7 DiseAo Intercambiadores de Calor

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[1] 
 
DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR SIN CAMBIO DE FASE. 
Diseño de un intercambiador de calor de tubo y coraza utilizando el método Kern simplificado. 
1. Balance Térmico 
 
 ( ) ( ) 
 
2. Cálculo del 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (
 
 
)
 
 
 
 
Nota: Calcular Factor de Corrección a partir de la Figura N°18, Página 933. 
 
3. Datos del Equipo 
 
CORAZA TUBOS 
Diámetro interno de coraza (DI) [in] N° (NT) y Largo (LT) tubos 
Espacio entre deflectores (B) [in] Diámetro externo (do) e interno (di), BMG [in] 
Número de pasos Tipo de arreglo 
Pitch (PT), Claridad (C’) [in] N° de pasos 
 
4. Criterios de Diseño (Previo al cálculo de Áreas) 
 
 Si se utiliza agua como servicio, no debe calentarse más de 50°C (formación de sales de calcio). 
 Definir diámetro de tubos (utilizar BMG para la relación entre diámetro interno (di) y diámetro 
externo (do), P. 948). 
 Definir Número de pasos, Tipo de Arreglo y Claridad (C’). 
 Definir Diámetro de Coraza (DI). 
 Definir Número de Tubos en relación al DI, do, N° pasos, Tipo de Arreglo (P. 946, 947). 
 Definir Separación de los Baffles (B) (no mayor a DI, ni menor a 1/5 DI). 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[2] 
 
5. Equipo 
 
CORAZA TUBOS 
Área de Flujo (ac): 
 
 
 
 
Pitch (PT): 
 
 
 
Diámetro Equivalente (Deq): 
 
 
 ( 
 
 )
 
 
Área de Flujo (at): 
 
 
 
 
 
 
 
 
Velocidad de coraza (vc): 
 
 
 
 
 [ 
 
 
 ] 
Velocidad de tubos (vt): 
 
 
 
 
 [ 
 
 
 ] 
Adimensionales: 
 
( ) ( ) 
 
 
 
 
 
 
 
Adimensionales: 
 
( ) ( ) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Coeficiente de Transferencia de Calor (hC): 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 [ 
 
 
 ] 
Coeficiente de Transferencia de Calor (ht): 
 
 
 
 
 [ 
 
 
 ] 
Coeficiente de T. Calor corregido (ht*): 
 
 
 
 
 
 [ 
 
 
 ] 
Factor de Ensuciamiento de Coraza (Rdc): 
 
 [ 
 
 
 ] 
Factor de Ensuciamiento de tubos (Rdt): 
 
 [ 
 
 
 ] 
Área de Transferencia de Calor Disponible (ATC,disponible) 
 
 
 
 
 
Coeficiente Global de Transferencia de Calor (U) 
 
 (
 
 
 
 
 
 )
 
 [ 
 
 
 ] 
Área de Transferencia de Calor Requerida (ATC,requerida) 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[3] 
 
6. Caída de Presión 
 
CORAZA TUBOS 
fC: factor de fricción en la coraza fT: factor de fricción en los tubos 
N° de cruces: 
 
 
 
 
 
Flujo másico (masa-velocidad) en la coraza: 
 
 
 
 
 [ 
 
 
 ] 
Flujo másico (masa-velocidad) en los tubos: 
 
 
 
 
 [ 
 
 
 ] 
Caída de Presión por la coraza: 
 
 
 ( )
 ( )
 
 [ 
 
 
 ] 
Caída de Presión por los tubos: 
 
 ( ) 
 ( )
 
 
 [ 
 
 
 ] 
 
 ( ) 
 
 
 (
 
 
) [ 
 
 
 ] 
 
 
 
n: Número de pasos por los tubos 
v: velocidad por los tubos [ft/s] 
s : gravedad específica (ϒfluido / ϒagua = ρfluido / ρagua) 
g : aceleración de gravedad (32,17 [ft/s
2
]) 
 
Notas: 
o Para arreglos triangulares 
 
 ( 
 )
 
 
o Para factores de fricción por los tubos utilizar Apéndices p.941 
o Para factores de fricción por la coraza utilizar Apéndices p.944 
o Para coeficientes de ensuciamiento utilizar Apéndices p.950-951-952 
 
o Para el coeficiente de transferencia de calor usando agua 
 
 
 ( ) 
 
 
 
 [ 
 
 
 ] 
 
 
 ( ) 
 
 
 
 [ 
 
 
 ] 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[4] 
 
7. Relaciones y recomendaciones 
 
 Relación de Flujo: 
o Para los coeficientes de transferencia de calor por la coraza 
 
 
 
 
 (
 
 
)
 
 
 
o Para los coeficientes de transferencia de calor por los tubos 
 
 
 
 
 (
 
 
)
 
 
 
o Para la caída de presión tanto los tubos como en la coraza. 
 
