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MÓDULO DE AUTOAPRENDIZAJE SOBRE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Maria Alejandra Anaya Gomez

Created on April 11, 2022

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Módulo de aprendizaje DE INTERCAMBIADORES DE CALOR en aspen-hysys

María Alejandra Anaya Gómez

Tomado de Intercambiadores de Calor (Cartagena), Flickr, 2011, https://www.flickr.com/photos/repsol/22322982933

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MÓDULO 1

MÓDULO 3

MÓDULO 2

(Fundamentos)

(Simulación)

(Diseño)

NOMENCLATURA DE LOS ICONOS INTERACTIVOS

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MÓDULO 1

FUNdamentos sobre iNTERCAMBIADORES DE CALOR

1. FUNDAMENTOS

2. CRITERIOS DE SELECCIÓN

3. APLICACIONES INDUSTRIALES

4. SIMULACIÓN EN ASPEN HYSYS

5. QUIZ TEÓRICO

6. EJERCICIOS EN HYSYS

7. EJERCICIOS PROPUESTOS

MÓDULO 2

iNTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

1. Conceptos

2. Simulación en Aspen HYSYS

3. Situaciones especiales

4. QUIZ teóricO

5. Ejercicios en HYSYS

6. Ejercicios Propuesto

7. ENCUESTA DE SATISFACCIÓN

MÓDULO 3

DISEÑO DE iNTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

7. CAIDAS DE PRESIÓN

1. DISEÑO

2. DIMENSIONAMIENTO

8. DISEÑO EN ASPEN HYSYS

3. TUBOS

9. QUIZ TEÓRICO

4. CARCASA

10. EJERCICIOS EN HYSYS

11. EJERCICIOS PROPUESTOS

5. UBICACIÓN DE LOS FLUIDOS

12. ENCUESTA DE SATISFACCIÓN

6. INCRUSTACIONES (FOULING)

1. FUNDAMENTOS

Mecanismos de transferencia

Intercambiadores de calor

Clasificación

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intercambiadores de calor

Son equipos que se utilizan para transferir calor entre dos fluidos (frío y caliente) a diferentes temperaturas. Estos equipos se utilizan en la calefacción y el aire acondicionado, la producción de electricidad, la recuperación de calor residual y algunas aplicaciones de tratamiento químico, etc. (Incropera & DeWitt, 1999).

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Convección
Conducción
Radiación

Lo dos más usuales en un intercambiador de calor son: convección en el fluido y conducción a través de la pared que los separa (Cengel, 2016).

La radiación suele presentarse en hornos unicamente.

CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN

SUPERFICIE EXTENDIDA

TUBULARES

PLACAS

DOBLE TUBO

TUBOS-ALETAS

CARCASA Y TUBOS

TUBOS EN ESPIRAL

ENFRIADOR DE AIRE (AIR COOLER)

CALDERAS

DOBLE TUBO

Consta de dos tubos concéntricos, generalmente de forma curva en U, la disposición del flujo puede ser a contracorriente o paralelo, el fluido caliente o frío circula por el espacio anular, y el otro fluido pasa por el tubo interior (Lagos & Elisa, 2004)

Nota. Adaptado de Concentric tube or Double-pipe Rattanamaung, M., 2015, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pro10.jpg

carcasa y tubos

Consta de un grupo de tubos redondos, que se instalan en una carcasa cilíndrica, el eje del tubo es paralelo al eje de la carcasa. Un fluido fluye por el interior de los tubos y el otro fluye por fuera de los tubos dentro de la carcasa (K. Subasgar, 2010)

Nota. Diseñado por el Ing. Químico UIS Francisco Torres

CALDERAS O GENERADORES DE VAPOR

Es una cámara circular compuesta por un haz de tubos en el cual se presenta la transferencia de calor entre los gases de combustión y el agua.

Se clasifican en función a la posición relativa entre el agua y los gases de combustión (Valdovinos, 2018):

Pirotubulares

Acuotubulares

Intercambiadores de calor de placas

Se utiliza para transferir calor a cualquier combinación de flujo de gas, líquido y de dos fases.

Está compuesto principalmente por varias placas de metal corrugado en contacto paralelas entre sí. El fluido caliente y frio fluyen en contracorriente y en forma alternada entre las placas (K. Subasgar, 2010).

Nota. Tomado de Intercambiador de calor de placas, Rattanamaung, M., 2015, https://commons.wikimedia.org

PLACAS EN ESPIRAL

Se fabrican enrollando dos placas largas paralelas en una espiral utilizando un y soldando los bordes de las placas adyacentes para formar canales. El fluido caliente ingresa por el centro del espiral mientras el frío por la periferia (Minton, 1970).

mandril

Nota. Adaptado de Spiral-Heat-Exchanger-Schematic, Michael Schmid, 2013, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spiral_heat_exchanger.png

Intercambiadores de calor de superficies extendidas

Tubo-aleta

Son intercambiadores de superficies extendidas donde los tubos son aleteados en la parte externa para aumentar el área de transferencia de calor. Por el interior de los tubos fluye el líquido y por la superficie exterior de la aleta fluye el gas (Córdoba Tuta & Fuentes Díaz, 2016)

Tubos con aletas circular

Tubos con aletas de placa

Enfriador de aire (Air cooler)

Consisten en una o más filas de tubos horizontales con aletas y un ventilador mecánico hace circular el aire forzadamente hacia arriba.

El aire absorbe el calor del exterior de los tubos y enfrían el fluido que circula dentro de los tubos.

