Manual Intercambiadores de Calor1 (1)

DISEÑO DISEÑ O DE INTERCAMB INTERCAMBIA IADORE DORES S DE CA CA L OR

Intercambiadores de calor de : Doble tubo Casco y tubos Placas Condensadores Evaporadores Hervidoresvaporizadores Chaqueta Serpentín.

Pedro Angeles Chero Ingeniero Químico Dr Ciencias Ambientale s

Noviembre 2015 2015

Titles you can't find anywhere else

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.







































Diseño de equipos de Transferencia Transferencia de calor

Contenido V. INTRODUCCION ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ ............................. ....... 2 5.1 INTERCAMBIADORES DE CALOR .................................... .......................................................... ........................................... ..................... 1 ANTECEDENTES ANTECEDENTES HISTÓRICOS .............................................. .................................................................... ............................................ ......................... ... 1 5.2 INTRODUCCION Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES FUNDAMENTALES ................................. .............................................. ............. 1 5.3 SELECCIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS ..... 4 5.4 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBO .............................................. .............................................. 9 5.5 DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO .................... .................... 10 5.6 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS ................................. ................................. 16 5.7 DISEÑO DE INTERCAMBIADOR E CALOR DE CASCO Y TUBOS (TEMA) ........ 25 5.8 USOS DE INTERCAMBIADORES INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CASCO Y TUBOS ..................... ..................... 34 5.9 TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASE.......................................... .......................................... 34 5.10 DISEÑO DE HERVIDORES – VAPORIZADORES VAPORIZADORES DE CIRCULACION C IRCULACION FORZADA 35 5.11 ALCANCES PARA DISEÑO DE HERBIDORES – VAPORIZADORES VAPORIZADORES .................... .................... 40 5.12 DISEÑO DE CONDENSADORES............................................ .................................................................. ...................................... ................ 43 5.13 DISEÑO DE EVAPORADORES............................................ .................................................................. ......................................... ................... 48 5.14 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO D ISEÑO DE EVAPORADORES ............................. ............................. 54 5.15 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS ...................................................... ...................................................... 59 5.16 DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS............ P LACAS................................... ....................... 68 5.17 DISEÑO DE INTERCAMBIADORES INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CHAQUETA......................... ......................... 73 CON AGITACION. AGITACION. DISEÑO SEGÚN TIPO DE AGITACION ............................. 74 5.18 DISEÑO DE RECIPIENTES CON SERPENTIN SUMERGIDO ................................... ................................... 75 5.19 DISEÑO DE TANQUES CON SERPENTIN Y AGITACIÓN ....................................... ....................................... 76 5.20 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE SUPERFICIE RASCADA ................................ ................................ 78 Tabla 5.3 Guía para la selección de un intercambiador intercambia dor de calor ......................................... ......................................... 79 5.21 TABLAS Y GRAFICOS .......................................... ................................................................ ............................................ .................................. ............ 80








































V.

INTRODUCCION

Los equipos intercambiadores de calor de calor se encuentran entre los principales equipos esencialmente usados en todas las industrias de proceso, y el ingeniero químico como ingeniero de planta debe estar familiarizado con el manejo de todos ello y de los diferentes tipos de equipo empleados en el proceso industrial. Aunque el ingeniero no esté involucrado en la fabricación de intercambiadores de calor, él está directamente comprometido con la especificación y adquisición de equipos de transferencia de calor, por lo tanto es de gran importancia las consideraciones de diseño de procesos, ya que deben decidir decidir entre varios tipos de intercambiadores de calor, cuál unidad de equipo es mejor para un proceso dado. La mejora constante de la productividad obliga a que siempre se busque disminuir las cantidades de calor transferido mediante tecnologías como la de Pinch, o utilizar un aislante térmico para disminuir las pérdidas de calor, o un control térmico automatizado. Los procesos de transferencia de calor los encontramos en los reactores, enfriadores, calentadores, condensadores, hervidores-vaporizadores, evaporadores, calderos, torres de enfriamiento, entre otros. Esto nos hace ver que la transferencia de calor abarca una amplia gama de fenómenos físicos que se necesitan comprender para la toma de decisiones inmediata durante la supervisión de planta, de ahí que necesitamos conocer y desarrollar una metodología que conduzca al diseño térmico de los sistemas correspondientes. Los modernos equipos de transferencia de calor van desde los intercambiadores simples de doble tubo hasta los más complejos intercambiadores con cientos de metros cuadrados de área de transferencia. Entre estos dos extremos se encuentran el intercambiador de calor de mayor uso en la industria química; el de casco y tubos, así como los intercambiadores con tubos de superficie extendida, intercambiadores de placas, hornos y muchas otras variedades de equipo. Una correcta selección de equipos de transferencia de calor, requiere un entendimiento de las teorías básicas de la transferencia de calor y los méto dos para cálculos de diseño, sumado a esto, los problemas relacionados al diseño mecánico, fabricación. Este texto está orientado específicamente a los procedimientos de diseño de los principales intercambiadores de calor, ya sea de transferencia de calor sensible como de transferencia con cambio de fase, que incluyen calentadores, enfriadores, condensadores, hervidores – vaporizadores, evaporadores, constituidos principalmente por equipos de transferencia de calor de doble tubo, casco y tubos, de d e placas, de chaqueta y serpentín. La determinación apropiada de coeficientes de transferencia de calor es necesaria para cálculos de diseño en operaciones de transferencia de calor. Estos coeficientes muchas veces pueden estimarse sobre la base de experiencias, o a partir de ecuaciones teóricas o empíricas empíri cas desarrolladas por ingenieros e investigadores en el área de ingeniería de los procesos químicos industriales. Muchas ecuaciones semi-empíricas para la evaluación de coeficientes de transferencia de calor han sido publicadas. Cada una de estas ecuaciones tienen sus limitaciones y el ingeniero debe reconocer de estas limitaciones. Aquí se muestran los diseños utilizando las ecuaciones de mayor uso.








































5.1 INTERCAMBIA INTERCAMBIADORES DORES DE CALOR ANTECEDENTES HISTÓRICOS El diseño y construcción de los primeros intercambiadores de carcasa y tubos se inicio en los primeros años del siglo cuando se construyeron las primeras plantas de producción de energía eléctrica y eran necesarios grandes intercambiadores como condensadores y calentadores de agua. Actualmente se siguen utilizando intercambiadores de carcasa y tubos para este servicio aunque su diseño se ha sofisticado. En la industria también se empezó a utilizar a principios de siglo con el desarrollo de la industria del petróleo que requería calentadores, reboilers y condensadores para servicios con productos orgánicos normalmente bastante sucios y a altas temperaturas y presión. Desde el principio los problemas que presentaban estos intercambiadores no eran problemas de transferencia de calor o pérdida de carga, que se fueron estimando con la práctica, sino más bien problemas con los materiales de construcción como los ocasionados por el stress térmico o problemas con las juntas entre los tubos y la placa de tubular. Hoy en día, aunque se ha avanzado mucho en este sentido estos problemas siguen ocasionado las averías en estos equipos. En los años 20 la tecnología de los intercambiadores de carcasa y tubos estaba bastante desarrollada y grandes unidades de hasta 500 m 2 fueron construidas para la creciente industria del petróleo. Con la implantación de estos equipos surgió la necesidad de elaborar normas para el diseño mecánico tanto por cuestiones de seguridad, control de calidad y uniformidad de equipos. El primer de estos documentos fue TEMA del año 1941. Hoy en día con su sexta edición se sigue considerando estas normas en todo el mundo. Entre los años 40 y 50 se llevó a cabo una intensa labor de investigación que permitió establecer la bases de cálculo de estos intercambiadores para los diversos servicios y resolver la mayoría de los problemas mecánicos en la construcción. La construcción de los intercambiadores de carcasa y tubos se ha ido desarrollando a lo largo de los años y se han convertido en los intercambiadores más ampliamente utilizados por su construcción robusta y por la gran variedad de diseños y condiciones de operación.