 
 
 (
 
 
)
 
 
 Diseño general. 
 
o La velocidad de flujo recomendada para el agua (en general líquidos) es de 1-3 [m/s]. Para el aire 
(en general gases) es de 10 [m/s]. 
 
 Sobredimensionamiento del Área. 
 
 
 
 
 
 
 
 
o El porcentaje de sobredimensionamiento debe estar entorno al 10%. 
o Al momento de calcular el flujo máximo, se debe considerar el Área Disponible. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[5] 
 
8. Condiciones de Proceso. 
 
 Acercamiento entre temperaturas: 
 
o Para una corriente de proceso que está siendo enfriada: diferencia entre la temperatura de 
salida del fluido caliente y la temperatura de entrada del medio enfriador. 
o Para una corriente de proceso que está siendo calentada: diferencia entre la temperatura de 
salida de la corriente de proceso y la temperatura de entrada de la corriente calefactora. 
o Para dos corrientes de proceso: menor diferencia entre temperaturas. 
 
CONDICION ACERCAMIENTO MINIMO DE TEMP. 
Enfriadores de agua y condensadores 10 a 15 [°C] 
Enfriadores de aire 20 [°F] 
Rehervidores (unidades pequeñas de proceso) 25 [°F] 
Rehervidores e Intercambiadores para aceite 0 [°F] 
 
 Caída de presión permisible 
 
CONDICION CAIDA DE PRESION PERMISIBLE 
Por el lado del agua (enfriadores, condensadores, 
intercambiadores (coraza) en serie) 
10 [psi] (se requiere para alcanzar velocidad mínima 
(limitante) del agua de enfriamiento 5 [ft/s] 
Fluidos en general (que intercambian calor) 
5 a 25 [psi]. Usualmente se permite un mínimo de 5 
[psi] por intercambiador (carcasa) en serie. 
Unidades a baja presión, alimentación combinada, 
con dos o más pasos por los tubos 
2 [psi] 
Unidades a alta presión 5 [psi] 
Condensadores a presión atmosférica 1 a 5 [psi] 
Rehervidores 0,5 a 2 [psi] 
Rehervidores de termosifón 0,5 a 0,75 [psi] 
Rehervidores verticales 2 [psi] 
Condensadores en vacío 10 a 25 [mm Hg] 
 
 
9. Consideraciones mecánicas. 
 
 Presión de diseño. 
o Normalmente la caída de presión de diseño de intercambiadores se considera como un 
mínimo de 25 [psi] o 10% de la presión máxima de operación (la mayor). 
o Intercambiadores que operan a presiones cercanas a los 1000 [psig], la presión de diseño es 
en ocasiones considerada como 100 [psi] o 5% de la presión máxima de operación (la mayor). 
 
 Temperatura de Diseño. 
o La temperatura de diseño de intercambiadores podría ser lo suficiente alta considerando 
filtraciones y ensuciamiento. Normalmente, es suficiente con 50 [°F] por sobre la máxima 
temperatura de operación. 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[6] 
 
 
10. Algunas conversiones útiles. 
 
 Longitud 
 
m in ft 
m 1 39,4 3,28 
in 0,0254 1 0,084 
ft 0,3 12 1 
 
 Masa 
 
lb Kg grs 
lb 1 0,454 453,6 
Kg 2,2 1 1000 
grs 0,0022 0,001 1 
 
 Superficie 
 
m
2
 inft
2
 
m
2
 1 1550 10,76 
in 0,000645 1 0,0069 
ft
2
 0,093 144 1 
 
 Potencia – Flujo de Calor 
 
W kcal/h BTU/h hp 
W 1 0,86 3,4 0,0013 
kcal/h 1,16 1 3,9657 0,0015 
BTU/h 0,2926 0,252 1 0,00039 
hp 745,7 641,62 2545 1 
 
 
 
Energía 
 
Joule Kwh kcal BTU 
Joule 1 2,777E-07 0,00024 0,000948 
Kwh 3600000 1 860,4 3412,2 
kcal 4184 0,00116 1 3,9657 
BTU 1055 0,0003 0,2522 1 
 
 
Coeficiente de Transferencia de Calor 
 
W/m2.K BTU/h.ft2.F kcal/h.m2.ºC 
W/m2.K 1 0,1761 0,86 
BTU/h.ft2.ºF 5,678 1 4,882 
kcal/h.m2.ºC 1,163 0,2048 1 
 
