TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA

TECNOLOGIA DE LA

ENERGIA TERMICA

PLACAS Y JUNTAS

PLACAS Y JUNTAS

1. Objetivos

2. Alcance

3. Desarrollo

• Geometría

• Códigos constructivos • Elementos constitutivos • Equipos multipaso

• Fuerza impulsora

• Coeficientes peliculares

• Resistencias de ensuciamiento • Verificación del equipo

• Pérdida de carga • Aplicaciones

PLACAS Y JUNTAS -

OBJETIVOS

•

Conocer uno de los equipos de transferencia de calor (no tubular) más

utilizado en diversos tipos de industrias

•

Empleo de correlaciones para cálculo de coeficientes peliculares

•

Empleo de la ecuación de diseño como herramienta de verificación

•

Cálculo de pérdida de carga

PLACAS Y JUNTAS -

ALCANCE

•

Aspectos constructivos

•

Verificación térmica

PLACAS Y JUNTAS

-Geometría

PLACAS Y JUNTAS

-Geometría – Principio de operación

PLACAS Y JUNTAS

-Geometría – Principio de operación

PLACAS Y JUNTAS

-Geometría – Principio de operación

DESARROLLO

Video

PLACAS Y JUNTAS

-Códigos constructivos

DESARROLLO

Institutos normalizadores

Normas

ASTM Materiales de construcción

ASME Diseño mecánico de recipientes a presión (Sec. VIII)

PLACAS Y JUNTAS

-Elementos constitutivos

DESARROLLO

1. Soportes 2. Placas

3. Marco (cubierta) fijo 4. Marco (cubierta) móvil 5. Columna de soporte 6. Perno de ajuste

7. Barra de guía (inferior) 8. Barra de sostén (superior)

9. Conexiones (entradas y salidas de fluidos) 10.Tuerca fija (tuerca unida al perno)

Video

PLACAS Y JUNTAS

-Elementos constitutivos – Placas

DESARROLLO

•

Medio físico que mantiene separados a ambos fluidos

•

Proporciona el área de transferencia en el equipo

•

Elemento sometido a diferencia de presiones

•

Superficie corrugada

Ranuras

• Promueven la turbulencia en los fluidos para aumentar los coeficientes de transferencia • Aumentan la resistencia estructural de la placa

• Conformadas por estampado en frío en prensas hidráulicas • Diversos modelos (depende del fabricante)

(a) Corrugaciones paralelas

(b) Corrugaciones de espina de pez

(c) y (d) Modelos no standard de fabricantes

Video

PLACAS Y JUNTAS

-Elementos constitutivos – Placas

DESARROLLO

Video

PHE – Placas – Limpieza

Separación entre placas

• Debido a las juntas (en la periferia de la placa) • Debido a las corrugaciones

Materiales

• CS – Cu y aleaciones – Al – Ti – SS • Fácil de estampar en frío

• Espesores de 0,5 a 1,2 mm SS más empleado

Limpieza

• Química

Es efectiva debido a la turbulencia generada por corrugaciones Sin desmontaje del equipo

• Mecánica

Es aún más efectiva que la limpieza química Implica desmontaje del equipo

PLACAS Y JUNTAS

-Elementos constitutivos – Juntas

DESARROLLO

Video

PHE – Juntas – Mantenimiento

Requisitos

• Compatibilidad química con ambos fluidos

• Compatibilidad con la temperatura máxima de operación del equipo

Materiales

• Principalmente materiales elásticos • Fibra de amianto comprimida

• Plásticos tipo PTFE (teflón)

Forma

• Ubicadas en alojamiento específico de cada placa

• Sección transversal Rectangular – Trapezoidal – Ovalada

Adherencia

• Adhesivo compatible con fluidos, junta, temperatura • Buena unión para evitar fugas

Mantenimiento

• Deformaciones por excesiva compresión entre placas • Período de vida útil excedido

Máximas temperaturas de servicio para juntas Caucho natural, estireno, neopreno 70ºC Caucho nitrilo, vitón 100ºC

Butilo 120ºC

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-Elementos constitutivos – Marcos

DESARROLLO

Función

• Mantener unidas bajo presión a las placas del intercambiador

• Punto de unión con las cañerías de entrada/salida de ambos fluidos

Sometidos a grandes tensiones por la presión de los fluidos

• Cantidad y tamaños de pernos de ajuste acorde • Espesor de marco acorde

PLACAS Y JUNTAS

-Equipos multipaso

DESARROLLO

Necesidad

• Cuando se necesita incrementar la velocidad de un fluido o de ambos

• Cuando se necesita incrementar el coeficiente pelicular de un fluido o de ambos

Cambios estructurales

• Cambios en las perforaciones de las placas

• Colocado de juntas acorde a las nuevas perforaciones

• Posible nueva disposición de boquillas de entrada/salida de fluidos entre marco fijo y marco móvil

Observaciones

• Aumento de la pérdida de carga para el fluido que incremente su número de pasos

• El área de transferencia no se modifica todos las placas aportan área de transferencia • Posible circulación cocorriente y contracorriente en simultáneo

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-Equipos multipaso

DESARROLLO

Ejemplo 2 pass – 1 pass

PLACAS Y JUNTAS

-Equipos multipaso

DESARROLLO

Ejemplo 2 pass – 1 pass

PLACAS Y JUNTAS

-Equipos multipaso

PLACAS Y JUNTAS

-Fuerza Impulsora

DESARROLLO

Se asumen hipótesis

• En cualquier sección transversal de las placas los fluidos se encuentran uniformemente mezclados No hay efectos de borde y zonas estancas en las placas

