Diseño de intercambiadores de calor en detalle (3ª PARTE)

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.