TEMA 1. INTERCAMBIADORES DE CALOR
1 Tecnología Energética
Curso 2004-05
Índice • • • • • • • • •
Clasificación. Regeneradores. Mezcladores o de contacto directo. Intercambiadores de lecho compacto. Intercambiadores de llama directa. Clasificación de los recuperadores. Factores de impureza. Coeficientes de convección. Coeficiente global de transferencia de calor. 2
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Clasificación (I) • Según la forma de trabajo: – Recuperadores: los dos fluidos pasan simultáneamente sobre las dos superficies de la pared separadora. – Regeneradores: los dos fluidos pasan alternativamente sobre la misma superficie de la pared separadora. – Mezcladores o de contacto directo: no hay pared separadora a través de la que se intercambia el calor. – De lecho compacto: es un regenerador con un medio poroso como matriz fija. Tecnología Energética
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Clasificación (II) • Según la forma de trabajo: – De llama directa: un único fluido en contacto con llama a través de una superficie.
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Regeneradores (I) • Pared separadora se llama matriz. • Puede ser matriz fija o rotativa. • Materiales de la matriz: – cp alto. – k alta en dirección ⊥ al flujo y baja en dirección // al flujo. – difusividad térmica (α) alta. – coeficiente de dilatación térmica bajo.
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Regeneradores (II) • Regenerador de matriz fija:
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Regeneradores (III) • Regenerador de matriz fija doble (de lecho compacto): – Doble para trabajar en continuo.
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Regeneradores (IV) • Regenerador de matriz rotativa:
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Regeneradores (V) • Regenerador de matriz rotativa:
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Mezcladores (I) • Transferencia de calor y masa (evaporación de agua). • Torres de refrigeración o enfriamiento. • Enfriador evaporativo.
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Mezcladores (II) • Torres de refrigeración o enfriamiento:
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Mezcladores (III) • Esquema de una torre de refrigeración o enfriamiento:
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Mezcladores (IV) • Esquema de un enfriador evaporativo:
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Intercambiador de llama directa • Esquema de una caldera industrial:
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Recuperadores (I) • Clasificación según dirección del flujo y tipo de construcción: – Intercambiadores de tubos concentricos o doble tubo: • En flujo paralelo. • En contraflujo.
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Recuperadores (II) • Clasificación según dirección del flujo y tipo de construcción: – Intercambiadores de flujo cruzado: • Tubulares con aletas (flujo no mezclado). • Tubulares sin aletas (flujo mezclado).
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Recuperadores (III) • Clasificación según dirección del flujo y tipo de construcción: – Intercambiadores de carcasa y tubos:
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Recuperadores (IV) • Intercambiadores de carcasa y tubos:
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Recuperadores (V) • Intercambiador de carcasa y tubos: – Componentes.
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Recuperadores (VI) • Intercambiadores de carcasa y tubos: – Se subdividen según el número de pasos de cada fluido por los tubos y por la carcasa.
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Recuperadores (VII) • Intercambiadores de carcasa y tubos: – Con deflectores en el lado de la carcasa para aumentar la turbulencia y crear flujo cruzado.
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Recuperadores (VIII) • Clasificación según dirección del flujo y tipo de construcción: – Intercambiadores de calor compactos: • Se busca área de transferencia de calor por unidad de volumen muy alta (> 700 m2/m3). • Formados por complejos arreglos de tubos (planos o circulares) con aletas (de placa o circulares). • Se usan cuando uno de los fluidos es gas. • Secciones de paso pequeñas ⇒ flujo laminar.
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Recuperadores (IX) • Intercambiadores de calor compactos:
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Factores de impureza Fluido Agua de mar y agua tratada para alimentación de una caldera (T < 50 ºC) Agua de mar y agua tratada para alimentación de una caldera (T > 50 ºC) Agua de río (T < 50 ºC) Aceite de motor Líquidos refrigerantes Vapor (no aceitoso)
R′f′ (m2·K/W) 0,0001 0,0002 0,0002 0,001 0,0009 0,0002 0,0001
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Coeficientes de convección h (W/m2·K) Proceso Fluido Convección libre Gases 2 - 25 Convección libre Líquidos 50 - 1.000 Convección forzada Gases 25 - 250 Convección forzada Líquidos 50 - 20.000 Convección con Ebullición 2.500 - 25.000 cambio de fase Convección con Condensación 5.000 - 100.000 cambio de fase
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Coeficiente global de transferencia de calor Combinación de fluidos Agua con agua Agua con aceite Condensador de vapor (agua en tubos) Condensador de amoniaco (agua en tubos) Condensador de alcohol (agua en tubos) Intercambiador de calor de tubos con aletas (agua en tubos, aire en flujo cruzado)
U (W/m2·K) 850 1.700 110 - 350 1.000 6.000 800 1.400 250 - 700 25 - 50
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Bibliografía • F. P. Incropera y D. P. De Witt, Fundamentos de Transferencia de Calor, 4ª edición, Pearson Educación, México, 1999. • F. Kreith y M. S. Bohn, Principios de Transferencia de Calor, 6ª edición, Thomson, Madrid, 2002. • A. Bejan, Heat Transfer, 1st edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1993.
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