Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, o entre la superficie de un sólido y un fluido en movimiento . Son elementos fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, además de en aparatos de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, calderas,ordenadores, el radiador del motor de un automóvil, etc
Hay numerosas razones para usar un intercambiador de calor, entre las
cuales se resaltan:
- Calentar un fluido frío por medio de otro con
mayor temperatura.
- Disminuir la temperatura de un fluido mediante un
fluido con menor temperatura.
- Llevar al punto de ebullición un fluido mediante
otro con mayor temperatura.
- Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de
otro frío.
- Llevar al punto de ebullición un fluido mientras
se condensa otro gaseoso con mayor temperatura
AUTOR: Daniela Vejar Briceño V23001454
Los intercambiadores de calor se
clasifican de la manera siguiente:
- Contacto indirecto o recuperadores:
TUBOS
CONCÉNTRICOS O DOBLE TUBO
A continuación se indica el
funcionamiento de un intercambiador de calor de tubos concéntricos o doble
tubo:
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Estan constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.
Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. A continuación se pueden ver dos imágenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.
Los
intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo pueden ser lisos o
aleteados. Se utilizan tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia
de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. Como resultado el
área exterior se amplia, siendo ésta más grande que el área interior.
El tubo con aletas transversales representado a continuación, se utiliza cuando la dirección del fluido es perpendicular al tubo.
El tubo con aletas transversales representado a continuación, se utiliza cuando la dirección del fluido es perpendicular al tubo.
En
cambio, cuando la dirección del flujo de los fluidos es paralela al eje de los
tubos, el tubo es con aletas longitudinales:
Una
aplicación de un intercambiador de doble tubo es el que se utiliza para enfriar
o calentar una solución de un tanque encamisado y con serpentín (Si se aprieta
al botón 1 de la imagen se puede ver en movimiento)
CORAZA Y TUBOS
A continuación se indica el funcionamiento de un
intercambiador de calor de coraza y tubos.
El intercambiador de calor de
coraza y tubos es el más utilizado en la industria. Está formado por una coraza
y por multitud de tubos. Se clasifican por el número de veces que pasa el
fluido por la coraza y por el número de veces que pasa el fluido por los tubos.
En los intercambiadores de calor
de paso múltiple se utiliza un número par de pasos en el lado del tubo y un
paso o más por el lado de la coraza.
Así por ejemplo el primer
intercambiador que hay representado es 1-2, es decir, que el fluido circula una
vez por la coraza y el que se encuentra en el interior de los tubos pasa dos
veces. En la segunda imagen hay un intercambiador de calor de coraza y tubos
1-4, por donde circula el fluido caliente 4 veces por dentro de los tubos y el
fluido frío 1 vez por la coraza. En la tercera imagen se ve un condensador,
donde el vapor entra por la parte de la coraza y sale por la parte inferior en
forma de líquido. El líquido frío, que normalmente es agua, entra por la parte
inferior, por dentro de los tubos, y sale por la parte superior. A veces no
condensa todo el vapor y se ha de realizar una purga de aire. Por último vemos
el tambor de una columna de destilación, donde se produce la evaporación de una
parte del disolvente procedente de la columna de destilación que se encuentra
en forma líquida. Esta evaporación es gracias al vapor de agua que circula por
dentro de los tubos, que cede el calor de condensación al líquido. El líquido
se evapora y el vapor de agua se condensa. El producto sale por la parte
inferior del tambor. Siempre queda una mezcla de líquido y vapor de agua que es
devuelto a la columna de destilación para poder separar sus componentes. El
último es un evaporador, los evaporadores están explicados en el apartado de
evaporadores.
Los tubos que van por dentro de
la coraza son colocados mediante una placa deflectora perforada, representada a
continuación:
Estas placas deflectoras están
puestas para generar un flujo cruzado y inducir una mezcla turbulenta en el
fluido que va por la coraza, la cual cosa mejora el intercambio por convección.
Los tubos pueden presentar diferentes distribuciones:
Los tubos pueden presentar diferentes distribuciones:
- Ajuste cuadrado.
