Cambiador de calor de serpentines

Cambiadores de calor de serpentines y chaqueta
Son cambiadores de calor sencillos empleados para calentamiento o enfriamiento,
se usan mucho como parte de los alambiques, los reactores y las ollas de cocción.
Los cambiadores de calor de serpentín y de chaqueta están por lo general
provistos de equipo de agitación para mejorar los coeficientes.
Como en los otros cambiadores ya vistos laecuación general de diseño es :
Q = Uo Ao ∆Tln
Serpentines
Son tubos arrollados en espiral que se colocan en el interior de los tanques a los
que se desea calentar o enfriar. Por lo general por el interior del serpentín se
introduce el agua de enfriamiento o el vapor de calentamiento.
1
UO 
x Do
1
Do
Do
 Rdo 

 Rdi
hO
k W Dwm Di hi
Di
El coeficiente interno hi , dependerá delfenómeno que se produzca, que en
general está dado por :
a) Convección forzada sin cambio de fase.
b) Convección con cambio de fase ( Condensación).
Para los casos a y b se deberá emplear lo dicho en los cambiadores de doble
tubo.
Para obtener el coeficiente de transferencia de calor para el lado del interior del
tanque ho:
2
3

1

 Da N    Cp   3  
ho DT
 
 a
 


k

 k   s


2






0.14

Los valores de a dependen del tipo de calentador y del agitador empleado.
Agitado
r
Turbina
Turbina
Paletas
Paletas
Ancla

Superfici
e
Chaqueta
Serpentín
Chaqueta
Serpentín
Chaqueta

a
0.62
1.5
0.36
0.87
0.54

Propela
Propela

Chaqueta 0.54
Serpentín 0.83

¿Cómo se calcula la potencia requerida en un agitador?¿Para que se emplean los deflectores o baffles?

Fig. 19.- Tipos de agitadores..
Chaquetas o camisas de calentamiento
Consisten en un tanque con doble fondo por el que pasa el agua o el vapor de
calentamiento.
En estos cambiadores el coeficiente interno está regido por :
a) Calentamiento o enfriamiento.
b) Condensación de un vapor.
Para el caso (b).
Condensación de vapores en el interior detubos verticales

 V


 L

0.5

  L 
 
Nu  0.0054PrL  ReV 
  

  V
hDi
4W
; ReV 
;PrL = Prandlt del líquido
en donde Nu 
kL
 v Di
condensado
W = flujo másico de vapor, kg/ s
kL = conductividad térmica del líquido ; μL viscosidad del líquido;
μV = viscosidad del vapor ;ρL = densidad del líquido ; ρV = densidad del vapor.
Todas las propiedadesdel fluido se determinan a la temperatura local de
saturación.
También puede usarse el valor de hi = 5000 kcal /h m2 ° C como una buena
aproximación para empezar los cálculos.
Para el caso a)
Si la chaqueta tiene mamparas en espiral y el Re es mayor de 10 000 entonces
De 

hij  hi1  3.5

Di 

0.65

0.9

 
hiDe
 0.027 Re 0.8 Pr 0.33 

k
 S
Re 




0.14

DeV



De  4w
en donde w = ancho del espacio anular.
Si la chaqueta no tiene mamparas. Para Reynolds grandes >4000
 
hiDe
 0.27 Re 0.8 Pr 0.33 

k
 S






0.14

 Dje 2  Dji 2 

De  


Dji


Djo = diámetro externo de la chaqueta; Dji = diámetro interno de la chaqueta.
Para Reynolds bajos
0.8

hiDe
 De   Djo 

 1.02 Re 0.45Pr 0.33 
 


k
 L   Dji 
y De = Djo – Dji
L= longitud de paso por la chaqueta.
0.4

 


 S






0.14

Gr 0.05

El coeficiente externo ho se calcula a partir de las fórmulas manejadas en el caso
del serpentín.
Cálculo de la potencia del agitador
La agitación se puede llevar acabo en tanques con deflectores o mamparas o sin
éstas. Si el tanque no tienemamparas se presenta el vórtice.

Fig 20.- Agitador con mamparas

Fig.21.- Agitador sin mamparas

Cuando se presenta vórtice se requiere evaluar un número adimensional llamado
de Froude, que toma en cuenta los efectos del vórtice.

DaN 2
en donde Da es el diámetro del agitador, N son las revoluciones por
g
segundo del agitador y g la aceleración de la gravedad.
Para obtener la...