El aire caliente generalmente se dispersa en la atmósfera y el calor se disipa al ambiente (Rodriguez, 2006)

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2. CRITERIOS PARA SELECCIONAR EL TIPO DE INTERCAMBIADOR

Los más importantes son la presión de operación, los materiales de construcción, la temperatura de diseño, el caudal, la caída de presión, el ensuciamiento, los tipos y fases de fluidos (frío y caliente) que interactúan en el intercambiador (los fluidos se pueden caracterizar por su temperatura, presión, fase, propiedades físicas, toxicidad, corrosividad y tendencia al ensuciamiento), el mantenimiento y limpieza, así como el costo.

(Kakaç et al., 2012).

Materiales de construcción

La capacidad conductora del material es primordial. Cuanto más conductivo sea el material, mayor será el intercambio de calor. Asimismo, poder soportar la corrosión, la temperatura y la presión de operación (Thulukkanam, 2013).

Presión de operación

La presión de diseño es importante para determinar el espesor de los componentes que soportan la presión. Cuanto mayor sea la presión, mayor será el espesor requerido por las paredes que soportan la presión(Kakaç et al., 2012).

Temperatura de Diseño

Este parámetro es importante, ya que indica si un material, a la temperatura de diseño, puede soportar la presión de operación y las distintas cargas impuestas al componente. Para las aplicaciones de baja temperatura y criogénicas, la resistencia a la tenacidad es un requisito primordial, y para las aplicaciones de alta temperatura el material debe presentar resistencia a la fluencia(Thulukkanam, 2013).

Caudal

A mayor caudal, mayor área de flujo. Esto limita la velocidad de flujo a través de las tuberías, ya que las velocidades altas perjudican la caída de presión y la erosión del material.

A veces se requiere un caudal mínimo para mantener la transferencia de calor, eliminar las zonas estancadas y minimizar las incrustaciones (Thulukkanam, 2013).

Caída de presión

Una alta caida de presión implica tener que invertir más dinero para equipos de bombeo y de compresión.

Por lo tanto,los intercambiadores de calor deben diseñarse para evitar la caída de presión en los codos, boquillas y cabezales de entrada y salida tanto como sea posible(Thulukkanam, 2013).

Ensuciamiento

Son los depósitos indeseables formados en la superficie interna del intercambiador de calor, aumentan la resistencia al flujo de fluido y a la transferencia de calor, lo que resulta en una mayor caída de presión. Esto implica diseñar intercambiadores más grandes para compensar el efecto del ensuciamiento (Thulukkanam, 2013).

Tipos y fases de los fluidos

Según el tipo de intercambiador, las fases de los fluidos en la unidad pueden ser: líquido-líquido, líquido-gas y gas-gas.

El fluido en fase líquida suelen ser los más fáciles de manejar. Su alta densidad y propiedades de transporte permiten obtener un alto coeficiente de transferencia de calor con una caída de presión relativamente baja (Thulukkanam, 2013).

Aspectos de mantenimiento, inspección, limpieza, reparación y ampliación

Deben tenerse en cuenta al diseñar aplicaciones específicas. Por ejemplo, en las industrias farmacéutica, láctea y alimentaria se requiere de acceso rápido a las piezas internas para una limpieza frecuente. (Thulukkanam, 2013).

Tomado de Limpieza-de-alta-presión-de-las-piezas-del-intercambiador-de-calor, Aranas, U., 2010, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:High-Pressure-Cleaning-of-Heat-Exchanger-Parts.jgp.jpg

Se deben consideras los costos de fabricación, operación y de mantenimiento.

Costo de fabricación: Cuanto menor sea la superficie de transferencia de calor, menor será el costo.

Costos

El costo operativo: Algunos intercambiadores requieren adicionalmente operar con equipos de bombeo, como ventiladores, sopladores y equipos de compresión.

Los costos de mantenimiento: Incluyen el costo de las piezas que requieren reemplazo frecuente debido a la corrosión e incrustaciones.

(Thulukkanam, 2013).

Criterios para seleccionar el tipo de intercambiador

Adaptado de Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I : Journal of Systems and Control Engineering, Larowsk, A., & Taylor, M. A., 1995,https://doi.org/10.1243/PIME

Notas

Adaptado de Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I : Journal of Systems and Control Engineering, Larowsk, A., & Taylor, M. A., 1995,https://doi.org/10.1243/PIME

Notas

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3. APLICACIONES INDUSTRIALES

CARCASA Y TUBO

DOBLE TUBO

Procesos de pasteurización, recalentamiento, precalentamiento, calentamiento de digestores y calentamiento de efluentes (Omidi et al., 2017).

En la refinación del petróleo crudo, en trenes de precalentamiento del alimento en las columnas de destilación (Gelvez, 2018).

CALDERAS

PLACAS EN ESPIRAL

En la producción de alimentos y bebidas, generación de energía eléctrica y esterilización de material médico (Valdovinos, 2018).

En el rehervido, la condensación, el calentamiento o el enfriamiento de fluidos viscosos, lodos y fangos (Thulukkanam, 2013).

PLACAS

En la industria de alimentos se usan para calentar el agua para esterilizar alimentos o elevar la temperatura de estos para descontaminarlos (proceso de pasterización) (Intersam, 2020).

En la industria cervecera se usan para enfriar el mosto y evitar cualquier tipo de contaminación e iniciar el proceso de fermentación (Laygo Gaskets, s.f.).

ENFRIADOR DE AIRE

TUBOS-ALETAS

Condensadores y evaporadores de acondicionadores de aire, radiadores de motores de combustión interna, enfriadores de aire de carga e intercoolers para enfriar el aire de admisión de los motores diésel. (Sinnott, 2005).

Se utilizan ampliamente en metalurgia, industria petroquímica, industria química, industria farmacéutica, industria del carbón, industria de energía eléctrica (Heng An, 2019).

