Intercambiadores de Calor

 

TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DEL VALLE DE ETLA

INGENIERIA EN ENERGIAS RENOVABLES MATERIA:

SISTEMAS TERMICOS PROFESOR:

M.C JEHU JUAREZ REYES

ALUMNO:

MARIETH RUIZ LÓPEZ

SEMESTRE:

6°

UNION HIDALGO, OAXACA, MARZO 2020

 

Contenido  INTRODUCCION................... .......................................... ............................................. ............................................ ............................................ ...................... 3 1. Clasificación de los intercambiadores de calor .......................................... ............................................................ .................. 4 2. Ecuación para calcular el coeficiente global de transferencia de calor .......... ........................ .............. 7 3. Que es el factor de suciedad y como afecta a los intercambiadores de calor ............... 9 4. Fórmula para el cálculo de la temperatura media logarítmica.................................... 10 CONCLUSIÓN .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................. ....................... 12 BIBLIOGRAFIA ............................................ .................................................................. ............................................ .......................................... .................... 13

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INTRODUCCION Los intercambiadores de calor en general son dispositivos o sistemas en los que el calor se transfiere de un fluido circulando a otro. Los fluidos pueden ser líquidos o gases y en algunos intercambiadores de calor pueden circular más de dos fluidos. Estos dispositivos  pueden tener una estructura estructura tubular, de las que quizá los intercambiadores intercambiadores más comunes sean los de doble tubo y los de coraza y tubos, o una estructura de placas apiladas, que incluye los intercambiadores de placa y aletas, placa y marco, entre otras configuracione configuraciones. s. La función de los intercambiadores de calor ha adquirido más importancia recientemente ya que los ingenieros tienen más interés en los aspectos energéticos y quieren optimizar sus diseños no sólo en términos de un análisis térmico y de la rentabilidad económica de la inversión, sino también en términos del retorno de energía de un sistema. A continuación analizaremos la clasificación de los intercambiadore intercambiadoress de calor, ecuación  para calcular el coeficiente global de transferencia tr ansferencia de calor, factor de suciedad y como afecta a los intercambiadores de calor y por ultimo fórmula para el cálculo de la temperatura media logarítmica.

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1. Clasificación de los intercambiadores de calor En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido y conducción a través de la pared que los separa. En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total U que toma en cuenta la contribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador.

Tipos de intercambiadores de calor Las distintas aplicaciones de la transferencia de calor requieren diferentes tipos de accesorios y configuraciones del equipo para dicha transferencia. El intento de acoplar los accesorios para la transferencia de calor a cada tipo de necesidades, dentro de las restricciones específicas, ha conducido a numerosos tipos de diseños innovadores de intercambiadores de calor.

- intercambiador de calor de tubo doble : Es el tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntricos de diámetros diferentes, como se muestra en la figura 1.

Fig.1 Diferentes regímenes de flujo y perfiles asociados de temperaturas en un intercambiador de calor de tubo doble.

En un intercambiador de este tipo uno de los fluidos pasa por el tubo más pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos tubos. En un intercambiador de calor de tubo doble son posibles dos tipos de disposición del flujo:

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Flujo paralelo: los dos fluidos, el frío y el caliente, entran en el intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección.

Contraflujo: Los fluidos entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.

- Intercambiador de calor compacto: Diseñado específicamente para lograr una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. La razón entre el área superficial de transferencia de calor de un intercambiador y su volumen se llama densidad de área

700 / 0 200 /   

se

.

>

Un intercambiador de calor con

clasifica

como

compacto.

Ejemplos

intercambiadores de calor compactos son los radiadores de automóviles

de

  

1000/ , los intercambiadores de calor de cerámica de vidrio de las turbinas de gas   6000 /, el regenerador del motor Stirling     15000 / y el pulmón humano   20000 /  . Los intercambiadores compactos

 permiten lograr razones elevadas de transferencia t ransferencia de calor entre dos fluidos en un volumen pequeño y son de uso

común en aplicaciones con limitaciones estrictas con respecto al peso y el volumen de esos aparatos (figura 2).   Fig. 2 Intercambiador de calor compacto

Los intercambiadores compactos son de uso común en la transferencia de calor de gas hacia gas y de gas hacia líquido (o líquido hacia gas), para contrarrestar el bajo coeficiente de transferencia de calor asociado con el flujo de gases mediante una mayor área superficial. En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse de manera perpendicular entre sí y a esa configuración de flujo se le conoce como flujo cruzado, el cual todavía se clasifica más como flujo no mezclado o mezclado, dependiendo de su configuración, como se muestra en la figura 3. 

