Ver 2ª PARTE
FUNDAMENTOS TERMOHIDRÁULICOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS
El diseño de los intercambiadores
de calor es de naturaleza altamente especializada, considerando sobre todo la
gran cantidad de tipologías de placas disponibles. El diseño de placas varía de
fabricante a fabricante, y de ahí el rendimiento termohidráulico.
Al contrario
que los intercambiadores tubulares, para los cuales los métodos de diseño están
disponibles, el diseño de los intercambiadores de calor de placas continúa
siendo de propietarios. Los fabricantes han desarrollado sus propias
correlaciones empíricas para la predicción del rendimiento térmico aplicable a
los intercambiadores de calor. Por lo tanto, las características específicas de
las placas no están disponibles en la literatura.
Ángulo
de las placas
Una placa con un ángulo chevron
bajo (25 – 30 º) proporciona una alta transferencia de calor combinada con alta
caída de presión, mientras que una placa con alto ángulo chevron ( 60 º - 65 º)
proporciona una baja transferencia de calor combinada con baja caída de
presión. Los fabricantes especifican estas placas como placas de bajo – theta y
alto – theta. Theta se usa por los fabricantes para denotar el número de
unidades de transferencia de calor.
Mezcla
térmica
Uno de los problemas asociados
con los intercambiadores de calor por placas es el acoplamiento exacto de las
necesidades térmicas; es muy difícil cubrir las necesidades térmicas a la vez
que se utiliza completamente la caída de presión disponible. Este problema se
supera mediante un procedimiento conocido como mezcla térmica. La mezcla
térmica proporciona a los diseñadores la mejor oportunidad para utilizar la
caída de presión disponible sin excesiva superficie, y con pocos modelos de
placa. La mezcla térmica se alcanza por dos métodos:
1. Usando
placas de alto – y bajo – theta.
2. Usando
placas horizontales y verticales.
Usando
placas de alto – y bajo – theta.
En este método, el pack de placas
puede estar compuesto por placas de alto – theta (β = 30 º), o placas de bajo
theta (β = 60 º), o una combinación de placas de alto y bajo – theta dispuestos
alternativamente en el pack para proporcionar un nivel intermedio de
rendimiento. Estas dos configuraciones de placa proporcionan tres niveles de
placas de rendimiento.
Mezcla
térmica usando placas horizontales y verticales
En este método, se seleccionan
dos combinaciones de modelos geométricos para proporcionar tres niveles de
placas de rendimiento.
1. Placas
de estilo horizontal: Estilos de placa Accu-Therm.
2. Placas
de estilo vertical: Estilos de placa Accu-Therm V.
3. Combinación de placas.
Áreas
de caudal
El espaciamiento de las placas
con huecos nominales entre 2 y 5 mm da un diámetro hidráulico en el rango de 4
– 10 mm. Las placas se colocan de forma que se alcanza muy alto grado de
turbulencia. Los números de Reynolds críticos están en el rango de 10 – 400,
dependiendo de la geometría. Estos factores contribuyen a producir coeficientes
de transferencia muy altos.
Las velocidades nominales en
líquidos similares al agua en flujo turbulento están usualmente en el rango de
0,3 – 1 m/s, pero la velocidad verdadera puede ser más alta por un factor de tres
o cuatro debido a los efectos de la corrugación. Todas las relaciones de caída
de presión y transferencia de calor están, normalmente basadas en la velocidad
del canal.
Análisis
de la caída de presión y transferencia de calor en recuperador
Dos variables fundamentales que
debemos estudiar al analizar un recuperador de calor son la transferencia de
calor en el intercambiador y la caída de presión. También deben analizarse
problemas de mala distribución del caudal y de fouling.
A partir de estas ideas generales
indicamos a continuación los cálculos que nos ayudan a definir un
intercambiador de calor. Posteriormente indicamos las herramientas que realizas
todos los cálculos automáticamente. Pero primero veamos el procedimiento de
cálculo:
· What diameter
to use to start design of a coil (Diámetro de un tubo en espiral):
Cuando comenzamos un diseño de un serpentín u otro intercambiador de calor de
tubo continuo, el diámetro es desconocido. Un ejemplo de esto es un
economizador en un sistema de recuperación de calor. En este caso es deseable
tener una trayectoria de caudal simple en vez de usar trayectorias en paralelo.
La selección preliminar de los tubos se realizará a partir de las capacidades
de caudal que admitan los tubos.
· Estimate - gas
heat transfer coefficient inside tubes (Estimación del coeficiente
de transferencia de calor en el interior de los tubos).
· Estimate -
hydrocarbon heat transfer coefficient in tubes (coeficiente de
transferencia de calor).
· Estimate - latent heat of hydrocarbons (calor latent de hidrocarburos).
· Estimate - liquid thermal conductivity of light
hydrocarbons
(conductividad térmica del liquid en hidrocarburos ligeros).
· Estimate - overall heat transfer coefficient in shell
& tube
(coeficiente de transmission de calor entre tubo y carcasa).
· Estimate - tube
length that lowers tube pressure drop (longitud del tubo que hace
disminuir la caída de presión).
· How to
calculate excess surface and overdesign surface (cómo calcular la
superficie de exceso y superficie de sobrediseño.
· Use superficial
velocities to calculate best heat transfer flow pattern (velocidad
superficial para calcula el mejor modelo de transferencia de calor).
· L/D equation
for heat Transfer coefficient inside tubing (ecuación L/D del
coeficiente de transferencia de calor en el interior del tubo.
· LMTD correction
factor charts for TEMA G and J type shells (diagram de factor de
corrección LMTD para carcasas de tipo J y TEMA G)
· Low LMTD correction factor for divided flow (factor de corrección LMTD bajo
para caudal dividido)
· What is the
lowest LMTD correction to use in shell & tube (cuál es la
corrección LMTD más baja para usar en un intercambiador de tubo y carcasa)
· Minimum flow
area for shell side inlet nozzle (mínima área de caudal para tobera
de entrada del lado de la carcasa)
· How to
calculate performance of heat exchangers with plugged tubes (cómo
calcular el rendimiento de intercambiadores de calor con tubos atascados)
· How to increase
heat transfer for low Reynolds numbers (cómo incrementar la
transferencia de calor para números de Reynolds bajo).
· Calculate when
to use seal bars on a bundle to increase heat transfer (calcular
cuando usar barras selladas en un haz para incrementar la transferencia de
calor).
· Calculate S & T bundle diameter from number
of tubes (calcular el diámetro de un haz S&T de un número de tubos.
· Equation for
calculating tube count in shell & tube (ecuación para calcular
el recuento de tubos en tubo y carcasa).
· Check for hot
tube wall temperature of cooling water (control de la temperature de
la pared de un tubo para agua de enfriamiento).
· Estimate -
optimum flow velocity for gas inside tubes (estimación de la
velocidad del caudal óptimo en el interior de tubos).
Todos los cálculos podemos
realizarlos fácilmente descargando la siguiente herramienta (Process Heat
Transfer) totalmente gratuita. Los cálculos indicados los tenemos en la pestaña
calculations, pero tenemos unos 150 calculadores en esta magnífica hoja decálculo.
Bibliografía:
·
Handbook
of energy efficiency and renewable energy.
·
Heat
Exchange Design Handbook. L.L. Faulkner. 2000.
2 comentarios:
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