PROCESOS DE SEPARACIÓN II
UNIDAD I INTERCAMBIO DE CALOR
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
El tipo más común es uno en el cual el fluido caliente y el frío no entran en contacto directo el uno con el otro, sino que están separados por una pared de tubos o una superficie plana o curva. La transferencia de calor se efectúa por convección desde el fluido caliente a la pared o la superficie de los tubos, a través de la pared de tubos o placa por conducción, y luego por convección al fluido frío.
Intercambiador de calor de doble tubo
El intercambiador más simple es el intercambiador de doble tubo o de tubos concéntricos, donde uno de los fluidos fluye en el interior de una tubería y el otro lo hace en el espacio anular entre ambas tuberías. Los fluidos pueden circular en paralelo o a contracorriente. El intercambiador puede fabricarse con un simple par de tubos adaptando las conexiones en los extremos, o con varios pares interconectados en serie. Este tipo de intercambiador es útil principalmente para velocidades de flujo bajas.
Intercambiadores de tubos y coraza
Cuando se manejan flujos más grandes se usa un intercambiador de tubos y coraza, que es el tipo más importante en las industrias de proceso. Los flujos de estos intercambiadores son continuos. Se usan muchos tubos en paralelo con uno de los fluidos circulando en su interior. Los tubos, distribuidos en forma de manojo, están encerrados en una sola coraza y el otro fluido fluye por el exterior de los tubos, dentro de la coraza. El modelo más simple de intercambiador de tubos y coraza que corresponde a un solo paso por los tubos y un solo paso por la coraza, es decir, se trata de un intercambiador 1 a 1 a contracorriente. El fluido frío entra y circula por los tubos en paralelo en un solo paso, mientras que el fluido caliente entra por el otro extremo y fluye a contracorriente por el exterior de los tubos. Se usan deflectores transversales de tal manera que el fluido se ve forzado a fluir perpendicularmente por la batería de tubos en lugar de hacerlo en paralelo. Esta turbulencia adicional generada por el flujo transversal, aumenta el coeficiente de transferencia de calor de la coraza.
y tubos ha de ser muy pequeña. Las placas están soportadas por una o más varillas-guía C que se fijan entre las placas tubulares D y D’ mediante tornillos de presión. Con el fin de lijar las placas deflectoras en su sitio, se introducen en la varilla C pequeños trozos de tubo E. Para el montaje de un cambiador de este tipo es preciso colocar primero las placas tubulares, las varillas de soporte, los espaciadores y las placas deflectoras, e instalar después los tubos.
Intercambiadores de Tubos y placas tubulares
Los tubos se fabrican en materiales metálicos más usuales con un diámetro exterior determinado y un espesor de pared definido de acuerdo con el número BWG. Las longitudes normalizadas de los tubos para la construcción de cambiadores de calor son 8, 12, 16 y 20 pies. Los tubos se disponen en una ordenación triangular o cuadrada. Excepto cuando el lado de la carcasa tiene una gran tendencia a ensuciarse, se utiliza la disposición triangular debido a que se puede conseguir una mayor superficie de transmisión de calor que en la disposición cuadrada para una carcasa de un diámetro dado. Los tubos en disposición triangular no se pueden limpiar pasando un cepillo entre las hileras de tubos debido a que no existe espacio para la limpieza, en tanto que la disposición cuadrada permite la limpieza del exterior de los tubos. Por otra parte, la disposición cuadrada conduce a una menor caída de presión en el lado de la carcasa que en la disposición triangular.
Las normas TEMA especifican una distancia mínima entre los centros de los tubos de 1,25 veces el diámetro exterior de éstos para disposición triangular, y una anchura mínima para la limpieza de 1/4 pulgada para la disposición cuadrada.
Intercambiador de Carcasa y placas defectoras
Cambiadores de calor l-2 de flujo paralelo-contracorriente
El cambiador de calor 1 a 1 posee limitaciones. Con la construcción de paso múltiple se pueden utilizar velocidades más elevadas, tubos más cortos, y resolver más fácilmente el problema de la expansión. La construcción de paso múltiple disminuye la sección transversal libre para el fluido y aumenta su velocidad, dando lugar al correspondiente aumento del coeficiente de transmisión de calor. Las desventajas son: (1) el cambiador es ligeramente más complicado, y (2) aumentan las pérdidas por rozamiento a través del equipo debido a las mayores velocidades y al aumento de las pérdidas en la entrada y la salida.
El diseño más económico corresponde a una velocidad en los tubos tal que el aumento del coste de bombeo es compensado favorablemente por la disminución en el coste del aparato. Una velocidad demasiado baja ahorra potencia de bombeo pero conduce a un cambiador demasiado grande (y, por tanto, muy costoso). Una velocidad excesivamente elevada da lugar a una disminución del coste inicial del cambiador que no compensa el aumento del coste de potencia.
En los cambiadores de paso múltiple se utiliza un número par de pasos en el lado de los tubos. En el lado de la carcasa puede haber un solo paso o paso múltiple. Una construcción frecuente es la de cambiadores l-2 de flujo paralelo contracorriente, donde el líquido del lado de la carcasa fluye en un paso y el líquido del lado de los tubos lo hace en dos pasos.
Paso 1 a 1
Cambiador de calor 2 – 4
Tiene dos pasos del lado de la carcasa y cuatro pasos del lado de los tubos. Este tipo de cambiadores también conducen a mayores velocidades y a un coeficiente global de transmisión de calor mayor que el de un cambiador de calor l-2 con dos pasos del lado de los tubos que opera con las mismas velocidades de flujo.
Intercambiador de flujo cruzado
Cuando se va a calentar o enfriar un gas como el aire, uno de los dispositivos de uso más común es el intercambiador de calor de flujo transversal que se. Uno de los fluidos, que es un líquido, fluye dentro de tubos y el gas exterior fluye a través del manojo de tubos por convección forzada o a veces natural. El fluido del interior de los tubos se considera sin mezcla, ya que está confinado y no puede mezclarse con ninguna otra corriente. El flujo de gas en el exterior de 16s tubos está mezclado, dado que puede moverse libremente entre los tubos y habrá una tendencia a que la temperatura del gas se iguale en la dirección normal al flujo. En el fluido no mezclado del interior de los tubos habrá un gradiente de temperatura paralelo y normal a la dirección del flujo.