intercambiador de calor de placas plate heat exchanger
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1 ANÁLISIS DEL DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS Presentado por: DANIEL FERNANDO GÓMEZ GUZMÁN WILSON ROJAS Director: DIEGO MUÑOZ INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO
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ANÁLISIS DEL DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS
Presentado por:
DANIEL FERNANDO GÓMEZ GUZMÁN
WILSON ROJAS
Director:
DIEGO MUÑOZ
INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROYECTO CURRICULAR
COLOMBIA
2014
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TABLA DE CONTENIDO
1. Contexto...................................................................................................................................3
2. Porque utilizar un Plate Heat Exchanger en lugar de un Shell and Tube Heat Exchanger?....3
3. Que es un Plate Heat Exchanger?............................................................................................4
4. Diseño de un Plate Heat Exchanger.........................................................................................5
4.1 Marco 5
4.2 Juntas 5
4.3 Placas 7
5. Patrones de flujo....................................................................................................................10
6. Modelado y análisis...............................................................................................................11
Referencias................................................................................................................................12
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1. Contexto
La industria manufacturera ha restringido información vital para desarrollar los PHE y por
esta razón se encuentran datos poco relevantes en la literatura. Por medio de un modelamiento y
simulación se puede analizar un patrón de corrugación sugerido que puede ser comercializado. A
nivel industrial los dispositivos actuales tienen muchas limitaciones cuando se trabajan con
presiones y velocidades altas y por ello solo se emplean para presiones bajas y medias, además de
no ser recomendados para fluidos con una viscosidad muy alta que generen velocidades menores
a 0,1 m/s ya que producen un bajo coeficiente de transferencia de calor y una baja eficiencia.
2. Porque utilizar un Plate Heat Exchanger en lugar de un Shell and Tube Heat
Exchanger?
En un PHE las vibraciones, ruido y suciedad no están presentes como en el STHE. Los PHE
inducen turbulencias en velocidades de flujo bajas por ello tienen aplicaciones para fluidos de
alta viscosidad. Un fluido suficientemente viscoso para producir flujo laminar en un STHE puede
ser un flujo turbulento en un PHE.
Un PHE generalmente es más económico que otros tipos de intercambiadores equivalentes.
Un PHE se ensucia un 10-25% de lo que se ensucia un STHE. El tiempo requerido para abrir
un PHE es 15 minutos mientras que en un STHE es entre 60-90 minutos.
En un PHE se pueden lograr diferencias de temperatura final de 1 a 2 °F entre los dos líquidos.
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PHE tiene ventajas como: flexibilidad, eficiencia en transferencia de calor, poco peso, costo de
construcción reducido, facilidad para realizar mantenimiento (barato y rápido de hacer).
Usualmente un PHE se limpia una vez por día.
3. Que es un Plate Heat Exchanger?
Un PHE es un dispositivo diseñado para intercambiar calor entre dos líquidos por medio de
placas corrugadas y juntas (Gaskets) arregladas en un marco que dispone de un componente
movible para generar presión en juntas y placas adyacentes. De esta forma se garantiza un sellado
y se reduce el riesgo de mezclar los líquidos teniendo una alta eficiencia en la transferencia de
calor por conducción y convección. Cada placa tiene 4 aberturas que sirven como puertos de
entrada y salida. El diseño de las juntas permite direccionar fluidos en trayectorias alternas como
se muestra en la figura 1
Figura 1.Intercambiador de calor de placas.
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Dr. Richard Seligman, el fundador de APV International, introdujo el primer diseño de PHE
comercialmente exitoso en 1923.
4. Diseño de un Plate Heat Exchanger.
4.1 Marco
El marco es usualmente construido en acero al carbono para controlar la
resistencia a la tracción, tenacidad y ductilidad por medio de impurezas y
porcentajes de carbono. El marco es pintado para darle resistencia a la
corrosión
Figura 2.Marco.
4.2 Juntas
Los materiales más comunes para una junta y su máxima temperatura de operación son:
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Figura 3.Materiales más comunes para una junta.
Al seleccionar el material de la junta se deben cumplir los requerimientos: buena resistencia
química y resistencia a la temperatura, además de tener un buen sellado.
Las juntas permiten establecer el factor de seguridad del intercambiador ya que son las
responsables de que los líquidos no se mezclen, en cualquier tipo de arreglo de flujo ésto se
cumple.
Figura 4.Junta.
Los pasajes de flujo alternos son formados por las juntas, los líquidos al circular por dichos
caminos intercambian calor.
