Diseño de Deflectores Es claro que se logran coeficientes de transmisión de calor más altos cuando el fluido se mantiene en estado de turbulencia. Para inducir turbulencia fuera del espacio de los tubos, es habitual emplear deflectores que hacen que el fluido circule a través de la coraza a ángulos rectos con el eje de los tubos. Esto causa considerable turbulencia aun cuando por la coraza fluya un caudal pequeño de fluido. La distancia de centro a centro entre dos deflectores consecutivos se denomina espaciado de deflectores, y esta dimensión se determina en función de variables como la masavelocidad del fluido y el diámetro de la coraza. Hay varios tipos de deflectores que se emplean en los intercambiadores de calor, siendo los más comunes los deflectores segmentados que se muestran en la Figura x.xx
Para el diseño de los deflectores en necesario establecer dos parámetros fundamentales como son el número de deflectores y la distancia de separación entre centro y centro de los mismos Hay que establecer mediante interacciones el espaciado de los deflectores para que la caída de presión en la coraza no sea mayor al requerido del proceso, y también el espaciado de los deflactores define un valor aproximado del área de transferencia a la cual se debe llegar mediante interacciones hasta que el área calculada suponiendo un número de tubos sea igual al área que se calcula mediante los coeficientes de película. Los rangos extremos de los espaciados entre deflectores son:
Espaciamiento Espaciamiento máximo
Espaciamiento Espaciamiento mínimo
Dónde: Ds es el diámetro interno de la coraza y B el espaciamiento de los deflectores.
Estas limitaciones originan el hecho de que a espaciados más amplios el flujo tiende a ser axial en lugar lugar de a través través del haz de tubos, y un espaciado espaciado demasiado demasiado cerrado hay excesivas fugas entre los deflectores y la coraza.
Si se escoge un número impar de deflectores estos no pueden satisfacer el espaciado escogido al momento de la construcción del intercambiador de calor que tiene sus boquillas de entrada y salida en lados opuestos, pero se puede calcular la caída de presión y los coeficientes de película con el espaciado escogido aunque se descarte luego un deflector. El número de deflectores se calcula de la siguiente ecuación
NB: Número de deflectores Lt: longitud del tubo de transferencia de calor La siguiente tabla resumen los valores con respecto al número de deflectores que se pueden emplear. Longitud tubos Máximo Mínimo
5m Espaciamiento entre Deflectores 1,3716 m 0,27435 m
Numero De Deflectores 3,65 18,23
A partir de estos se seleccionan los siguientes parámetros para el diseño de los deflectores Longitud tubos Seleccionado
5m
Espaciamiento entre Deflectores
Numero De Deflectores
1,25 m
4
Establecidos esto, se procede a dimensionar el deflector, que se realiza de la siguiente manera.
Bc (%), es el porcentaje del deflector segmentado. Ds es el diámetro interior de la coraza Dctl es el diámetro de la circunferencia que une los centros de los tubos adyacentes a la coraza. Dotl es el diámetro de la circunferencia que une los centros de los tubos adyacentes a la coraza Lbb es el espacio entre diámetros de la coraza y haz de tubos Luego de un proceso iterativo de diseño se obtienen las dimensiones finales de los deflectores. Ds Lp Lbb Dotl Dctl ϴctl
Bc
1,80 m 0,028575 m 0,1143 m 1,273 m 1,143 m 75,57° 25%
Efecto de los Deflectores en el coeficiente de transferencia de calor Para calcular el coeficiente de transferencia de calor en la coraza utilizaremos el método de Bell-Delaware que considera el flujo en un banco de tubos ideal y las desviaciones de la idealidad, es decir el uso de factores de corrección por las diversas fugas, bypass, distorsiones, etc. Ello hace que el cálculo del coeficiente pelicular por el lado de la coraza sea más preciso con este método.
hi, es el coeficiente de transferencia de calor para un banco de tubos ideal; J c, Jl, J b, Jr y Js son los factores de corrección, detallados a continuación.
Donde Jc es el factor de corrección por efecto del flujo en la ventana del deflector. Jl es el factor de corrección por efecto de fugas de fluido en el deflector. Jb es el factor de corrección por efecto de bypass del fluido entre el haz de tubos y la coraza. Jr es el factor de corrección para gradientes de temperatura adversas en flujo laminar. Jc es el factor de corrección por espacios desiguales de los deflectores a la entrada y salida. Los factores por efecto de fuga, para gradientes de temperatura adversas en flujo laminar y los espacios desiguales serán despreciados, es decir igual a 1, pues se considerar que no existirán fugas, todo el flujo se encontrara en régimen turbulento y las distancias entre los deflectores serán iguales, sin ningún tipo de desigualdad.
