Intercambiadores de calor UTN

1

Tecnología de la Energía Térmica 1

TECNOLOGIA DE LA

ENERGIA TERMICA

CONCEPTOS BASICOS

Mariano Manfredi

2


CONCEPTOS BASICOS

1. Objetivos2. Alcance3. Desarrollo

• Balance de energía• Mecanismos de transferencia de calor• Ecuación de diseño• Coeficiente global de transferencia de calor• Fuerza impulsora• Área de transferencia• Pérdida de carga• Clasificación de intercambiadores de calor

Indice

3


CONCEPTOS BASICOS -

• Conocer las ecuaciones de cálculo y sus componentes

• Introducir el concepto de pérdida de carga

• Conocer los principales equipos de intercambio de calor

OBJETIVOS

4


CONCEPTOS BASICOS -

• Hipótesis/Limitaciones de la ecuación de diseño

• Deducción/Desarrollo de componentes de la ecuación de diseño

• Variables que afectan a los componentes de la ecuación de diseño

• Aplicación a los a los equipos de transferencia de calor

ALCANCE

5


CONCEPTOS BASICOS -

Balance de energía

DESARROLLO

TCpQ ∆⋅⋅= ω

• 1º Principio de la Termodinámica• Estado estacionario• Convención de signos

λω ⋅=Q

Calor sensible (no hay cambios de estado)

Calor latente (hay cambios de estado)

6


CONCEPTOS BASICOS -

Mecanismos de transferencia de calor

DESARROLLO

TAe

kQ ∆⋅⋅=• Conducción

TAhQ ∆⋅⋅=

( )4TAQ ∆⋅⋅⋅= εσ

• Convección

• Radiación

7


CONCEPTOS BASICOS -

Ecuación de Diseño (para intercambio de calor entre dos fluidos)

Consideraciones:• Diferencia de temperaturas entre ellos• Fluidos separados por una superficie por la cual se transfiere calor

DESARROLLO

TAUQ ∆⋅⋅=Calor transferido

Coeficienteglobal de

transferencia

Área detransferencia

Fuerza impulsora

8


CONCEPTOS BASICOS -

Coeficiente global de transferencia de calor

DESARROLLO

Depende de:• Tipo de fluidos (propiedades)• Velocidades de los fluidos (régimen)• Diseño del equipo (geometría)

9


CONCEPTOS BASICOS -


DESARROLLO

Transferencia de calor entre el fluido interno y la pared

Transferencia de calor en la pared

Transferencia de calor entre la pared y el fluido externo

( )iii TwTAhQ −⋅⋅=

( ) ( )oimio

TwTwADD

kQ −⋅⋅−=

2

( )tTwAhQ ooo −⋅⋅=

⋅+

⋅+

⋅⋅=−

oomii AhAk

e

AhQtT

11 ( )tTAUQ −⋅⋅=

oomii AhAk

e

AhAU ⋅+

⋅+

⋅=

⋅111

10


CONCEPTOS BASICOS -


DESARROLLO

• A=Ao• Se desprecia el término asociado a la transferencia de calor por conducción

o

o

ii

hA

AhU

111 +⋅

=

oio hhU

111 +=

• Unidades

Sistema Internacional Unidades Inglesas[Q] = W [Q] = Btu/h[ω] = kg/s [ω] = lb/h[Cp] = J/kgK [Cp] = Btu/lbºF[T] = ºC ó K [T] = ºF ó R[A] = m2 [A] = ft2

[k] = W/mK [k] = Btu/hftºF[U] ; [h] = W/m2K [U] ; [h] = Btu/hft2ºF

11


CONCEPTOS BASICOS -


DESARROLLO

• Coeficiente global limpio

• Coeficiente global sucio

111

−

+=

oioC hh

U

111

−

++= Rf

hhU

oioD

oio RfRfRf +=

Resistencia de ensuciamientoFluido interno

Resistencia de ensuciamientoFluido externo

Equipo limpio

Equipo sucio

12


CONCEPTOS BASICOS -


DESARROLLO

Coeficientes peliculares• Dependen de

Tipo de fluidoPropiedades termodinámicas (evaluadas a temperatura media)RégimenGeometría

• Sin cambio de fase• Referenciados a el área de transferencia

Resistencias de ensuciamiento• Transferencia de calor por conducción � ofrecen una resistencia a la transferencia• Situación inevitable• Distintos tipos

Precipitación/cristalización (por cambio de Tº)Sedimentación (ensuciamiento particulado)Reacción química (productos de reacción)Biológico (proliferación de algas)Corrosión

