑒𝑞 𝑘 ℎ𝑜= 𝑁𝑁𝑢𝑘 𝐷𝑒𝑞 𝑡 = 𝑡𝑒𝑎𝑓1 + 𝑡𝑠𝑎𝑓1 2 𝑃𝑟𝑜𝑝𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑓í𝑠𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑎 𝑡 (k, 𝜌, 𝜇, 𝐶𝑝) tabla A4 Chapman 𝑁𝑁𝑢 = 0,023(𝑁𝑅𝑒)0,8(𝑁𝑃𝑟)𝑛 0,4: calentamiento 0,3: enfriamiento 𝐷𝑒𝑞 = 𝐷𝑖𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑒𝑥𝑡 − 𝐷𝑒𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑖𝑛𝑡 2,58 𝑐𝑚 1,73 𝑐𝑚
- 35. CÁLCULO DE EFICIENCIADE INTERCAMBIADORES Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. 𝜀 = ) 𝐶𝑐(𝑇𝑒𝑐 − 𝑇𝑠𝑐 𝐶𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎(𝑇𝑒𝑐 − 𝑇𝑒𝑓 Eficiencia del calentador 𝐶𝑐 = 𝑀𝑣𝐶𝑝𝑣 𝐵𝑇𝑈 ℎ °𝐹 ; 𝐶𝑓 = 𝑀𝑎𝐶𝑝𝑎 𝐵𝑇𝑈 ℎ °𝐹 𝐶𝑓 < 𝐶𝑐 = 𝐶𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎
- 36. CÁLCULO DE EFICIENCIADE INTERCAMBIADORES Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. 𝜀 = ) 𝐶𝑐(𝑇𝑒𝑐 − 𝑇𝑠𝑐 𝐶𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎(𝑇𝑒𝑐 − 𝑇𝑒𝑓 Eficiencia del enfriador 𝐶𝑐 = 𝑀𝑎𝐶𝑝𝑎 𝐵𝑇𝑈 ℎ °𝐹 ; 𝐶𝑓 = 𝑀𝑎𝑓𝐶𝑝𝑎𝑓 𝐵𝑇𝑈 ℎ °𝐹 𝐶𝑓 < 𝐶𝑐 = 𝐶𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 C max = La mayor de las dos capacidades caloríficas de los fluidos. C min = La más baja de las dos capacidades caloríficas de los fluidos.
- 37. Método de laEfectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia). Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 38. Método de laEfectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia). Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 39. Método de laEfectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia). Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 40. Método de laEfectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia). Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 41. Método de laEfectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia). Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 42. Método de laEfectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia). Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
- 43. Datos experimentales Ing. Desireé Álvarez Macías, MSc. Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc. Tiempo de operación Calentador Enfriador1 Enfriador 2 Enfriador 3 Alimento Vapor Condensado Alimento Agua de Enfriamiento Alimento Agua de Enfriamiento Alimento Agua de Enfriamiento min teA tsA tv tc teA1 tsA1 TeAf1 TsAf1 teA2 tsA2 TeAf2 TsAf2 teA3 tsA3 TeAf3 TsAf3 Datos Generales PRESIÓN CONDENSADO ALIMENTO AGUA DE ENFRIAMIENTO