TEMA 7.- EQUIPO DE TRANSMISIÓN DE CALOR

CONTENIDOS DEL TEMA

7.1 Tipos de intercambiadores de calor7.2 Procedimiento básico de diseño7.3 Eficacia en los sistemas de intercambio de calor

En este tema se pretende aprender a utilizar el protocolo general para el diseño de intercambiadores de calor. Al finalizar el tema, el alumno será capaz de:

TEMA 7.- EQUIPO DE TRANSMISIÓN DE CALOR.OBJETIVOS

1. Aplicar el procedimiento general para el dimensionado de cambiadores de calor2. Tomar decisiones acerca de qué variables de diseño modificar para lograr un determinado objetivo en un intercambiado de calor3. Calcular la eficacia de un sistema de intercambio de calor4. Calcular el número de etapas de transferencia de calor en un intercambiador de calor5. Conocer el orden de magnitud de los coeficientes globales de transmisión de calor en distintos tipos de intercambiadores y aplicaciones6. Explicar y definir términos como: Eficacia de un cambiador de calor, Número de unidades de transferencia de calor, Resistencia de ensuciamiento

1. Recuperadores: los fluidos frío y caliente están separados por una pared. Mecanismos:convección hacia y desde la pared + conducción a través de ella.

Intercambiador de calor: dispositivo utilizado para la transferencia de calor entre un medio caliente y uno frío, generalmente fluidos.

Tipos de intercambiadores de calor

2. Regeneradores: los fluidos caliente y frío ocupan el mismo espacio en el núcleo del intercambiador. El núcleo del intercambiador “matriz” funciona como un almacén de calor que es calentado periódicamente por el de mayor T y luego transfiere ese calor al fluido de menor T.

3. Intercambiadores de calor de contacto directo: los fluidos caliente y frío se ponen en contacto de manera directa. Ej: torre de enfriamiento

Cambiadores de tubos concéntricos

Cambiadores

Cambiadores de carcasa y tubos

Cambiadores de placas

Cambiadores de placas en espiral

Cambiadores refrigerados por aire

7.2 Procedimiento básico de diseñoEc. de diseño para flujo de calor a través de una sup.:

q = U·A·ΔTm

q |=| W, U |=| W/m2·ºC, A |=| m2 ΔTm |=| ºC

Objetivo principal de diseño → A (dado q y T’s)

Totali

Total T·A·UR

Tq Δ=∑Δ

=A·U

1Ri =∑

normalmente A = Aexterna → U basado sobre área externa

U = f (mecanismos de TQ que intervienen, régimen de flujo de los fluidos, props. de los materiales y geometría del sist.)P. ej.: Cambiador de carcasa y tubos:

odidi

o

ow

oo

ii

o

o h1

·hdd

h1

2·k

d·Lnd

·hdd

U1

+++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+= id

Coef. global de Transmisión de calor:En general:

Pasos a seguir en el diseño:

1. Definir el servicio: flujo de calor, flujos, temperaturas.

2. Recopilar las propiedades físicas de los fluidos, ρ, μ ,k

3. Decidir Tipo de cambiador a utilizar

4. Seleccionar un valor de U

5. Calcular la diferencia media de temperaturas, ΔTm

6. Calcular el área, A

7. Escoger la distribución del cambiador

9. Calcular U a partir de los hi y comparar con el valor supuesto.

Si Usupuesto ≠ ≠ Ucalculado → Volver a 6.

10. Calcular (-ΔP)Si (-ΔP)↑↑ → Volver a 7 ó 4 ó 3

11. Optimizar el diseño para minimizar costes (Repetir pasos 4-10). Generalmente → Coste ↓ si A ↓

8. Calcular los coeficientes individuales.

Coeficientes globales típicosCarcasa y tubosFluido caliente Fluido frío U (W/m2ºC)Agua Agua 800 -1500Disolv. Orgán. Disolv. Orgán. 100 - 300Gases Gases 10 - 50EnfriadoresDisolv. orgánicos Agua 250 -750Gases Agua 20 - 300Disolv. orgánicos Salmuera 150 - 500Agua Salmuera 600 - 1200Gases Salmuera 15 - 250

CalentadoresVapor Agua 1500 - 4000Vapor Disolv. orgánicos 500 - 1000Vapor Gases 30 - 300CondensadoresVapor de agua Agua 1000 - 1500Vapores orgánicos Agua 700 - 1000VaporizadoresVapor Disolucs. Acuosas 1000 - 1500Vapor Orgánicos ligeros 900 - 1200Vapor Orgánicos pesados 600 - 900

Carcasa y tubosFluido caliente Fluido frío U (W/m2ºC)

Cambiadores enfriados por aire

Fluido de proceso U (W/m2ºC)Agua 300 - 450Orgánicos ligeros 300 - 700Orgánicos pesados 50 - 150Gases: 5 -10 bar 50 - 100