Fig. 3. Diferentes configuraciones de flujo en intercambiadores de calor de flujo cruzado

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- Intercambiadores de calor de tubos y coraza: Es el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales mostrado en la (figura 4.).  Estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco con sus ejes paralelos al de éste. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza. Es común la colocación de desviadores en la coraza  para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos.

Fig. 4. Esquema de un intercambiador de calor de coraza y tubos.

Los intercambiadores de tubos y coraza se clasifican todavía más según el número de  pasos que se realizan realizan por la coraza y por los tubos. Por ejemplo, los inte intercambiadores rcambiadores eenn los que todos los tubos forman una U en la coraza se dice que son de un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. De modo semejante, a un intercambiador que comprende dos  pasos en la coraza y cuatro pasos en los tubos se le llama de dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos (figura 5).

Fig. 5. Disposiciones por la coraza y cuatro pasos por los tubos

- Intercambiadores de calor de placas y armazón:   Consta de 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, lo que da por resultado una transferencia muy eficaz de calor. Asimismo, este tipo de intercambiadores pueden crecer al aumentar la demanda de transferencia de calor sencillamente montando más placas. 13  P á g i n a 6 | 13 

 

- Intercambiador de calor regenerativo: que se relaciona con el paso alternado de las corrientes de los fluidos caliente y frío a través de la misma área de flujo.   El intercambiador regenerativo del tipo estático básicamente es una masa porosa que tiene una gran capacidad de almacenamiento de calor, como la malla de alambre de cerámica. Los fluidos caliente y frío fluyen a través de esta masa porosa de manera alternada. El regenerador del tipo dinámico consta de un tambor giratorio y se establece un flujo continuo del fluido caliente y del frío a través de partes diferentes de ese tambor, de modo que diversas partes de este último pasan periódicamente a través de la corriente caliente, almacenando calor, y después a través de la corriente fría, rechazando este calor almacenado. [2]

2. Ecuación para calcular el coeficiente global de transferencia de calor El análisis y el diseño térmico de un intercambiador de calor fundamentalmente requieren la aplicación de la primera ley de la termodinámica en conjunto con los principios de la transferencia de calor. La aplicación y las diferencias entre entre los modelos termodinámicos y de transferencia de calor de un dispositivo y/o sistema de intercambio de calor. Aquí,  para el intercambiador de calor global, el modelo termodinámico proporciona la transferencia de energía global o total como

− + ∑  ̇  − ∑  ̇  0

.1 

El coeficiente global de transferencia de calor de un intercambiador de calor en ciertas condiciones de operación, en especial especial en la industria de procesos, a menudo no se puede  predecir sólo a partir de un análisis térm térmico. ico. cuando se vuelve a plantear considerando los fluidos caliente y frío por separado junto con sus gastos másicos respectivos, entalpía de entrada y salida (enunciada en términos de calores específicos y diferencia de temperatura), proporciona el modelo para

   0: ̇   (, − , )̇  (, − , ) .2 

determinar la transferencia de calor entre los dos fluidos cuando

Una de las primeras tareas en un análisis térmico t érmico de un intercambiador de calor es evaluar el coeficiente de transferencia de calor entre las dos corrientes de fluido. el coeficiente 13  P á g i n a 7 | 13 

 

global de transferencia de calor entre un fluido caliente a temperatura Th y un fluido frío a temperatura Tc separados por una pared plana sólida se define por

    −   

.3 

1 +1/ℎ       1/ = ∑     1/ℎ +/    =

Para un intercambiador de calor de tubo concéntrico, como se muestra en la (figura 6), el área en la superficie interior de transferencia tr ansferencia de calor es y el área de la l a superficie exterior

2. Por tanto, si el coeficiente de transferencia de calor se basa en el área exterior,   , es

  / ℎ +[ln ln1//2]+1/ℎ  

.4 

  

En tanto que con base en el área interior,  , se obtiene

1   1/ℎ +[ ln ln//2]+/ℎ   

.5 

Si el tubo tiene aletas, las ecuaciones (4) y (5) se deben d eben modificar como. Si bien para un diseño cuidadoso y preciso siempre es necesario calcular los coeficientes de transferencia t ransferencia de calor individuales, para estimaciones preliminares con frecuencia fr ecuencia es útil tener un valor aproximado de U que sea representativo de las condiciones encon encontradas tradas en la práctica.

Fig. 6. Intercambiador de calor simple a contraflujo de tubo dentro de tub tubo. o.

