TEMA 9.- CONDENSADORES Y EBULLIDORES - IqTMA-UVa

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
(h
c
)
m,1
=
0.95·k
L
⎡ρL(
ρL
− ρv
)·g⎤
· ⎢
L·M
⎥
⎣ μ
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
N
D
=
P
b
c =
t
Diámetro
Paso
de
de
bancada
tubo

Condensación por el interior y exterior de tubos verticales
- Flujo laminar del condensado: (Nusselt)
1/ 3
⎡ ρL(
ρL
− ρ
v
)·g⎤
( hc
)
v
= 0.926·k
L·
⎢
L·M
⎥ ⎣ μ
V ⎦
Re
4·M
= μ
V
C
<
L
30
Para una bancada de tubos:
Para el interior de tubos
M
V
=
GC
N · π·d
t
i
Para el exterior de tubos
M
V
=
GC
N · π·d
t
o
Props. Físicas
− Tcondensación
Evaluadas a T media de la película de T =
condensado: 2
− T
pared
tubo

- 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
Pr
C
=
CP·
μL
k
L
- 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
(h
c
)
BK
=
1/ 2
⎡ J1
+
h'
i·
⎢
⎣ 2
J
1/ 2
2
⎤
⎥
⎦
donde:
J
⎡ρL
− ρv
⎤
= 1+ ⎢⎣ ⎥·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
h'
i
⎛k
= 0.021· ⎜
⎝ d
L
i
⎞
⎟·Re
⎠
0.8
·Pr
0.43

→ En un condensador la corriente de entrada
normalmente es vapor saturado, y éste condensa
completamente
x1 = 1 x2 =0 →
(h
c
)
BK
=
⎡ 1+
h'
i·
⎢
⎣
ρ
2
L
/ ρ
V
⎤
⎥
⎦
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→
[
2 4 2 4
u
1/ · ρ
1/ + u
1/ · ρ
1/ ] < 0.6[ g·d ·( ρ − ρ ] 1/ 4
v v L L
i L V
)
u v , u L : velocidades superficiales de vapor y líquido
di |=| m
u v , u L evaluadas en la parte baja del tubo → Zona
crítico

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 →
1/ 3
⎡ρL(
ρL
− ρv
)·g⎤
( hc
)
s
= 0.76·k
L·
⎢
μL·M
⎥
H ⎦
⎣
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)
ΔT
m
=
ΔT
Ln
=
T2
T
Ln
T
− T1
− T
− T
sat
sat
1
2
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 sobrecal
..
T
Condensación
T sat
T subenfr.
q transferido
Sabemos que :
U sensible
< U condensación

Sabemos que :
U sensible
< U condensación
Sobrecalentamiento grande → dividir el intercambiador en
secciones y determinar (ΔT) m y U para cada sección
Sobrecalentamiento bajo < 25%·q latente y T refrigerante a la
salida es inferior al punto de rocío del vapor → q sobrecal.
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 T rocío
- 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
Refrigerante
Diferencial
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 → (h C ) 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·(h C ) medio
Kern (1950) → Incrementar el área necesaria en una
cantidad =
q
sen sible
+ q
q
latente
latente
- 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
h '
cg
=
1
h'
c
+
Z
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)
Correlación de Silver (1947):
1
h '
cg
=
1
h'
c
+
Z
h'
g
ΔH
=
S
Z = x·
Cpg
·
ΔHT
dT
dH
T
S
T
H
H
dT
Δ
Δ
dH T
: relación entre el calor sensible y el calor total
: Pendiente del diagrama T-H
x: fracción en masa del vapor (calidad del vapor)
Cp g
: 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
A
=
q
T
∫
dq
U·(
T v
− t c
0
)
q T
: calor total transferido
U: evaluado utilizando h’ cg
T v
: T local del vapor (gas)
t c
: T local del refrigerante

En función de coefs. medios
Gilmore (1963):
1
h
cg
=
1
h
c
+
q
q
g
T
1
·
h
g
donde:
h cg
: coef. medio efectivo
h c
: coef. medio de película del condensado. Evaluado con correlaciones de
un único componente, a la composición media del condensado, y carga
total del condensado
h g
: 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
q g
: calor sensible total transferido desde el vapor (gas)
q T
: Calor total transferido = q latente
+ q sensible
(enfriar el gas y el
condensado)

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 q latente en q total
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)
W s (medio) = W s (entrada) ·K 2
Donde:
K 2 vs kg vapor entrada/ kg vapor salida = f(ΔT entrada /ΔT salida )
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)
K 2
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