TEMA 9.- CONDENSADORES Y EBULLIDORES CONTENIDOS DEL TEMA 9.1.1 Fundamentos de la transmisión de calor con cambio de fase 9.1.2 Diferencia de temperatura 9.1.3 Condensación de mezclas 9.1.4 Caída de presión en condensadores 9.2.1 Tipos de ebullidores 9.2.2 Fundamentos de la transmisión de calor en ebullición 9.2.3 Diseño de ebullidores con circulación forzada 9.2.4 Diseño de ebullidores tipo termosifón 9.2.5 Diseño de ebullidores tipo caldera TEMA 9.1- CONDENSADORES DE CARCASA Y TUBOS. OBJETIVOS La finalidad principal de este tema es conocer las características más significativas en el dimensionado de condensadores de carcasa y tubos y aprender a diseñar térmicamente este tipo de equipos. Concretamente 1.Conocer las características de construcción típicas de los condensadores de carcasa y tubos 2.Calcular el área de intercambio de calor necesaria para un condensador de carcasa y tubos 3.Dimensionar condensadores de carcasa y tubos 4. Introducir la condensación de mezclas. 4. Evaluar la caída de presión en un condensador de carcasa y tubos TEMA 9.2.- EBULLIDORES DE CARCASA Y TUBOS OBJETIVOS La finalidad principal de este tema es conocer los tipos de ebullidores más habituales y aprender a dimensionar térmicamente los ebullidores de carcasa y tubos. Al finalizar este tema: 11.1 Identificar las partes básicas de los distintos tipos de ebullidores 11.2 Calcular el área de intercambio de calor necesaria para un ebullidor 11.3 Seleccionar el ebullidor más adecuado para una determinada aplicación 11.4Realizar el diseño térmico de ebullidores tipo caldera o de circulación forzada 11.5 Realizar de forma aproximada el diseño térmico ebullidores de tipo termosifón Descripción (ver tema 8, punto 8.1) CONFIGURACIONES: 1 Horizontal → condensación carcasa, refrigerante en los tubos 2 Horizontal → condensación en los tubos (vaporizadores con vapor como fluido calefactor ) 3 Vertical → condensación en la carcasa 4 Vertical → condensación en los tubos 1 y 4. son los más utilizados Condensador con circulación de reflujo por gravedad Características de diseño mecánico (ver tema 9, punto 9.2) Construcción similar al cambiador de Carcasa y Tubos sin cambio de estado, para condensadores → Espaciado entre placas deflectoras ↑ → lb =Ds 9.1.1 Fundamentos de TQ en fluidos con cambio de fase Tema 4. Correlaciones de predicción de coefs. de TQ Condensación por el exterior de una bancada de tubos horizontales ⎡ ρ ( ρ − ρ v )·g ⎤ (hc )m,1 = 0.95·k L ·⎢ L L ⎥ μ · M ⎣ ⎦ L H 1/ 3 ·Nr −1/ 6 MH = GC/L Nr. Nº medio de filas de tubos Nr =2/3 NC Donde: Nc: nº de tubos en la fila central Diámetro de bancada D Nc = b = Pt Paso de tubo Condensación por el interior y exterior de tubos verticales - Flujo laminar del condensado: (Nusselt) ⎡ ρ L ( ρ L − ρ v )·g ⎤ (h c ) v = 0.926·k L ·⎢ ⎥ μ · M ⎣ ⎦ L V 1/ 3 Re C = 4·MV μL < 30 Para una bancada de tubos: Para el interior de tubos Para el exterior de tubos Props. Físicas Evaluadas a T media de la película de condensado: MV = GC Nt ·π ·di MV = − GC Nt ·π ·do T= Tcondensación − Tpared tubo 2 - Flujo Turbulento en el condensado Re > 2000 → Condensado turbulento La presencia de olas → h↑ y la ec. anterior daría un valor conservador. Colburn (1934) Coeficiente de condensación en tubos verticales vs Re PrC = CP ·μ L kL - Velocs. de vapor elevadas Si uvpor ↑ → Esfuerzo cortante↑ en la sup. del condensado (Shear stress) Correlaciones de Boyko y Kruzhilin (1967) para condensaciones en tubos (hc )BK ⎡ J11 / 2 + J12/ 2 ⎤ = h'i ·⎢ ⎥ 2 ⎣ ⎦ donde: ⎡ ρ − ρv ⎤ J = 1+ ⎢ L ·x ⎥ ⎣ ρv ⎦ siendo: x: fracción en masa de vapor 1,2 : condiciones de entrada y salida h’i: coef. del lado de los tubos evaluado para flujo en una sola fase del condensado total (condensado en el punto 2) Cualquier correlación para convección en el interior de tubos ⎛k ⎞ h'i = 0.021·⎜⎜ L ⎟⎟·Re 0.8 ·Pr 0.43 ⎝ di ⎠ → En un condensador la