Tema I-3 - Intercambiadores

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TEMA II-3: INTERCAMBIADORES DE CALOR Contenido: 1. Definición 2 Cl ifi 2. Clasificacn 3. Diseño de intercambiadores 4. Método de la DTML 5. Método ε-NTU 6. Intercambiadores de carcasa y tubos 7 Intercambiadores de placas (práctica ICP) 7. Intercambiadores de placas (práctica ICP) Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 1 TEMA II-3: INTERCAMBIADORES DE CALOR Objetivos: Clasificar los diferentes tipos de intercambiadores según diversos criterios Señalar los parámetros influyentes en el diseño de un intercambiador R li ál l d it bi d t t i ld Realizar cálculos de intercambiadores, tanto a nivel de análisis como de diseño Describir los elementos básicos de los intercambiadores de Describir los elementos básicos de los intercambiadores de carcasa y tubos y de placas Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 2

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TEMA II-3: INTERCAMBIADORES DE CALOR

Contenido:

1. Definición

2 Cl ifi ió2. Clasificación

3. Diseño de intercambiadores

4. Método de la DTML

5. Método ε-NTU

6. Intercambiadores de carcasa y tubos

7 Intercambiadores de placas (práctica ICP)7. Intercambiadores de placas (práctica ICP)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 1

TEMA II-3: INTERCAMBIADORES DE CALOR

Objetivos:

Clasificar los diferentes tipos de intercambiadores según diversos criterios

Señalar los parámetros influyentes en el diseño de un intercambiador

R li ál l d i t bi d t t i l dRealizar cálculos de intercambiadores, tanto a nivel de análisis como de diseño

Describir los elementos básicos de los intercambiadores deDescribir los elementos básicos de los intercambiadores de carcasa y tubos y de placas

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 2

Page 2: Tema I-3 - Intercambiadores

1. DEFINICIÓN

Intercambiador de calorIntercambiador de calorDispositivo utilizado para el intercambio de energía calorífica entre dos corrientes de fluido a diferente temperatura

U ilid dUtilidadLlevar a corrientes de fluido a la temperatura adecuada para un cierto procesopara un cierto proceso

Condensar vapores

Evaporar líquidosEvaporar líquidos

Evacuar calor desde/hacia la atmósfera En ciclos de potenciap

En ciclos de refrigeración

Recuperar calor residual

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 3

1. DEFINICIÓN

Destilación del petróleo N hthDestilación del petróleoTop pumparound

Naphthaand gases

KeroseneE2Desalter

Top pumpd

Lightgas oil

Heavy gas oil on

to

wer

Bottom

Kerosene

E2 E3E5

around

Heavyil

Heavy gas oil

Dis

tilla

tioBottom

pumparound

E4

E5

Kerosene

Fu

rnac

e gas oil

Light gas oil

D

E1

E4 F

R d d

Bottom pumparound

E5 E6

St

Reducedcrude

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 4

Storage Reduced crude

Page 3: Tema I-3 - Intercambiadores

TEMA II-3: INTERCAMBIADORES DE CALOR

Contenido:

1. Definición

2 Cl ifi ió2. Clasificación

3. Diseño de intercambiadores

4. Método de la DTML

5. Método ε-NTU

6. Intercambiadores de carcasa y tubos

7 Intercambiadores de placas (práctica ICP)7. Intercambiadores de placas (práctica ICP)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 5

2. CLASIFICACIÓN

Según el proceso de transferenciag pDe transferencia directa: Paso simultáneo de los fluidos frío y caliente

• Flujo paralelo o equicorriente: • Flujo en contracorriente:• Flujo paralelo o equicorriente:1 2

EF

1 2SF

• Flujo en contracorriente:

T SF

EC SC

T EF

SCEC

Fluido caliente

T

Fluido caliente

T

ΔT

Fluido frío

x

Fluido frío

ΔTxΔT ΔT

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 6x x

Page 4: Tema I-3 - Intercambiadores

2. CLASIFICACIÓN

Según el proceso de transferenciag pDe transferencia directa:

• Flujo cruzado

x

y

x

y

Mezclado

Sin Mezclar Sin mezclar

T(x)

Sin mezclarT(x y)Sin mezclar T(x,y)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 7

2. CLASIFICACIÓN

Según el proceso de transferencia Aire + Aguag pDe mezcla: las dos corrientes de fluido que intercambian calor se mezclan en un cierto gradomezclan en un cierto grado

Agua

Aire

Agua

Regenerativos: El contacto térmico entre corrientes no es simultáneo

Agua

entre corrientes no es simultáneo, sino alternativo. Existe un elemento adicional mediante el cual se transmite calor de una corriente atransmite calor de una corriente a otra.