5.2 INTRODUCCION Y CONCEPTOS FUNDAMENTAL ES Un intercambiador de calor se puede describir como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra, o ambas cosas a la vez. El intercambio de calor ocurre como se muestra muestra en la figura 5.1: T2

t1 Fluido frío

Fluido caliente

Figura 5.1 Intercambiador de calor de tubos

T1 t2








































Cuando las corrientes circulan en sentido opuesto se dice que la circulación es en CONTRACORRIENTE, pero cuando es en el mismo sentido la circulación es en PARALELO, tal como se muestra en las figuras 5.2 y 5.3 respectivamente. T2

Fluido caliente

T2

t1

t1

Fluido frío

Fluido frío

Fluido caliente

T1

T1 t2

Figura 5.2 Circulación en contracorriente

t2

Figura 5.3 Circulación en paralelo

En algunos casos las corrientes se cruzan perpendicularmente y se denominan corrientes CRUZADAS, y se dan con mayor frecuencia en intercambio de calor de gases con líquidos.

Cuando se realiza una transferencia de calor sin cambio de fase se dan dos situaciones típicas: En la primera, ambas temperaturas, temperaturas, t (Temperatura de fluido frío) y T (temperatura de fluido caliente) caliente) varían simultáneamente. t lo hace creciendo desde t1 hasta t2, y T lo hace disminuyendo desde T1 hasta T2. Al graficar estos cambios se presentan como se observa en las figuras 5.4 y 5.5:

En contracorriente

Fig.5.4 Comportamiento de las temperaturas en transferencias de calor sensible en contracorriente

En paralelo

Fig.5.5 Comportamiento de de las temperaturas en transferencias de calor sensible en paralelo

La experiencia ha demostrado que el flujo en contracorriente es más efectivo que el flujo en paralelo. Veamos un ejemplo: Cuando la transferencia de calor es en contracorriente se puede dar una situación diferente donde








































Figura 5.6 Comportamiento de las temperaturas en transferencia de calor con cambio de fase en c ontracorriente.

En cualquiera de los casos la variación de una o ambas temperaturas puede ser lineal, aunque lo habitual es que no lo sea. La temperatura media se denomina temperatura media logarítmica y se calcula de la siguiente manera: Según la disposición de flujos en los gráficos, para flujos en contracorriente: T2-t1 = ∆t1 = ∆tA T1-t2 = ∆t2 = ∆tB Para flujo en paralelo: T1-t1 = ∆t1 = ∆tA T2-t2 = ∆t2 = ∆tB La temperatura media logarítmica (MLTD) se calcula de la siguiente manera : MLTD 

t 2  t 1 t ln 2 t 1

En un intercambiador de calor la temperatura de entrada del fluido caliente es T1=300°F, y la temperatura de salida es T2=200 °F. Asimismo la temperatura de entrada del fluido frío es t1=100°F y la de salida t2=150 t 2=150 °F. Calcular la MLTD en el intercambiador. SOLUCION: contracorriente: ∆t2 = T1-t2 = 300-150 a. En contracorriente: 300-150 = 150 ∆t1 = T2-t1 = 200-100 = 100 150  100 t  t 1 = =123.5°F MLTD  2 150 t 2 ln ln 100 t 1 ∆t1 = 300-100 = 200 b. En paralelo: ∆t2 = 200-150 = 50

MLTD 

50  200 t 2  t 1 = =108°F 50 t 2










































5.3 SELECCIÓN DE INTERCAMBIA INTERCAMBIADORE DORES S DE CALOR CAL OR DE CARCASA Y TUBOS TUBOS TIPOS DE INTERCAMBIADORES Los intercambiadores de calor son unos de los equipos de mayor uso en la industria química y de alimentos, ya que siempre existen operaciones de enfriamiento o calentamiento dentro del proceso. Existe una gran variedad de equipos que realizan realizan transferencia de calor. En ésta sección se estudiaran y diseñarán diseñarán los de mayor uso. A continuación se presenta una breve clasificación de estos equipos según el tipo de superficie.

De doble tubo

Intercambiadores de tubos

De casco y tubos De serpentín sumergido Enfriador de cascada

Intercambiadores de Calor

Intercambiador de superficie plana

Intercambiador de placas Recipiente enchaquetado

Intercambiadores compactos

Intercambiadores de tubos: tubos: Son los mas abundantes, abundantes, gracias a su mayor flexibilidad. Pueden ser de doble tubos o de haz de tubos y coraza. Intercambiadores de serpentín sumergido: Se usan en casos cuando no hay tiempo o dinero para adquirir un equipo comercial, ya que son fáciles de construir en un taller. Al ser fácilmente removibles o transportables se usan mucho para instalaciones provisorias. Tienen buen rendimiento y son fáciles de limpiar exteriormente. La limpieza exterior generalmente no es problema ya que se usa para calentamiento con vapor que circula por el interior de los tubos y este no ensucia, pero si es corrosivo.










































Intercambiadores de chaqueta: chaqueta : Se denomina chaqueta al doble fondo o encamisado de un recipiente. Son bastante menos eficientes eficientes que los de serpentín, tienen mayor costo inicial y son difíciles de limpiar mecánicamente porque el acceso al interior de la chaqueta es complicado. En comparación con el serpentín, uno de chaqueta es mala elección. Un serpentín de la misma superficie permite un intercambio de calor bastante mayor, alrededor de un 125% calculado en base a la chaqueta.

Solo son recomendables para recipientes recipientes con no mas de 3 pies de diámetro. Cuanto

menor sea el diámetro la eficiencia de intercambio es mayor.

Enfriadores de cascada: Estos equipos consisten en bancos de tubos hor izontales dispuestos en un plano vertical, haciendo caer el agua en forma de cascada o resbalando en forma de cortina sobre los tubos horizontales formando una película. Se pueden construir con tubos de varios tamaños, aunque los mas frecuentes son de 2 a 4” de diámetro. Son relativamente baratos y fáciles de improvisar pero con baja eficiencia de enfriamiento.

Clasificación por la distribución de flujo Tenemos cuatro tipos de configuraciones más comunes en la trayectoria del flujo. En la distribución de flujo en paralelo, paralelo , los fluidos caliente y frío, entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro extremo. En la distribución en contracorriente, contracorriente , los fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas. En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, paso , un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido. En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, múltiple , un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.

Para caracterizar los intercambiadores de calor basándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales.










































El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que el condensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación. Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza. Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y también en algunos casos los intercambiadores gas-gas. Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que los correspondientes a los intercambiadores de calor líquidolíquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de calor. Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. La configuración mas común de flujo de intercambiadores líquido-líquido de coraza y tubos. Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el lado de los tubos es la caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores para producir de este modo una distribución uniforme del flujo a través de él. Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en la atmósfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano. Los tipos más comunes son las torres de enfriamiento por convección natural y por convección forzada. En la torre de enfriamiento por convección natural el agua se pulveriza directamente en la corriente de aire que se mueve a través de la torre de enfriamiento por convección térmica. Al caer, las gotas de agua se enfrían tanto por convección ordinaria como por evaporación. La plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la velocidad media de caída de las gotas y por lo tanto aumenta el tiempo de exposición de gotas a la corriente de aire en










































Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación, en la marina o en vehículos aerospaciales, las consideraciones de peso y tamaño son muy importantes. Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se fijan aletas a la superficie de menor coeficiente de transferencia de calor. Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño t amaño y dimensiones apropiadas de las aletas varían con la aplicación específica. Se han diseñado varios tipos que se han utilizado en numerosas aplicaciones. La remoción del calor sobrante en el condensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para la propulsión, el comando y el equipo de comunicaciones de un vehículo espacial presenta problemas serios aún en plantas que generan sólo unos pocos kilovatios de electricidad. La única forma de disipar el calor sobrante de un vehículo espacial es mediante la radiación térmica aprovechando la relación de la cuarta potencia entre la temperatura absoluta de la superficie y el flujo de calor radiante. Por eso en la operación de algunas plantas de fuerza de vehículos espaciales el ciclo termodinámico se realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece al rojo. Aún así es difícil de mantener el tamaño del radiador para vehículos espaciales dentro de valores razonables. En los diversos tipos de intercambiadores que hemos discutido hasta el momento, los fluidos frío y caliente están separados por una pared sólida, en tanto que un regenerador es un intercambiador en el cual se aplica un tipo de flujo periódico. Es decir, el mismo espacio es ocupado alternativamente por los gases calientes y fríos entre los cuales se intercambia el calor. En general los regeneradores se emplean para recalentar el aire de las plantas de fuerza de vapor, de los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundición o de los altos hornos y además en muchas otras aplicaciones que incluyen la producción de oxígeno y la separación de gases a muy bajas temperaturas. Para los intercambiadores estacionarios convencionales basta con definir las temperaturas de entrada y salida, las tasas de flujo, los coeficientes de transferencia de calor de los dos fluidos y las áreas superficiales de los dos lados del intercambiador. Pero para los intercambiadores rotatorios es










































En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto. Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que expresan las transferencia de calor lograda por diferentes tipos de intercambiadores de calor.

