inter puede saber mas de los intercambiadores de calor

1. INTERCAMBIADORES DE CALOR

2. Principios básicos
• Ley de Fourier: Q/A = -k dT/dx
Q= duty W, Btu/hr
K = Conductividad térmica W/(m.°C), Btu/ (hr.pie.°F)
x = distancia m, pies
• Resistencias en Serie
Q/A = Th – Tc = keff ( Th – Tc )
(L1/k1+L2/k2+L3/k3)
keff = (L1/k1+L2/k2+L3/k3)-1
L1/k1 = resistencia de la capa 1
Se pueden obtener las temperaturas
intermedias
Q / [A( k1/L1)] = Th – T1

3. Principios básicos
• Coeficiente de transferencia fílmico: h
– Este coeficiente representa la capacidad de un fluido que fluye a
través de una superficie de transferir el calor, las unidades son
W/(m2.°C), BTU/(hr.pie2°F)
– h tiene las mismas unidades que k/L
– las correlaciones para h de obtienen de teoría + experimentación
Q/A = Th – Tc = keff ( Th – Tc
)
(L1/k1+L2/k2+L3/k3)
h1 h2 U
Q/A = Th – Tc = U ( Th – Tc )
(1/h1+x/ktubo+1/h2)
U = Resistencia global, es la suma de las
resistencias individuales

4. CLASIFICACIÓN TEMA
• TEMA (Tubular Exchanger
Manufacturers Association)
• Arreglo simple, intercambiador
económico
• Se clasifican de acuerdo con:
– Cabezal frontal
– Carcaza
– Cabezal posterior
• Blafes
– usados para modificar el flujo en el
caso a través de los tubos (mejor
transferencia de calor)
– Soporta los tubos

5. TEMA TYPES
Ezequiel Acosta, Ing. Químico M. Sc.

6. Geometría de los tubos
• “ribbon” ( cinta)
• Cuadrante

7. Flujo a través de los bafles
• Se presenta un bypass que
causa una reducción del 10%
de la eficiencia
• Solución:
– Tolerancias reducidas
– Cintas de sello
– tubos sólidos “dummy”

8. TIPO DE BAFLES
• SSEG : estándar, barato, simple, usado en
la mayoría de las aplicaciones:
– No es problema la caída de presión
– La vibración de los tubos no es problema
• DSEG : Se usa cuando:
– La caída de presión debe ser limitada
– La vibración de los tubos no es problema
• NTIW : Se usa cuando:
– La caída de presión debe ser limitada
– La vibración de los tubos es un problema
• % de corte
Ventana
Corte % del
Diam. Casco

9. Materiales
• La selección depende de la temperatura y de
las características del fluido, ejemplos:
– Fluido con alto contenido de H2 : Use killed
carbon steel
– Alta temperatura, alto contenido de H2 : Use
acero 410 o metalurgia Cr-Mo
– Enfriamiento con agua de mar: Use admiralty o
metalurgia 30-70 Cu-Ni en el lado agua
– Servicio con H2S húmedo: Use Killed carbon steel
– Servicio con HF caliente: Use Monel

10. Rehervidores
• Termosifón horizontal
– Densidad de la mezcla V/L en ** es
mucho menor que en *
– Densidad es la fuerza impulsora para
el flujo a través del rehervidor
– Se debe revisar cuidadosamente el
tamaño de las líneas (* y **)
– Usualmente se diseña para obtener
entre un 25-35% de vaporizado
– Barato
– Confiable
– TEMA (B o A)EU o AES

11. Rehervidores
• Termosifón vertical
– Densidad de la mezcla V/L en **
es mucho menor que en *
– Usualmente es más costoso que
el horizontal
– TEMA NE(M o N)
– Usa poca área de la planta para su
instalación

12. Rehervidores
• Kettle
– Más costoso que el
termosifón horizontal
• Mayor diámetro del casco para
el mismo duty
• Más boquillas ( separadas para
la salida del liquido y vapor)
– TEMA (A o B)K(T o U)
– Requiere un mayor espacio
para su instalación
– Se requiere calcular
cuidadosamente las líneas
Ezequiel Acosta, Ing. Químico M. Sc.