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 8

Otros: con combustión...

Page 5: Tema I-3 - Intercambiadores

2. CLASIFICACIÓN

Según su disposición constructivag pTubulares

• Concéntricos: Sistema de TC cilíndrico. Equicorriente o contracorriente puro Pequeño tamañocontracorriente puro. Pequeño tamaño

• De carcasa y tubos:De carcasa y tubos:

1 paso por carcasa y 1 por tubosy p

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 9

2. CLASIFICACIÓN

Según su disposición constructivag pTubulares

• De carcasa y tubos: Existen diferentes configuraciones, según el número de veces que el fluido cruza el intercambiador

1 paso por carcasa1 paso por carcasa y 2 por tubos (1-2)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 10

Page 6: Tema I-3 - Intercambiadores

2. CLASIFICACIÓN

Según su disposición constructivag pTubulares

• De carcasa y tubos:

2 pasos por carcasa y 4 por tubos (2-4)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 11

2. CLASIFICACIÓN

Según su disposición constructivag pDe placas

• Rectangulares:

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 12

Page 7: Tema I-3 - Intercambiadores

2. CLASIFICACIÓN

Según su disposición constructivag pDe placas

• En espiral

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 13

2. CLASIFICACIÓN

Según su disposición constructivaDe superficies aleteadas (intercambiadores compactos >700m2/m3 )

Aletas de placa Aletas de placa

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 14

Aletas circulares

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2. CLASIFICACIÓN

Diámetro hidráulico, mm60 10 1 0 160 10 1 0.1

Especiales

Radiador de coche

Placas

Placas aleteadas

Carcasa y tubos

Placas

100 1000 10 0002/ 3

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 15

m2/m3

TEMA II-3: INTERCAMBIADORES DE CALOR

Contenido:

1. Definición

2 Cl ifi ió2. Clasificación

3. Diseño de intercambiadores

4. Método de la DTML

5. Método ε-NTU

6. Intercambiadores de carcasa y tubos

7 Intercambiadores de placas (práctica ICP)7. Intercambiadores de placas (práctica ICP)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 16

Page 9: Tema I-3 - Intercambiadores

3. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES

Consideraciones previasConsideraciones previas

Los métodos que se van a estudiar pueden emplearse conLos métodos que se van a estudiar pueden emplearse con dos objetivos:

Dimensionamiento de un intercambiador para una aplicación dada (problema de diseño)

Evaluación del funcionamiento de un intercambiador dado en unas condiciones (problema de análisis)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 17

3. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES

Pasos en el diseño (dimensionamiento)Pasos en el diseño (dimensionamiento)Especificación de los requerimientos del intercambiador

Constructivas: geometría, material,…

De funcionamiento

Selección del tipo de intercambiador

Diseño termohidráulicoMétodo DMTL

Método NTUMétodo ε-NTU

Diseño mecánico:Análisis estructural esfuerzos térmicos vibraciónAnálisis estructural, esfuerzos térmicos, vibración…

Análisis de costes:Fijos: Materialj

De operación: Mantenimiento, salto de presión

Es un proceso iterativo hasta encontrar la solución óptima

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 18

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3. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES

Balance térmico de un intercambiadorBalance térmico de un intercambiador Hipótesis

Estacionario

VC

Sin pérdidas de calor al entorno

Sin cambio de fase

T

Fluido caliente ΔTSin cambio de fase

Cp ≈ constante

Fluido caliente

Fluido frío

ΔTC

ΔTF

x0i i vcm h Q= =∑( ) ( ) ( ) ( )p EC p SF EFSCC Fmc cT T Tm T− −=

( ) ( ) ( ) ( )q m T Tc T cm T= =Definimos la potencia del intercambiador:

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 19

( ) ( ) ( ) ( )p EC SC SFC p F EFq m T Tc T cm T= =− −

3. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES

Coeficiente global de transmisión de calor UCoeficiente global de transmisión de calor UConsidera todas las resistencias térmicas existentes entre las dos corrientes de fluido:

Convección en el seno de los dos fluidos

Conducción a través de las paredes

S fi i l t dSuperficies aleteadas

Suciedad

Ejemplo: Intercambiador carcasa-tubos con suciedad enEjemplo: Intercambiador carcasa tubos con suciedad en las superficies de ambos fluidos y aletas en la cara del fluido 2

( )1

1 1

lnUA

rR= =

( )1

2

1 11 ,

2 2, 2

ln1

21

suc suc

r

h A k L AR

hR

ηπ+ + + +

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 20

1 1 2 2η

Page 11: Tema I-3 - Intercambiadores

3. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES

Coeficiente global de transmisión de calor UCoeficiente global de transmisión de calor ULos valores de resistencia de ensuciamiento varían a lo largo del tiempo. Se pueden calcular comparando el funcionamiento del intercambiador sucio y limpio:

Valores de ensuciamiento (m2K/W)Valores de ensuciamiento (m K/W)

Agua de mar T<50ºC 0.00009

Vapores de alcohol 0.00009

Vapor de agua sin aceite 0.00009

Agua de caldera 0.0002

Líquido refrigerante 0 0002Líquido refrigerante 0.0002

Aire comprimido industrial 0.0004

Aceite de templar 0.0007

Fuel oil 0.0009

Agua de mar T>50ºC 0.002

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 21

3. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES

Coeficiente global de transmisión de calor UCoeficiente global de transmisión de calor UPara el cálculo de U hay que definir un área de referencia (la interior o la exterior). P. ejemplo: U = UA/A1

Valores típicos de U (W/m2k) Mini Maxi

Condensador de vapor de agua 1100 5600

Existen valores mediostabulados aunque en

Calentador agua de alimentación 1100 8500

Condensador de R12 con agua 280 850

Condensador de NH3 con agua 850 1400tabulados, aunque en un problema dado hayque calcular el valor

Condensador de NH3 con agua 850 1400

Condensador de alcohol - agua 250 700

Intercambiador agua-agua 850 1700

Radiador aire agua aleteado 25 60qconcreto:

Radiador aire-agua aleteado 25 60

Intercambiador aire-aire 10 40

Intercambiador agua-aceite 110 350

Interc. vapor de agua- gasoil 170 340

Interc. vapor de agua- fueloleo 56 170

Interc. vapor de agua- gasolina 280 1140

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 22

Interc. Vapor agua- aire aleteado 28 280

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TEMA II-3: INTERCAMBIADORES DE CALOR

Contenido:

1. Definición

2 Cl ifi ió2. Clasificación

3. Diseño de intercambiadores

4. Método de la DTML

5. Método ε-NTU

6. Intercambiadores de carcasa y tubos

7 Intercambiadores de placas (práctica ICP)7. Intercambiadores de placas (práctica ICP)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 23

4. MÉTODO DE LA DTML

HipótesisHipótesisEstacionario

Sin pérdidas de calor al entornop

Conducción axial a lo largo de los tubos despreciable

Cp ≈ constante

U ≈ constante

Ecuaciones básicasBalance energía:

( ) ( ) ( ) ( )p EC SC SFC p F EFq m T Tc T cm T= =− −

E ió d t i ió d l

q UA DTML= ⋅Ecuación de transmisión de calor:

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 24

Page 13: Tema I-3 - Intercambiadores

4. MÉTODO DE LA DTML

Intercambiador en equicorrienteIntercambiador en equicorriente

1 2EFEF

EC SC ( ) ( )EF SFEC SC

C

T TT

DTMLT T

T− − −

=−

Fluido caliente

T SFEFEC

SC SF

T

TLN

T T

T

T −Δ Δ

Fluido frío1 2

1

T TDTML

TLN

Δ −Δ=

Δ

ΔTx 2TΔ

1 2 E t t d l

x

1, 2 = Extremos opuestos del intercambiador

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 25

4. MÉTODO DE LA DTML

Intercambiador en contracorrienteIntercambiador en contracorriente

1 2SF

( ) ( )SF EF

S

EC SC

C

T TT

DTMLT T

T− − −

=−

SF

SCEC

SFEC

SC EF

T

TLN

T T

T

T −Δ Δ

Fluido caliente

T EF

1 2

1

T TDTML

TLN

Δ −Δ=

ΔFluido frío

2TΔΔT

x

1 2 E t t d l

x

1, 2 = Extremos opuestos del intercambiador

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 26

Page 14: Tema I-3 - Intercambiadores

4. MÉTODO DE LA DTML

Intercambiadores de pasos múltiples o flujo cruzadoIntercambiadores de pasos múltiples o flujo cruzadoEn estos casos:

DTMLDTML F

F = factor de corrección que se calcula en función de dos

contracorrienteDTMLDTML F=

parámetros:

TΔ ( )21pmc T

1

max

TP

T

Δ=Δ

( )( )

21

12

p

p

RTmc

= =Δ

donde 1 y 2 corresponden a uno de los dos fluidos, indicados en las gráficas de obtención de F

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 27

4. MÉTODO DE LA DTML

Intercambiadores de carcasa y tubos con un paso por y p pcarcasa y cualquier número par (2,4,...) de pasos por tubo

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 28

Page 15: Tema I-3 - Intercambiadores

4. MÉTODO DE LA DTML

Intercambiadores de carcasa y tubos con dos pasos por y p pcarcasa y cualquier múltiplo de 4 (4,8,...) pasos por tubo

Ti

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 29

4. MÉTODO DE LA DTML

Intercambiadores de flujo cruzado de un solo paso y fluidos j p yno mezclados

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 30

Page 16: Tema I-3 - Intercambiadores

4. MÉTODO DE LA DTML

Intercambiadores de flujo cruzado de un solo paso, un j p ,fluido mezclado y el otro sin mezclar

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 31

TEMA II-3: INTERCAMBIADORES DE CALOR

Contenido:

1. Definición

2 Cl ifi ió2. Clasificación

3. Diseño de intercambiadores

4. Método de la DTML

5. Método ε-NTU

6. Intercambiadores de carcasa y tubos

7 Intercambiadores de placas (práctica ICP)7. Intercambiadores de placas (práctica ICP)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 32

Page 17: Tema I-3 - Intercambiadores

5. MÉTODO ε-NTU

HipótesisHipótesisEstacionario

Sin pérdidas de calor al entornop

Conducción axial a lo largo de los tubos despreciable

Cp ≈ constante

U ≈ constante

Ecuaciones básicasBalance energía:

( ) ( ) ( ) ( )p EC SC SFC p F EFq m T Tc T cm T= =− −

E ió d t i ió d lEcuación de transmisión de calor:

max q qε=

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 33

max

5. MÉTODO ε-NTU

Eficiencia de un intercambiador εEficiencia de un intercambiador εRelación entre la potencia intercambiada y la máxima intercambiable qε =

maxqε =Potencia máxima intercambiable (contracorriente, A infinita):

( ) ( )max minp EC EFq mc T T= −Existen expresiones teóricas y gráficas que permiten obtener

( ),f NTU Cε =

Existen expresiones teóricas y gráficas que permiten obtener ε a partir de dos parámetros adimensionales:

( ),f NTU CεNTU = número de unidades de transferencia

C= relación de flujos de capacidades térmicas de los fluidos

( )UA

NTU =

C= relación de flujos de capacidades térmicas de los fluidos

( )( )

minpcmC =

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 34

( )minpmc ( )

maxpcm

Page 18: Tema I-3 - Intercambiadores

5. MÉTODO ε-NTU

Eficiencia de un intercambiador εEficiencia de un intercambiador εIntercambiador tubos concéntricos equicorriente

1mcpmin/mcpmax = 0

( )( )

min1 exp 1pmc

NTU⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟− − +

⎜ ⎟⎢ ⎥

0.8 0.25

( )( )

max

min

1 exp 1

1

p

p

NTUmc

mcε

⎢ ⎥⎜ ⎟+⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦=

+0.6

0.50

0 75 ( )max

1pmc

+

0.4

ε[-]

0.75

1.00

0.2

0

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 35

0 1 2 3 4 5 6NTU

0

5. MÉTODO ε-NTU

Eficiencia de un intercambiador εEficiencia de un intercambiador εIntercambiador tubos concéntricos contracorriente

1

x= 0

0.25 0.50

0.8mcpmin

/mcpmax

0.75

1.00

0.6 ( )min1 exp 1

pmcNTU

⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟− − −

⎜ ⎟

0.4

ε[-] ( )

