Procedimientos para el Diseño de Intercambiadores de Calor de tubo y coraza Enviado por Jorge por Jorge L. Moya Rodríguez
1.
Introducción
2.
Desarrollo
3.
Conclusiones
4.
Bibliograía
Resu!en"
Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importantes de los equipos de transferencia de calor calor sin sin combustión combustión en en las plantas de procesos procesos químicos. químicos. Existen en la literatura literatura numerosos numerosos mtodos para el dise!o de "ntercambiadores de calor de tubo y coraza. Entre los más conocidos se encuentran el #todo #todo de de $ern% el #todo de &ell 'ella(are% el mtodo de Eficiencia Eficiencia ) ) *+,% el #todo de la +emperatura #edia Lo-arítmica% el #todo de +iner y #todo de /ills and 0onston. En el presente trabao trabao se se describen al-unos de estos mtodos y se profundiza en el dise!o de intercambiadores a tras del #todo de $ern.
Introducción Existen mucos procesos de in-eniería que requieren de la transferencia de calor. ara este proceso proceso se se necesitan los intercambiadores de calor% los cuales se utilizan para enfriar o calentar fluidos. or mucos a!os% el dise!o de estos equipos a sido un -ran reto para los inesti-adores% debido a las exi-encias del aorro ener-tico. El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas y separados por una pared sólida ocurre en mucas aplicaciones de in-eniería. El dispositio que se utiliza para llear a cabo este intercambio se denomina intercambiador de calor% y las aplicaciones específicas se pueden encontrar en calefacción de locales y acondicionamiento de aire aire%% producción producción de de potencia potencia%% recuperación de calor de deseco y al-unos procesamientos químicos.
Desarrollo •
#ipos de Interca!biadores de Calor
Los intercambiadores normalmente se clasifican de acuerdo con el arre-lo del fluo y el tipo de construcción construcción.. El intercambiador de calor más simple es aquel en que los fluidos caliente y frío se mueen en la misma dirección dirección 5no 5no necesariamente el mismo sentido6 en una construcción de tubos concntricos. En el arre-lo co7corriente o paralelo% los fluidos caliente y frío entran por un extremo 5ambos por el mismo6 y salen por el otro. En el arre-lo contracorriente% los fluidos entran por extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos para salir por extremos opuestos a su ez. 58er fi-ura 16
Figura 1. Flujos en intercambiadores de calor
En la fi-ura 2 se muestran los diferentes tipos de intercambiadores de calor de tubo y coraza de acuerdo a la norma +ema •
Figura 2. Clasificación de los intercambiadores de tubo y coraza acorde a la norma TEM. Dierentes !$todos para el dise%o de Interca!biadores de Calor
En todos los mtodos siempre se parte del dato de la cantidad de calor a transferir o de la diferencia de temperaturas deseada% así como de las propiedades de los líquidos o -ases que interienen en el proceso. En la fi-ura 3 se muestra el dia-rama de cálculo de un "ntercambiador de calor
•
Figura !. Diagrama de blo"ue #ara el c$lculo de un intercambiador de calor M$todo Dono&ue
El cálculo del coeficiente de transferencia de calor se basaba por primera ez en el área de fluo disponible que se calculaba como una media -eomtrica entre el área mínima de paso entre deflectores 5área transersal6 y el área de paso disponible en el deflector 5área lon-itudinal6. 9in embar-o% no tenía en cuenta el efecto de las diferentes confi-uraciones de los tubos. ara el cálculo de la prdida de car-a se proponía la utilización de las curas de factor de fricción obtenidas por :olburn con un factor
de se-uridad eleado. or primera ez se consideró el efecto de la entana del deflector% considerando esta entana como un orificio con un coeficiente de descar-a de ;.<. Este mtodo% aunque muy simple de utilizar% proporciona unos resultados poco precisos% debido básicamente a que las correlaciones se obtuieron con intercambiadores peque!os con -eometrías nada estándares. •