La refrigeración tiene por objetivo lograr aminorar la temperatura de un cuerpo por debajo de temperatura que existe en su cercanía alrededor. Se utiliza para la conservación de alimentos, aire acondicionado, procesos procesos industriales etc. Analizaremos dos de varios métodos de de refrigeración:

Consta de cuatro partes fundamentales: compresor, condensador, válvula o capilar de expansión, evaporador. Se utilizan una sustancia refrigerante refrigerante tal como el dióxido dióxido de carbono, carbono, amoniaco, freón o cloruro de metilo El vapor saturado seco se comprime. El vapor sobrecalentado se enfría y condensa, a presión constante, hasta que se convierte en líquido mediante enfriamiento por aire o agua, por ejemplo. El líquido se expande irreversiblemente a través de una válvula o capilar de expansión. El líquido (con algo de vapor) entra en el evaporador o cámara de refrigeración, donde se evapora, absorbiendo el calor de la cámara de refrigeración.

La diferencia fundamental entre el frigorífico de absorción de vapor y el de compresión de vapor es el método empleado para comprimir la sustancia refrigerante. Si el compresor se reemplaza reemplaza por el absorbedor, generador y bomba se obtiene un frigorífico de absorción de vapor. El principio de funcionamiento de esta máquina es como sigue: La sustancia refrigerante (generalmente NH3) entra en el absorbedor en estado gaseoso y allí se disuelve en el disolvente (generalmente agua) desprendiendo calor.



Esto reduce el volumen del NH3, pero no altera su presión. Para elevar la presión, la disolución acuosa de amoniaco se hace pasar a través de una bomba, donde se realiza el trabajo W sobre el














































5.4 INTERCAMBIA INTERCAMBIADORES DORES DE CALOR DE DOBLE TUBO Es el intercambiador de calor mas simple que se conoce. Consiste en dos tubos concéntricos lisos o aleteados. Normalmente el fluido frío circula por el espacio anular y el fluido caliente circula por el interior del tubo interno. La disposición de los los tubos es como como se muestra en el siguiente siguiente gráfico:

Fig. 5.7 Intercambiador de calor calor de doble tubo. tubo.

Las partes principales de estos intercambiadores son: dos juegos de tubos concéntricos, dos tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada localizada en la parte externa del intercambiador. Las tes tienen boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del anulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor. Cuando se arregla en dos pasos como en la figura, la unidad se llama Los tubos interiores son de cuatro tipos: Lisos, corrugados y aleteados (transversal y longitudinal).

(b)












































( c)

(d) Figura 5.8. 5.8. a. lisos, lisos, b. de aletas transversales transversales c. corrugados corrugados d. de aletas aletas longitudinales longitudinales

En la tabla 5.1 (ANEXOS) se dan los tamaños estándar de tubos t ubos IPS. Los intercambiadores de doble tubo se ensamblan con tubos de longitudes efectivas de 6,, 8, 10, 12, 15 o 20 pies. La longitud efectiva es la distancia en el tubo sobre la que ocurre la transferencia de calor y excluye la prolongación del tubo interior después de la sección del intercambio. La desventaja de estos intercambiadores es la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple, por lo que tienen mayor uso cuando la superficie total de transferencia requerida es pequeña, 100 a 200 pies 2 o menos.

5.5 DISEÑO DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR INTERCAMBIADOR DE CALOR CAL OR DE DOBLE TUBO Para el diseño de un intercambiador de doble tubo se siguen los siguientes pasos: 1. Balance térmico Q = m.cp.∆T. (intercambio de calor sensible) Donde: Q = calor total transferido, t ransferido, Btu/hr m = masa del fluido, lb/hr.












































Suponiendo un flujo en paralelo MLTD 

t 2  t 1 T 1  t 1   T 2  t 2   LnT 1  t 1  / T 2  t 2  lnt 2 / t 1 

3. Propiedades físicas de los fluidos: (Anexos) a. Capacidad calorífica, cp ( Btu/lb.°F)

Tabla 5.6, 5.7, 5.8

b. Viscosidad, µ (lb/pie.hr)

Tabla 5.8, 5.9, Figura 5.65

c. Conductividad, k (Btu/hr.pie.°F)

Tabla 5.12 – 5.15

d. Densidad, ρ (lb/pie3)

Tabla 5.16

e. Coeficiente de resistencia a la incrustación, r (Btu/hr.pie 2.°F)-1 Tabla 5.17-5.18 Determinar las propiedades físicas a la temperatura media cuando se trata de fluidos no

    viscosos, con con rango de temperatura =<100°F. En estas condiciones    w 

0.14

 1.0

Determinar las propiedades físicas a la temperatura calórica, cuando se trata de fluidos viscosos, o hidrocarburos haciendo uso de la Figura 5.74. Utilizar las siguientes ecuaciones:

T C  T 2  F C T 1  T 2 

Fluido caliente

t C  t 1  F C t 2  t 1 

Fluido frío

4. Selección de los tubos IPS y sus características. (Usar tabla 5.4-5.5 de Anexos)












































5. Determinación del curso de los fluidos. * El fluido de mayor masa irá por el tubo de mayor área de flujo. 6. Cálculo del coeficiente de película en el tubo interior, h t. 1/ 3

 k  cp.  hi  J H     di  k 

       w  1/ 3

k  cp.  hi  1.86 J H      di  k 

ht  hi

0.14

       w 

(para flujo turbulento)

0.14

(para flujo laminar)

di do

Donde: hi  Coeficiente de película en el interior del tubo interior, Btu/hr.pie Btu/ hr.pie2.°F

ht  Coeficiente de película en el interior del tubo interno corregido, Btu/hr.pie2.°F J h  Factor térmico de Coldburn (leer en gráfico vs número de Reynolds, 5.77-5.78)  w



Viscosidad a temperatura de la pared del tubo, lb/pie.hr

Nre 

d i G . t



Gt 

mt at

Donde: Gt es velocidad másica, lb/hr.pie2.

mt  masa del fluido que circula por el tubo interior, lb/hr












































U C 

ht .ha ht  ha

, Btu/hr.pie2.°F

9. Cálculo del coeficiente total de diseño, Ud.

1 Ud



1 Uc

 Rd

Rd = r t  r a

Rd = Factor de obstrucción, (Btu/hr.pie2.°F)-1 r t  Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el tubo interno, (Btu/hr.pie2.°F)-1

r a  Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el anulo, (Btu/hr.pie2.°F)-1 10. Cálculo del área requerida (A), pie 2. Q A  Ud .T L Donde:

T L 

Temperatura media logarítmica, °F

11. Cálculo de la longitud total del intercambiador, (L T), pies. A LT  alt Donde: alt  área lateral longitudinal del tubo, pies2 /pie 12. Cálculo del número de horquillas, (Nh). LT Nh














































f  0.0035 

0.264 ( Nre.' ) 0.42

Nre.' 

d e' .G a



d e  Di  do = diámetro equivalente en el anillo, pulg. g’ = 32.17 pie/s2 N Re '  Numero de Reynolds en el anulo calculado con d e e '

’ ’

n = número de horquillas. Di= diámetro interior del tubo exterior, pulg. do= diámetro exterior del tubo interior, pulg.

La caída de presión máxima permisible para los líquidos es 10 psia, y en los gases y vapores es 1 psia. En algunos casos excepcionales se puede aceptar hasta 3 psia psia para los gases. Si al término del diseño la caída de presión es mayor que la máxima permisible, se debe hacer un rediseño. rediseño. Por lo general solo es es necesario cambiar cambiar los tubos por otros














































Fluido caliente, T1

Fluido frío, t2














































5.6 INTERCAMBIA INTERCAMBIADORES DORES DE CALOR DE DE CARCASA Y TUBOS














































Es un cilindro metálico que envuelve al haz de tubos cuyo diámetro sigue las codificaciones de tuberías siguientes: : Cuando el diámetro del del casco (Ds) es: Ds ≤ 24” . Es un tamaño estándar y el espesor es 3/8” 3/8”

y soporta una presión límite de 300 psig.