Factor de corrección por efecto del flujo en la ventana del deflector Jc Se calcula de la siguiente manera
La siguiente tabla contiene los valores obtenidos mediante el cálculo de este factor. Jc Fc Fw ϴctl
Dotl Doctl
1,1 0,8884 0,05578 75,57° 1,273 m 1,143 m
Factor de corrección por efecto de bypass del fluido entre el haz de tubos y la coraza,
Jb
Donde Sb es el área del bypass. Nss es el número de pares de sellos en un deflector longitudinal. Una recomendación práctica es utilizar un sello para 4 o 6 filas de tubos. Ntcc es el número de filas de tubos entre el extremo del deflector y una sección de flujo cruzado en el deflector Lbc el espacio entre deflectores. Ltp es el número de pasos en el arreglo de tubos. Sm es el área de flujo cruzado, relativa a la línea central del haz de tubos. Cbh es 1,25 para flujo turbulento. Lpl= 0,5Lp. Referencia [x] Lpp= 0,866 Ltp. Referencia [x] La siguiente tabla contiene los valores obtenidos mediante el cálculo de este factor. Jb
1,14
Cbh
1,25
Fsh
0,08311
Sb
0,9805 m
Sm
0,09804
Nss
1
Ntcc
0,1583
rss
6,32
Lpl
0,0142875 m
Dotl
1,273 m
Lbc
1,25 m
Bc
25%
Lpp
4,33
Ds
1,3716 m
Ltp
5
Luego de calcular todos los factores se multiplican entre sí para determinar el efecto sobre el coeficiente de transferencia de calor externo, cabe decir que se debe incluir un factor de corrección por el número de filas (fl). Factores de Corrección
Valor
Jb
1,1
Jc
1,19
Jl Jr Jc
1
Fl
0,95
Factor Final de Corrección
1,2
1 1
El efecto de estos factores sobre el coeficiente de transferencia de calor externo, no es muy significativo, y para efectos prácticos no es necesario considerarlo, pero en este trabajo fue tenido en cuenta.
Caída de Presión en la Coraza
La caída de presión total del fluido en la coraza , excluidos las boquillas de entrada y salida se determina por la siguiente expresión:
Cada uno de los términos se define a continuación.
Caída de Presión del flujo cruzado entre deflectores
Donde se define Rb es el factor de corrección de flujo en el bypass Rl es el factor de corrección por fugas del fluido en el deflector, el cual para efectos prácticos se considera de 1, es decir no existirán fugas de fluido en el deflector. es la caída de presión en un banco de tubos ideal.
Caída de Presión en las ventanas de los deflectores
Donde Ntcw es el número efectivo de filas de tubos en la sección de flujo cruzado. Sw es el área del flujo cruzado a través de la ventana del deflector. Swg es el área total del flujo a través de la ventana del deflector. Swt es el área ocupada por los tubos en la ventana del deflector Ntw es el número de tubos en la ventana del deflector.
Caída de Presión en los compartimientos del primer y último deflector
Rs es el factor de corrección para la caída de presión por espacios desiguales de deflectores. n es la pendiente de la curva del factor de fricción. Se asume n = 1 para flujo laminar (Res < 100) y n = 0.2 para flujo turbulento. Si todos los espacios del deflector son iguales, Rs = 2. La caída de presión total en la coraza es:
5,42 Pa
3,44 Pa
1,16 Pa
10,02 Pa
Espesor de la Coraza Es un cuerpo cilíndrico construido de una sola pieza que puede ser un tubo sin costura o una placa rolada que contendrá en su interior el haz de tubos y a través de los cuales circula el fluido que baña el exterior de los tubos de dicho haz. El valor del espesor de la coraza cilíndrica (t) sin contar con el requerimiento de espesor por efecto de la corrosión, es el mayor valor entre los calculados debido a esfuerzos longitudinales y esfuerzos circunferenciales obtenidos con las fórmulas establecidas en ASME sección VIII UG-27, en términos de las dimensiones internas del recipiente.
Esfuerzo circunferencial (junta longitudinal). Cuando P no excede de 0.385 S.E.
Donde P: Presión interna de diseño. R: Radio interno de la coraza. S: Esfuerzo disponible máximo del material de la coraza. E: Eficiencia de la junta, para tubo sin costura E = 1. Al espesor determinado le sumamos 3 mm, por efecto de la corrosión. A continuación se realizan los cálculos para el espesor de la coraza, considerando un acero comercial para la construcción de la coraza y un factor de seguridad de 2 en el esfuerzo permisible. P
20,04 Pa
R
0,90 m
S
125 Mpa
E
1
t
3 mm
Este espesor resulta ser muy pequeño, debido a que la presión requerida es muy pequeña, este espesor no está disponible comercialmente, por ello se selecciona un espesor de 2 cm.
Diseño de Espejos Son placas circulares que son barrenadas y ranuradas para la colocación de tubos, empaques, varillas tensoras y el círculo de tornillos para que embone con la coraza (cuando se requiera). Los tubos son sostenidos en su lugar al ser insertados en los orificios del espejo y posteriormente son expandidos o soldados a este. Cuando se desea asegurar que no se produzca el mezclado entre los fluidos debido a fugas en los barrenos del espejo, se puede utilizar espejos dobles (con un considerable aumento en el costo), el espacio entre los espejos queda abierto hacia la atmósfera a fin de que la fuga de cualquiera de los fluidos pueda ser rápidamente detectada. Los orificios en los espejos no deben taladrarse muy cerca uno de otro, ya que una franja demasiada estrecha de metal entre tubos adyacentes debilitaría estructuralmente el cabezal de tubos o espejo. El espejo, en adición a sus requerimientos mecánicos, deberá soportar el ataque corrosivo de ambos fluidos y deberá ser electroquímicamente compatible con el material de tubos y el material del canal. Normalmente se construyen los espejos de acero inoxidable cuando se van a trabajar con fluidos oxidantes
ESQUEMAS FINALES Imágenes sobre el tamaño de los espejos en el intercambiador de calor
Detalle sobre los deflectores en el intercambiador de calor
Esquema detalle sobre el banco de tubos
Esquema detallado del arreglo cuadrado de banco de tubos, donde se especifican la distancia entre tubos
Esquema que muestra a distribución de los deflectores en el IC