M$todo #in'er
=l final de los a!os 4;% al mismo tiempo que aparecían los mtodos inte-rales% se acía eidente que el fluo que se establecía en carcasa era compleo y con una -ran dependencia de la -eometría de construcción del intercambiador. = ello contribuyeron las primeras isualizaciones del fluo que se obtuieron a finales de los a!os 4; y principios de los >;. 9e obseró que solo una parte del fluido se-uía el camino ?correcto? a tras del az de tubos% el resto pasaba a tras de áreas de fu-a 5entre tubo y deflector% entre deflector y carcasa y entre el az de tubos y la carcasa6. Estas áreas de fluo son ineitables en la construcción y montae del intercambiador y determinan los fluos que se establecen en carcasa. ,n mtodo basado en correlaciones de fluo a tras de un banco de tubos ideal o un mtodo inte-ral difícilmente puede incorporar toda la información de los diferentes fluos que se establecen en carcasa y como consecuencia de ello% dependiendo del tipo de construcción% los errores al aplicar los mtodos pueden ariar considerablemente. El mtodo analítico recibe este nombre porque en cada intercambiador se llea a cabo un análisis del fluo establecido en la carcasa. El primer análisis del fluo establecido en la carcasa fue realizado por +iner 51@>16 que propuso el si-uiente modelo de fluo.
Figura %. Distribución Corrientes Tin&er
La prdida de car-a que experimenta la corriente principal 5&6 al pasar de un espaciado entre deflectores al si-uiente actAa como fuerza impulsora para las otras corrientes forzando a parte del fluido a pasar por las áreas de fu-a. La repartición de caudales entre las diferentes corrientes dependerá de la resistencia al fluo que encuentre el fluido al pasar por cada uno de los caminos% teniendo en cuenta que la perdida de car-a a de ser la misma para todas las corrientes. ,na ez obtenido el caudal de la corriente & se puede determinar el coeficiente de transferencia de calor aplicando una correlación de fluo cruzado en un banco de tubos ideal. Este mtodo suponía un -ran aance en la interpretación en la aproximación a la realidad del fluo establecido en la carcasa% sin embar-o% paso desapercibido por la -ran dificultad de cálculo que entra!aba teniendo en cuenta las posibilidades de computación de la poca% 'ebido a que el proceso de cálculo era un proceso iteratio muy laborioso para realizarlo a mano. *o fue asta principios de los a!os <;% con la posibilidad de utilizar computadores personales para realizar los cálculos% que se pudo aproecar el potencial del mtodo desarrollado por +iner. •
M$todo de Bell(Dela)are
El mtodo &ell7'ela(are propone calcular el coeficiente de transferencia de calor del lado carcasa utilizando las correlaciones obtenidas para fluo en un banco de tubos considerando que todo el caudal que circula por la carcasa atraiesa el banco de tubos. osteriormente este coeficiente ideal de fluo cruzado se corri-e por una serie de factores para tener en cuenta las fu-as que se producen. La perdida de car-a en el lado carcasa se calcula como suma de las prdidas de car-a para fluo cruzado ideal y de la prdida de car-a en la zona de la entana. Los errores de este mtodo pueden ser del 4; B en prdida de car-a y normalmente predicen prdidas de car-a mayores a las reales. El error en el coeficiente de transferencia de calor es alrededor del 2>B. La diferencia con respecto al mtodo analítico propuesto por +iner reside en que no establece interacción entre los efectos de las corrientes de fu-a. :on el desarrollo y la extensión de las computadoras se desarrollaron los primeros pro-ramas de cálculo de intercambiadores que se basaron en el mtodo analítico propuesto por +iner conocido como ?análisis de corrientes?. En los cálculos realizados a mano se continuó y continAa utilizando el mtodo de &ell7 'ela(are. *o obstante /illis y 0onston 51@C46 propusieron una ía alternatia% intermedia entre los dos