: Cuando el diámetro del casco (Ds) ES: Ds>24”, y el espesor se calcula calcula en base a códigos

para cálculo de espesor de tanques y recipientes. Existen varios tipos de casco :

a. De un solo paso (1-1): significa un paso en el casco y un paso en los tubos. b. De dos pasos (1-2): significa un paso en el casco y dos pasos en los tubos. c. De 2-4 pasos: Que significa 2 pasos en el casco y 4 pasos en los tubos. d. De 3-6 pasos: Que significa 3 pasos en el casco y 6 pasos en los tubos. t ubos. e. Otros: 4-8, 5-10, 6-12. f.

Intercambiadores de flujo partido: Los circulación de los fluidos es transversal.

Como el caso de los intercambiadores de doble tubo, aquí los tubos pueden ser:














































ARREGLO TRIANGULAR C Pt

Pt

De ápice vertical

De ápice horizontal

El arreglo triangular permite menor acceso a la limpieza li mpieza y acomoda un número mayor de tubos en el haz. Se usa para fluidos fluidos limpios y que tengan baja resistencia a la incrustación. Produce altas caídas de presión. Las dimensiones recomendadas son: Para tubos de ¾”OD le corresponde Pt= 15/16” Para tubos de 1”OD le corresponde Pt= 1¼”

El número de tubos en el haz se determina con ayuda de la tabla 5.21.































































































carcasa es reducida este problema se puede solucionar con la colocación de fuelles de expansión en la carcasa. Se usa para T 93°F. Este tipo de construcción se utiliza en servicios sucios asociados a altas temperaturas y presiones. Económicamente resulta aproximadamente un 25 % más caro que la placa tubular fija. El haz tubular consiste en tubos rectos asegurados en cada extremo con una placa tubular. En la parte posterior se cierran los tubos mediante el cabezal flotante. El haz tubular se puede extraer con facilidad para limpieza y mantenimiento. Los tubos pueden ser limpiados mecánicamente tanto por la parte exterior como interior de los tubos. Se usa para

T >>93°C

(200°F). Este tipo de construcción resulta ligeramente
















































Las dimensiones de un intercambiador vienen definidas por números que representan el diámetro de la carcasa y la longitud de los tubos. Es el diámetro interior de la envolvente generalmente en pulgadas. En el caso de evaporadores tipo KETTLE deben aparecer dos diámetros (del haz y envolvente respectivamente). respectivamente).
















































Tal como se mencionó arriba el mínimo paso entre tubos para intercambiadores tubulares es 1.25 veces el diámetro exterior de los tubos. Sin embargo para tubos de 3/ 4”, que según esta indicación correspondería un paso de 0.9375”, la distancia entre las paredes de dos tubos contiguos, sería de 0.1875”; esta dis tancia tan pequeña puede crear problemas en la unión de tubos a placas. Cuando se requieren canales para limpieza mecánica deberá emplearse una separación mínima de 0.25" y el arreglo de los tubos es cuadrado. Las cuatro disposiciones que se usan en intercambiadores de carcasa y tubos t ubos son: triangular (ápice
















































Pantallas segmentadas al 25% de segmento simple vertical

Pantallas segmentadas al 25% de segmento simple horizontal

Estas pantallas se utilizan para transferencia de calor sensible, sin cambio de fase.

Estas pantallas se utilizan para vaporización y condensación. En transferencia sin cambio de fase con sólidos en suspensión.

































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































5.15 INTERCAMBIA INTERCAMBIADORES DORES DE CALOR CAL OR DE PLACAS PLACA S El intercambiador de placas consiste de un conjunto de placas corrugadas o ranuradas de metal sostenidas por un armazón, el cual consiste de una placa fija, una placa de presión y partes de conexión. Las placas se acomodan verticalmente y paralelas una tras otra y son presionadas sobre el armazón. Las placas extremas no intervienen intervienen en la transferencia de calor. En la figuras 5.38 y 5.39 se muestran el acomodo de las placas y la dirección de los fluidos.

Figura 5.47. Partes de un intercambiador intercambiador de calor calor de placas








































Figura 5.48. Flujos en intercambiador de de placas

DISPOSIC DISPOSICIÓN IÓN DE LAS L AS PLAC AS

Figura 5.49 Disposición de las placas placas

Al juntar las placas a presión unas a otras, las corrugaciones forman estrechos estrechos canales para el








































Figura 5.50. Disposición de las empaquetaduras empaquetaduras

El arreglo de las empaquetaduras en las placas placas según convenga, permiten arreglar el flujo en contracorriente y los flujos individuales, los flujos pueden ser divididos en corrientes paralelas, así mismo las empaquetaduras sellan a las placas en sus bordes en todo su alrededor, haciendo el diseño respectivo para dar lugar a las entradas y salidas que pueden ser en el tope o en el fondo. Las empaquetaduras también proveen un doble sello entre las corrientes de los fluidos haciendo imposible la mezcla, también se pueden hacer una gran combinación de canales, de tal manera que el conjunto de placas se puede ajustar para diferentes servicios. Existen diferentes tipos de placas y una buena selección permite optimizar la transferencia de calor y las caídas de presión. El tamaño y espesor de las placas están relacionados al tipo particular de placas (corrugadas o ranuradas). En la actualidad aún no existe un diseño estándar común para el intercambiador de placas tal como el de la TEMA o la BSS para intercambiadores tubulares. Las placas pueden ser construidas de materiales que pueden ser trabajados en frío, sin someterlos a un proceso de soldadura. Los materiales comunes de intercambiadores de placas son acero inoxidable, titanio, níquel, monel, incoloy 825, hastelloy C, bronce al fósforo y cobre-niquel. Los materiales que poseen titanio proveen una gran resistencia a la corrosión. El

de las placas varía entre

(ancho de los canales) está entre

. . Los

promedio entre placas de las placas varían entre

m2. Las se extienden desde grandes intercambiadores de placas manejan flujos de hasta 2500 m 3 /h.

. Los








































a)

cuando una corriente continua cambia de dirección después de cada

recorrido vertical. b)

la corriente principal se divide en subcorrientes para converger

posteriormente en una sola. Los arreglos posibles en un intercambiador i ntercambiador de placas son: a)

Arreglo en paralelo

b) c)

Arreglo en Arreglo en

El número de canales paralelos está dado por el rendimiento del intercambiador y la caída de presión permisible. El mayor número de d e canales disminuye la caída de presión. El número de canales en serie es determinado por la eficiencia y los requerimientos de intercambio de calor. Si un líquido es enfriado en flujo viscoso, el número de canales puede ser reducido para incrementar la velocidad y por lo consiguiente aumentar el coeficiente de transferencia transferencia de calor. En la figura 4 se muestra los modelos de flujo y arreglos para los intercambiadores de placas.

DISTRIBUCIÓN DE FLUJO La distribución de flujo a través de los canales en un paso, usualmente se asume como uniforme. Este no puede ser el caso para fluidos viscosos, cuando los canales son anchos y el número de placas pl acas es grande. El cálculo de la distribución di stribución actual de flujo no es fácil. La distribución de flujo a través de las placas en conjunto, es determinada por los perfiles de presión en las dos diversificaciones (las diversificaciones de entrada y salida para cada corriente). En el arreglo en los canales de entrada y salida para cada corriente están en la misma placa final, pero ellos están en las placas finales opuestas en el arreglo en . Los perfiles de pr esión en las distribuciones son determinadas por dos d os factores: 1) La fricción del fluido 2) Los cambios de velocidad del fluido (la velocidad del fluido disminuye a medida que se diversifica el flujo de entrada, y aumenta a medida que se diversifica el flujo de salida). Las variaciones en la presión debido a estos dos factores pueden ser en la misma dirección o en la dirección opuesta dependiendo de la l a diversificación de flujo de entrada y salida (figura 5.51-5.52).








































Figura 5.51.