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4. SIMULACIÓN EN ASPEN HYSYS

Simulador Aspen HYSYS

Simulación de un calentador ( Heater) y enfriador (Cooler)

Grados de libertad

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SIMULADOR ASPEN HYSYS

Es una de las herramientas de simulación de procesos químicos más utilizadas en la industria química. Permite simular cualquier proceso químico mediante modelos matemáticos que pueden ir desde una simple operación unitaria hasta el modelado de plantas industriales completas (Hysys Operations Guide, 2005).

Hysys cuenta con un número de operaciones unitarias y entre ellas están las que se rigen por la termodinámica y los balances de masa/energía, como los Intercambiadores de calor. Entre estos encontramos (Hysys Operations Guide, 2005):

Carcasa y tubos (Heat Exchanger)

Enfriador de aire (Air cooler)

Calentador (Heater)

Enfriador (Cooler)

Horno (Furnace)

Intercambiador LNG (LNG Exchanger)

Carcasa y tubos: Requiere de dos corrientes (fría y caliente) para la transferencia de calor, una de ellas fluye por los tubos y la otra por la carcasa.

Horno: Requiere una gran cantidad de calor de entrada. El calor se genera por la combustión del combustible y es transferido a uno o más fluidos que fluyen dentro de los tubos en diferentes zonas del horno: radiantes, convectiva y economizador.

Enfriador de aire: Utiliza una mezcla de aire como medio de transferencia para enfriar (o calentar) una corriente de proceso.

Intercambiador LNG ( Liquefied Natural Gas): La transferencia de calor ocurre entre varias corientes frías y calientes al mismo tiempo.

(Hysys Operations Guide, 2005)

Simulación de un calentador (heater) y enfriador (cooler) en Aspen HYSYs

Son denominados intercambiadores teóricos ya que no existe en la vida real un intercambiador con una sola corriente, es decir, solo se simula una de ellas y la otra queda representado por una corriente imaginaria de energía .

Heater

Esa corriente de energía térmica es un truco del simulador y sirve para la simulación porque a veces no es de interés simular la corriente de servicio sino el fluido del proceso unicamente.

Cooler

CÁLCULOS BÁSICOS PARA UN HEATER Y COOLER

Balance de masa global y por componente

Balance de energía

Caída de presión

balances de masa global y por componentes

Nomenclatura

: Flujo másico [=] kg/s

Xi: Composición del fluido i

balances de energía

Nomenclatura

: Flujo másico [=] kg/s

: Entalpía [=] J/kg

: Calor transferido [=] J/s

caída de presión

Nomenclatura

: Caída de presión [=] Pa

El enfriador y el calentador utilizan las mismas ecuaciones y su principal diferencia es la convención del signo del balance de energía. Si es positivo el fluido se está calentado y si es negativo se está enfriando.

Si el usuario ingresa en el simulador un valor de Q positivo en el calentador(Heater) o el enfriador(Cooler), Hysys usará la convención de signos apropiada para la unidad (Hysys Operations Guide, 2005).

Grados de libertad de un calentador (Heater) y un enfriador (Cooler)

Los grados de libertad son las variables que se deben fijar en el calentador/enfriador de tal manera que este completamente determinado y tenga solución.

Las variables en color azul son datos conocidos por el usuario y se deben ingresar al simulador para que el modelo converja y así el simulador pueda calcular las variables que quedan en color negro.

Cabe resaltar que el usuario es quien decide que variables va a dejar en color azul y cuales en color negro, dependiendo de ello se encontrará con múltiples opciones en los grados de libertad.

ESQUEMA DE Grados de libertad de un calentador (Heater)

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

Grados de libertad de un calentador (Heater) y un enfriador (Cooler)

PRIMERA OPCIÓN

Corriente de salida

Corriente de entrada

Calentador

T, P, X,

ΔP, Q

SEGUNDA OPCIÓN

Corriente de entrada

Calentador

Corriente de salida

T, P, X,

ΔP, Q

T, P, X,

T, P, X, : Temperatura, Presión, Composición, Fracción de vapor, Flujo másico

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

Grados de libertad de un calentador (Heater) y un enfriador (Cooler)

TERCERA OPCIÓN

Calentador

Corriente de entrada

Corriente de salida

T, P, X,

ΔP, Q

CUARTA OPCIÓN

Corriente de entrada

Calentador

Corriente de salida

T, P, X,

ΔP, Q

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

Grados de libertad de un calentador (Heater) y un enfriador (Cooler)

QUINTA OPCIÓN

Corriente de entrada

Corriente de salida

Calentador

ΔP, Q

T, P, X,

V, T, P, X,

La idea es siempre completar los grados de libertad, si desconocemos ΔP y Q del calentador se debe compensar con la T y P de la corriente de salida (segunda opción). Ahora si desconocemos la T y de la corriente de entrada, compensamos con V (fracción de vapor) de la corriente de salida (quinta opción).

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5. QUIZ teóricO

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6. Ejercicios en hysys

Solución paso a paso de los ejercicos 1, 2 y 3 (pdf)

Simulación Ejercicio 1

Simulación Ejercicio 2

Simulación Ejercicio 3

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7. Ejercicios propuestos

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1. Conceptos

Intercambiador de calor

Condensadores

Rehervidor

Componentes

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INTERCAMBIADOR DE Calor

Su diseño se basa en una carcasa y varios tubos en su interior, por dentro de los tubos fluye uno de los fluidos y por fuera de ellos (la carcasa) fluye el otro de tal manera que a través de la pared de los tubos es que ocurre la transferencia de calor.

Aplicación a nivel industrial

Intercambiador de calor de carcasa y tubos de un sistema de aire acondicionado a un edificio grande.

Tomado de Shell and Tube Heat Exchanger of Chiller, Saud, 2019, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Shell_and_Tube_Heat_Exchanger_of_Chiller.jpg

Componentes

Cabezal delantero

Cabezal posterior

El intercambiador de calor de carcasa y tubos se divide en tres secciones:

Carcasa

Las normas TEMA es un código internacional que asigna a cada sección del intercambiador una letra.