Esta configuración permite una mejor limpieza de los tubos. También hace que
haya una menor caída de presión en el lado de la coraza.
Ajuste cuadrado girado.
Las ventajas de esta distribución es la misma que el anterior.
- Ajuste triangular. Se consigue una mayor
superficie de transferencia de calor que con el ajuste cuadrado no se consigue.
Si la distancia de centro a centro de los tubos es muy pequeña, no se puede
limpiar.
AUTOR:Rosa Barragan V22983686
EVAPORADORES
Un evaporador es un intercambiador
de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de un evaporador son la
cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a
una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo
cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos.
Las dos cámaras están separadas por
la superficie sólida de los tubos, a través de la cual tiene lugar el
intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras, diseñadas
para que la eficacia sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores.
Podemos clasificar los evaporadores
en dos grandes grupos:
- Evaporadores
de tubos horizontales. El vapor calefactor es vapor de agua saturado
que cede su calor de condensación y sale como agua líquida a la misma
temperatura y presión de entrada. Este evaporador se denomina de tubos
horizontales porque los tubos están dispuestos horizontalmente.
En el siguiente evaporador, la
cámara de calefacción está formada por los tubos horizontales, que están
soportados por dos placas. El vapor entra en los tubos y se condensa al cedes
su calor de condensación. Puede quedar vapor no condensable, que se elimina
mediante una purga. La cámara de evaporación formada por un cuerpo cilíndrico
vertical, cerrado por las bases, con una salida para el disolvente evaporado por
la parte superior y otra salida para la disolución concentrada en la parte
inferior. Estos evaporadores suelen ser de chapa de acero o hierro con un
diámetro aproximado de 2 metros y 3 metros de altura. El diámetro de los tubos
acostumbra a ser de 2 a 3 centímetros.
En el
siguiente evaporador el vapor entra por dentro de los tubos, y al ceder calor
al líquido que circula por encima de los tubos, el vapor se condensa. Del
evaporador sale la disolución concentrada y el disolvente evaporado.
Evaporadores de tubos verticales. Se denominan así porque el haz de tubos están dispuestos
verticalmente dentro de la coraza.
El evaporador que se encuentra a continuación se denomina Evaporador Standard,
que es uno de los más conocidos. La evaporación tiene lugar dentro de los
tubos, saliendo por la parte superior el disolvente evaporado y por la parte
inferior la disolución concentrada. El vapor calefactor entra por encima del
haz de tubos y sale como agua condensada.
El Evaporador
de Cesta que se encuentra
a continuación, es otro tipo de evaporador de tubos verticales, en el cual la
coraza tiene forma cónica. Este tipo de evaporador se utiliza cuando lo que se
pretende es llevar la evaporación al extremo, es decir, evaporar todo el
disolvente de la disolución diluida para obtener cristales. Los cristales
formados se recogen por la parte inferior. El elemento calefactor se trata de
un cuerpo compacto que se puede extraer para su limpieza.
Evaporador múltiple efecto
Un evaporador de múltiple efecto consta de un conjunto de evaporadores, donde el primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. Durante el funcionamiento, el vapor producido en el primer efecto se utiliza como vapor calefactor del segundo efecto.
Métodos de alimentación en los múltiples efectos:
Un evaporador de múltiple efecto consta de un conjunto de evaporadores, donde el primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. Durante el funcionamiento, el vapor producido en el primer efecto se utiliza como vapor calefactor del segundo efecto.
Métodos de alimentación en los múltiples efectos:
- Alimentación
directa. El alimento entra en el primer efecto y sigue el mismo
sentido de circulación que el vapor, saliendo el producto en el último efecto.
El líquido circula en el sentido de las presiones decrecientes y no es
necesario aplicar ninguna energía auxiliar para que el líquido pase de un
efecto al otro. Solo hacen falta dos bombas, una para introducir el líquido en
el primer efecto y otra para extraer el producto del último efecto.
