UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA TRANSFERENCIA DE CALOR
DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR SIN CAMBIO DE FASE. Diseño de un intercambiador de calor de tubo y coraza utilizando el método Kern simplificado. 1. Balance Térmico
2. Cálculo del
Nota: Calcular Factor de Corrección a partir de la Figura N°18, Página 933. 3. Datos del Equipo CORAZA
Diámetro interno de coraza (DI) [in] Espacio entre deflectores (B) [in] Número de pasos Pitch (PT), Claridad (C’) [in]
TUBOS
N° (NT) y Largo (LT) tubos Diámetro externo (do) e interno (di), BMG [in] Tipo de arreglo N° de pasos
4. Criterios de Diseño (Previo al cálculo de Áreas) Si se utiliza agua como servicio, no debe calentarse más de 50°C (formación de sales de calcio). Definir diámetro de tubos (utilizar BMG para la relación entre diámetro interno (d i) y diámetro externo (do), P. 948). Definir Número de pasos, Tipo de Arreglo y Claridad (C’). Definir Diámetro de Coraza (DI). Definir Número de Tubos en relación al DI, do, N° pasos, Tipo de Arreglo (P. 946, 947). Definir Separación de los Baffles (B) (no mayor a DI, ni menor a 1/5 DI).
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5. Equipo CORAZA
TUBOS
Área de Flujo (ac ):
Pitch (PT ):
Diámetro Equivalente (D eq ):
Área de Flujo (a ): t
Velocidad de coraza (v c ):
Velocidad de tubos (v ): t t
] [
] [
Adimensionales:
Adimensionales:
Coeficiente de Transferencia de Calor (h C ):
Coeficiente de Transferencia de Calor (h ): t
[ ] Factor de Ensuciamiento de Coraza (Rd c ):
[ ] [ ]
Coeficiente de T. Calor corregido (h t *):
Factor de Ensuciamiento de tubos (Rd ): t
Área de Transferencia de Calor Disponible (ATC,disponible )
Coeficiente Global de Transferencia de Calor (U)
( ) [ ] Área de Transferencia de Calor Requerida (ATC,requerida )
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6. Caída de Presión CORAZA
TUBOS
f C C : factor de fricción en la coraza N° de cruces:
f T T: factor de fricción en los tubos
Flujo másico (masa-velocidad) en la coraza:
Flujo másico (masa-velocidad) en los tubos:
[ ] Caída de Presión por la coraza:
[ ]
] [ Caída de Presión por los tubos:
[ ] ( ) [ ]
n: Número de pasos por los tubos v: velocidad por los tubos [ft/s] s : gravedad específica ( ϒfluido / ϒagua = ρfluido / ρagua) 2 g : aceleración de gravedad (32,17 [ft/s ])
Notas: o
Para arreglos triangulares
o
Para factores de fricción por los tubos utilizar Apéndices p.941 Para factores de fricción por la coraza utilizar Apéndices p.944 Para coeficientes de ensuciamiento utilizar Apéndices p.950-951-952
o
Para el coeficiente de transferencia de calor usando agua
o
o
[ ] [ ]
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7. Relaciones y recomendaciones recomendaciones
o
Relación de Flujo: Para los coeficientes de transferencia de calor por la coraza
o
Para los coeficientes de transferencia de calor por los t ubos
o
Para la caída de presión tanto los tubos como en la coraza.
Diseño general. o
La velocidad de flujo recomendada para el agua (en general líquidos) es de 1-3 [m/s]. Para el aire (en general gases) es de 10 [m/s]. Sobredimensionamiento Sobredimensionamiento del Área.
o
o
El porcentaje de sobredimensionamiento debe estar entorno al 10%. Al momento de calcular el flujo máximo, se debe considerar el Área Disponible.