corriente de entrada normalmente es vapor saturado, y éste condensa completamente x1 = 1 x2 =0 → (hc )BK ⎡1 + ρ L / ρ V ⎤ = h'i ·⎢ ⎥ 2 ⎣ ⎦ Para condensadores con condensación en el interior de los tubos y el vapor con flujo descendente → Evaluar (hc)BK y hc (según gráfica) y tomar el valor más alto. Inundación en tubos verticales Flujo ascendente de vapor → Atención! INUNDACIÓN Hewitt y may-Taylor (1970) Para condensados de baja viscosidad: No inundación→ [u 1/ 2 v ] ·ρ v1/ 4 + u1L/ 2 ·ρ L1/ 4 < 0.6[g·di ·( ρ L − ρ V )] uv, uL : velocidades superficiales de vapor y líquido di |=| m uv, uL evaluadas en la parte baja del tubo → Zona crítico 1/ 4 Condensación en el interior de tubos horizontales hC = f(tipo de flujo) Normalmente→ en el condensador el flujo variará desde una fase vapor a la entrada hasta una fase líquida a la salida 2 modelos representan las condiciones límite: Flujo estratificado → (hc )s = 0.76·k L ·⎢ ρL ( ρL − ρ v )·g ⎥ ⎡ ⎣ ⎤ μL ·MH 1/ 3 ⎦ Flujo anular → Velocs. altas de vapor y bajas de condensado → Correlación de Boyko y Kruzhilin (hc)BK 9.1.2 Diferencia de Temperatura Vapor puro saturado → Condensación a T=cte (Tsat) ΔTm = ΔTLn = T2 − T1 Tsat − T1 Ln Tsat − T2 No se necesita factor de corrección F para pasos múltiples Si la condensación es no isotérmica → Se necesita F para multipaso Sobrecalentamiento y subenfriamiento T Tsobrecal .. Tsat Condensación Tsubenfr. q transferido Sabemos que : Usensible < Ucondensación Sabemos que : Usensible < Ucondensación Sobrecalentamiento grande → dividir el intercambiador en secciones y determinar (ΔT)m y U para cada sección Sobrecalentamiento bajo < 25%·qlatente y T refrigerante a la salida es inferior al punto de rocío del vapor → qsobrecal. puede despreciarse Subenfriamiento pequeño → controlar el nivel de líquido en el condensador Subenfriamiento grande → + eficaz un intercambiador separado Condensadores con retención del condensado Placa Dam Condensador-subenfriador horizontal con cierre hidráulico en Loop Condensador–subenfriador vertical con cierre en Loop 9.1.3 Condensación de mezclas 3 situaciones: 1.) Condensación total de una mezcla multicomponente. (Ej.: cabezas de una destilación multicomponente) 2.) Condensación parcial de una mezcla de vapores multicomponente 3.) Condensación en presencia de un gas no condensable Características: - Condensación no isotérmica (A medida que los componentes más pesados van condensando, la composición del vapor, y por tanto su punto de rocío va cambiando) - Transferencia de calor sensible desde el vapor para enfriar el gas hasta Trocío - Transferencia de calor sensible desde el condensado hasta T salida del condensado - Composición de vapor y líq cambia a lo largo del condensador → Props físicas varían - Velocidad de condensación está controlada por la velocidad de difusión y por la velocidad de TQ. Perfil de temperaturas Diagrama T-H necesario: Perfil T = f(modelo de flujo del líquido en el condensador) 2 Condiciones límite de flujo condensado-vapor: 1. Condensación diferencial: el líq. se separa del vapor del que ha condensado P. E.j.: Carcasa y tubos horizontal (condensación en la carcasa) 2. Condensación integral: el líq. permanece en equilibrio con el vapor no condensado. P.Ej.: condensadores de tubos verticales (condensación fuera y dentro de tubos) T Integral Diferencial Refrigerante q transferido (Dif. de T media)diferencial < (Dif. de T media)integral → Intentar trabajar con condensadores que favorezcan la condensación integral Condensación integral → F·(ΔT)Ln = valor conservador Condensación Total - Métodos aproximados → (hC)medio = correlaciones de un único componente con las props. físicas del líquido evaluadas a la composición media el condensado. Franck (1978) →Factor corrección = 0.6 → 0.6·(hC)medio Kern (1950) → Incrementar el área necesaria en una qsen sible + qlatente