Modelos de flujos y arreglos

Figura 5.52. Variación de la presión y distribución distribución de flujo flujo en los canales










































Si observamos la figura 5.44, el flujo en un canal puede recibir simultáneamente calor de dos corrientes adyacentes que fluyen en direcciones opuestas. Para aumentar la transferencia tr ansferencia de calor se adicionan mas placas, así se pueden obtener otros modelos de flujo más complejos y muchas configuraciones. Según el modelo de flujo, en los intercambiadores de placas, la diferencia de temperaturas media logarítmica, se puede ajustar usando un factor de corrección.

Figura 5.53. Mecanismo de transferencia transferencia de calor

Las placas según su construcción generalmente generalmente se denominan “suaves” o “duras”. Las suaves se caracterizan por sus bajos coeficientes de transferencia y pequeñas caídas de presión por paso. Las placas duras son mas complejas, son largas y angostas, y tienen profundas corrugaciones y pequeños espacios espacios entre placas. placas. Las placas suaves son anchas y cortas. Para decidir el tipo de placa para un servicio particular, se hace uso del número de unidades de transferencia (HTU ): ): HTU 

t 1  t 2

t m



(2 Ap.U ) ( M .Cp)

(Ec.1)

HTU , también es conocido como el factor de performance, longitud térmica o razón de

temperaturas, y puede definirse como el cambio total de temperatura para cada fluido, dividido por la diferencia media aritmética de temperaturas en el intercambiador. Se toma el mayor valor resultante. También se puede calcular con el método de la carga mínima. Se calcula el m.Cp para cada fluido, el de mínimo valor se se remplaza en la ecuación siguiente: HTU 

(U . Ad ) ( m.Cp) min

(Ec. 2)










































La selección de un determinado tipo de intercambiador (tamaño, cantidad de placas y modelos de flujo) es complicado. Sin embargo, un determinado tamaño de placas puede seleccionarse para operaciones líquido –liquido mediante el uso de correlaciones generalizadas.

La diferencia de temperaturas media logarítmica (MLTD) ó

T L para

un intercambiador de placas

se determina por:

(Ec.3) El factor térmico se determina con ayuda de l gráfico que se muestra abajo. Figura 5.54. Factor térmico vs HTU 1.0 5/5

0.9

4/4 2/2

0.8 Ft

1/1 y 3/3

2/1

0.7

3/1

0.6

4/1

0.5 0

1

2

3

4

5

HTU

6

7

8

9

10

11










































INCRUSTACIONES EN LAS PLACAS

La tendencia a formar incrustaciones en un intercambiador de placas es disminuida debido a las altas turbulencias en el flujo (lo cual mantiene los sólidos en suspensión), las áreas lisas de las placas y la ausencia de zonas de baja velocidad (tal como las presentes en el lado del casco en intercambiadores tubulares). El material de las placas resistente a la corrosión también reduce la tendencia a formar incrustaciones en intercambiadores de placas, debido a que los productos de corrosión, los cuales pueden formar incrustaciones están ausentes. Los factores de incrustación para diseño diseño de intercambiadores de placas placas están entre el 10 y 20 % de los factores dados para los intercambiadores tubulares. La fácil accesibilidad a la limpieza, ya sea química o mecánica también permite un bajo factor de incrustación para diseño. PROVEEDORES DE PLACAS http://www.hfm-phe.com/product/vicarb-gaskets-plates.html http://www.alfalaval.lat/productos/transferencia-de-calor/plate-heat-exchangers/intercambiadores-de-calorde-placas-y-bastidor-con-juntas/alfacond/ http://www.spxflow.com/en/apv/pc-heat-exchangers/ Fig. 5.55 Intercambiador de calor de placas.



















































































5.16 DISEÑO DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS

Para aplicar el siguiente método de diseño se asume lo siguiente: Las pérdidas de calor son despreciables No hay espacios con aire en los intercambiadores i ntercambiadores












































3. Determinar las resistencias resistencias a la incrustación incrustación (uso de tablas) 4. Calcular la temperatura media logarítmica,

T L

5. Configurar las características características del intercambiador intercambiador de placas. Área de la placa térmica

: A p

Ancho de la placa

: L

Altura de la placa

: h

Espacio entre placas

: b

6. Calcular el número de unidades de transferencia para cada fluido: fluido: HTU Método HTU:

Fluido .caliente : HTU 

T 1  T 2

T L

Fluido . frio frio : HTU 

t 2  t 1 T L

Se toma la suma de los dos, dos, o el mayor según sea sea el método a usar. Método (w.cp) min min

se calcula

(wxCp)c y (wxCp)f , y se escoge el menor.

debe coincidir con con el mayor valor del Luego se calcula: (Ud*Ad)/(w*Cp) min min , este debe método anterior.

7. Estimar un valor de

U D .

7.1 Calcular el área total de transferencia t ransferencia de calor:

A 

q

U D .T L .Ft 7.2 Calcular el número total de placas térmicas, Np, y Número total de canales, Nc. Np

A 

A p

=












































Suponer la unidad seleccionada con el número de pasos para cada fluido y el número de canales por paso. Por ejemplo: Intercambiador de placas Al placas Alfa fa L aval P2 con P2 con 11 placas, 3 pasos para cada fluido y 2 canales por paso .

7.6 Determinar el factor de corrección Ft en función del HTU y tipo de arreglo, Figura 7.

Para un intercambiador con igual número de pasos para ambos fluidos, se toma NTU total Con el valor del NTU y el tipo de arreglo del intercambiador por pasos, en la figura 5 se lee Ft. 7.7 Determinar canales para fluido frio y caliente. Número de canales del Fluido caliente, Ncc=Np/2 Número de canales del Fluido frío, Ncf= (Np/2) + 1 7.8 Calcular los coeficientes de película para cada fluido en función del Número de Reynolds ( Re ) Una expresión muy conocida adoptada para estimar el coeficiente de película para en intercambiadores de placas es: El diámetro equivalente D e es definido como 4 veces el área de sección transversal del canal e es dividido por el perímetro húmedo del canal. De = (4 W b) / (2 W + 2 b) Si la distancia entre placas ( b ) es muy pequeña comparado con el ancho de las placas ( W ), ), se puede aproximar:

De = 2 b , para el coeficiente de película se puede usar la












































Numero de Prant = Npr=(Cp*µ*2.42)/k 7.9 Calcular el coeficiente total Limpio de transferencia de calor, Uc Uc 

h1 xh2 h1  h2

, donde 1 y 2 corresponden a cada uno de los fluidos. fluidos.

7.10 Calcular el coeficiente total de diseño, Ud. 1 1 factor de obstrucción, r 1  r 2   Rd , donde Rd es el factor Ud Uc

7.11 Calcular el área total necesaria para la transferencia de calor: A A 

Q Ud .T L .F T

7.12 Calcular área disponible y comparar con el área necesaria

Ad = Np x Ap Ad debe ser mayor que A ( el exceso no debe ser mayor del 15 %) Si esto se cumple, el número de placas calculado es correcto, de lo contrario hacer otra iteración retornando al paso 7. 8. Calcular las caídas de presión P para para cada fluido. La ecuación que permite el cálculo de la pérdida por fricción es la ecuación de Fanning:






















































































Diseño de equipos de Transferencia de calor

5.17 DISEÑO DE INTERCAMBIADORES INTERCAMB IADORES DE CALOR CAL OR DE CHAQUETA SIN AGITACION

El coeficiente total de transferencia para el cálculo del área, viene dado de acuerdo al material y al fluido que circula por la chaqueta. Tabla 5.1 Coeficientes de película para intercambiadores de chaqueta

Fluido en la chaqueta Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor

Fluido en el recipiente

Agua Solución acuosa Sustancias orgánicas Hidroc. No viscosos Comp. Organic.medios

Material de la pared del recipiente Cobre Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable

CON AGITACION El diseño depende de las variables de diseño del recipiente: Fluido de proceso (t1)

Coeficiente Total de Transferencia Btu/hr.pie2.°F 200 – 300 300 75 – 80 80 50 – 150 150 30 – 70 70 10 - 20














































Cálculo de U: 1/U = 1/hj + rj + 1/hf + rf hf = Coeficiente de película del fluido en la chaqueta Hj = Coeficiente de película del fluido en el tanque R = resistencia a la incrustación Coeficiente de película en el lado de la chaqueta, hf

Hf es un valor típico que depende de la naturaleza del lado. Coeficiente de película para el lado del tanque, hj

hj = Jj ( k/Dj )(Cp.