mtodos% presentando una ersión simplificada del mtodo de análisis de corrientes. Este mtodo% adoptado por En-ineerin- 9ciences 'ata ,nit 51@C36% propone que ciertos coeficientes característicos del mtodo relacionados con la resistencia al fluo son constantes e independientes del caudal% es decir% solo dependen de la -eometría del sistema. Este Altimo mtodo con respecto al mtodo de &ell7'ela(are presenta una mayor aproximación a la realidad respecto a la interacción entre las corrientes. =unque el proceso de cálculo es más laborioso por las necesarias iteraciones% por un lado esto se e compensado por la presentación de los coeficientes mediante ecuaciones% lo cual permite la completa pro-ramación del mtodo% y por otro lado el proceso de iteración no presenta nin-una dificultad si se utiliza un pro-rama de cálculo. El mtodo $ern es recomendable solo para proporcionar un estimado o alores de inicio para una iteración con otro mtodo% que pudiera ser el &ell7'ela(are o el /ills70onson el cual es más preciso y solo requiere poco cálculos adicionales. El uso del soft(are especializado ayuda en -ran medida a meorar los procesos de dise!o de los intercambiadores de calor en todas sus etapas% sobre todos cuando se necesita realizar cálculos iteratios% proporcionando además de mayor precisión% un tiempo de cálculo en el proceso de dise!o muco más corto. aralelamente% estos mtodos de cálculo se an nutriendo de las nueas correlaciones desarrolladas por los inesti-adores% cuyo trabao a su ez es facilitado por las entaas computacionales de la actualidad. •
M$todo de la te!peratura !edia logarít!ica o !edia logarít!ica de dierencia de te!peratura
La diferencia de temperatura media lo-arítmica 5tambin conocido como L#+'6 se utiliza para determinar la temperatura del motor de la transferencia de calor en sistemas de fluo% especialmente en los intercambiadores de calor. L#+' es la media lo-arítmica de la diferencia de temperatura entre los arroyos calientes y fríos en cada extremo del intercambiador. :uanto mayor sea el L#+'% más calor se transfiere. El uso de la L#+' directa sur-e del análisis de un intercambiador de calor con el constante fluo de fluidos y propiedades trmicas. 'efinición9uponemos que un intercambiador de calor de -enricos tiene dos lados 5lo que llamamos ?=? y ?&?6 en la que el frío y caliente arroyos entrar o salir y% a continuación% la L#+' se define por la ecuación si-uienteD
ara aplicar este mtodo se realizan las si-uientes suposicionesD 7Las propiedades de las corrientes son constantes 7El intercambio de calor se realiza en estado estacionario 7:ada corriente tiene un calor especifico constante 7El coeficiente -lobal de transferencia de calor es constante 7La conducción axial a lo lar-o de los tubos es insi-nificante 7*o ay prdida de calor 7El fluo es en contra7 o co7corriente •
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M$todo de *ern
Este mtodo a sido adoptado como un estándar por la industria durante mucos a!os. Las correlaciones para el cálculo de la transferencia de calor y la prdida de car-a se obtuieron de intercambiadores estándar con un corte de deflector del 2> B 5una decisión acertada porque en la mayoría de los casos es el meor dise!o6. La predicción de la transferencia de calor aría entre li-eramente inse-ura 5alor superior al real6 y muy se-ura 5alor inferior al real6. #ientras que las predicciones de la prdida de car-a se sitAan en el lado de se-uridad con errores superiores al 1;; B. En r-imen laminar los errores todaía son -randes debido a la poca información disponible en el momento que se elaboró el mtodo. 