10 - 30 bar 100 - 300Hidrocarb. condensantes 300 - 600

Serpentín sumergidoSerpentín Tanque U (W/m2ºC)

Circulación natural Disolucs. Acuosas 500-1000Vapor Aceites ligeros 200-300Vapor Aceites pesados 70-150Dis. Acuosas Agua 200-500

Tanques AgitadosVapor Disolucs. Acuosas 800-1500Vapor Disolucs. Acuosas 300- 500Vapor Aceites pesados 200-400Disolucs. Acu. Agua 400-700

Tanques encamisadosCamisa Tanque U (W/m2ºC)Circulación naturalVapor Disolucs. Acuosas 500-1000Vapor Orgánicos ligeros 250-500Agua Disolucs. Acuosas 200-500Agua Orgánicos ligeros 500 – 700

Factores de ensuciamiento

Resistencias térmicas de depósitos de varios fluidos

m2·K/kW m2·K/kW

Agua*

Destilada

Mar

Río claro

Torre Refrig. no tratada

Torre Refrig. tratada

0.09

0.09

0.21

0.58

0.26

Vapor

Buena calidad

Calidad pobre

De motores

0.052

0.09

0.18

Gases

Aire

Disolv. vapores

0.35

0.14

Líquidos

Salmuera tratada

Orgánicos

Fuel oils

Breas

0.27

0.18

1.0

2.0

* Veloc. de 1 m/s y T<320 K

maxqq

letransferibimoCalorotransferidCalor

==máx

ε EFICACIA

donde: qmax = (G·Cp)min·(Tc,in – Tf,in) en contracorriente

Tc, in : T entrada del fluido calienteTf, in T entrada del fluido frío(G·Cp)min = min [(G·Cp)c, (G·Cp)f]

7.3 Eficacia en los sistemas de intercambio de calor

El flujo de calor transferido se puede calcular a partir de ε, y qmax q = ε·(G·Cp)min·(Tc,in – Tf,in) (conocido q se pueden calcular T salida fluidos)

Parámetro adimensional:

C/ºWC/ºW

flujodelcaloríficaCapacidad

rercambiadointdecaloríficaCapacidad

min)Cp·G(U·ANTU =≈=

Físicamente es una “medida del tamaño” del intercambiador

Número de Unidades de Transferencia de calor (NTU)

Determinación de εε = f(geometría del cambiador, disposición de los flujos)Expresiones o gráficas ε vs NTU

N = NTU = min)Cp·G(

A·UMAX

min)Cp·G()Cp·G(C =

ε

[ ]C1

)C1(Nexp1+

+−−=ε

[ ][ ])C1(N·expC1

)C1(Nexp1−−−−−−

=ε

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−−≈ )1N·Cexp(N·C1exp1 78.022.0ε

Intercambio de calor con cambio de fase

Para el fluido que cambia de fase → Tin ≈ Tout

→ (G·Cp)MAX →∞

ε = 1 – e-N para C → 0

Resolución de problemas con este método

0)·()·(

→=MAX

min

CpGCpGC

PROBLEMAS2 problemas típicos relacionados con intercambiadores:

-Rating → Dado un cambiador de calor, determinar la T de salida de los fluidos, y (-ΔP)-Dimensionado → Determinar las dimensiones del cambiador más adecuado para una determinada aplicación

Situación frecuente → Desconocer T salida de los fluidos→ Método iterativo porque se desconoce ΔTm

SOLUCIÓN → MÉTODO DE EFICACIA (ε -NUT)

1. Problemas operacionales

a.) Calcular C = Cmin /CMAX y NTU

b.) Determinar ε con la gráfica o la expresióncorrespondiente a la geometría y al tipo de flujo

c.) Calcular el flujo de calor total transferido

q = ε·(G·Cp)min·(Tc,in – Tf,in)

d.) Calcular las temperaturas de salida

(G·Cp)

q - T Tc

inc,outc, = (G·Cp)

q T Tf

inf,outf, +=

2. Dimensionado

a.) Conociendo T’s → calcular ε

b.) Calcular C = Cmin / CMAX

c.) Determinar NTU con la gráfica correspondienteCalcular el área de intercambio requerida

U)Cp·G·(NTUA min=

)(infincminp

TTcq−

=ε

TEMA 7.- EQUIPO DE TRANSMISIÓN DE CALOR.OBJETIVOS

1. Aplicar el procedimiento general para el dimensionado de cambiadores de calor2. Tomar decisiones acerca de qué variables de diseño modificar para lograr un determinado objetivo en un intercambiado de calor3. Calcular la eficacia de un sistema de intercambio de calor4. Calcular el número de etapas de transferencia de calor en un intercambiador de calor5. Conocer el orden de magnitud de los coeficientes globales de transmisión de calor en distintos tipos de intercambiadores y aplicaciones6. Explicar y definir términos como: Eficacia de un cambiador de calor, Número de unidades de transferencia de calor, Resistencia de ensuciamiento