cantidad = qlatente - Métodos rigurosos (desarrollados para cond. parcial) Condensación parcial y en presencia de gas no condensable - Métodos empíricos → Métodos aproximados. Veloc de condensación controlada por la resistencia a la TQ. Resistencia a la T.M. se desprecia - Métodos analíticos → Más rigurosos. Basados en modelos de TQ y TM. Tienen en cuenta la resistencia difusional a la TM. → Más complejos de resolver . (ver ejercicio 9.23 pg 479, Coulson vol 1) Métodos aproximados Correlación de Silver (1947): 1 1 Z = + h'cg h'c h' g donde: h’cg: coeficiente local efectivo enfriamiento-condensación h’c: coeficiente local de película del condensado h’g: coeficiente local de película del gas (q sensible) Métodos aproximados (continuación) 1 1 Z = + Correlación de Silver (1947): h'cg h'c h' g Z= ΔH S dT = x·Cp g · dH T ΔH T ΔH S ΔH T : relación entre el calor sensible y el calor total dT dH T : Pendiente del diagrama T-H x: fracción en masa del vapor (calidad del vapor) Cpg: calor específico del vapor (gas) h’c se evalúa con las correlaciones para 1 componente h’g se evalúa con las correlaciones para convección forzada Si esto se hace para varios puntos de la curva de condensación → Área puede obtenerse por integración qT dq A= ∫ U ·(Tv − tc ) 0 qT: calor total transferido U: evaluado utilizando h’cg Tv: T local del vapor (gas) tc: T local del refrigerante En función de coefs. medios Gilmore (1963): 1 1 qg 1 = + · hcg hc qT hg donde: hcg: coef. medio efectivo hc: coef. medio de película del condensado. Evaluado con correlaciones de un único componente, a la composición media del condensado, y carga total del condensado hg: coef. medio del gas. Evaluado utilizando el flujo medio de vapor : media aritmética de los flujos de vapor (gas) a la entrada y a la salida qg: calor sensible total transferido desde el vapor (gas) qT: Calor total transferido = qlatente + qsensible (enfriar el condensado) gas y el Reglas básicas (Frank, 1978): 1. No condensables < 0.5% → ignorar la presencia de no condensable → Métodos de condensación total 2. No condensables > 70% → Suponer sólo convección forzada. Incluir qlatente en qtotal 3. 0.5% < N.C. < 70% → Usar métodos que consideren ambos mecanismos de TQ En condensación parcial → mejor situar el vapor condensante en carcasa y seleccionar espaciado entre placas deflectoras para u↑ → h↑ 9.1.4 Caída de presión en condensadores (-ΔP) difícil de predecir (2 fases y veloc. vapor cambia en el condensador) Sólo es importante en condensadores a vacío o en condensadores donde el reflujo es devuelto por gravedad a la columna 1.- Estimar (-ΔP) para una sola fase + Factor de corrección Frank (1978) → (-ΔP)condensador = 0.4·(-ΔP)condiciones entrada Kern (1950) → (-ΔP)condensador = 0.5·(-ΔP)condiciones entrada 2.- (-ΔP) calculada utilizando un flujo de vapor medio entre entrada y salida, y el perfil de T Gloyer (1970) Ws(medio) = Ws(entrada) ·K2 Donde: K2 vs kg vapor entrada/ kg vapor salida = f(ΔTentrada/ΔTsalida) Fig. CoulsonFig. 12.49 3.- Métodos para flujo en 2 fases Modelo de flujo va cambiando a lo largo del cambiador → Resolución por pasos Factor para flujo medio de vapor en el cálculo de (-ΔP) K2 Factor k kg vapor in/ kg vapour out Kg vapor entrada/ kg vapor salida Fig. 12.49 TEMA 9.1- CONDENSADORES DE CARCASA Y TUBOS. OBJETIVOS La finalidad principal de este tema es conocer las características más significativas en el dimensionado de condensadores de carcasa y tubos y aprender a diseñar térmicamente este tipo de equipos. Concretamente 1.Conocer las características de construcción típicas de los condensadores de carcasa y tubos 2.Calcular el área de intercambio de calor necesaria para un condensador de carcasa y tubos 3.Dimensionar condensadores de carcasa y tubos 4. Introducir la condensación de mezclas. 4. Evaluar la caída de presión en un condensador de carcasa y tubos