 /

k)1/3 (μ/μw)0.14

Jj se ubica en la Fig. 23 en función a Nre. Nre = ( L 2.N.ρ) / μ Donde : L = Longitud de la paleta de agitación














































5.18 DISEÑO DE RECIPIENTES RECIPIENTES CON SERPENTIN SERPENTIN SUMERGIDO Pueden ser de dos tipos: De espiral simple y de espiral plano

DH

DH

Dj

Dj














































Calculo de Ud Ud = Uc . hf /(Uc + hf)

donde hf = 1/r

Calculo del área requerida A = Q / Ud. T Area de cada vuelta vuelta del serpentín: serpentín: a =  . DH .alt, pie2 / vuelta Calculo del N° de vueltas vueltas = Nv = A /a

5.19 DISEÑO DE TANQUES CON SERPENTIN SERPENTIN Y AGITACIÓN AGITA CIÓN Para agitadores de paletas sin deflectores: ht = 0.87 (k/dj)(L2.N/)0.62 (cp./k)1/3 (/w)0.14














































Figura 5.59 Intercambiador de calor de serpentín














































En tabla de caracteristicas de tubos para intercambiadores de calor: Para tubo de ½”OD, ½”OD, alt = 0.1309 pie2/pie pie2/pie

Calculo de Coeficiente de Pelicula en el tanque Nre = L2.N.r / m L = 7.2/12 = 0.6 pies Nre = (0.26)2(7500)(62.5) (0.26)2(7500)(62.5) / 1.06 = 159200 En Fig.36 Jc = 1700 1/3 0.14 w) = 1700 (0.38/1.0)(1.0 x 1.06/0.38) 1/3 (1.0) hc = 900 Btu / hr.pie2.°F hr.pie2.°F Calculo de coeficiente de película en el serpentín ht = 1500 Btu/hr.pie2.°F Calculo del coeficiente total limpio, Uc Uc = ( hc x ht )/ (hc + ht) = (900 x 1500) 1500) / (1500 + 900) = 562 Si r = 0.005 Entonces 1/r = 1/0.005 = 200 = hf Ud = (Uc x hf)/(Uc hf)/(Uc + hf) = (562 x 200) / (562 + 200) = 147.5 147.5 Área requerida : -150)) = 3.16 pie2
















































Tabla 5.3 Guía para la selecció n de un int ercambiador d e calor calor

Fluidos de baja viscosidad v iscosidad ( < < 10 cp)

El requiere pequeñas áreas de transferencia.Para transferencia.Para fluidos no corrosivos a altas temperaturas o altas presiones, usar intercambiadores tubulares Para fluidos no corrosivos, usar de acero al carbono.Para cargas corrosivas, para mantener la

Líquidos de baja viscosidad o
















































5.21 TABLAS Y GRAFICOS

Tabla 5.4 Tubos IPS para intercambiadores de calor de doble tubo
















































Tabla 5.6 Capacidad Calorífica de líquidos , Cp
















































Continuación… Tabla 5.6 Capacidad Calorífica de líquidos, Cp
















































Tabla 5.7 Capacidad Calorífica de de gases, Cp
































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































Diseño de equipos de Transferencia de de calor

Figura 5.70 LMTD Correction Factor ( 4 shell passes; passes; 8 o more tuve passes)

Dr. Pedro Angeles Angeles Chero

119








































Figura 5.71 MLTD Factor para para intercambiadores 5-10 (Standard of Tubular Exchanger Manufacturers Association , 2da Ed. , New York)


120








































Figura 5.72 MLTD Factor para intercambiadores 6-12 (Standard of of Tubular Exchanger Manufacturers Association , 2da Ed. , New York)


121








































Tabla 5.22 Coeficientes totales totales típicos para diseño diseño en intercambiadores de de calor Fluido caliente

Fluido frío

(W/m2. C)

BTU/hr.pie2.°F

Intercambiadores de calor sensible

Agua

Agua

1420 – 2840

250 - 500

Solución acuosa

Solución acuosa

1420 – 2840

250 - 500

Sustancia orgánica ligera


225 - 450

40 - 80

Sustancia orgánica media


150 - 400

26 – 70

Sustancia orgánica pesada


20 - 250

4 - 44



150 - 300

26 - 53



100 – 400

18 - 70

Enfriadores

Solventes orgánicos

Agua

250 – 750

44 - 132

Aceites ligeros

Agua

350 – 900

62 - 159

Agua

Agua

1420 – 2840

250 - 500

Metanol

Agua

1420 – 2840

250 - 500

Amoniaco

Agua

1420 – 2840

250 - 500

Solución acuosa

Agua

1420 – 2840

250 - 500


Agua

426 - 851

75 – 150


Agua

283 - 710

50 – 125


Agua

28 - 426

12 - 75

Gases

Agua

20 – 300

10 - 50

Agua

Salmuera

600 – 1200

100 - 200


Salmuera

220 - 600

40 - 100

Aceites pesados

Agua

60 – 300


Salmuera

150 – 300

25 - 50

Gases

Salmuera

15 – 250

5 - 40

Fondos de vacio

Agua

110 - 140

20 - 25

Gasóleo pesado

Agua

230

40

DEA regenerada

agua

630

110

-

50

Calentadores

Vapor de agua

Agua

1200 – 4000

210 - 700

Vapor de agua


500 – 1000

90 - 180

Vapor de agua

Metanol

1200 – 4000

210 – 700








































Vapor de agua

Solución acuosa > 2 cp

700 - 3000

125 - 300

Vapor de agua

ceites ligeros

300 – 900

55 - 160

Vapor de agua

ceites pesados

60 – 450

10 - 80

Vapor de agua

Gases

30 – 300

5 - 50

Vapor de agua


290 - 570

50 - 100

Vapor de agua

Sustancia orgánica mediana

570 - 1200

100 - 200

Vapor de agua


35 – 350

6 - 60

50 – 300

10 - 55

20 – 200

4 - 35

Dowtherm

ceites pesados

Dowtherm

Gases

Gases de combustión

Vapor

30 – 100

5 - 20

Caldero

Vapores de hidrocarburos

30 – 100

5 - 20

Condensadores

Vapores acuosos

Agua

100 – 1500

20 - 265

Vapores orgánicos

Agua

700 – 1000

125- 180

Orgánicos (con no condens.)

Agua

500 – 700

90 - 125

Condensación al vacío

Agua

200 – 500

35 - 90

Vapor

Soluciones acuosas

100 – 1500

20 - 260

Vapor

Orgánicos ligeros

900 – 1200

160 - 210

Vapor

Orgánicos pesados

600 - 900

105 - 160

Agua

aire

300 – 450

55 - 80

Orgánicos ligeros

Aire

300 – 700

55 - 125

Orgánicos pesados

aire

50 – 150

10 - 26

Gases, 5 – 10 bar

Aire

50 – 100

10 – 18

Gases, 10 – 30 bar

Aire

100 – 300

18 - 55

Hidrocarburos condensando

aire

300 – 600

55 - 105

Vaporizadores

Enfriadores de aire

Enfriadores sumergidos Espiral

Tanque

Circulación natural

Vapor

Soluciones acuosas diluidas

500 – 1000

90 – 176

Vapor

Aceites ligeros

200 – 300

35 – 55

Vapor

Aceites pesados

70 – 150

12 - 26










































Con agitación

Vapor


800 – 1500

140 – 165

Vapor

Aceites ligeros

300 – 500

53- 88

Vapor

Aceites pesados

200 – 400

35 - 70

Soluciones acuosas

Agua

400 – 700

70 - 123

Aceites ligeros

Agua

200 – 300

35 - 53

Tanques enchaquetados Chaqueta

Tanque

Vapor


500 – 700

88 – 123

Vapor

Orgánicos ligeros

250 – 500

44 - 88

Agua


200 – 500

35 - 88

Agua

Orgánicos ligeros

200 - 300

35 - 53

Sustancia orgánica ligera: Fluido con viscosidad menor de 0.5 cp, e incluye benceno, tolueno, acetona, etanol. Metiletilcetona, gasolina, kerosene, y nafta. Sustancia orgánica media: Fluido con viscosidad de 0.5 a 1.0 cp, e incluye kerosene, gasoil caliente caliente,, aceite de absorbedor y crudos. Sustancia orgánica pesada: Fluido con viscosidad > 1.0 cp, e incluyegasoil incluyegasoil frio, aceites lubricantes, petróleo combustible, petróleo crudo, brea y asfaltos.