• Referenciados a el área de transferencia

i

oiio D

DRfRf ⋅=

13


CONCEPTOS BASICOS -


DESARROLLO

• Estimación de valoresCoeficientes globalesCoeficientes pelicularesResistencias de ensuciamiento

• Análisis de resistencias↑h � ↓R (resistencia pelicular, inversa de coeficiente pelicular)↑hio ↑ho + ↓Rf � ↑UD (Situación óptima, no hay resistencia controlante)↑hio ↑ho + ↑Rf � ↓UD (Fouling como resistencia controlante)↓hio ↑ho + ↓Rf � ↓UD (Coeficiente pelicular interno como resistencia controlante)↑hio ↓ho + ↓Rf � ↓UD (Coeficiente pelicular externo como resistencia controlante)↓hio ↓ho + ↑Rf � ↓↓UD (Peor situación, todas son resistencias controlantes, o ninguna lo es)

• El UD es el coeficiente global empleado para el diseño de equipos

14


CONCEPTOS BASICOS -

Fuerza impulsora

DESARROLLO

Situación de intercambio de calor• Fluido caliente: ωh, T1, T2• Fluido frío: ωc, t1, t2• Intercambiador de Doble Tubo

La diferencia de temperaturas entre los fluidos no es constante a lo largo del equipo

)( tTdAUdQ −⋅⋅=medioTAUQ ∆⋅⋅=

Ecuación de diseño IntegradaEcuación de diseño Diferencial(punto a punto)

15


CONCEPTOS BASICOS -

Fuerza impulsora

DESARROLLO

Hipótesis• Intercambiador de calor adiabático (no hay pérdidas de calor al ambiente)• Caudales constantes (régimen constante)• Propiedades termodinámicas constantes• Coeficiente global de transferencia de calor constante

El ∆Tmedio es función del arreglo o disposición de los fluidos

Arreglo cocorriente Arreglo contracorriente

Cruce de temperaturas

16


CONCEPTOS BASICOS -

Fuerza impulsora

DESARROLLO

Diferencia media logarítmica de temperatura (∆TML o DMLT)

• Para arreglo contracorriente

Ecuación diferencial de Q a partirdel balance de energía

dtCpdTCpdQ cchh ⋅⋅=⋅⋅= ωω

)()( tTdxDUtTdAUdQ o −⋅⋅⋅⋅=−⋅⋅= π

Ecuación diferencial de Q a partirde la ecuación de diseño

)()(

ln

)()(

12

21

1221

tT

tTtTtT

AUQ

−−

−−−⋅⋅=IENTECONTRACORRMLTAUQ ∆⋅⋅=

17


CONCEPTOS BASICOS -

Fuerza impulsora

DESARROLLO

Diferencia media logarítmica de temperatura (∆TML o DMLT)

• Para arreglo cocorriente

)()(

ln

)()(

22

11

2211

tT

tTtTtT

AUQ

−−

−−−⋅⋅=ECOCORRIENTMLTAUQ ∆⋅⋅=

18


CONCEPTOS BASICOS -

Área de transferencia

DESARROLLO

• Medio físico que separa los fluidos• Superficie por la cual se transfiere el calor requerido

del balance de energía• Material• Buen conductor térmico• Parámetro económico• Magnitud para establecer la verificación térmica de

un equipo• Es una consecuencia de la ecuación de diseño

MLTAUQ ∆⋅⋅=

Rf vs. tiempo

A vs. tiempo

U vs. tiempo

X

Diseño de equipos• A partir del UD se establece el tamaño del equipo

Verificación de equipos• A raíz de un tamaño de equipo existente, se decide

su aptitud mediante el empleo del UD

19


CONCEPTOS BASICOS -

Pérdida de carga

DESARROLLO

• Convección forzada � los fluidos se mueven por diferencia de presiones � los fluidos son impulsados mediante empleo de bombas/compresores según su estado físico

• No puede evitarse• Individual para cada fluido• Dependen del factor de fricción, obtenido a través del número de Reynolds• Verificación hidráulica del sistema: ∆Pcalculado < ∆Padm

20


CONCEPTOS BASICOS -

Clasificación de intercambiadores de calor

DESARROLLO

Handbook of Heat Transfer (Rohsenow)

21


CONCEPTOS BASICOS -


DESARROLLO

Principales equipos

• Doble Tubo

• Multitubo

22


CONCEPTOS BASICOS -


DESARROLLO

• Casco y Tubos

23


CONCEPTOS BASICOS -


DESARROLLO

• Aeroenfriadores

• Hornos

24


CONCEPTOS BASICOS -


DESARROLLO

• Placas

• Espirales

25


¿PREGUNTAS?

26


FIN

Mariano Manfredi

Intercambiadores de calor UTN

Documents

Transcript of Intercambiadores de calor UTN