13. Rehervidores
• Inmerso “stab in”
– No tiene casco
– Es el más barato de todos los
rehervidores
– Compacto
– Requiere un menor espacio
para su instalación
– Requiere de un diámetro
grande de la columna para
acomodar el haz

14. Intercambiadores en “U”
• Es apropiado cuando se requieren
bajos dutys
• Más económico que los
intercambiadores de casco y tubos
• Altamente eficientes ( 1 paso es
contracorriente verdadero)
• El diseño es usado construir
intercambiadores doble tubo y
multitubos
• Los tubos pueden ser lisos o aleteados
• Los intercambiadores pueden tener o
no bafles
• El haz se puede remover
• Limitaciones generales:
– Área entre 76 a 1500 pie2
– Diámetro del casco 4 a 16 pies para
una longitud de 20 pies

15. Geometría
• Media logarítmica de temperaturas
• Diferencia de temperaturas efectiva:
Teff
– Teff < TLM
– Teff = F x TLM
=
-
Ln ( / )
TLM
T1 T2
T1
T2
TLM
T2 = Tout - tin
T1 = Tin - tout Lado Caliente
Lado Frío
105
T1 = 150 – 105 = 45
T2 = 100 – 80 = 20
=
Ln ( 45 / 20 )
TLM
45 - 20
= 30.8°C
T1
T2
150°F
100°F
80°F
105°F
Duty
Temperatura

16. Geometría
• Factor de corrección F
– Usado para corregir las no
idealidades debido a la
geometría
– Dependen de R y P
• R = Relación de transf. calor
R = (T in – T out) / (t out - t in)
• P = Eficiencia Térmica
P = (t out – t in) / (T in – t in)
R = 50/25 = 2
P = 25 / 70 = 0.35
F = 0.73 ( de la gráfica G.1)
Teff = 0.73x 30.8 = 31.5°C
105
T1
T2
150°F
100°F
80°F
105°F
Duty
Temperatura

17. Factor de corrección MLDT
Graf. G.1

18. Factor de corrección MLDT
Graf. G.2

19. Factor de corrección MLDT
Graf. G.3

20. Factor de corrección MLDT
Graf. G.3

21. Geometría
• Cruce de temperaturas
– Se presenta cuando la Tout < tout
– Si el cruce es mayor del 5-10% de la
se requiere más de un intercambiador de calor
– Si F < 0.8 considere más de un intercambiador de
calor
TLM
T1
T2
150°F
100°F
80°F
105°F
Duty
Temperatura
dew point

22. Tubos
• Diámetro
– Generalmente se usan desde 1/4” hasta 2” de OD
– Uso en refinería 5/8” , 3/4”, 1”, 1-3/4”
– Generalmente Diámetro menor:
• Mejor Transferencia de calor
• Mayor Caída de presión
• Más difícil para limpiar
• Grosor de la pared
– Generalmente se usa 0.065” a 0.109” ( 1.65 mm a
2.77 mm)
– BWG ( Birmingham Wire Gauge) : es un estandar
para gorsores de tubería
– Mayor BWG menor grosor de tubería
• Longitud de la tubería
– Varía con el fabricante, no existe un estándar
– Son comunes 12, 16, 20 pies
BWG Grosor
plg (mm)
12 0.109 (2.77)
14 0.083 (2.11)
16 0.065 (1.65)

23. Tubos
• Arreglo “pattern”
– Cuadrado
– Triangular
• Separación “pitch”
– Menor pitch: Mayor U, menor casco (barato), mayor
P , más difícil de limpiar
– TEMA Mínimo Pitch : 1.25 x OD
Característica Arreglo
Baja caída de presión
en el lado casco
Cuadrado ( efectivo solo a bajo
número de Re)
Ensuciamiento en el
casco
Cuadrado ( es más facil de
limpiar
Ebullición en el casco
horizontal
Cuadrado ( previenen el manto
de vapor)
Disminución en el
tamaño del casco
Triangular (Se pueden agregar
hasta el 15% más de tubos)
Triangular
30°
Triangular
Rotado 60°
Cuadrado
90°
Cuadrado
Rotado 45°

24. Hidráulica y transferencia
de calor
• Definiciones y símbolos
A Área m2
B Espaciamiento entre bafles m
Cp Capacidad calorífica J/kg.°C
D Diámetro m
De Diámetro equivalente m
f Factor de fricción ----
h coeficiente de transf. de calor
fílmico
W/m2.°C
( 0.17 BTU/pie2.°F)
k Conductividad térmica W/m.°C
L Longitud de los tubo m
n Número de pasos ----
Nb Número de baffles ----
p pitch m
Pr Número de Prand = Cp / k ----
Q Duty MW
Densidad kg/m3
Re Número de Reynols = v D / ----

 
r f Resistencia del
fouling
m2°C/ W
U Coeficiente global
de transferencia
de calor
W/m2°C
v Velocidad m/seg
W Flujo másico kg/seg
Viscosidad kg/m.seg
P
Caída de presión Pa, N/m2 ( 1psi =
6.895 KPa)


t Lado tubo
s Lado Sell
i Dentro “Inside”
o Fuera “ outside”
w Pared
Símbolos

25. Hidráulica en un intercambiador de calor
• Caída de presión lado tubos
– Es fácil de calcular ( eje. tubería)
Pt = 2 ft v2 L n , Donde ft = 0.046 ( v Di / )-0.19
Di
  