TEMA:AES

Nota. Diseñado por el Ing. Químico UIS Francisco Torres

La primera letra representa el cabezal delantero, la segunda la carcasa y la tercera el cabezal posterior.

Configuraciones estandard de intercambiadores de calor de carcasa y tubos según código tema

Adaptado de Configuracion de intercambiadores TEMA, Htopias, 2010, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Configuracion_de_intercambiadores_TEMA.jpg

Partes de un intercambiador de calor de carcasa y tubos

1. Boquilla de entrada por los tubos 2. Boquilla de salida por los tubos 3. Boquilla de entrada por la carcasa 4. Boquilla de salida por la carcasa 5. Cabezal posterior 6. Carcasa 7. Placa tubular 8. Cabezal frontal 9. Haz de tubos 10. Deflectores

Nota. Diseñado por el Ing. Químico UIS Francisco Torres

Condensadores

Estos equipos condensan los vapores de manera parcial o total sin existir contacto entre los fluidos y el intercambio térmico se realiza a través del haz tubular. Ejemplo: condensador tipo BEM.

Adaptado de BEM Type Shell and Tube Heat Exchanger (with Two Tube Passes), Oschal, 2014, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wymiennik_BEM_dwubiegowy.jpglo

PERFIL DE TEMPERATURA DE UN CONDENSADOR

Cuando el vapor ingresa al condensador (sobrecalentado), mientras que el condensado que sale se enfría por debajo del punto de ebullición (subenfriado)

Enfriamiento del vapor

Si el grado de sobrecalentamiento es grande, se debe dividir el perfil de temperatura en varias secciones y determinar la diferencia de temperatura media y el coeficiente de transferencia de calor de cada sección por separado.

Si la temperatura de la pared del tubo es más baja que el punto de rocío del vapor, el líquido se condensará directamente del vapor en los tubos.

Subenfriamiento del condensado

Es la disminución de la temperatura por debajo del punto de condensación a una presión determinada.

Por lo general, se requiere un poco de subenfriamiento del condensado para controlar la altura de succión positiva neta en la bomba que suele ubicarse después del intercambiador o para enfriar la corriente del producto para su almacenamiento.

Cuando la cantidad de subenfriamiento es grande, es más eficiente subenfriar en un intercambiador por separado.

Rehervidor

Son intercambiadores de calor que normalmente emplean vapor de agua para transferir el calor al fluido a calentar.

Aplicación

Se conectan a la base de la columna de destilación con el objetivo de hervir el líquido de fondos de la torre para generar vapores que se devuelven a la torre para conducir el proceso de separación por destilación.

El rehervidor puede vaporizar parcial o completamente la corriente que recibe desde la parte inferior de la torre.

Rehervidor de TERMOSIFÓN HORIZONTAL

Adaptado de Thermosyphon Reboiler, Mbeychok, 2006, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermosyphon_Reboiler.png

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2. Simulación en Aspen HYSYS

Simulador Aspen HYSYS

Modelos del simulador

Grados de libertad

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Simulador Aspen HYSYS

Es una herramienta versátil para la simulación ideal, simple, semi-detallada, rigurosa y diseño óptimo de intercambiadores de calor de carcasa y tubos, incluyendo intercambiadores de una fase, condensación y evaporación.

Permite especificar las corrientes de entrada y salida, el tamaño y la geometría de los intercambiadores de calor directamente al diagrama de flujo.

CÁLCULOS BÁSICOS para un intercambiador de calor

Balances de masa global y por componentes

Caídas de presión

Ecuación de diseño

Balance de energía

balances de masa global y por componentes

Nomenclatura

: Flujo másico [=] kg/s

Xi: Composición del fluido i

balances de energía

Nomenclatura

: Flujo másico [=] kg/s

: Variación de la entalpía [=] J/kg

: Calor transferido [=] J/s

: Pérdidas de calor debido a las fugas presentadas en el lado frío [=] J/s

: Pérdidas de calor debido a las fugas presentadas en el lado caliente [=] J/s

caídas de presión

Nomenclatura

: Caída de presión [=] Pa

ecuación de diseño

Nomenclatura

: Calor transferido [=] J/s

: Coeficiente global de transferencia de calor [=] W/m2 °C

: Área de transferencia de calor[=] m2

: Factor de corrección del [=] adimensional

: Delta logarítmico de temperatura medio [=] ºC

ecuación de diseño

(LMTD) para flujo cruzado

Donde

se define como

: T entrada fluido caliente

: T salida fluido caliente

: T entrada fluido frío

:T salida fluido frío

T: Temperatura

Modelos del intercambiador según aspen hysys

Hysys posee cinco modelos de cálculo para la estimación del UA: 1. Simple End Point 2. Simple Weighted 3. Rigorous Shell and Tube 4. Steady State Rating 5. Dynamic Rating

Utilizaremos solo estos dos modelos para el desarrollo de este módulo

ASPEN HYSYS

Simple End Point

Se utiliza cuando no hay cambios de fase en el intercambiador de calor, el coeficiente global de transferencia de calor (U) y los calores específicos (Cp) de las corrientes laterales de la carcasa y tubos son constantes.

Los perfiles de temperatura de ambos lados del intercambiador son lineales.

Simple Weighted

Se utiliza cuando hay cambio de fase en uno o ambos lados del intercambiador. Las curvas de calor no son lineales y son divididas por intervalos debido a que las propiedades de los fluidos cambian dependiendo de la fase del fluido.

Grados de libertad DE los modelos Simple End Point y Simple Weighted

Los grados de libertad son las variables que se deben fijar en el intercambiador de carcasa y tubos de tal manera que este completamente determinado y tenga solución.

