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INTERCAMBIADORES DE PLACAS Intercambiadores de Placas Planas Placas

- Área: 0.03 a 2.5 m2 - Espesor: 0.5 a 1.2 mm - Espaciado: 1.5 a 5 mm - Área máxima de un IC: 1500 m2 (normal 400m2) - (Tamaño, Número de placas, Tipo de placa) = función (caudales, T, prop. de los fluidos, ΔP, ensuci.)

Materiales: Placas: acero inoxidable (316 L, 904 L), titanio, Hastelloy C y D, níquel, grafito

Juntas: elastómeros (nitrilo, butilo, siliconas, gomas fluoradas), amianto, grafito, teflón.

Presión: hasta 40 bar

Temperatura: hasta 350ºC

NTU: 0.3 a 4 por paso

Pérdida de carga: 30 kPa/NTU

Ventajas Desventajas Compactos. Gran superficie de transferencia Fáciles de limpiar Alta eficiencia térmica. Coeficientes de

intercambio altos Modulares (área variable). Fácil adaptación Varios usos en un mismo equipo Alta resistencia a la corrosión Bajo ensuciamiento (se agrega 5% de NTU para

servicios limpios, 10% para ensuciamiento moderado y 15 a 20% para ensuciamiento alto)

No necesita aislación. Solo está expuesto al borde de las placas.

Generalmente caros (grandes potencias de bombeo)

Limitados en presiones y temperaturas El material de las juntas también limita la

elección de los fluidos Alta caída de presión Grandes cantidades de juntas pueden originar

perdidas (presiones limitadas – soldaduras) No se utiliza para gases

USOS:

- Para L-L, para condensar, dependiendo de la caída de presión debido a la escasa área de flujo para el vapor

- Para fluidos con partículas en suspensión - No para el intercambio de calor entre gases debido a la perdida de carga

El IC de placas planas consta de un cabezal fijo y uno móvil, en donde cada placa presenta cuatro agujeros y juntas en el borde (polímeros, amianto, plástico) que cierran para que el fluido no pase. Son IC compactos, es decir, con gran área de transferencia de calor en espacios reducidos. En la superficie tienen una especie de pupitos para evitar que se peguen y hace que el fluido tenga un camino sinuoso (turbulento).

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Comentarios: - Como los espacios son tan estrechos, las capas de liquido son muy finas (8mm) y la eficiencia es muy

elevada - Intercambia calor a ambos lados de la placa - Sistema CHEVRÓN: la placa tiene canales (<<) y corrugaciones horizontales - La placa es ondulada, y al estar muy juntas, la velocidad es alta - Presenta gran turbulencia (el liquido se bombea), poco ensuciamiento - Las presiones son limitadas porque las juntas de goma no soportan tanta presión - Permite la limpieza diaria y son modulares (podemos cambiar el área). Se puede separar el equipo en

varios módulos pudiendo utilizar el mismo equipo para enfriar y calentar distintos fluidos a la vez. Se logra un ahorro energético muy grande

- No se puede usar para gases Comparación entre IC de placas planas y de carcasa y tubo Para uso L/L los de placa tienen mayor U (2-5 veces mas) y menor caída de presión Para uso de vapores y gases, los de carcasa dan diseños mas económicos ΔTm efectiva es mayor en los de placas (aproximación menor de 5ºC) Área superficial por unidad de área transversal (superficie lateral/superficie de la sección de flujos) es mayor en los de placa Requerimientos de espacio: si es sobre el piso, las placas ocupan 5 veces menos espacio que las carcasas Operación a altas presiones: mejor los de carcasa y tubos Costos: para muchos materiales las placas son mas baratas que los tubos del mismo espesor, para misma área de transferencia de calor Operación a altas temperaturas: mejores los de carcasa y tubo Ensuciamiento: las placas se ensucian menos. Hay que usar en sobredimensionamiento que corresponda

Refrigeración

Recuperación: uno cede calor al otro

Calentamiento

Se separa el IC en varias secciones

Tipos de placas planas Juntas en placas planas

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Intercambiadores de placas en Espiral Placas

- Ancho: 10 cm a 1.8m - Espesor: 0.5 a 1.2 mm - Espaciado: 4.8 a 25.4 mm - Área máxima de un IC: 170 m2

Materiales: 304 y 304 L, 316 y 316 L, 904 y 904 L, titanio, hastelloy C, níquel, monel (aleación de 7

metales), sinconel, SA 2205 Duplex

Presión: hasta 30 bar Temperatura: hasta 400ºC

Ventajas Desventajas Compactos Fáciles de limpiar química o físicamente Alta eficiencia térmica Pueden hacerse de flujo cruzado Bajo ensuciamiento Alta resistencia a la corrosión Al ser de un solo paso son muy controlables No necesitan aislación Evitan la mala distribución del fluido Baja aproximación de temperaturas (1ºC

aproximadamente)

Generalmente altos (grandes potencias de bombeo)

Limitados en presiones y temperaturas Difícil reparación Alta caída de presión

Usos:

- Condensador de baja presión o al vacio. Se colocan en la punta - Reboiler termosifón, para suspensiones o lodos, para calentar o enfriar fluidos viscosos

Comentarios:

- Las presiones y las temperaturas no son tan grandes porque las chapas se deforman - La caída de presión es menor en este IC que en el de placas planas - Tienen alta turbulencia y al tener “pupitos” para que no se deformen las placas, generan buen

mezclado. Tienen alta velocidad debido al cambio de dirección del fluido. (Debido a la alta velocidad generan poco ensuciamiento).