Table 5.23










































Tabla 5.24 Coeficientes Totales de Transferencia Transferencia para recipientes enchaquetados

Fluido en la chaqueta


Material de la pared del recipiente

Coeficiente Total de Transferencia Btu/hr.pie2.°F J / (m2.s.°k)

Vapor

Agua

Acero inoxidable

150 – 300

850 – 1700 1700

Vapor

Solución acuosa

Acero inoxidable

80 – 200

450 – 1140 1140

Vapor

Sustancias orgánicas

Acero inoxidable

50 – 150

285 – 850 850

Vapor

Aceite ligero

Acero inoxidable

60 – 160

340 – 910 910

Vapor

Aceite pesado

Acero inoxidable

10 – 50

57 – 285 285

Salmuera

Agua

Acero inoxidable

40 – 180

230 1625

Salmuera

Solución acuosa

Acero inoxidable

35 – 150

200 – 850 850

Salmuera


Acero inoxidable

30 – 120

170 – 680 680

Salmuera

Aceite ligero

Acero inoxidable

35 – 130

200 – 740 740

Salmuera

Aceite pesado

Acero inoxidable

10 – 30

57 – 170 170

Aceite térmico

Agua

Acero inoxidable

50 – 200

285 – 1140 1140

Aceite térmico

Solución acuosa

Acero inoxidable

40 – 170

230 – 965 965

Aceite térmico


Acero inoxidable

30 – 120

170 – 680 680

Aceite térmico

Aceite ligero

Acero inoxidable

35 – 130

200 – 740 740

Aceite térmico

Aceite pesado

Acero inoxidable

10 - 40

57 - 230

Vapor

Agua

CS recubierto de vidrio

70 – 100

400 – 570 570

Vapor

Solución acuosa


50 – 85

285 – 480 480

Vapor



30 – 70

170 – 400 400

Vapor

Aceite ligero


40 – 75

230 – 425 425

Vapor

Aceite pesado


10 – 40

57 – 230 230

Salmuera

Agua


30 – 80

170 – 450 450

Salmuera

Solución acuosa


25 – 70

140 – 400 400

Salmuera



20 – 60

115 – 340 340

Salmuera

Aceite ligero


25 65

140 370










































Tabla 5.25 Coeficientes Totales de de Transferencia para para recipientes con serpentín serpentín Fluido en el tubo serpentín


Coeficiente Total Limpio

Coeficiente Total de Diseño

Btu/hr.pie2.°F

Btu/hr.pie2.°F

Conv.natural

Conv.forzada

Conv.natural

Conv.forzada

CALENTAMIENTO

Vapor

Solución acuosa

250 – 500

300 – 550

100 – 200

150 – 275 275

Vapor

Aceite ligero

50 – 70

110 – 140

40 – 45

60 – 110 110

Vapor

Aceite lubricante mediano 40 – 60

100 – 130

35 – 40

50 – 100 100

Vapor

Petróleo Bunker C

20 – 40

70 – 90

15 – 30

60 – 80 80

Vapor

Alquitrán asfaltado

15 – 35

50 – 70

15 – 25

40 – 60 60

Vapor

Azufre fundido

35 – 45

45 – 55

20 – 35

35 – 45 45

Vapor

Parafina fundida

35 – 45

45 – 55

25 – 35

40 – 50 50

Vapor

Aire o gases

2 – 4 4

5 – 10

1 – 3 3

4 – 8 8

Vapor

Melazas o jarabes de cereales

20 – 40

70 – 90

15 .- 30

60 – 80 80

Agua caliente

Soluciones acuosas

115 – 140

200 – 250

70 – 100

110 – 160 160

Aceite caliente


12 – 30

45 – 65

10 – 20

30 – 50 50

Dowtherm


15 – 30

50 – 60

12 – 20

30 – 50 50

ENFRIAMIENTO Agua

Solución acuosa

110 – 135

195 – 245

65 – 95

105 – 155 155

Agua

Aceite enfriador

10 – 15

25 – 45

7 – 10

15 – 25 25

Agua

Aceite lubricante mediano

8 – 12

20 – 30

5 – 8

10 – 20 20

Agua

Aceite pesado

7 – 10

18 – 26

4 – 7 7

8 – 15 15

Agua

Mezcla o jarabe de granos

2 – 4 4

5 – 10

1 – 3 3

4 – 8 8

Freón o Amoniaco

Solución acuosa

35 – 45

60 – 90

20 – 35

40 – 60 60

Salmuera de calcio o sodio

Solución acuosa

100 - 120

175 - 200

50 - 75

80 – 125 125










































Tabla 5.26. Propiedades térmicas de materiales de construcción y aislantes Valores que toman las propiedades térmicas de materiales empleados en construcción, algunos de los cuales se utilizan como aislantes, y la de algunos elementos o sustancias de referencia.

Densidad (kg/m 3)

Calor específico (J/(kg·K))

Conductividad térmica (W/(m·K))

Difusividad térmica (m 2/s) (x10-6)

Acero

7850

460

47-58

13,01-16,06

Agua

1000

4186

0,58

0,139

Aire

1,2

1000

0,026

21,67

Alpaca

8,72

398

29,1

8384,8

Aluminio

2700

909

209-232

85,16-94,53

Amianto

383-400

816

0,078-0,113

0,250-0,346

Arcilla refractaria

2000

879

0,46

0,261

Arena húmeda

1640

-

1,13

-

Arena seca

1400

795

0,33-0,58

0,296-0,521

Asfalto

2120

1700

0,74-0,76

0,205-0,211

Baldosas cerámicas

1750

-

0,81

-

Baquelita

1270

900

0,233

0,201

Bitumen asfáltico

1000

-

0,198

-

Bloques cerámicos

730

-

0,37

-

Bronce

8000

360

116-186

40,28-64,58

Carbón (antracita)

1370

1260

0,238

0,139

Cartón

-

-

0,14-0,35

-

Cemento (duro)

-

-

1,047

-

Cinc

7140

389

106-140

38,16-50,41

Cobre

8900

389

372-385

107,45-111,20

Corcho (expandido)

120

-

0,036

-

Corcho (tableros)