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3. Que es el factor de suciedad y como afecta a los intercambiadores de calor Representa la resistencia teórica al flujo de calor debido a la acumulación de una capa de suciedad u otra sustancia o cualquier otra sustancia en uno o los dos lados de las superficies del tubo, pero a menudo se ‘engordan’ por el usuario final en un intento de

minimizar la frecuencia de las paradas para limpieza del intercambiador. Durante la operación de un intercambiador de calor con la mayoría de los líquidos y algunos gases, gradualmente se acumulan depósitos en la superficie de transferencia de calor. Los depósitos pueden ser, óxido, incrustaciones en la caldera, sedimento, coque o cualquier variedad de otras cosas. Su efecto, al que se le refiere como ensuciamiento, es aumentar la resistencia térmica. En general el fabricante f abricante no puede predecir la naturaleza del depósito de suciedad o la tasa de ensuciamiento. Por tanto, sólo se puede garantizar el desempeño de intercambiadores limpios. La resistencia térmica de los depósitos suele obtenerse sólo a partir de pruebas reales o por experiencia. Si las pruebas de desempeño se efectúan en un intercambiador de calor y se repiten después de que la unidad ha estado en servicio durante cierto tiempo, la resistencia térmica del depósito (o factor de ensuciamiento)

  se puede determinar con la relación 1      +1/

 . .6 6 

Donde

  Coeficiente global de transferencia de calor de un intercambiador limpio.    Coeficiente global de transferencia de calor después de que se presenta el ensuciamiento.

  Factor de ensuciamiento del depósito. La Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) compiló factores de ensuciamiento para varias aplicaciones y están disponibles en su publicación. En la figura 7 se dan algunos ejemplos. 

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Fig.7. Factores de ensuciamiento comunes

[2]

4. Fórmula para el cálculo de la temperatura media logarítmica La diferencia de temperatura media logarítmica (también conocido como LMTD) se utiliza para determinar la temperatura del motor de la transferencia de calor en sistemas de flujo, especialmente en los en los intercambiadores de calor. LMTD es la media logarítmica de la diferencia de temperatura entre los arroyos calientes y fríos en cada extremo del intercambiador. Cuanto mayor sea el LMTD, más calor se transfiere. El esquema de conexión, en el cual ambos fluidos durante todo su recorrido se mueven  paralelamente al encuentro uno del otro se le llama a contra flujo; si los fluidos que intercambian calor se mueven paralelamente en una misma dirección, a este esquema se le llama de flujo directo. La diferencia de tempe temperaturas raturas para estos esquemas esquemas se determina a partir de la diferencia de temperaturas media logarítmica usando la formula

∆   ∆  ∆∆− ln ∆  

.7 

Donde:

∆ : Es la, mayor diferencia de temperaturas entre los fluidos de trabajo ya sea al final o al inicio de la superficie de intercambio.

∆: Es la menor diferencia de temperaturas entre los fluidos de trabajo ya sea al final o al inicio de la superficie de intercambio. 13  P á g i n a 10 | 13 

 

En los casos cuando

∆  ≤1.7, la diferencia de temperaturas entre los fluidos de ∆ 

trabajo se puede determinar con suficiente exactitud como la diferencia de temperatura aritmética.

La mayor diferencia de temperaturas posibles se alcanza a contra flujo mientras que la menor se logra a flujo directo; para cualquier otra de las variantes de conexión se tienen valores intermedios. Por eso, si se cumple la siguiente condición.

∆ ≥0.92∆ 

.8 

Donde:

∆  ∆ :  Diferencias de temperaturas medias para flujo directo y contra flujo respectivamente.  Entonces la diferencia de temperaturas para cualquier esquema complejo de conexión se puede determinar de la fórmula: f órmula:

∆  0.5( ∆ ∆ + ∆ )

.9 

[3]

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CONCLUSIÓN Por medio de la anterior investigación se pudo hacer énfasis en la funcionalidad de los intercambiadores de calor especialmente al de carcaza y tubo cuando se requiere variar la temperatura de un fluido. También se pudo reconocer la estructura básica que estos  poseen y los elementos que lo conforman. De igual forma se logró identificar las clasificaciones de los intercambiadore intercambiadoress de calor según sus fluidos y las direcciones. direcciones.

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BIBLIOGRAFIA   BIBLIOGRAFIA [1] Yonus A.Cengel. (2007).Transferencia de calor y masa. México: McGraw-Hill Interamericana. [2] Frank K, Raj. M, Mark S. (2011).Principios de transferenc transferencia ia de calor. Australia: CENGAGE LEARNING. [3] Yevgen pysmennyy, Georgiy P., Ignacio C. (2007) .Manual para el cálculo de intercambiadores de calor y bancos de tubos aletadas. Barcelona: REVERTE 

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