Caída de presión lado casco
Usa el área de flujo entre los tubos
Afs = (Ds/p)(p-Dt)Bs
Ps = fs Ds ( Nb + 1) v2
2De
v = Ws/Afs
fs = 1.79 ( v De / )-0.19
De = 4 ( p2 – ( Dt
2/4 ) ) / ( Dt)

 
 

26. Hidráulica y transferencia
de calor
• En general la caída de presión varía con el flujo, la longitud y el diámetro
• P f ( geometría, fluido, flujo). v2 . (Razón de L/ Razón de D) .
P2 / P1 = ( v2 / v1)
2
(L2 / L1) (D1 / D2)
– La longitud L es medida en la dirección del flujo ( longitud del tubo o diámetro del casco)
– El diámetro es medido perpendicular a la dirección del flujo ( ID tubo, o diámetro
equivalente para el casco)
Ejemplo de uso:
• Un intercambiador de calor de dos pasos por los tubos se incrementa a 4 pasos, la
caída de presión inicial es de 15 kPa ( 2.2 psi, muy baja), cual será la caída de presión
final?
– La velocidad y la longitud se duplica, al duplicarse el número de pasos n
P = 15 x 22 x 2 = 15 x 8 =120 Kpa ( 17.6 psi muy alta )
 

27. Transferencia de calor en un intercambiador
• Coeficiente de transferencia de calor del lado
tubos
Ecuación de Dittus-Doelter
hi = 0.023 ( k / Di ) ( Cp / k )
1/3
( v Di / )
0.8
• Coeficiente de transferencia de calor lado casco
Ecuación del Kern
ho = 0.36 ( k / De ) ( Cp / k )
1/3
( v Di / )
0.56
( / w )
0.14





  

28. Transferencia de calor en un intercambiador
Q = U * A * * F
TLM
(1/ho )+ ro + rw + (Do/ Di )( ri + (1/hi ))
U =
1
U = Coeficiente global de transferencia de calor
ho = Coef. local de transf. de calor lado exterior
tubo
hi = Coef. local de transf. de calor lado interior tubo
ro = Factor de ensuciamiento lado exterior del tubo
ri = Factor de ensuciamiento lado interior del tubo
rw = Resistencia de la pared del tubo
Do = Diámetro externo del tubo
Di = Diámetro interno del tubo
Q = mc Cpc ( t out – t in ) Para el lado frío
Q = mh Cph ( T in – T out ) Para el lado caliente
Ecuación de Diseño

29. U estimado para intercambiadores de tubos y casco
1 Kcal/m2.°C.h = 0.2048 Btu/pie2.°F.h

30. Diseño del intercambiador
• El diseño es más que hacer los cálculos
– Juicio y conocimiento
– Flexibilidad
– Experiencia
– Conocimiento de las necesidades del cliente:
• Condiciones de operación actuales Y futuras
• Requerimientos de área para compensar el ensuciamiento: Fouling factor
• Caída de presión disponible
• Rangos de operación normal
• Limitaciones con respecto al peso y tamaño máximo ( gruas)
• Geometría preferida
– tipo TEMA
– Longitud, diámetro, grosor
– Limitaciones de espacio
• Información requerida
– Especificaciones de proceso
• Todas las temperaturas y presiones
• Caída de presión disponible para las dos corrientes
• Dewpoints, bubble points
• Propiedades físicas
• Factores de ensuciamiento

31. Diseño del intercambiador, diagrama de flujo
Ezequiel Acosta, Ing. Químico M. Sc.
e

32. Diseño del intercambiador, diagrama de flujo, cont.
Ezequiel Acosta, Ing. Químico M. Sc.

33. Enfriadores con Aire
• Por que usarlos:
– Altas temperaturas de proceso en enfriadores con aire causan:
• Sobrecalentamiento del agua y formación de depósitos por la dureza el agua
• Problemas mecánicos por la gran diferencia de temperatura
Enfriamiento con Agua Enfriamiento con Aire
Tuberías y Mantenimiento del sistemas de
enfriamiento
No se requiere tuberías ni mantenimiento
Torre de enfriamiento ( o metalurgia costosa para
el agua de mar)
Aire para el enfriamiento es gratis
Se requiere bombas Solo se requiere ventiladores
Capacidad limitada ( tuberías, torre de
enfriamiento, bombas)
Capacidad ilimitada ( Se pueden agregar
fácilmente más enfriadores)
Reducida área para su instalación Se requiere una gran área para su instalación
Sistemas costosos para construir y expandir El aire es gratis. Solo se debe pagar los
ventiladores