Las variables en color azul son datos conocidos por el usuario y se deben ingresar al simulador y las variables en color negro son calculadas por el simulador.

El usuario es quien decide que variables va a dejar en color azul y cuales, en color negro, dependiendo de ello se encontrará con múltiples opciones en los grados de libertad.

ESQUEMA DE LOS GRADOS DE LIBERTAD DE UN INTERCAMBIADOR de calor

TP X

∆P Q Dimensiones del intercambiador

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

Grados de libertad DE UN INTERCAMBIADOR de calor modelos Simple End Point y Simple Weighted

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

Primera opción

Segunda opción

Intercambiador

Corrientes de salida

Intercambiador

Corrientes de entrada

Ph, Fh, Xh, Th

ΔP tuboΔP carcaza specs

ΔP tuboΔP carcaza 1 spec

Th, Ph, , Xh

Th, Ph, Fh, Xh

Pc, Fc, Xc, Tc

Tc, Pc, Fc, Xc

Tc, Pc, , Xc

Th, Ph, , Xh: Temperatura, Presión, Flujo másico y Composición fluido calienteTc, Pc, , Xc: Temperatura, Presión, Flujo másico y Composición fluido frío

Especificaciones (specs): UA, h, ∆T, Min Approach, Duty (Leak, Loss), LMTD, Subenfriamiento, Sobrecalentamiento. Si se quiere incluir alguna pérdida de energía entonces hay que suministrar una especificación adicional.

Th, Ph, Fh, Xh: Temperatura, Presión, Flujo (másico,volumétrico,molar) y Composición fluido calienteTc, Pc, Fc, Xc: Temperatura, Presión, Flujo (másico,volumétrico,molar) y Composición fluido frío

Grados de libertad de UN INTERCAMBIADOR modelos Simple End Point y Simple Weighted

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

Segunda opción

Corrientes de entrada

Intercambiador

Corrientes de salida

Th, Ph, , Xh

Ph, , Xh, Th

ΔP tuboΔP carcaza 1 spec

Th Tc

Pc, , Xc, Tc

Tc, Pc, , Xc

Recuerde que la idea es siempre completar los grados de libertad y en esta opción se desconoce 1 spec entonces se debe compensar con una temperatura de las corrientes de salida Th o Tc.

Grados de libertad de UN INTERCAMBIADOR modelos Simple End Point y Simple Weighted

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

TERCERa opción

Corrientes de entrada

Intercambiador

Corrientes de salida

Th, Ph, , Xh

Ph, , Xh, Th

ΔP tuboΔP carcaza 1 spec

Th Tc

Pc, , Xc, Tc

Tc, Pc, , Xc

En esta opción se desconocen ΔP tubo y ΔP carcaza entonces para completar los grados de libertad se requieren de las presiones Ph, Pc y una temperatura Th o Tc de las corrientes de salida.

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3. Situaciones especiales

Aproximación y cruce de temperaturas

Factor de corrección (Ft)

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Aproximación y cruce de temperaturas

Aproximación de temperatura (Min. Approach)

Si la temperatura final del fluido frío es menor que la temperatura de salida del fluido caliente a contracorriente, se trata de la aproximación de temperatura.

Cruce de temperatura (Cross Temperature)

Si la temperatura final del fluido frío es más alta que la temperatura de salida del fluido caliente en contracorriente , entonces se trata de la temperatura cruzada.

Aproximación y cruce de temperaturas

En un intercambiador complejo de 2, 4, y 6 pasos por los tubos no es evidente detectar la aproximación y el cruce de temperaturas como en un intercambiador simple.

Adicionalmente, se deben revisar los siguientes indicadores:

LMTD > 0Min approach > 0 Hot pinch>Cold pinch (Punto caliente más cercano al frío > Punto frío más cercano al caliente)

Para evidenciarlo se debe construir un diagrama de temperatura versus calor transferido para verificar si las líneas se cruzan o se aproximan.

Si ninguno falla, pero la aproximación de temperatura (Min. Approach) es muy pequeña (por heurística Min. Approach >=10 °C) entonces no es aconsejable operar dicho intercambiador.

Si algún criterio falla entonces hay cruce de temperaturas:

Porque:

Hot pich>Cold pich15 ºC < 15.14 ºC

LMTD>0LMTD = 2.139x10-4

El área del intercambiador requerida aumentaría considerablemente.

Min. Approach>0Min. Approach = -0.139

Alguno de los flujos de los fluidos sería muy pequeño o muy grande.

¡Hay cruce de temperaturas!

Aproximación y cruce de temperaturas

Cabe aclarar que esto no ocurre en la vida real solo sucede en los simuladores y cálculos manuales.

El cruce de temperaturas implica violación de la segunda ley termodinámica, es decir,

Si el ingeniero calculista no está presto a detectar estos comportamientos anormales de los modelos matemáticos entonces sus simulaciones y/o diseños podrían ser claramente irreales.

¡NO ES POSIBLE!

FACTOR DE CORRECCIÓN (Ft)

En los intercambiadores de múltiples pasos los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez. En estos intercambiadores el flujo es una combinación de los tipos de flujo paralelo y contracorriente.

Por lo tanto, se debe introducir un factor de corrección "Ft" en la ecuación de diseño.

FACTOR DE CORRECCIÓN (Ft)

Este factor de corrección "Ft" depende del:

Número de pasos del intercambiador

TEMA del intercambiador

Es un valor menor o igual a uno. Heurísticamente el factor "Ft" debe ser mayor o igual a 0.8 (Bhatti et al., n.d.). Para intercambiadores de calor de tubos concéntricos el Ft = 1 y para el método Simple Weighted el Ft no se tiene en cuenta.

FACTOR DE CORRECCIÓN (Ft)

Cuando el valor Ft es muy bajo, el simulador lo reporta en la etiqueta de estado como “Ft Correction Factor is low” y la forma de solucionar este inconveniente es casi siempre modificando el TEMA del intercambiador.