IC tipo Lamella: es un caso especial del de placas en espiral, pero aplanadas

Costos Comparativos

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RESUMEN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Recomendaciones para el diseño térmico - Lado de los tubos

1. La caída de presión aumenta rápidamente cuando aumenta el número de pasos. Se puede estar por debajo de la caída de presión permitida con 2 pasos, y por arriba con 4.

2. Generalmente, para liquidos se permite una caída de presión de 0.7 kgf/cm2. Si hay varios IC en serie, por ejemplo cinco, tendríamos una caída de presión global de 3.5 kgf/cm2 para el sistema. Pero si los dos IC tienen entre los dos 0.8kgf/cm2, quedan 2.7 gf/cm2.

- Lado de la carcasa: el diseño es más complejo porque hay una corriente principal y cuatro perdidas o derivaciones

1. Tener en cuenta el tipo de carcasa 2. El uso de espaciado de bafles: muy chicos aumentan las corrientes de pérdida y derivación. Los

espacios de pérdida y derivación son fijos, así, cuando disminuye el espaciado la resistencia a la corriente principal aumenta y la caída de presión también. Como la caída de presión de las cinco corrientes debe ser igual, la caída de presión de todas aumenta hasta que se balancea. El resultado es un aumento en la caída de presión sin un aumento del coeficiente de transferencia de calor. Cuando aumenta el espaciado, aumentan las corrientes B, C, y F y disminuyen las A y E.

3. Si se mantiene constante el espaciado y se aumenta el corte de bafle, que observa que: B aumenta; A, E y F disminuyen y C permanece constante. Disminuye la velocidad en la ventana, h disminuye y la caída de presión también pero no tan rápido como h.

4. Mínimo espaciado de bafles recomendado: 1/5 del diámetro de la carcasa o 2 pulgadas, el que sea mayor

5. Paso de tubos: usar el recomendado por TEMA. Si se aumenta el paso de tubos incrementa el diámetro de la carcasa y aumenta el costo. Es más económico modificar el espaciado, el corte de bafle o el tipo de carcasa

6. La viscosidad del fluido de la carcasa afecta las corrientes y la LMTD. 7. Distorsión del perfil de temperaturas: en el enfriado de líquidos muy viscosos es inevitable el

uso de múltiples carcasas en serie. Si se trata de un gran salto térmico, es mejor poner el fluido viscoso por los tubos para evitar distorsión.

Verificación y diseño térmico

1. Datos de los fluidos del proceso: densidad, viscosidad, Cp, k. tienen influencia sobre el tamaño y el tipo de IC porque entran en los cálculos de h y ΔP.

2. Datos del proceso: pueden tener errores y variar durante el uso (obtener datos confiables) 3. Geometría y efectos geométricos

- Lado de los tubos

4. Diámetro de los tubos: deben ser lo mas chico posible para mejorar la eficiencia térmica y tener menor costo. Si se achica mucho, aumenta la caída de presión pero aumenta la resistencia a la P.

5. Longitud de tubos: a mayor longitud menor costo, ya que el diámetro de la carcasa es menor (mayor longitud, menor cantidad), menor numero de pasos, mayor espaciado de bafles y menor costo de mantenimiento. (Si el diámetro de la carcasa es muy grande se compensa disminuyendo el espaciado de bafles para que aumente la velocidad)

6. Arreglo de tubos: Triangular (mayor eficiencia y mayor ΔP), Cuadrado (menor eficiencia y menor ΔP) - Lado de la carcasa

7. Tolerancias: tubo-bafle, bafle-carcasa y paquete de tubos-carcasa. Altas tolerancias pueden hacer ineficientes a los IC.

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8. Orientación de las pariciones de pasos: si son paralelos al camino del fluido producen derivaciones que reducen su eficiencia (corriente F)

9. Bafles: gran influencia del corte y del espaciad. No subestimar los costos de bombeo 10. Fajas longitudinales, tubos ciegos: mejoran h pero aumenta ΔP.