- Alimentación a contracorriente. El líquido a evaporar entra en el último efecto
y sale concentrado por el primero. El líquido a concentrar y el vapor
calefactor circulan en sentido contrario. Aquí el líquido circula en sentido de
presiones crecientes y esto requiere el uso de bombas en cada efecto para
bombear la disolución concentrada de un efecto al siguiente . Esto supone una
complicación mecánica considerable que se suma al hecho de hacer trabajar las
bombas a presiones inferiores a la atmosférica. Así, si no hay otras razones,
se prefiere el sistema de alimentación directa.
-
Alimentación mixta. Cuando en
una parte del sistema de alimentación es directa y en la otra parte es a
contracorriente. Este sistema es útil si tenemos disoluciones muy viscosas. Si
utilizamos la corriente directa pura, nos encontramos que el último efecto,
donde hay menos temperaturas la viscosidad de la disolución concentrada
aumenta, lo que hace disminuir sensiblemente el coeficiente global, U, en este
efecto. Para contrarrestar eso, se utiliza la alimentación a contracorriente o
la mixta. La disolución diluida entra en el segundo efecto i sigue el sentido
de la alimentación directa, pasando después del último efecto al primero, para
completar la evaporación a temperatura elevada.
Alimentación en paralelo: Cuando el alimento entra simultáneamente a todos los efectos
y el líquido concentrado se une en una sola corriente. Sistema utilizado en la
concentración de disoluciones de sal común, donde los cristales depositados
hacen que resulte difícil la disposición de la alimentación directa.
En general,
para decidirnos por un sistema de alimentación u otro, es necesario efectuar el
cálculo previo del rendimiento de evaporación para cada uno de los sistemas.
Si la temperatura de entrada del
alimento es bastante inferior a la de ebullición en el primer efecto, en el
caso de corrientes directas todo el calor que se da en el primer efecto va
destinado a calentar el alimento (calor sensible) y muy poco a producir vapor,
lo que provocará un bajo rendimiento en el proceso global del múltiple efecto.
En este caso se prefiere la circulación a contracorriente.
Por lo contrario, cuando la
disolución entra en el sistema a temperatura superior a la de ebullición del
último efecto, será más conveniente la alimentación directa, ya que lo que pasaría
sería que la disolución al entrar al último efecto lo vaporizaría parcialmente,
produciendo un vapor que no tiene utilidades posteriores, entonces la
disolución lo enfriaría hasta la temperatura de la cámara de evaporación del
último efecto y posteriormente se tendría que ir calentando al entrar a cada
efecto.
TORRES DE ENFRIAMIENTO
Las torres de enfriamiento son un
tipo de intercambiadores de calor que tienen como finalidad quitar el calor de
una corriente de agua caliente, mediante aire seco y frío, que circula por la
torre.
El agua caliente puede caer en forma de lluvia y al intercambiar calor con el aire frío, vaporiza una parte de ella, eliminándose de la torre en forma de vapor de agua.
Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de subministramiento de aire en:
- Torres
de circulación natural
- Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante
de los aspersores. Se utiliza en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos
predominantes para el movimiento del aire.
- Tiro natural: El
flujo del aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de
densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la
torre. Utilizan chimeneas de gran altura para obtener el tiro deseado. Debido a
las grandes dimensiones de estas torres se utilizan flujos de agua de más de
200000gpm
. Es muy utilizado en las centrales térmicas. A continuación se
muestra el funcionamiento de una torre de enfriamiento con tiro natural:
- Torres de tiro mecánico
El agua
caliente que llega a la torre es rociada mediante aspersores que dejan pasar
hacia abajo el flujo del agua a través de unos orificios.
El aire utilizado en la refrigeración del agua es extraído de la torre de cualquiera de las formas siguientes:
- Tiro inducido: el aire se succiona a través de la
torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las
más utilizadas. A continuación se muestra el funcionamiento de las torres de
tiro inducido:
Tiro
forzado: el aire es forzado por un ventilador situado en
la parte inferior de la torre y se descarga por la parte superior. A
continuación se muestra el funcionamiento de las torres de tiro forzado:
Otros
tipos: Torres de flujo cruzado. El aire
entra por los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que
cae. Estas torres necesitan más aire y tienen un coste de operación más bajo
que las torres a contracorriente. A continuación se muestra el funcionamiento
de las torres de flujo cruzado:
Podemos establecer los siguientes
puntos que resumen el tipo de intercambiadores de calor.