 
Presión 
 
bar Pa atm psi(lb/plg2) kgf/cm2 mmHg plgHg 
bar 1 100000 98690 14,504 1,0197 750,06 29,526 
Pa 0,00001 1 0,00000987 0,00014504 1,0197E-05 0,0075006 0,0002952 
atm 1,013 101300 1 14,696 1,033 760 29,92 
psi(lb/plg2) 0,06894 6894,7 0,06804 1 0,07031 51,715 2,036 
kgf/cm2 0,9807 98068 0,9678 14,22 1 735,6 28,96 
mmHg 0,001333 133,32 0,001315 0,01933 0,0013594 1 0,03937 
plgHg 0,033864 3386,4 0,0334 0,49116 0,03453 25,4 1 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[7] 
 
Figura N°18, Página 933 
 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[8] 
 
Tabla N°10, Página 948 
 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[9] 
 
Tabla N°9 – Página 946, 947. 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[10] 
 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[11] 
 
Apéndice Página 94: Factor de fricción por los tubos 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[12] 
 
Apéndice Página 944: Factor de fricción por el lado de la coraza (deflectores segmentados 25%) 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[13] 
 
Tabla N°12 – Factores de obstrucción (continua en P.950) 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[14] 
 
ANEXO 3. Valores de diseño aproximados de coeficiente global de transferencia de calor. 
o Los valores de coeficientes globales de transferencia de calor están basados principalmente en 
resultados obtenidos en la ingeniería práctica. Los valores son aproximados porque variaciones en 
factores como las velocidades de los fluidos, cantidad de gases no condensables, presión de 
operación entre otros pueden tener efectos significantes sobre los coeficientes. 
 
o Los valores superiores en los coeficientes para enfriadores pueden ser utilizados para 
condensadores mientras que los valores superiores en los coeficientes para calentadores pueden 
ser utilizadas para evaporadores. 
Fluido Caliente Fluido Frío Ud [W/m
2
·K] Ud [btu/h·ft
2
·°F] Ud [kcal/h·m
2
·°C] 
Enfriadores 
Agua Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150 
Metanol Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150 
Amoniaco Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150 
Soluciones Acuosas Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150 
Orgánicos ligeros 
(1)
 Agua 375 - 750 66 - 132 322 - 645 
Orgánicos medios 
(2)
 Agua 250 - 600 44 - 106 215 - 516 
Orgánicos pesados 
(3)
 Agua 25 - 375 4 - 66 22 - 323 
Gases Agua 10 - 250 2 - 44 9 - 215 
Agua Salmuera 500 - 1000 88 - 176 430 - 860 
Orgánicos ligeros Salmuera 200 - 500 35 - 88 172 - 430 
Calentadores 
Vapor Agua 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010 
Vapor Metanol 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010 
Vapor Amoníaco 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010 
Vapor Soluciones Acuosas 
 
μ < 2·10-3 Pa·s 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010 
μ > 2·10-3 Pa·s 500 - 2500 88 - 440 430 - 2150 
Vapor Orgánicos ligeros 500 - 1000 88 - 176 430 - 860 
Vapor Orgánicos medios 250 - 500 44 - 88 215 - 430 
Vapor Orgánicos pesados 30 - 300 5 - 53 26 - 258 
Vapor Gases 20 - 200 4 - 35 17 - 172 
Intercambiadores (Sin cambio de fase) 
Agua Agua 1400 - 2850 247 - 502 1204 - 2451 
Soluciones acuosas Soluciones Acuosas 1400 - 2850 247 - 502 1204 - 2451 
Orgánicos ligeros Orgánicos ligeros 300 - 425 53 - 75 258 - 366 
Orgánicos medios Orgánicos medios 100 - 300 18 - 53 86 - 258 
Orgánicos pesados Orgánicos pesados 50 - 200 9 - 35 43 - 172 
Orgánicos pesados Orgánicos pesados 150 - 300 26 - 53 129 - 258 
Orgánicos ligeros Orgánicos ligeros 50 - 200 9 - 35 43 - 172 
 
(1)
 Hidrocarburos hasta C8, gasolina, alcoholes ligeros, cetonas μ < 0,5 ·10
-3 
Pa·s 
(2)
 Aceite de absorción, gas de petróleo caliente, kerosene, crudo ligeros 0,5 ·10
-3
 Pa·s < μ < 2,5 ·10
-3 
Pa·s 
(3)
 Aceites lubricantes, fuel oil, gas de petróleo frío, crudos pesados 2,5 ·10
-3 
Pa·s <μ < 5 ·10
-3 
Pa·s