9i bien los resultados obtenidos por el mtodo $ern no presentaron una -ran meora respecto a las correlaciones existentes% el mrito del xito obtenido se encuentra en el eco de aber presentado un mtodo -lobal de dise!o% presentando además arios eemplos de cálculo. Es eidente que no puede ser utilizado como un mtodo de dise!o porque la sobrestimación de la prdida de car-a puede llear a dise!os conseradores% con una -ran separación de deflectores o con diámetros de carcasa superiores% y por consi-uiente con coeficientes de transferencia de calor baos. 9in embar-o% todaía se si-ue utilizando en la industria para comprobar el funcionamiento trmico de los intercambiadores. undamento F buscar una elocidad lineal media y un fluo másico medio del fluido de carcasa. :onsiderando =s y de. 'atosD
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:apacidad calorífica del líquido o -as a enfriar o calentar :apacidad calorífica del líquido o -as a usar como refri-erante o calentador. 'iferencia de temperaturas deseadas. = continuación se explica en detalle el procedimiento para dise!ar un intercambiador de calor de tubo y coraza basado en el mtodo de $ern 'eterminar G +ci ) +emperatura de entrada del líquido frío en H: +co ) +emperatura de salida del líquido frío en H: +i ) +emperatura de entrada del líquido caliente en H: +o ) +emperatura de salida del líquido caliente en H: :p ) :alor específico del líquido caliente en 0I- $ :pc ) :alor específico del líquido frío en 0I- $ 'eterminar L#+'
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:alcular los factores de corrección J y
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:alcular el actor de corrección de la temperatura media lo-arítmica
Este alor de % puede calcularse tambin por el si-uiente -ráficoD
Figura '( Factor de corrección de tem#eratura #ara un #aso #or la coraza y dos o m$s #asos #or el tubo •
Kallar un alor aproximado del coeficiente -lobal de transferencia de calor por la fi-ura si-uienteD
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Figura ). *alor asumido del coeficiente global de transferencia de calor :alcular el área para fluo transersal% +s para una fila ipottica de tubos en el centro de la
carcasa 5rea máx. perpendicular al fluo6D
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Kacer una selección preia de los tubos a utilizar en cuanto a tubos normalizados con su diámetro exterior e interior y esco-er una lon-itud dada del tubo L. :alcular el área de un tubo
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'ondeD d; es el diámetro exterior del tubo :alcular el nAmero de tubos
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• •
Ele-ir un arre-lo y un paso entre los tubos 5distancia entre tubos6 :alcular el diámetro del az de tubosD
Los alores de 1 y n1 se allan por la tabla.1 Tabla 1 Valores de los Coeficientes K1 y n1 Número de pases
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Arreglo Triangular de los tubos
Arreglo cuadrado de los tubos
St =1,2 do
St =1,2 do
K1
n1
K1
n1
1
!,"1#
2,1$2
!,21
2,2!%
2
!,2$#
2,2!%
!,1&
2,2#1
$
!,1%
2,2'
!, 1'
2,2&"
&
!,!%$"
2,$##
!,!$!2
2,&1%
'
!,!"&
2,&%
!,!""1
2,&$"
Kallar la clarencia diametral por la fi-ura si-uienteD
Figura +. ,olgura o clarencia entre la corza y el -az de tubos •
• •
Kallar el diámetro de la conca donde : es la clarencia en mm. Estandarizar '9 :alcular el coeficiente de transferencia de calor en el lado del tubo ara a-uaD
'ondeD i ) coeficiente de transferencia de calor en el lado del tubo en /Im2 H: t ) temperatura del a-ua en H: ut ) elocidad del a-ua en mI sedi ) diámetro interior del tubo en mm. ara cualquier fluidoD
Je ) nAmero de Jeynolds
r ) nAmero de randtl
•