34. Enfriadores con Aire
• Estándar: API 661,
Enfriadores con aire para
servicios generales en refinerías
• Materiales de
construcción:
– Acero carbón
– Killed acero
carbón ( H2, H2S
húmedo)

35. Enfriadores con Aire
• Tubos
– 1” OD
– 12 BWG ( 0.109”)
– 2-1/2” de pitch
• Aletas
– Altura 0.6”
– Grosor 0.12”, usualmente de aluminio
– Cerca de 9 aletas por plg
– Área aletas / Área del tubo: (18-20) / 1

36. Arreglo y tipos de enfriadores con Aire
• Tiro forzado: El aire es forzado o
empujado a través del haz de tubos
– Ventajas
• Bajo consumo de potencia ( aire
frío)
• Mejor acceso para el ventilador y las
aspas
• Fácilmente adaptable a la
recirculación en el invierno
– Desventajas
• No muy buena distribución de aire
como en el inducido
• Baja velocidad del aire caliente, lo
que permite la recirculación del aire
caliente
• Baja capacidad para el tiro natural

37. Arreglo y tipos de enfriadores con Aire
• Tiro inducido: El aire es aspirado a través del
haz de tubos
– Ventajas
• Muy buena distribución de aire
• El aire caliente es soplado fuera del haz de
tubos
• El haz es protegido en la parte superior por el
plenum y el ventilador
• Tiene una “chimenea”, que mejora el tiro
natural ( en caso de falla del ventilador)
– Desventajas
• Alto consumo de potencia ( aire caliente)
• La temperatura de salida del aire debe ser
limitada ( prevenir daños en el ventilador)
• El mantenimiento del ventilador causa daños
en el haz
• Dificil mantenimiento del ventilador ( aire
caliente, accesibilidad )

38. Geometría y arreglo
• Efecto de la geometría sobre T
global
– Fluido de proceso fluye en la dirección “x”, frío aguas
abajo
– El aire fluye en la dirección “y”, se calienta hacia arriba
– El aire que deja el haz en el punto a es más caliente que
en el punto b
– T ( Tproceso – Taire) cambia en tanto hacia arriba como
hacia lo largo
– t2 es el promedio de la temp. salida
t2 = Q + t1
Waire Cpaire
– MLDT = [(T1- t2) – (T2- t1 )] / ln [ (T1 – t2) / (T2-t1)]
T
1
T1
T2
t1, aire
t2

39. Geometría y arreglo
• Factor de corrección por el flujo
cruzado, F
– F se calcula para el rango de temp. con
los factores R y P
– R = (T1 – T2) / (t2-t1)
– P = (t2 – t1) / (T1 – t1)
– Tcorr = F x MLDT
• Compensación para las perdidas de F
– Arreglos multipasos
T
1
T1
T2
t1, aire
t2
Tipo de
aircooler
Condensador Enfriador
4 capas Tproceso < 50°F Tproceso < 80°F
6 capas Tproceso > 50°F Tproceso > 80°F

40. Transferencia e hidráulica
• Transferencia de calor
– Ecuación básica
– Ecuación básica basada en el área aleteada
hproceso = Coeficiente fílmico del lado tubo
h aire = Coeficiente fílmico del lado aire Af = Área aleteada
rw = resistencia del metal de la pared y de la aleta Ab = Área del tubo liso
rdi = resistencia del fouling interior rdo = resistencia del fouling exterior
• Hidráulica: Los cálculos de caída de presión se hace de igual manera como
en las tuberías y en los intercambiadores de tubos y casco
=
hproceso
1
U
1
haire
1
+ + rw + rdi + rdo
=
hproceso Ab/Af
1
U
1
haire
1
+ rw + rdi Af /Ab + rdo
+

41. Potencia del ventilador
• Depende de :
– Flujo de aire requerido, densidad del aire
– Caida de presión del lado aire
– Eficiencia del ventilador ( 55 – 70%)
Potencia, HP = [ (ACFM).( Pair)/ (6387).( ) ]
ACFM = Flujo actual pie3/min de aire
Paire = plg de agua
= eficiencia