• Existen dos métodos para la construcción de
intercambiadores de calor: Tipo Plato y Tipo Tubo.
• En un intercambiador de flujo paralelo el
fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen en la
misma dirección.
• En un intercambiador de
Contraflujo el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura
fluyen en con la misma dirección pero en sentido contrario.
• En un intercambiador de flujo cruzado el
fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen formando
un ángulo de 90◦ entre ambos, es decir perpendicular uno al otro.
• La cuatro principales componentes de un
intercambiador son:
Tubos Plato o tubo Carcaza Bafle
•Los intercambiadores de un solo
paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro una sola vez.
• Los intercambiadores de múltiple paso tienen
fluidos que transfieren calor de uno a otro más de una vez a través del uso de
tubos en forma de "U" y el uso de bafles.
• Los intercambiadores de calor regenrativos
usan el mismo fluido para calentar y enfriar.
• Los intercambiadores de calor
no-regenerativos usan fluidos separados para calentar y enfriar.
AUTOR: Daniela C V23031911
El diseño térmico de los
intercambiadores es un área en donde tienen numerosas aplicaciones los
principios de transferencia de calor. El diseño real de un intercambiador de
calor es un problema mucho más complicado que el análisis de la transferencia
de calor porque en la selección del diseño final juegan un papel muy importante
los costos, el peso, el tamaño y las condiciones económicas.
Así por ejemplo,
aunque las consideraciones de costos son muy importantes en instalaciones
grandes, tales como plantas de fuerza y plantas de proceso químico las consideraciones
de peso y de tamaño constituyen el factor predominante en la selección del
diseño en el caso de aplicaciones especiales y aeronáuticas.
La efectividad de transferencia
de calor se define como la razón de la transferencia de calor lograda en un
intercambiador de calor a la máxima transferencia posible, si se dispusiera de
área infinita de transferencia de calor.
A la mayor razón de capacidad se
le designa mediante C y a la menor capacidad mediante c.
En el caso del contra flujo, es
aparente que conforme se aumenta el área del intercambiador de calor, la
temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la temperatura de entrada
del fluido máximo en el límite conforme el área se aproxima al infinito.
En el caso del flujo paralelo, un
área infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos sería la
lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador
de tipo abierto.
Para dichos cálculos se
encuentran expresiones aritméticas que expresan la transferencia de calor
lograda, por diferentes tipos de intercambiadores de calor.
El cálculo de la
efectividad de un intercambiador de calor permite a los ingenieros predecir la
forma cómo va a realizarse un nuevo trabajo. Esencialmente, esto ayuda a los
ingenieros a predecir la temperatura de salida del chorro sin una solución de
ensayo y error.
Dos métodos son
comúnmente usados para calcular la efectividad, ecuaciones y gráficas. Las
ecuaciones se muestran a continuación:
Para flujo co-corriente:
Donde:
U = Coeficiente de transferencia de calor total.
A = Área de transferencia de calor.
Cmin = Menor de las dos capacidades térmicas de
los fluidos.
Cmax = Mayor de las dos capacidades térmicas de
los fluidos.
A veces se define otra variable llamada NTU (número
de unidades de transferencia):
NTU = UA/Cmin
Cuando NTU se coloca en las ecuaciones de
efectividad pueden usarse diagramas como los que mostramos a continuación que
se usan más que las ecuaciones:
Después, calculando el
Cmin/Cmax y el NTU, la efectividad puede leerse de las gráficas. Una vez se ha
encontrado la efectividad, la carga térmica puede calcularse por:
Q = Efectividad x Cmin
x (Temperatura caliente de entrada – Temperatura fría de entrada)
Y las temperaturas de
salida pueden calcularse por:
AUTOR: Paolimar Tramonte V24790274
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