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8. Condiciones de Proceso. Acercamiento entre temperaturas: o
o
o
Para una corriente de proceso que está siendo enfriada: diferencia entre la temperatura de salida del fluido caliente y la temperatura de entrada del medio enfriador. Para una corriente de proceso que está siendo calentada: diferencia entre la temperatura de salida de la corriente de proceso y la temperatura de entrada de la corriente calefactora. Para dos corrientes de proceso: menor diferencia entre temperaturas. CONDICION
Enfriadores de agua y condensadores Enfriadores de aire Rehervidores (unidades pequeñas de proceso) Rehervidores e Intercambiadores para aceite
ACERCAMIENTO MINIMO DE TEMP.
10 a 15 [°C] 20 [°F] 25 [°F] 0 [°F]
Caída de presión permisible CONDICION
Por el lado del agua (enfriadores, condensadores, intercambiadores (coraza) en serie) Fluidos en general (que intercambian calor) Unidades a baja presión, alimentación combinada, con dos o más pasos por los tubos Unidades a alta presión Condensadores a presión atmosférica Rehervidores Rehervidores de termosifón Rehervidores verticales Condensadores en vacío
CAIDA DE PRESION PERMISIBLE
10 [psi] (se requiere para alcanzar velocidad mínima (limitante) del agua de enfriamiento 5 [ft/s] 5 a 25 [psi]. Usualmente se permite un mínimo de 5 [psi] por intercambiador (carcasa) en serie. 2 [psi] 5 [psi] 1 a 5 [psi] 0,5 a 2 [psi] 0,5 a 0,75 [psi] 2 [psi] 10 a 25 [mm Hg]
9. Consideraciones mecánicas. Presión de diseño. Normalmente la caída de presión de diseño de intercambiadores se considera como un mínimo de 25 [psi] o 10% de la presión máxima de operación (la mayor). Intercambiadores que operan a presiones cercanas a los 1000 [psig], la presión de diseño es en ocasiones considerada como 100 [psi] o 5% de la presión máxima de operación (la mayor). o
o
Temperatura de Diseño. La temperatura de diseño de intercambiadores podría ser lo suficiente alta considerando filtraciones y ensuciamiento. Normalmente, es suficiente con 50 [°F] por sobre la máxima temperatura de operación. o
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10. Algunas conversiones útiles. Longitud
Superficie 2
m
in
ft
m
1
39,4
3,28
m
in
0,0254
1
0,084
in
ft
0,3
1
12
ft
2
m
in
ft
1
1550
10,76
0,000645
1
0,0069
0,093
144
1
2
2
Masa
Potencia – Flujo de Calor
lb
Kg
grs
lb
1
0,454
453,6
Kg
2,2
1
grs
0,0022
0,001
W
kcal/h
BTU/h
hp
W
1
0,86
3,4
0,0013
1000
kcal/h
1,16
1
3,9657
0,0015
1
BTU/h
0,2926
0,252
1
0,00039
hp
745,7
641,62
2545
1
Energía Joule
Kwh
kcal
BTU
Joule
1
2,777E-07
0,00024
0,000948
Kwh
3600000
1
860,4
3412,2
kcal
4184
0,00116
1
3,9657
BTU
1055
0,0003
0,2522
1
Coeficiente de Transferencia de Calor W/m2.K
BTU/h.ft2.F kcal/h.m2.ºC
W/m2.K
1
0,1761
0,86
BTU/h.ft2.ºF
5,678
1
4,882
kcal/h.m2.ºC
1,163
0,2048
1
Presión bar
Pa
atm
psi(lb/plg2)
kgf/cm2
mmHg
plgHg
bar
1
100000
98690
14,504
1,0197
750,06
29,526 29,526
Pa
0,00001
1
0,0075006
0,0002952
atm
1,013
101300
1
14,696
1,033
760
29,92
psi(lb/plg2)
0,06894
6894,7
0,06804
1
0,07031
51,715
2,036
kgf/cm2
0,9807
98068
0,9678
14,22
1
735,6
28,96
mmHg
0,001333
133,32
0,001315
0,01933
0,0013594
1
0,03937
plgHg
0,033864
3386,4
0,0334
0,49116
0,03453
25,4
1
0,00000987 0,00014504 1,0197E-05
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Figura N°18, Página 933
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Tabla N°10, Página 948
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Tabla N°9 – Página 946, 947.