11. Ubicación de los fluidos: tener en cuenta viscosidad, corrosividad, ensuciamiento, presiones, caudal,

salto térmico. 12. Arreglo de flujos: afecta la LMTD 13. Ensuciamiento: involucra potencia de bombeo, pérdida de tiempo en paradas para limpieza 14. Vibración de los tubos: ocurre frecuentemente con gases o vapores por la carcasa. El menos propeno

a vibrar es el diseño in tubos en la ventana. Secuencia de un diseño de un IC

1. Diseñar el Flow-sheet del proceso 2. Especificar los requerimientos para el IC 3. Seleccionar el mejor tipo de IC 4. Diseño térmico 5. Diseño mecanico

(Usuario: 1,2,3,4 / Fabricante: 3,4,5) Selección del IC

- Filtro Grueso: rechazar IC que no serían aceptables en cuanto a la temperatura y presión de operación, compatibilidad con los fluidos y la capacidad de manejo en condiciones térmicas extremas.

- Filtro Fino: estimar el costo de los que pueden ser adecuados. El costo total se conforma por: costo de capital + costo de instalación + costo de operación

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Norma TEMA

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SOLUCIONES TRANSIENTES (no estacionario) PARA CALENTAMIENTO O ENFRIAMIENTO DISCONTINUO

Aquí la idealización 1 (el IC opera en condiciones estacionarias) y 3 (no hay fuente de energía térmica en el IC) no se cumplen. Pasamos a un estado no estacionario, por ejemplo, para calentamiento de tanques grandes, la temperatura del tanque va a ir variando a medida que pasa el tiempo Tb=f(t). las ecuaciones nos sirven para calcular el área o el tiempo. Primero defino el caso y luego aplico las ecuaciones. Suposiciones:

- Agitación perfecta y uniforme - Tiempo de residencia en el circuito despreciable

1º - Identificar el caso: es lo mas importante 2º - Utilizar la ecuación correspondiente 3º - Obtener área o tiempo (con uno calculo el otro)

1. CASO UNO

2. CASO DOS

T=cte: cuando se está evaporando o condensando

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3. CASO TRES

4. CASO CUATRO

5. CASO CINCO

Hay cambio de temperatura. Al hablar de un fluido de una sola fase, se hace referencia al fluido térmico que fluye por el serpentín sin cambiar de fase.

Agitador o reacción química.

Calor que aporta el agitador

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6. CASO SEIS

7. CASO SIETE

8. CASO OCHO

El mismo Wb que sale, entra.

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9. CASO NUEVE

Si el proceso no es continuo se utiliza este tipo.

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PROBLEMA: UN CONDENSADOR LADO CALIENTE LADO FRIO Fluido Hidrocarburo liviano Agua de enfriamiento Corrosivo No No Presión (bar) 4.9 5.0 Tº entrada/ Tº salida 46/42 20/30 Fracción de vapor V/L 1/0 0/0 Resistencia por ensuciamiento (m2 K/W) 0.00009 0.00018

1. ¿Cuál fluido podría ir por la carcasa y porque? El HC liviano porque tiene poco ensuciamiento (RAZON FUNDAMENTAL) y una presión levemente menor (Si P es alta no conviene por carcasa)

2. ¿Qué tipo de cabezal anterior pondría? Tipo A porque facilita la limpieza de los tubo. 3. ¿Qué tipo de cabezal posterior pondría? Tipo N porque el ΔT es pequeño. También se podrían usar

M o L. no hay problemas de dilatación (no usamos flotador) ya que no hay grandes saltos de Tº-- A presiones parecidas, nos basamos en el ensuciamiento. PROBLEMA: CALENTADOR DE CRUDO LADO CALIENTE LADO FRIO Fluido Vapor de calefacción Petróleo crudo Corrosivo No No Presión (bar) 10 2.0 Tº entrada/ Tº salida 180/180 10/75 Fracción de vapor V/L 1/0 0/0 Resistencia por ensuciamiento (m2 K/W) 0.0001 0.0005 Opción 1: poner el crudo por los tubos y usar AES ya que permite la limpieza. El uso de cabezal S es para permitir la gran expansión térmica que se espera por el gran ΔT. Sin embargo se puede argumentar que, como el coeficiente del lado de la carcasa es muy alto comparado con el coeficiente del lado de los tubos y que los tubos estarán casi a la temperatura de condensación del vapor (que es la temperatura que tiene la carcasa). Por lo tanto, se podría usar un cabezal fijo, teniendo en cuenta además, que nunca se necesitará acceso a la carcasa. Opción 2: debido a la alta P del vapor, uno puede decidir ponerlo por los tubos. Entonces se podría utilizar BEU con los tubos arreglados a 45 o 90º. Esto haría fácil la remoción de los tubos y su limpieza exterior. Además poniendo el crudo por la carcasa se tiene un mayor coeficiente global. Habrá que calcular ambas opciones totalmente y realizar un análisis de costo.

Cuando aumenta la velocidad aumenta la perdida de carga Cuando aumenta la velocidad aumenta el coeficiente de transferencia y por ende U. Sin embargo,

cuando aumenta el coeficiente aumenta la perdida de carga en mayor proporción. Los parámetros de los cuales es función U son:

Tipo de IC Propiedades de los fluidos Tipo de flujo Posición dentro del IC Temperatura Velocidad de los fluidos ensuciamiento

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