( ) ( )max

i i

1 exp 1

1 1

p

p p

NTUmc

mc mcNTU

ε

⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦=

⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟

0.2

( )( )

( )( )

min min

max max

1 exp 1p p

p p

NTUmc mc

⎢ ⎥⎜ ⎟− − −⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

0

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 36

0 1 2 3 4 5 6NTU

0

Page 19: Tema I-3 - Intercambiadores

5. MÉTODO ε-NTU

Eficiencia de un intercambiador εEficiencia de un intercambiador εIntercambiador carcasa y tubos con un paso por carcasa y cualquier múltiplo de dos pasos por tubos

1 PASO POR CARCASA 2 PASOS POR TUBOS1 PASO POR CARCASA - 2n PASOS POR TUBOS

0.8

0 4

0.6

0

0.2

0.4 0

0.25

0.5

0.75

1

0

0 1 2 3 4 5NTU

1

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 37

5. MÉTODO ε-NTU

Eficiencia de un intercambiador εEficiencia de un intercambiador εIntercambiador flujo cruzado de un solo paso con ambos fluidos sin mezclar

Fluido ACRUZADO SIN MEZCLAR

0.6

0.8

Fluido B0 2

0.4 0

0.25

0.5

0

0.2

0 1 2 3 4 5NTU

0.75

1.00

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 38

Page 20: Tema I-3 - Intercambiadores

5. MÉTODO ε-NTU

Eficiencia de un intercambiador εEficiencia de un intercambiador εIntercambiador flujo cruzado de un solo paso con un fluido mezclado y el otro sin mezclar

CRUZADO CON UN FLUIDO MEZCLADO

0 8

0.6

0.8

0.2

0.4 0 0.25

0.5 0.751.00 1.33

2 4inf

0

0 1 2 3 4 5NTU

inf

( )( )

mezclarp

mezcladop

cm

cmC

sin

=

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 39

mezclarsin

5. MÉTODO ε-NTU – Expresiones analíticas eficiencia

N l t

NUT NTU=

Nomenclatura:

r

NUT NTU

C C

==

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 40

Page 21: Tema I-3 - Intercambiadores

5. MÉTODO ε-NTU – Expresiones analíticas NTU

N l t

NUT NTU=

Nomenclatura:

r

NUT NTU

C C

==

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 41

5. MÉTODO ε-NTU

Comparación entre métodos de cálculo:Comparación entre métodos de cálculo:El método DTML requiere que sean conocidas TODAS las temperaturas de entrada/salida de los dos fluidos → más útil en problemas de diseño: Se conocen la temperatura y gasto de los fluidos, así como la potencia necesaria en el intercambiador y secomo la potencia necesaria en el intercambiador y se pretende calcular el área del intercambiador

Los problemas de diseño pueden afrontarse directamente con el ε-NTU

El ét d NTU á útil bl d áli iEl método ε-NTU es más útil en problemas de análisis:Se conocen la temperatura y gasto de los fluidos en la entrada, así como el área del intercambiador pero no se , pconocen las temperaturas de salida de los fluidos ni la potencia

L bl d áli i l DTML i it ió

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 42

Los problemas de análisis con el DTML requieren iteración

Page 22: Tema I-3 - Intercambiadores

4. MÉTODO DE LA DTML

Resumen de pasos para el diseño térmico de unResumen de pasos para el diseño térmico de un intercambiador con la DTML

Datos: TEC, TEF, TSC, TSF, mEC EF SC SF

1. Elegir el tipo y configuración del intercambiador

2. Estimar los coeficientes de película de ambos fluidos

3. Calcular el coeficiente global de transferencia de calor U

4. Calcular la DTML

5. Estimar el área de intercambio requerida A:q = UA F DTMLq = UA F DTML

6. Determinar las características geométricas del intercambiador

7. Revisar las hipótesis

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 43

5. MÉTODO ε-NTU

Resumen de pasos para el diseño térmico de unResumen de pasos para el diseño térmico de un intercambiador con ε-NTU

