Proyecto Transferencia Andres Explicacion

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Instituto Politécnico Nacional 
 
Escuela Superior de Ingeniería Química e 
Industrias Extractivas 
 
 
Transferencia de Calor 
 
 
Proyecto de Intercambiador de Haz de Tubos y Coraza 
 
 Sistema Agua-Etanol 
 
Profesora: 
 Ma. Del Rosario Davalos 
 
Alumno: 
 
Armenta Domínguez Andres 
2014320045 
 
Grupo: 2IM54 
 
 
 
 
 Se requiere enfriar Etanol para uso en nuestro producto 
dermocosmetico (crema hidratante) el cual requerimos como materia 
prima para producir (Alcohol Denat) para después proceder a 
desnaturalizarlo mediante destilación y rectificación: El etanol fluye a 
razón de 320,045 kg/h de 100 °C a 40°C y se empleará como medio de 
enfriamiento agua que entra a 20°C y saldrá a 40°C estará en 
contracorriente al etanol. El etanol fluye por dentro de los tubos. 
Para nuestro Proceso se dispone un intercambiador de haz de tubos y 
coraza en nuestro proceso requerimos 1 paso por los tubos y otro mas 
por la coraza las mamparas son segmentadas con separación de 
0.10795m, el haz de tubos este compuesto por 391 tubos con arreglo 
en TRIANGULO de X de longitud y de diámetro exterior(de) de 
0.01905m y diámetro interior(di) de 0.016561m y a su vez el diámetro 
de paso pitch de 0.01905 
Los datos de la coraza son: diámetro Interior 0.2032m 
La conductividad térmica promedio de los Tubos es 22.3 kcal/hm2°C 
 
El Material elegido para fabricar el intercambiador de calor será 
Cupro Nickel 702 
BWG 18 
 
Diagrama del Intercambiador de Calor 
 
 
 
 
 
 
ETANOL 
T1=100°C 
 
 
ETANOL 
T1=40°C 
 
 
AGUA 
t1=20°C 
 
 
AGUA 
t2=50°C 
 
 
 
 
Después de Obtener los Datos con Propiedades de Fluido y Datos de 
Tubo y con La tabla 10-7 Y haciendo las Conversiones 
Correspondientes: 
Dentro de tubos Fuera de tubos o lado coraza 
Gasto masa en 
Kg/h 
320,045 702,304.60 
Velocidad en m/s 5400 
Temperatura de 
entrada en °C 
100 Temperatura de 
entrada en °C 
20 
Temperatura de 
salida en °C 
40 Temperatura de 
salida en °C 
40 
Temperatura media 70 Temperatura media 30 
DENSIDAD EN 
KG/M3 
750 995 
µ en Kg/mh 1.8 µ en Kg/mh 2.88 
Cp en Kcal/Kg °C 0.73 Cp Kcal/Kg °C 0.998 
K en Kcal/hm°C 0.134 K en Kcal/hm°C 0.5334 
 
 
Datos del sistema 
CORAZA HAZ DE TUBOS 
Diámetro interior = 0.53975 diámetro interior = 0.01656m 
Separación entre mamparas= 
Bmin=0.10795m 
Calibre BWG 18 
 diámetro exterior= de = 0.01905m 
 diámetro de paso o pitch = 0.0238 
 Arreglo o distribución de tubos = 
TRIANGULAR 
 Número de pasos por los tubos = 
nt= 1,2 y 4 
 
 
 
 
SECUENCIA DE CALCULOS DEL PROCESO 
 
1. CALCULAR EL CALOR INTERCAMBIADO ENTRE EL FLUIDO 
CALIENTE Y FRÍO 
 
𝑄𝑡 = 𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑄𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 
 
𝑄𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝐺𝑚𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ∗ 𝐶𝑝𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ∗ ∆𝑇𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 
 
𝑄𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 320,045
𝐾𝑔
ℎ
∗ 0.73
𝐾𝑐𝑎𝑙
𝐾𝑔°𝐶
∗ (100°𝐶 − 40°𝐶) = 1.4018𝑥107
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ
 
 
 
 
 
 
 
2. CALCULAR LA DIFERENCIA MEDIA LOGARÍTMICA EN 
CONTRACORRIENTE PARA UN PASO 
 
∆𝑇𝑀𝐿 =
∆𝑇1 − ∆𝑇2
𝐿𝑛(
∆𝑇1
∆𝑇2)
 
∆𝑇1 = 𝑇1 − 𝑡2 = 100°𝐶 − 40°𝐶 = 60°𝐶 
∆𝑇2 = 𝑇2 − 𝑡1 = 40°𝐶 − 20°𝐶 = 20°𝐶 
 
∆𝑇𝑀𝐿 =
60°𝐶 − 20°𝐶
𝐿𝑛(
60°𝐶
20°𝐶)
= 36.4096 
 
 
 
 
 