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4. QUIZ teóricO

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5. Ejercicios en hysys

Solución paso a paso de los ejercicos 1 y 2 (pdf)

Simulación Ejercicio 1

Simulación Ejercicio 2

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6. Ejercicios propuestos

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Trabajo de Grado de la Escuela de Ingeniería Química Modalidad Práctica en Docencia

Presentado por: María Alejandra Anaya Gómez

Codirector: Iván Ordoñez Sepúlveda, Ing. Químico

Directora: Viviana Sánchez Torres, PhD

Colaborador : Francisco Torres Martínez, Ing. Químico

(Imágenes e animación del intercambiador de carcasa y tubos)

Bucaramanga, 2022

7. encuesta de satisfacción

Si solo va hacer el módulo 1 y 2 contestela ahora, de lo contrario diríjase al 3 módulo.

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1. DISEÑO de un intercambiador de calor

Se refiere a la selección del tipo de construcción, la disposición del flujo, el material de los tubos y el tamaño físico del intercambiador de calor para cumplir con los requisitos de transferencia de calor y caída de presión deseados. (Thulukkanam, 2013).

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2. DIMENSIONAMIENTO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

Las dimensiones de este tipo de intercambiador de calor son:

Longitud y diámetro de la carcasa
Longitud y número de tubos
Separación entre tubos (Tube pitch)
Disposición geométrica entre tubos

(Layout)

Deflectores
Códigos TEMA

Nota. Diseñado por el Ing. Químico UIS Francisco Torres

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3. TUBOS

Separación (Tube pitch)

Diámetro

Disposición (Layout)

Espesor

Disposición de los pases

Longitud

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diámetro

Se utilizan tubos de entre 1/4 in (6.35 mm) y 2 in (50.8 mm) de diámetro.

Para la mayoría de las aplicaciones, se prefieren los diámetros de 5/8 a 1 in (16 a 25 mm), ya que ofrecen coeficientes de transferencia de calor más altos, el intercambiador es más compacto y son más baratos (Sinnott, 2005).

Tomado de Tubes in a heat exchanger, Bitjungle, 2015, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tubes_in_a_heat_exchanger.jpg

espesor

El grosor de los tubos (calibre) se selecciona para resistir la presión interna y ofrecer una tolerancia adecuada a la corrosión según recomendación de la norma. Por ejemplo, los tubos de acero para intercambiadores de calor cumplen con la norma BS 3606 (tamaños métricos) (Sinnott, 2005).

longitud

Las longitudes de tubo preferidas para los intercambiadores de calor van desde 6 ft (1,83 m) a 24 ft (7,32 m).

La relación óptima entre la longitud de los tubos y el diámetro de la carcasa suele estar entre 5 y 10 (Sinnott, 2005).

Separación de los tubos (Tube Pitch)

Una pequeña separación de tubos implica (Arroyo, 2014):

La distancia mínima típica entre tubos es 1,25 veces el diámetro exterior del tubo (Arroyo, 2014).

Ventajas

Mejorar la transferencia de calor del lado de la carcasa.

Desventajas

Mayores pérdidas de presión.
Más incrustaciones en la carcasa
Dificulta su limpieza

Disposición de los tubos (Layout)

Está diseñada para incluir tantos tubos como sea posible dentro de la carcasa para lograr la máxima superficie de transferencia de calor. A veces, se elige una disposición que también permite el acceso a la tubería para su limpieza, según las condiciones del proceso (Thulukkanam,2013).

Las disposiciones estándar de los tubos son:

Triangular (30°)

Cuadrada (90°)

Cuadrada girada (45°)

Triangular girada (60°)

Dirección del flujo

Disposiciones triangulares y triangulares rotadas

Proporcionan un diseño compacto y mejores coeficientes de transferencia de calor del lado de la carcasa.

Son aplicables para fluidos libres de sólidos disueltos ya que su limpieza mecánica es muy dificultosa. Solo se utiliza la limpieza química o la limpieza por chorro de agua (Thulukkanam, 2013).

Disposiciones CUADRADAS y cUADRADAS GIRADAS

Proporcionan caídas de presión y coeficientes de transferencia de calor más bajos que el espaciado triangular.

La disposición de 45° se prefiere para el flujo laminar monofásico o para fluidos con tendencia al ensuciamiento y la condensación de fluidos del lado de la carcasa.

PASOS POR LOS TUBOS

Para aumentar la tasa de transferencia de calor, se prefieren velocidades más altas y esto se consigue aumentando el número de pasadas por los tubos.

Los intercambiadores de calor de paso múltiple son los más comunes en la industria que los diseños de contraflujo de un solo paso (Thulukkanam, 2013).

NÚMERO DE PASES DE TUBOS

Suele estar entre 1 y 8. Los diseños estándar tienen 1, 2 o 4 pases de tubo. El límite superior es 16.

En los diseños multipaso, es frecuente utilizar un número par de pasadas; los pases impares no son comunes y pueden causar problemas mecánicos y térmicos en la fabricación y el funcionamiento.

Al aumentar el número de pasos aumenta la velocidad en el tubo y esto mejora el coeficiente de transferencia de calor pero empeora la caída de presión (Thulukkanam, 2013).

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4. Carcasa

Concepto

Deflectores

Pasos de la carcasa

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Concepto

Se fabrican en una variedad de tamaños, materiales y espesores estándar. Las carcasas son más costosas que los tubos, por lo que los diseñadores intentan acomodar la superficie de transferencia de calor requerida en una sola carcasa (Thulukkanam, 2013).