• Los coeficientes peliculares son iguales en cada placa del equipo (para cada fluido) Los fluidos se calentarán y enfriarán de manera uniforme en cada uno de las placas

Para equipos n pass – n pass

Son válidas las expresiones de

∆

T

Cocorriente puro o Contracorriente puro según corresponda

Para equipos n pass – m pass (no es alcance)

• Se define ∆T_VERDADERO

• ∆T_ML definido para disposición contracorriente • 0 < F_T < 1

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-Coeficientes peliculares

DESARROLLO

• Los fluidos recorren áreas de flujo semejantes No hay criterios de asignación de fluidos • No se emplea la nomenclatura interno/externo

• Fuertemente influenciados por la geometría de la placa y el diseño de las corrugaciones • Cada modelo de placa es exclusivo de un determinado fabricante el diseño térmico es

realizado por la firma proveedora

Se debe especificar al proveedor las temperaturas de entrada y salida, caudales, propiedades físicas de los fluidos, y pérdida de carga admisible en el proceso

El proveedor selecciona un equipo que sea capaz de satisfacer las condiciones anteriores

PLACAS Y JUNTAS

-Coeficientes peliculares

DESARROLLO

Nº de Reynolds

µ

ρ

v

D

⋅

⋅

=

Re

Diámetro equivalente

e

b

e

e

b

cia

transferen

de

Perimetro

Af

D

φ

φ

⋅

≅

⋅

+

⋅

⋅

⋅

=

⋅

=

2

)

(

2

4

.

.

4

• e << b puedo despreciar “e” frente a “b”

PLACAS Y JUNTAS

-Coeficientes peliculares

DESARROLLO

Velocidad (nominal)

e

b

n

W

v

p

⋅

⋅

⋅

=

ρ

W = caudal másico de fluido

ρ = densidad

n_p = número de canales en paralelo

PLACAS Y JUNTAS

-Coeficientes peliculares

DESARROLLO

Gráfico de J

• Válido para todos los fluidos (gráfico generalizado) • Valen las definiciones de Pr y Nu

• Dependencia del modelo de placa ángulo de corrugación de placa de espina de pez • Espesor de chapa muy delgado (0,5 – 1,2 mm) no hay corrección de coeficientes

14 , 0 33 , 0

Pr

Re



_









⋅

=

Nu

J

µ

µ

k

D

h

Nu

=

⋅

k

Cp

⋅

µ

=

Pr

PLACAS Y JUNTAS

-Coeficientes peliculares

DESARROLLO

PLACAS Y JUNTAS

-Resistencias de ensuciamiento

DESARROLLO

Magnitudes menores que las empleadas en equipos tubulares (Casco y Tubos)

• Alto grado de turbulencia

• Los materiales de las placas permiten acabados con menor rugosidad

• No hay grandes zonas estancas para los fluidos

• Materiales como el SS no son afectados por la corrosión

• Procedimientos de limpieza simples y efectivos

No deben emplearse los valores de Rf para S&T en los PHE

• Los U_c de los PHE son mayores que los de S&T Rf_TOT se volvería resistencia controlante sobredimensionando al equipo en forma desmedida

PLACAS Y JUNTAS

-Resistencias de ensuciamiento

DESARROLLO

PLACAS Y JUNTAS

-Verificación del equipo

DESARROLLO

Uso de la Ecuación de Diseño

ML C

C

A

T

U

Q

=

⋅

⋅

∆

Q

=

U

⋅

A

⋅

∆

T

Despeje Despeje

Comparo contra A_A

A_C A_D

NO SI

PLACAS Y JUNTAS

-Verificación del equipo

DESARROLLO

Sobredimensionamiento

100

%

=

−

⋅

A

A

A

OS

En función de A_C En función de A_D

100

%

=

−

⋅

A

A

A

OS

• Refleja qué tan “grande” es realmente el equipo respecto de lo que se requiere

• Valores recomendados (OS_D%) 10% - 20% • Incertidumbre de correlaciones

PLACAS Y JUNTAS

-Pérdida de carga

DESARROLLO

D

L

v

n

f

P

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

=

∆

2

4

ρ

• Caída de presión en placas

f = factor de fricción Dependencia del modelo de placa (ángulo de corrugación de placa de espina de pez)

PLACAS Y JUNTAS

-Pérdida de carga

DESARROLLO

Conductos Placas

TOT

P

P

P

=

∆

+

∆

∆

ρ

⋅

⋅

⋅

=

∆

2

5

,

1

G

n

P

• Caída de presión en conductos de distribución

2

4

D

W

G

⋅

⋅

=

π

PLACAS Y JUNTAS

-Aplicaciones – Ventajas – Desventajas

DESARROLLO

• Aplicaciones en las que las condiciones de presión y temperatura sean moderadas • Aplicaciones con fluidos inocuos

• Gran rango de aplicaciones en industria alimenticia

• Totalmente desarmable para limpieza

• Mantenimiento sencillo y requiere poco área de trabajo • Permite ser ampliable

• Permite recambio de placas defectuosas o pinchadas • Equipos standard y plazos de entrega cortos

• Bajo ensuciamiento debido a grandes turbulencias generadas

• Mayores coeficientes de transferencia que equipos tubulares requieren menor área • Ocupa poco espacio en planta respecto de un S&T para el mismo servicio

• Si los fluidos requieren un material costoso, es más económico un PHE que un S&T • Las fugas externas son fácilmente detectables

• Limitación en la temperatura máxima de operación debido a las juntas

• Limitación en la máxima presión de trabajo debido estanqueidad generada por las juntas, grandes tensiones en los marcos, y deformación de placas (30 bar máximo, usualmente no se sobrepasan los 10 bar)

FIN