120

1880

0,042

0,186

Espuma de poliuretano

40

1674

0,029

0,433

Material










































Hormigón

2200

837

1,4

0,761

1600-1800

-

0,75-0,93

-

Láminas de fibra de madera

200

-

0,047

-

Ladrillo al cromo

3000

840

2,32

0,921

Ladrillo común

1800

840

0,8

0,529

Ladrillo de circonio

3600

-

2,44

-

Ladrillo de magnesita

2000

1130

2,68

1,186

Ladrillo de mampostería

1700

837

0,658

0,462

Ladrillo de sílice

1900

-

1,070

-

100-200

670

0,036-0,040

0,537-0,299

Latón

8550

394

81-116

24,04-34,43

Linóleo

535

-

0,081

-

Litio

530

360

301,2

1578,61

Madera

840

1381

0,13

0,112

Madera de abedul

650

1884

0,142

0,116

Madera de alerce

650

1298

0,116

0,137

Madera de arce

750

1591 1591

0,349

0,292

Madera de chopo

650

1340

0,152

0,175

Madera de fresno

750

1591

0,349

0,292

Madera de haya

800

1340

0,143

0,133

Madera de haya blanca

700

1340

0,143

0,152

Madera de pino

650

1298 1298

0,163

0,193

Madera de pino blanco

550

1465

0,116

0,144

Madera de roble

850

2386

0,209

0,103

Mármol

2400

879

2,09

0,991

Mica

2900

-

0,523

-

Mortero de cal y cemento

1900

-

0,7

-

Mortero de cemento

2100

-

1,4

-

Hormigón de cascote

Lana de vidrio












































Poliestireno

1050

1200

0,157

0,125

Porcelana

2350

921

0,81

0,374

Serrín

215

-

0,071

-

Tierra de diatomeas

466

879

0,126

0,308

Tejas cerámicas

1650

-

0,76

-

Vermiculita expandida

100

837

0,07

0,836

Vermiculita suelta

150

837

0,08

0,637

Vidrio

2700

833

0,81

0,360

Yeso

1800

837

0,81

0,538

Donde:  Densidad (ρ): masa de material por unidad de volumen: ρ = m / V (kg/m3).  Calor específico (C ): cantidad de energía necesaria para aumentar en 1 ºC la temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor específico serán buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/(kg·K), aunque también se suele presentar como kcal/(kg·ºC); siendo 1 cal = 4,184 J. Por otra parte, el producto de la densidad de un material por su calor específico (ρ · C) caracteriza la inercia térmica de esa sustancia, siendo esta la capacidad de almacenamiento de energía.  Conductividad térmica (k ): capacidad de un material para transferir calor. La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad térmica en el Sistema Internacional son W/(m·K), aunque también se expresa como kcal/(h·m·ºC), siendo la equivalencia: 1 W/(m·K) = 0,86 kcal/(h·m·ºC).  Difusividad térmica (α): caracteriza la rapidez con la que varía la temperatura del material ante una solicitud térmica, por ejemplo,












































Tabla 5.27 Conductividades Conductividades térmicas de aislantes y algunos materiales de construcción Material Material

Densidad aparente, ρ lb/pie3 , (Temp.ambiente) (Temp.ambiente)

Aerogel, silica opacificada

°F

K Btu/hr.pie2.(°F/pie)

8.5

248

0.013

5

86

0.024

0.2

100

0.025

Asbesto – cemento, láminas

120

68

0.48

Asbesto hojas

55.5

124

0.096

Asbesto pizarra

112

32

0.087

Asbesto

112

140

0.114

29.8

328

0.043

29.8

32

0.090

36

32

0.087

36

212

0.111

36

392

0.120

36

752

0.129

43.5

328

0.090

43.5

32

0.135

Asfalto

132

68

0.43

Aserrin

12

70

0.03

Algodón en rama Aluminio, hojas, 7 cavidades por 2.5 pulg












































Coque de petróleo

…….

Coque pulverizado

…….

212

3.4

932

2.9

32 – 212

0.11

Concreto, Concreto, cinder

…….

…….

0.20

1:4 seco

……

…….

0.44

Piedra

…….

…….

0.54

Corcho, placa

10

86

0.025

Corcho, molido

9.4

86

0.025 0.025

8.1

86

0.025

62.4

…….

0.092

20

100

0.036

20

1600

0.082

17.2

399

0.040

17.2

1600

0..074

26

399

0.051

61.8

399

0.16

Dolomita

167

122

1.0

Ebonita

…..

…..

0.10

…….

0.5 – 0.75 0.064 0,022 0.028 0.27 0.097 0.03 0.021 2.0 86.7

begranulado Cuero, suela Diatomácea, Diatomácea, tierra, polvo, gruesa

Fina

Aislante de tubería partes calcin, 1 p. cemento y calc.

Esmalte, silicato Escoria, alto horno Escoria, lana Fibra aislante, placa Fibra, roja Con adhesivos, horneada Fieltro, lana Fieltro, pelo perpendicular a las fibras Gas, carbón Grafito, denso, comercial

“38” …….

12 14.8 80.5 …….

20.6 17 …….. ……..

75 – 261 86 70 68 68 – 207 88 86 32-212 32












































Tierra diatomácea y arcilla moldeada y calcinada

37

27 27 19 19 138 138 138 129 129 129 129 129 49.7 19 49.9

1832 392 1112 1832 2552 932 2102 392 1400 399 1202 2192 1112 1472 1832 2192 2552 117 70 68

0.34 0.38 0.85 0.95 1.02 0.15 0.26 0.050 0.113 2.2 1.6 1.1 10.7 9.2 8.0 7.0 6.3 0.35 0.04 0.32

7.8 51.5 44.7 34.0 40.0 28.1

86 59 122 59 59 140

0.025 – 0.03 0.12 0.11 0.087 0.010 0.062

34.4

70

…….

…….

10 34.7

104 32 70 - 151 201

0.20 1.2 – 1.7 0.038 0.27 0.14 0.86 0.075 0.028 0.04 0.14

…..

Tierra diatomácea, alto quemado, poroso Arcilla refractaria, Missouri

Ladrillo aislante, caolín Ladrillo refractario aislante, caolin Magnesita (86.8%, MgO, 6.3% Fe 2O3, 3% CaO, 2.6% SiO2 /peso)

Ladrillo de carburo de silicio, recristalizado

Magnesia pulverizada Magnesia, carbonato ligero Magnesio, oxido comprimido Madera, fibra cruzada Balsa Olmo Maple Pino, blanco Teca Abeto Madera, paralelo a la fibra Pino Marmol Negro de humo Nieve

……. ……. …….

14.8 43 …….

…….

70 86 32












































Tabla 5.28 Conductividad térmica, térmica, Calor específico, Gravedad Gravedad específica de metales y aleaciones Sustancia Acero Acero Acero Aluminio Aluminio Aluminio Antimonio Antimonio Bismuto Bismuto Cadmio Cadmio Cinc Cinc Cinc Cobre Cobre Cobre Hierro vaciado Hierro vaciado Hierro vaciado Hierro forjado Hierro forjado Latón (70 – 30) Latón Latón Magnesio Mercurio Niquel Niquel

Temperatura, F

k, Btu/(hr.pie2.°F)(°F/pie) Btu/(hr.pie2.°F)(°F/pie)

Calor especifico, Btu/ (lb.°F)

Gravedad especifica

32 212 1112 32 212 932 32 212 64 212 64 212 32 212 752 32 212 932 32 212 752 64 212 32 212 752 32 – 212 32 32 212

26 26 21 117 119 155 10.6 9.7 4.7 3.9 53.7 52.2 65 64 64 224 218 207 32 30 25 34.6 27.6 56 60 67 92 4.8 36 34

Ver hierro Ver hierro Ver hierro 0.183 0.1824 0.1872 0.0493 0.0508 0.0294 0.0304 0.0550 0.0567 0.0917 0.0958 0.1082 0.1487 0.1712 0.2634 0.1064 0.1178 0.1519 Ver hierro Ver hierro 0.1315 0.1488 0.2015 0.255 0.0329 0.1050 0.1170

7.83 7.83 7.83 2.55 – 7.8

9.8 8.65 6.9 – 7.2

8.8 – 8.95

7.03 – 7.13

7.6 – 7.9 8.4 – 8.7

1.74 13.6 8.9














































Tabla 5.29 Presión de vapor














































Continuación… Tabla 5.29

Presión de vapor.














































Tabla 5.30 5.30 Entalpía de de vaporización vaporización














































Continuación… Tabla 5.30

Entalpía de vaporización vaporización














































Tabla 5.31 5.31 Entalpía de formació formació n
















































Continuación… Tabla

5.31 Entalpía de Formación
















































Tabla 5.32 Energía de Formación de Gibbs
















































Continuación… Tabla 5.32 Energía de Formación de Gibbs
















































Tabla 5.34. Gravedades específicas específicas y Peso molecular de líquidos Compuesto

Mol

s

Compuesto

Mol

s

Acetaldheido

44.1

0.78

Cloruro de etilo

64.5

0.92

Acetato de amilo

130.2

0.88

Cloruro de metilo

50.5

0.92

Acetato de etilo

88.1

0.90

Cloruro de n-propilo

78.5

0.89

Acetato de metilo

74.9

0.93

Cloruro de sulfuriclo

135

1.67

Acetona

58.1

0.79

Dibromoetano

187.9

2.09

Acetato de butilo

116.2

0.88

Dicloroetano

99.0

1.17

Acetato de vinilo

86.1

0.93 0.9 3

Diclorometano

88.9

1.34
















































Figura 5.73 Gravedades específicas de hidrocarburos. hidrocarburos.
































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Ind. Alimentarias Diseño de Planas Planas Industriales – Transferencia Transferencia de calor







































Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Ind. Alimentarias Diseño de Planas Planas Industriales – Transferencia Transferencia de calor

Manual Intercambiadores de Calor1 (1)

Recommend Documents