f 7 :onductiidad trmica del fluido% /ImH:% MN ) iscosidad del fluido en *sIm2 MN/ ) iscosidad del fluido en la pared El alor de se alla por la fi-ura C en función del nAmero de Jeynolds 'ecidir el espaciamiento de los deflectores y estimar el coeficiente de transferencia de calor en el lado de la coraza. El espaciamiento entre deflectores se puede ele-ir de acuerdo a la si-uiente recomendaciónD l& O ;.;> a ;.> m en dependencia de las dimensiones del intercambiador o por la expresión
z 7 es un alor que se puede tomar entre 3 y @ 9e determina el paso entre los tubos 9e determina el área perpendicular al fluo
Figura . Factor de transferencia de calor j- en el lado del tubo 9e calcula la elocidad del fluido por el lado de la coraza% ,s% y la elocidad lineal% us
'ondeD
P ) es el fluo másico en el lado de la coraza en -Is% 7F7 densidad del fluido en el lado de la coraza en -Im3 9e calcula el diámetro equialente o diámetro idráulico de la carcasa% de -ara distribución cuadrada"
-ara distribución triangular euil/tera"
donde de es el diámetro equialente en m 9e calcula el nAmero de Jeynolds y el nAmero de randtl por el lado de la corazaD
9e eli-e el B de corte de los separadores para calcular de la fi-ura @. 9e alla el coeficiente de transferencia de calor de la corazaD
f 7 :onductiidad trmica del fluido% /ImH:%
Figura / *alores del factor de transferencia de calor j- #ara calcular la transferencia de calor en el lado de la coraza #ara se#aradores segmentados •
:alcular el coeficiente total de transferencia de calor incluyendo los coeficientes de ensuciamiento o incrustación
•
dondeD ,o ) :oeficiente total de transferencia de calor basado en el área exterior del tubo en /Im2 H: o ) coeficiente exterior de la película de fluido en /Im2 H: i ) coeficiente interior de la película de fluido en /Im2 H: od) coeficiente exterior de ensuciamiento en /Im2 H: id) coeficiente interior de ensuciamiento en /Im2 H: $( ) conductiidad trmica del material de la pared del tubo en /Im2 H: di ) diámetro interior del tubo en m do ) diámetro interior del tubo en m 9e calcula la caída de presión en el lado del tubo y de la coraza Lado del tuboD
donde D Ft 7 caída de presión en el lado del tubo en a *p ) nAmero de pases por el lado del tubo ut ) elocidad en el lado del tubo en mIs L ) lon-itud de un tubo. El alor del factor de fricción f se alla de acuerdo al nAmero de Jeynolds por la fi-ura 1; Lado de la corazaD
'ondeD L ) lon-itud del tubo en m l& ) Espaciamiento entre deflectores en m El trmino 5LIl&6 es el nAmero de eces que el fluo cruza el az de tubos y es i-ual a *b Q1% donde *b es el nAmero de espaciadores. El factor de fricción por la fi-ura 11
Figura 10. *alores del factor de fricción jf en función del nmero de eynolds #ara el tubo
Figura 11. *alores del factor de fricción jf en función del nmero de eynolds #ara la coraza •
9e calcula el costo total del intercambiador de calor. El costo total :tot incluye la inersión de capital 5:i6% el costo de la ener-ía 5:e6% el costo de operación anual 5:o6 y el costo total de descuento de operación de 5:od6 =doptando la correlación de Kall% el capital de inersión :i se calcula en función del área superficial del intercambiadorD
'onde% a1 O C;;;% a2 O 2>@%2 y a3O ;%@3 para el intercambiador eco de acero inoxidable tanto para la coraza como para los tubos El descuento de costo total de operación en relación con potencia de bombeo para superar las prdidas por fricción se calcula de la si-uiente ecuación%
Conclusiones3 En el presente trabao se a dado una panorámica de los diferentes mtodos existentes para el dise!o de intercambiadores de calor de tubo y coraza. 9e an puntualizado las características de cada mtodo% aciendo incapi en el mtodo de $ern. 9e estableció una secuencia ló-ica para el dise!o de intercambiadores de calor en base al mtodo de $ern y a la experiencia de los autores
4ibliograf5a3 Leer másD ttpDII(((.mono-rafias.comItrabaos@3Iprocedimientos7diseno7intercambiadores7calor7tubo7y7 corazaIprocedimientos7diseno7intercambiadores7calor7tubo7y7coraza.stmlRixzz3a:y1,$-