TEMA: E

TEMA: G

Pasos del lado de la carcasa

Dos pasos por la carcasa

Un paso por la carcasa

Deflectores

El deflector segmenta el espacio dentro de la carcasa, provocando un aumento de la velocidad del fluido que fluye dentro de la carcasa (por fuera de los tubos) y con ello mejorando la transferencia de calor (Sinnott, 2005).

Deflectores segmentados

Son discos circulares al que se les ha quitado un segmento. Este corte se denomina corte del deflector y se expresa como un porcentaje del diámetro interior de la carcasa. La transferencia de calor y la caída de presión de los haces de flujo cruzado se ven muy afectadas por el corte del deflector (Thulukkanam, 2013).

Distancia de deflectores

El espaciado mínimo entre deflectores de un solo segmento está entre el 20% y 50% del diámetro interno de la carcasa. La distancia entre deflectores no puede superar el diámetro interno de la carcasa (Ludwig, 2001).

Distancia

Orientación de los deflectores

La dirección de corte del deflector es horizontal en aplicaciones monofásicas para reducir la acumulación de depósitos en el fondo de la carcasa y evitar la estratificación del fluido del lado de la cáscara (Thulukkanam, 2013).

La dirección de corte del deflector es vertical para (Thulukkanam, 2013):

Fluidos en ebullición o condensación, para promover un flujo más uniforme
Sólidos arrastrados en el líquido (para proporcionar la menor interferencia para que los sólidos caigan).

Deflectores segmentados dobles y múltiples

Los intercambiadores de calor con deflectores dobles o de múltiples segmentos pueden manejar mayores caudales de fluidos más altos en el lado de la carcasa. En un intercambiador de calor con deflector de(Thulukkanam, 2013):

Un solo segmento, el flujo total, excluyendo las fugas y el flujo de derivación, pasa a través del haz de tubos entre los deflectores en flujo cruzado.

Doble segmento, el flujo se divide en dos corrientes a cada lado del deflector.

Triple segmento, el flujo se divide en tres corrientes.

Disposición de los deflectores con los respectivos patrones de flujo

Intercambiador de calor con deflectores de un solo segmento

Nota. Diseñado por el Ing. Químico UIS Francisco Torres

Disposición de los deflectores con los respectivos patrones de flujo

Intercambiador de calor con deflectores de doble segmento

Nota. Diseñado por el Ing. Químico UIS Francisco Torres

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5. UBICACIÓN DE LOS FLUIDOS

Para determinar qué fluido debe pasar por el lado de la carcasa y por el lado de los tubos, se debe tener en cuenta los siguientes factores (Sinnott, 2005):

Caudal

Situar los fluidos de menor caudal al lado de la carcasa suele ser lo más económico y puede brindar un diseño seguro contra las vibraciones inducidas por el caudal.

Temperatura del fluido

Si es lo suficientemente alta como para requerir el uso de aleaciones especiales, entonces colocar el fluido de temperatura más alta en el tubo reducirá el costo total.

Presión de operación

La corriente de mayor presión se asigna a los tubos. Los tubos de alta presión serán más económicos que una carcasa de alta presión.

Caída de presión

El fluido con la menor caída de presión permitida debe asignarse por los tubos. Para la misma caída de presión, el coeficiente de transferencia de calor en el lado de los tubos será mayor que en el lado de la carcasa.

Corrosión

Los fluidos más corrosivos van por los tubos. Esto reducirá el costo de costosas piezas de aleación o revestimiento.

Ensuciamiento

El fluido con mayor tendencia a ensuciar las superficies de transferencia de calor debe colocarse en el tubo. Esto controlará mejor la velocidad del fluido de diseño y la mayor velocidad permitida en el tubo reducirá el ensuciamiento. Además, el tubo será más fácil de limpiar.

Viscosidad

Si el flujo es turbulento, se puede obtener un mayor coeficiente de transferencia de calor colocando el fluido más viscoso hacia el lado de la carcasa. Si no se puede lograr la turbulencia en la coraza, es mejor colocar el fluido en el tubo, ya que el coeficiente de transferencia de calor en el tubo se puede predecir con mayor certeza.

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6. incrustaciones (Fouling)

Son formaciones no deseadas que se depositan en las superficies internas del intercambiador impidiendo la transferencia de calor y aumentando la resistencia al flujo del fluido, lo que resulta en mayores pérdidas de presión y el rendimiento termo hidráulico del intercambiador de calor disminuya con el tiempo (Byrne, 2019).

Efecto del ensuciamiento en el rendimiento termo hidráulico de los intercambiadores de calor

Los efectos pueden ser (Thulukkanam, 2013):

1. Aumentan la resistencia térmica global ya que las conductividades térmicas de las capas de ensuciamiento son muy bajas.

2. Aumentan la caída de presión, debido a la mayor rugosidad de la superficie, lo que a su vez aumenta la resistencia por fricción al flujo y bloquea el paso del flujo.

3. La suciedad crear puntos de localización que promueve la corrosión.

4. Reducen la eficacia térmica del intercambiador de calor.

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7. CAíDA DE PRESIÓN

Determinar la caída de presión en un intercambiador de calor es esencial para muchas aplicaciones por al menos dos razones (Thulukkanam, 2013):

1. A mayor caída de presión implica mayor consumo de energía para hacer funcionar el equipo que mueve el fluido, como bombas, ventiladores y sopladores.

2. Una caída de presión muy severa puede implicar, sin proponérselo, un fácil cambio de fase (evaporación, por ejemplo), lo cual puede afectar significativamente la transferencia de calor porque un gas tiene la conductividad térmica mucho más baja que la de un líquido.

pÉRDIDAs DE PRESIÓN DEL LADO DE LOS TUBOS

Causantes de caída de presión (Sinnott, 2005):1. Contracción en las entradas de los tubos 2. Expansión en las salidas de los tubos 3. Cambio de dirección del flujo en el cabezal 4. Expansión en las boquillas de entrada 5. Contracción en las boquillas de salida

Caída de presión en la carcasa

Depende de las variables de diseño tales como: diámetro de los tubos, distancia entre tubos (Tube pitch), disposición de los tubos (Layout), diámetro y tipo de carcasa, tipo de deflector, corte y distancia del deflector, cantidad y tamaño de las boquillas (Arroyo, 2014).