 
2.1 MEDIALOGARITMICA CORREGIDA PARA DOS O MÁS PASOS: 
 
Corrección de ∆T: 
𝑅 =
𝑇1 − 𝑇2
𝑡2 − 𝑡1
=
100°𝐶 − 40°𝐶
40 − 20°𝐶
= 3 
 
 
𝑆 = 𝑛𝐻 =
𝑡2 − 𝑡1
𝑇1 − 𝑡1
=
40 − 20
100 − 20
= 0.25 
 
𝐹𝐺 =
(𝑧2−1)0.5+𝐿𝑛(
1−𝑛𝐻
1−𝑧∗𝑛𝐻
)
(𝑧−1)(
2−𝑛𝐻(𝑧+1−(𝑧2+1)0.5
2−𝑛𝐻(𝑧+1+(𝑧2+1)0.5
= 
 
𝐹𝐺 =
(32−1)0.5+𝐿𝑛(
1−0.25
1−3∗0.25
)
(3−1)(
2−0.25(3+1−(32+1)0.5
2−0.25(3+1+(32+1)0.5
=0.8094 
 
∆𝑇𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 = ∆𝑇 ∗ 𝐹𝐺 = 36.4096°𝐶 ∗ 0.8094 = 29.47°𝐶 
 
3. CALCULAR EL GASTO MASA DEL FLUIDO QUE CIRCULA POR 
FUERA DE TUBOS, CONSIDERANDO UNA EFICIENCIA DEL 100% 
 
𝐺𝑚𝐴𝑔𝑢𝑎 =
𝑄𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
𝐶𝑝𝐴𝑔𝑢𝑎 ∗ ∆𝑇𝐴𝑔𝑢𝑎
 
 
𝐺𝑚𝐴𝑔𝑢𝑎 =
1.4018𝑥107
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ
𝑙
0.998
𝐾𝑐𝑎𝑙
𝐾𝑔°𝐶 ∗ (40°𝐶 − 20°𝐶)
= 702,304.60
𝐾𝑔
ℎ
 
 
 
4. CALCULAR EL NÚMERO DE TUBOS QUE INTEGRARAN EL HAZ Y 
AJUSTARLO A LA TABLA COMERCIAL 10.7 
 
𝑉 =
𝐺𝑚
𝜋
4
(𝑑𝑖2)
𝑁
𝑁𝑐 ∗ 𝜌
 
5400
𝑚
ℎ
=
320,045
𝐾𝑔
ℎ
𝜋
4
(0.016562)
𝑁
1 ∗ 750
𝐾𝑔
𝑚3
 
N=366.89 Tubos 
Ajustando los valores Comerciales de Tabla 10-7 nos da un Numero de Tubos 
igual a 391 Tubos 
 
 
 
5. DETERMINAR EL DÍAMETRO DE LA CORAZA = Dc HACIENDO USO DE 
LA TABLA 10.7 
 
Con la Tabla 10-7 y Nuestro numero de Tubos, Obtenemos un Diámetro de 
Coraza Dc= 0.53975m 
6. CALCULAR EL NÚMERO DE REYNOLDS Y EL COEFICIENTE DE 
PELÍCULA INTERIOR CUANDO: 
a. nt= 1 y hi1 
b. nt=2 y hi2 
c. nt=4 y hi4 
Pr =
𝐶𝑝 ∗ 𝜇
𝐾
 
Pr =
0.73
𝐾𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔°𝐶
∗ 1.8
𝐾𝑔
𝑚ℎ
0.134
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
= 9.805 
Re1 =
4 ∗ 𝐺𝑚 ∗ 𝑛𝑡
𝜋 ∗ 𝑑𝑖 ∗ 𝜇 ∗ 𝑁
 
Re1 =
4 ∗ 320,045
𝐾𝑔
𝐻 ∗ 1
𝜋 ∗ 0.01656𝑚 ∗ 1.8
𝐾𝑔
𝑚ℎ
∗ 391
= 34,963.23 
 
hi = 0.023 ∗
𝑘
𝑑𝑖
∗ 𝑅𝑒0.8 ∗ 𝑃𝑟0.33 
hi = 0.023 ∗
0.134
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
0.01656𝑚
∗ 34,963.230.8 ∗ 9.8050.32 = 912.046
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
nt Re hi[
𝑲𝒄𝒂𝒍
𝒉𝒎°𝑪
] 
1 34,963.23 912.046 
2 69,926.46 1587.96 
4 139,852.92 2764.81 
 
7. CALCULAR EL NÚMERO DE REYNOLDS Y EL COEFICIENTE DE 
PELÍCULA EXTERIOR CUANDO: 
a. B= mínima y he1, máxima turbulencia Dc/5 
b. B= máxima y he2, mínima turbulencia = Dc 
c. B= intermedia y he3 (un valor entre Bmin y Bmax) 
 
 
deq∆=
4[(0.5𝑝𝑡 ∗ 0.85𝑝𝑡) − [0.5 ∗ 𝜋 ∗ 𝑑𝑒2/4]
0.5 ∗ 𝜋 ∗ 𝑑𝑒
 
deq∆=
4[(0.5 ∗ 0.0238 ∗ 0.85 ∗ 0.0238) − [0.5 ∗ 𝜋 ∗ 0.01905𝑚2/4]
0.5 ∗ 𝜋 ∗ 0.01905𝑚
= 0.0274 
 
