Intercambiadores de Calor.

Intercambiadores de Calor.
Transferencia de Calor
1
Intercambiadores de Calor.
Los intercambiadores de calor son aparatos que permites
el intercambio de calor entre dos fluidos, sin permitir que
se mezclen entre si.
En un intercambiador la transferencia de calor suele
comprender convección en cada uno de los fluidos y
conducción a través de la pared que los separa.
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Los intercambiadores se fabrican en diversos tipos,
siendo el mas simple el de tubo doble.
doble
Transferencia de Calor
2
Intercambiadores de Calor.
Tipos de Intercambiadores de Calor.
Para tubo doble tipo de flujo paralelo,
paralelo tanto el fluido
caliente como el frió entra al intercambiador por el
mismo extremo y se mueven en la misma dirección.
Transferencia de Calor
3
Intercambiadores de Calor.
Tipos de Intercambiadores de Calor.
En tanto tubo doble del tipo contraflujo los fluidos
caliente y frió entran en el intercambiador por los
extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.
Transferencia de Calor
4
Intercambiadores de Calor.
Tipos de Intercambiadores de Calor.
En los intercambiadores compactos los dos fluidos se
mueven perpendiculares entre si y esa configuración
de los flujos se le llama de flujo cruzado.
cruzado
Transferencia de Calor
5
Intercambiadores de Calor.
Tipos de Intercambiadores de Calor.
(a) Tubos con aletas. (tubos planos, Aletas de placa continua).
(b) Tubos con aletas. (tubos circulares, aletas circulares).
(c) Tubos con aletas. (tubos circulares, aletas de placa continua).
Transferencia de Calor
6
Intercambiadores de Calor.
Tipos de Intercambiadores de Calor.
(d) Aletas de Placa (un solo paso).
(e) Aletas de Placa (multiplazo).
Transferencia de Calor
7
Intercambiadores de Calor.
Tipos de Intercambiadores de Calor.
Otro tipo común de intercambiador que se encuentran
en las aplicaciones industriales son los de tubos y
coraza.
coraza
Transferencia de Calor
8
Intercambiadores de Calor.
Tipos de Intercambiadores de Calor.
Transferencia de Calor
9
Intercambiadores de Calor.
Tipos de Intercambiadores de Calor.
Transferencia de Calor
10
Intercambiadores de Calor.
COEFICIENTE GLOBAL.
En el análisis de los
intercambiadores de calor
resulta conveniente trabajar
con un coeficiente de
transferencia de calor total
U o una resistencia térmica
total R expresada como,
1
1
1
→R =
=
=
U ⋅ A Ui ⋅ Ai Uo ⋅ Ao
Transferencia de Calor
11
Intercambiadores de Calor.
Coeficiente Global.
en donde los subíndices i y o se
refieren a las superficies interior y
exterior de la pared que separa los
dos fluidos, respectivamente.
1
1
R=
+ R pared +
hi ⋅ Ai
h o ⋅ Ao
1
1
1
→
=R=
+ R pared +
U⋅A
h i ⋅ Ai
ho ⋅ Ao
∆T
&
Q=
= U ⋅ A ⋅ ∆T
R
Transferencia de Calor
12
Intercambiadores de Calor.
Coeficiente Global.
Cuando el espesor de la pared del
tubo es pequeño y la conductividad
del material del tubo es elevada
(Rpared ≈ 0), y la superficie interior y
exterior del mismo son casi
idénticas (A ≈ Ai ≈ Ao), la ultima
relación se simplifica para quedar
(U ≈ Ui ≈ Uo),
1
1
1
≈
+
U hi ho
Transferencia de Calor
13
Intercambiadores de Calor.
Coeficiente Global.
Transferencia de Calor
14
Intercambiadores de Calor.
Coeficiente Global.
Cuando el tubo tiene aletas en uno de los lados para
mejorar la transferencia de calor, el área superficial para
la transferencia de calor total en ese lado queda,
A = ηAleta ⋅A Aletas + A sinAletas
Factor de Incrustación.
Los efectos de la incrustación tanto sobre la superficie
interior como sobre la exterior de los tubos de un
intercambiador de calor se pueden tomar en cuenta por
medio de,
Transferencia de Calor
15
Intercambiadores de Calor.
Coeficiente Global.
R f,i
R f,o
1
1
R=
+
+ R pared +
+
h i ⋅ Ai Ai
A0 h o ⋅ Ao
en donde Ai y Ao son las áreas
de las superficies interior y
exterior y Rf,i y Rf,o son los
factores de incrustación en esas
superficies.
Transferencia de Calor
16
Intercambiadores de Calor.
Coeficiente Global.
Transferencia de Calor
17
Intercambiadores de Calor.
ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
En un intercambiador bien aislado la razón de la
transferencia de calor desde el fluido caliente es igual a
la razón de la transferencia de calor hacia el fluido frió, es
decir,
& =m
& c ⋅ c pc ⋅ (Tc,sal − Tc,ent )
Q
& =m
& h ⋅ c ph ⋅ (Th,ent − Th,sal )
Q
en donde los subíndices c y h se refieren a los fluidos
frió y caliente, respectivamente.
Transferencia de Calor
18
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
El producto del gasto de masa y del calor especifico del
fluido cp, se llama razón de capacidad calorífica (C).
(C)
& ⋅ cp
C=m
& = C ⋅ (T − T )
→ Q
c
c,sal
c,ent
& = C ⋅ (T − T )
→ Q
h
h,ent
h,sal
Transferencia de Calor
19
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
Método de la Efectividad-ntu.
El método de la efectividad-NTU es el mas adecuado
para predecir la razón de la transferencia de calor y las
temperaturas de salida de las corrientes de los fluidos
caliente y frió en un intercambiador especifico.
La efectividad de un intercambiador de calor se define
como,
&
Q
Razón de la transferencia de calor real
ε=
=
&
Q max Razón maxima posible de la transferencia de calor
Transferencia de Calor
20
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
en donde Cmín es el menor de Ch y Cc. La efectividad de
los intercambiadores se puede determinar a partir de
diversas relaciones y diagramas.
&
Q
max = C min ⋅ (Th,ent − Tc,ent )
A continuación se dan soluciones graficas para los
casos mas comunes.
U⋅A
NTU ≡
C mín.
Transferencia de Calor
21
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
Transferencia de Calor
22
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
Transferencia de Calor
23
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
Transferencia de Calor
24
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
Transferencia de Calor
25
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
Transferencia de Calor
26
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
Transferencia de Calor
27
Intercambiadores de Calor.
Análisis de los Intercambiadores de Calor
Ejemplo 5.1.- Considere un intercambiador de calor de
coraza y tubo donde se tiene dos pasos de tubos. El
área (A) de transferencia de calor es de 5 m2 y se sabe
que el coeficiente total de transferencia de calor global
(U) es de 1200 W/m2K. Si entran por los tubos 10000
kg/h de agua a 25ºC, mientas por la parte de la coraza
entran 5000 kg/h de agua a 90ºC, determine las
temperaturas del agua a la salida del intercambiador
(cp,agua = 4,18 J/gK).
Transferencia de Calor
28