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8. Diseño en aspen hysys

Simulador Aspen Hysys

Simulación vs diseño

Modelos de cálculo para el diseño

Grados de libertad

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Simulador Aspen Hysys

Como se vio en el módulo 2, el simulador es una herramienta versátil para la simulación semi-detallada, rigurosa y diseño óptimo del intercambiador de calor de carcasa y tubos. El simulador utiliza el siguiente modelo matemático: balance de masa global y por componente, balance energético y ecuación de diseño (Alvarado, 2012).

simulación vs diseño

Para la simulación y diseño de un equipo casi siempre se manejan las siguientes estrategias:

Simulación

Diseño

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

simulación vs diseño

Es importante dejar en claro que Hysys es un simulador y no es un diseñador, si el usuario quiere hacer un diseño lo que casi siempre se hace es una simulación, es decir, el usuario debe proponer el diseño para unas entradas dadas y mira lo que le da las salidas, si las salidas coinciden con lo que él quiere obtener entonces ese diseño funciona, si no, propone otro diseño hasta obtener las salidas que usted quiere.

Modelos para el diseño del intercambiador según aspen hysys

Como se mostró en el módulo 2, Hysys posee cinco modelos de cálculo para la estimación del UA. Para el diseño del intercambiador de calor utilizaremos los modelos 3 y 4, estos son:3. Rigorous Shell and Tube 4. Steady State Rating

ASPEN HYSYS

Steady State Rating

Es una extensión del modelo Simple End Point que incorpora el cálculo de dimensionamiento del intercambiador de calor, este solo se puede realizar si se conoce la geometría del intercambiador (Hysys Operations Guide, 2005).

Supuestos del modelo Simple End Point:

No hay cambio de fase
El coeficiente global de transferencia de calor (U)
Los calores específicos (Cp) de las corrientes de la carcasa y de los tubos son constantes.

Rigorous Shell and Tube

Este modelo es muy riguroso y requiere conocer mucha información detallada del diseño del intercambiador de calor para poder simular, además se debe hacer a prueba y error.

Shell and Tube Exchanger Design/Rating

En este módulo se utilizará este modelo para realizar el diseño del intercambiador de calor.

ESQUEMA DE LOS GRADOS DE LIBERTAD DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

Grados de libertad DE UN INTERCAMBIADOR de calor modelo STEADY STATE RATING

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

Primera opción

Segunda opción

Corrientes de entrada

Corrientes de salida

Intercambiador

Corrientes de salida

Corrientes de entrada

Th, Ph, Xh,

Geometría, TEMAΔP tubo, ΔP carcazaspecs

Ph, Fh, Xh, Th

ΔP tuboΔP carcaza specs

Th, Ph, Fh, Xh

Tc, Pc, Xc,

Pc, Fc, Xc, Tc

Tc, Pc, Fc, Xc

Th, Ph, Xh, : Temperatura, Presión, Flujo másico y Composición fluido calienteTc, Pc, Xc, : Temperatura, Presión, Flujo másico y Composición fluido frío

Geometría: # pasos por carcaza, # pasos por tubos, longitud carcaza, longitud tubos, # de tubos, pitch, configuración bafles, factor de ensuciamiento, etc. (Datasheet del equipo)

Grados de libertad DE UN INTERCAMBIADOR de calor modelo STEADY STATE RATING

Azul: Dato conocidoNegro: Dato por calcular

SEGUNDa opción

Segunda opción

Corrientes de entrada

Corrientes de salida

Intercambiador

Corrientes de salida

Corrientes de entrada

Th, Ph, Xh,

Geometría, TEMAΔP tubo, ΔP carcazaspecs

Ph, Fh, Xh, Th

ΔP tuboΔP carcaza specs

Th, Ph, Fh, Xh

Tc, Pc, Xc,

Pc, Fc, Xc, Tc

Tc, Pc, Fc, Xc

Geometría: # pasos por carcaza, # pasos por tubos, longitud carcaza, longitud tubos, # de tubos, pitch, configuración bafles, factor de ensuciamiento, etc. (Datasheet del equipo)

Especificaciones (specs): UA, h, ∆T, Min Approach, Duty (Leak, Loss), LMTD, Subenfriamiento, Sobrecalentamiento.

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9. QUIZ teóricO

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10. Ejercicios en hysys

Solución paso a paso de los ejercicos 1, 2 y 3 (pdf)

Simulación Ejercicio 1

Simulación Ejercicio 2

Simulación Ejercicio 3

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11. Ejercicios propuestos

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Trabajo de Grado de la Escuela de Ingeniería Química Modalidad Práctica en Docencia

Presentado por: María Alejandra Anaya Gómez

Codirector: Iván Ordoñez Sepúlveda, Ing. Químico

Directora: Viviana Sánchez Torres, PhD

Colaborador : Francisco Torres Martínez, Ing. Químico

(Imágenes e animación del intercambiador de carcasa y tubos)

Bucaramanga, 2022

12. encuesta de satisfacción

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MÓDULO DE AUTOAPRENDIZAJE SOBRE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Start designing with a free template

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Vaporwave presentation

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Animated Sketch Presentation

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Memories Presentation

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Pechakucha Presentation

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Decades Presentation

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Color and Shapes Presentation

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Historical Presentation

Transcript

Adaptado de BEM Type Shell and Tube Heat Exchanger (with Two Tube Passes), Oschal, 2014, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wymiennik_BEM_dwubiegowy.jpglo