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Figura 5.Placas.
Figura 6.PHE.
4.3 Placas
El elemento que garantiza el éxito en el intercambio de calor es el patrón de corrugación de las
placas ya que produce la alta turbulencia, lo cual aumenta el coeficiente de intercambio y reduce
el ensuciamiento y por tanto el mantenimiento. Actualmente existen 60 patrones a nivel mundial,
los modelos más conocidos son el Chevron o Herringbone y el Washboard. En base a estas
geometrías se ha desarrollado la industria del calor.
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Figura 7.Washboard.
Figura 8.Herringbone.
La periferia de cada placa tiene una ranura para alojar una junta, la cual entra a presión.
Figura 9.Placa con ranura.
El material de placas debe ser resistente a la corrosión, los materiales usados son
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Figura 10.Materiales comunes de una placa.
La profundidad de corrugación de las placas debe ser de 3 a 5mm. El espaciamiento entre
placas adyacentes está en el rango de 1.3 hasta 6.4mm, es importante tener en cuenta que las
juntas están en contacto con la placa siguiente.
El patrón Herringbone se sugiere en el diseño ya que imparte un movimiento de remolino al
fluido, produciendo una alta turbulencia y por ende un muy alto coeficiente de transferencia de
calor
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Figura 11.Placa con patrón Herringbone.
El ángulo de Chevron (β) mostrado en la figura 11 debe estar en los rangos:
*25-30 para proporcionar altas caídas de presión y un alto coeficiente de intercambio.
*60-65 para proporcionar bajas caídas de presión y un bajo coeficiente de intercambio.
El número y tamaño de las placas son determinados por el arreglo de flujo, propiedades del
líquido y temperatura.
5. Patrones de flujo.
En un PHE, muchos patrones de flujo pueden ser logrados:
a) Arreglo de flujo en serie, en el cual un camino es continuo y cambia de dirección después de
cada trayectoria vertical
b) Arreglo U, arreglo Z
c) Multipaso con pasos iguales, donde el camino se divide en un número de canales de flujo
paralelos y luego se recombinan a través de la salida en un solo camino.
d y e) Multipaso con pasos desiguales
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Figura 10.Patrones de flujo.
6. Modelado y análisis.
El modelo CAD se realizó en ANSYS y presenta una simulación por volumen de flujo que
comprueba que el diseño obtenido es correcto: Hay dos volúmenes de flujo que no se
entremezclan. El mallado de la geometría completa es innecesario ya que el análisis se puede
realizar por medio de la discretización del volumen de flujo frio y caliente.
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El método de mallado más adecuado varía según la geometría a mallar y por consiguiente la
elección de éste es por ensayo error según los resultados que se deseen obtener.
El tiempo de mallado aumenta considerablemente entre más pequeña sea la geometría por ello
es importante limpiar la geometría o en su defecto emplear un Patch Independent en lugar de un
Patch Conforming
Se debe tratar en lo posible de tener unas buenas métricas ya que los resultados se ven
afectados si la relación de aspecto y oblicuidad son pobres en vista de que en los cálculos que se
realizan en cada nodo se parte de la suposición de tener un triángulo equilátero y un cuadrado en
cada cara del respectivo tetraedro o hexaedro
7. Referencias
Lee, Jonghyeok y Lee, Kwan-Soo (2014). Flow characteristics and thermal performance in
chevron type plate heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1(3), 700-
708.
Zhou, Yuanyuan y Li, Yanzhong (2014). Optimization of plate-fin heat exchangers by
minimizing specific entropy generation rate. International Journal of Heat and Mass Transfer,
3(1), 943-948.
Yang, Yujie y Li, Yanzhong (2013). General prediction of the thermal hydraulic performance for
plate-fin heat exchanger with offset strip fins. International Journal of Heat and Mass Transfer,
10(1), 861-872.
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Lee, Eungchan y Kim, Yongchan (2014). Thermal resistance in corrugated plate heat exchangers
under crystallization fouling of calcium sulfate. International Journal of Heat and Mass Transfer,
4(2), 909-910.
Mota, Fábio y Ravagnani, Mauro (2013). Optimal design of plate heat exchangers. Applied
Thermal Engineering, 3(6) ,34-42.
Arsenyeva, Olga y Kapustenko, Petro (2014). Generalised semi-empirical correlation for heat
transfer in channels of plate heat exchanger. Applied Thermal Engineering, 4(1), 1209-1211.