Bmin=Dc/5=0.10795 
Bmax=0.53975 
Binter=0.3535 
Nc=2 
 
Pr =
0.998
𝐾𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔°𝐶
∗ 2.88
𝐾𝑔
𝑚ℎ
0.5334
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
= 5.38 
C´=pt-de=0.0238m-0.01905m=0.00475m 
Re =
𝑑𝑒𝑞 ∗ 𝐺𝑚 ∗ 𝑝𝑡 ∗ 𝑛𝑐
𝐵 ∗ 𝐶´ ∗ 𝜇 ∗ 𝐷𝑐
 
 
 
Re =
0.0274𝑚 ∗ 702,304.60
𝐾𝑔
ℎ
∗ 0.0238𝑚 ∗ 2
0.10795 ∗ 0.00475 ∗ 2.88
𝐾𝑔
𝑚ℎ
∗ 0.53975m
= 1.1491𝑥106 
 
he = 0.36
𝑑𝑒𝑞
𝑘
∗ 𝑅𝑒0.55 ∗ 𝑃𝑟0.33 
he = 0.36
0.5334
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
0.0274𝑚
∗ 1.1491𝑥106
0.55
∗ 5.380.33 = 26300.25
𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
 
 
 
 
 
 
 
 
 
B Re he
𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
 
Mínima=0.10795 1.1491x10^6 26300.25 
Máxima=0.53975 229,833.59 10852.8 
Intermedia0.3535 350,925.44 13697.2 
 
 
 
8. CALCULAR EL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA TODAS LAS 
CONVINACIONES POSIBLES DE hi Y he, Uc: 
Uc =
1
𝑑𝑒
ℎ𝑖 ∗ 𝑑𝑖
+
𝑒 ∗ 𝑑𝑒
𝐾𝑡𝑢𝑏𝑜 ∗ 𝑑𝑚
+
1
ℎ𝑒
 
𝒆 =
de − di
𝟐
=
0.01905𝑚 − 0.01656𝑚
2
= 0.001245𝑚 
𝑑𝑚 =
0.01905𝑚 + 0.01656𝑚
2
= 0.01780𝑚 
Uc =
1
0.01905𝑚
912.056
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶 ∗ 0.01656𝑚
+
0.001245 ∗ 0.01905
22.3
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶 ∗ 0.017080
+
1
26,300.25
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
= 732.987
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚^2°𝐶
 
 
Uc[
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
] 
732.987 
706.287 
717.17 
1215.78 
1140.73 
1166.78 
1944.92 
1759.7 
1821.01 
 
 
 
 
 
 
 
9.CALCULAR LA LONGITUD ÓPTIMA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE LOS TUBOS. 
 
L =
𝑄
𝜋 ∗ 𝑑𝑒 ∗ 𝑁𝑎𝑗𝑢𝑠 ∗ ∆𝑇𝑐 ∗ 𝑈𝑑
 
L =
1.4018𝑥107𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ
𝜋 ∗ 0.01905 ∗ 391𝑇𝑢𝑏𝑜𝑠 ∗ 29.47°𝐶 ∗ 732.987
= 27.73𝑚 
 
L[m] 
27.73 
28.78 
28.34 
16.72 
17.81 
17.43 
10.45 
11.55 
11.16 
 
 
10.ANALISIS DEL PROYECTO 
 
Al Hacer las diferentes corridas de cálculos podemos concluir que al tener un total 
de 4 pasos por los tubos y 2 por la coraza tenemos un mayor rendimiento en 
nuestro proceso: nos da un Reynolds mayor de 139,852.92 dejando claro que es 
un fluido turbulento por lo cual tiene un he igual muy elevado de 2764.81
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
 
indicando una mejor transferencia de energía. 
También seleccionaremos una B mínima ya que da un mejor rendimiento a 
nuestro proceso y esto se traslada a un mayor coeficiente de Transferencia Global 
1944.92 
𝐾𝑐𝑎𝑙
ℎ𝑚°𝐶
 y a una menor longitud de tramo de 10.45m 
 
Los datos descartados nos sirven para tomar en cuenta todos los puntos de vista 
de nuestro proceso y poder aplicar mejoras para obtener mu mejor costo beneficio 
y poder seleccionar mejor nuestrosmateriales para el diseño de intercambiadores 
de calor 
Al seleccionar el gasto masico tuvimos que elegir 6 dígitos y que con 5 dígitos este 
nos daba un Numero de Tubos muy bajo y su vez también nos daría un Reynolds 
menor con el riesgo de caer en transición 
Tabla de Resultados 
 
Hi[Kcal/hm°C] He[Kcal/hm°C] Uc[Kcal/hm^2°C] L[m] 
2764.81 26300.25 1944.92 10.45