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Apéndice Página 94: Factor de fricción por los tubos
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Apéndice Página 944: Factor de fricción por el lado de la coraza (deflectores segmentados segmentados 25%)
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Tabla N°12 – Factores de obstrucción (continua en P.950)
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ANEXO 3. Valores de diseño aproximados de coeficiente coeficiente global de transferencia de calor. Los valores de coeficientes globales de transferencia de calor están basados principalmente en resultados obtenidos en la ingeniería práctica. Los valores son aproximados porque variaciones en factores como las velocidades velocidades de los fluidos, fluidos, cantidad de gases no condensables, condensables, presión de operación entre otros pueden tener efectos significantes sobre los coeficientes.
o
Los valores superiores en los coeficientes para enfriadores pueden ser utilizados para condensadores mientras que los valores superiores en los coeficientes para calentadores pueden ser utilizadas para evaporadores.
o
Fluido Caliente
Fluido Frío
2
Ud [W/m ·K]
2
2
Ud [btu/h·ft ·°F]
Ud [kcal/h·m ·°C]
220 - 440 220 - 440 220 - 440 220 - 440 66 - 132 44 - 106 4 - 66 2 - 44 88 - 176 35 - 88
1075-2150 1075-2150 1075-2150 1075-2150 322 - 645 215 - 516 22 - 323 9 - 215 430 - 860 172 - 430
1000 - 3500 1000 - 3500 1000 - 3500
176 - 616 176 - 616 176 - 616
860 - 3010 860 - 3010 860 - 3010
1000 - 3500 500 - 2500 500 - 1000 250 - 500 30 - 300 20 - 200
176 - 616 88 - 440 88 - 176 44 - 88 5 - 53 4 - 35
860 - 3010 430 - 2150 430 - 860 215 - 430 26 - 258 17 - 172
Enfriadores
Agua Metanol Amoniaco Soluciones Acuosas (1) Orgánicos ligeros (2) Orgánicos medios (3) Orgánicos pesados Gases Agua Orgánicos ligeros
Agua Agua Agua Agua Agua Agua Agua Agua Salmuera Salmuera
1250 - 2500 1250 - 2500 1250 - 2500 1250 - 2500 375 - 750 250 - 600 25 - 375 10 - 250 500 - 1000 200 - 500 Calentadores
Vapor Vapor Vapor Vapor
Vapor Vapor Vapor Vapor
Agua Metanol Amoníaco Soluciones Acuosas μ < 2·10-3 Pa·s μ > 2·10-3 Pa·s Orgánicos ligeros Orgánicos medios Orgánicos pesados Gases
Intercambiadores (Sin cambio de fase)
Agua Soluciones acuosas Orgánicos ligeros Orgánicos medios Orgánicos pesados Orgánicos pesados Orgánicos ligeros
Agua Soluciones Acuosas Orgánicos ligeros Orgánicos medios Orgánicos pesados Orgánicos pesados Orgánicos ligeros
1400 - 2850 1400 - 2850 300 - 425 100 - 300 50 - 200 150 - 300 50 - 200
247 - 502 247 - 502 53 - 75 18 - 53 9 - 35 26 - 53 9 - 35
(1)
Hidrocarburos hasta C8, gasolina, alcoholes ligeros, cetonas μ < 0,5 ·10-3 Pa·s
(2)
Aceite de absorción, gas de petróleo caliente, kerosene, crudo ligeros 0,5 ·10-3 Pa·s < μ < 2,5 ·10 -3 Pa·s
)
Aceites lubricantes, fuel oil, gas de petróleo frío, crudos pesados 2,5 ·10 - Pa·s <μ < 5 ·10- Pa·s
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1204 - 2451 1204 - 2451 258 - 366 86 - 258 43 - 172 129 - 258 43 - 172