Datos: q, TEC, TEF, mEC EF

1. Elegir el tipo y configuración del intercambiador

2. Estimar los coeficientes de película de ambos fluidos

3. Calcular el coeficiente global de transferencia de calor U

4. Calcular la eficiencia ε a partir del cociente q/qmax.

5. Obtener la NTU a partir de (ε,mcp,min/ mcp,max)

6 E ti l á d i t bi id A6. Estimar el área de intercambio requerida ANTU = UA/mcp,min

7 Determinar las características geométricas del7. Determinar las características geométricas del intercambiador

8. Revisar las hipótesis

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 44

Page 23: Tema I-3 - Intercambiadores

TEMA II-3: INTERCAMBIADORES DE CALOR

Contenido:

1. Definición

2 Cl ifi ió2. Clasificación

3. Diseño de intercambiadores

4. Método de la DTML

5. Método ε-NTU

6. Intercambiadores de carcasa y tubos

7 Intercambiadores de placas (práctica ICP)7. Intercambiadores de placas (práctica ICP)

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 45

6. INTERCAMBIADORES DE CARCASA-TUBOS

Intercambiador constituido por paquetes de tubos p p qalojados axisimétricamente en una carcasa cilíndrica

Componentes, materiales, métodos de construcción,... normalizados por TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association)

Placas tubulareso soportes de tubos

Cabezal o cajaTobera entrada

Tobera salida

TubosCabezal o caja de distribución

entrada

Carcasa Deflectores ToberaTobera

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 46

Tobera salida

Tobera entrada

Page 24: Tema I-3 - Intercambiadores

6. INTERCAMBIADORES DE CARCASA-TUBOS

Carcasa:Acero al carbono

• Diámetro < 24’’ → tubo de acero

• Diámetro > 24’’ → plancha de acero enrollada y soldada

Tubos:Tubos:Acero, aleaciones, Al, Cu...

Dimensiones normalizadas

Sujeciones a las placas tubulares por mandrinado en huecos normalizadosen huecos normalizados

• Disposición triangular: mejor transferencia,

á t bmás tubos en una carcasa

• Disposición cuadrada:fácil limpieza, menor

é did d

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 47

pérdida de carga

6. INTERCAMBIADORES DE CARCASA-TUBOS

Deflectores o pantallas (baffles):p ( )Longitudinales: más de un paso por carcasa

Transversales: Alargan el camino del fluido que circula por b l i i id ( )carcasa, aumentan turbulencia y aseguran rigidez (soporte)

• Disco de diámetro ~ al de la carcasa, y con un segmento circular libre igual al 25% del diámetro de la carcasa

• Hay deflectores construidos con varillas de diámetro igual al de los tubos (mejor sujeción, eliminando vibración).

• Espaciamiento entre deflectores entre 20-100% del diámetro deEspaciamiento entre deflectores entre 20 100% del diámetro de carcasa

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 48

Page 25: Tema I-3 - Intercambiadores

6. INTERCAMBIADORES DE CARCASA-TUBOS

Conjunto haz-carcasa: Varias tipologíasj p gPlacas tubulares fijas:

• Unidas a carcasa por soldadura

• Baja presión y temperatura (pocas dilataciones/contracciones)

• Fluidos limpios

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 49

6. INTERCAMBIADORES DE CARCASA-TUBOS

Conjunto haz-carcasa: jCabeza flotante

• Una de las placas tubulares es fija, la otra libre

• Se usa si hay elevada diferencia de temperatura entre carcasa y tubos (dilataciones)

• Mantenimiento fácil, fluidos con elevado grado de ensuciamiento

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 50

Page 26: Tema I-3 - Intercambiadores

6. INTERCAMBIADORES DE CARCASA-TUBOS

Conjunto haz-carcasa: jVarias tipologías

Tubos en U:• Tubos doblados en un extremo. Elimina una placa tubular,

conservando las propiedades de expansión de la cabeza flotante

• No adecuado para fluidos con partículas en suspensión (erosión)p p p ( )

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 51

6. INTERCAMBIADORES DE CARCASA-TUBOS

Consideraciones:

Fluidos corrosivos, a alta temperatura o a alta presión en t b á b d f b i l i i l dtubos, más baratos de fabricar en aleaciones especiales o de paredes más gruesas

El fluido más viscoso en carcasa mejora la transmisión de calor, pero en tubos tiene menor caída de presión

Fluidos tóxicos en tubos para mejorar aislamiento del exterior

El fluido con menor gasto másico suele colocarse en el lado d t b d l id d d i l ióde tubos para dar mayores velocidades de circulación

Tema I-3 – Intercambiadores de calor Centrales Térmicas 52