Diseo de procesos ii

Diseo de tanques enchaquetados:En la literatura se dispone de pocos datos para predecir los coeficientes dentro de una chaqueta o entre la chaqueta y un lquido contenido en un recipiente cilndrico vertical en el que no se cuenta con agitacin mecnica. Durante el calentamiento el fenmeno de mezcla depende de la conveccin libre. Los coeficientes para calentamiento en conveccin libre pueden aproximarse para recipientes de gran dimetro mediante las ecuaciones (1) y (2).

Donde: t es la diferencia de temperatura entre la superficie caliente y el fluido fro en F y do es el dimetro exterior en pulgadas. El coeficiente de transferencia de calor viene dado por:

Donde: Rio, Ro: Resistencias a la transferencia de calor de la pelcula del fluido interno cuando est referido al dimetro exterior del tubo y del fluido externo, espectivamente. hio, ho: Coeficientes de transferencia de calor para el fluido exterior y para el fluido interno cuando est referido al dimetro exterior del tubo.

Donde: .hi: Coeficiente de transferencia de calor para el fluido interior. Ai : Area de transferencia de calor o superficie interna de tubera. A : Area de transferencia de calor o superficie externa de tubera. DI, DE: Dimetro interno y externo de la tubera , respectivamente.

Cuando U ha sido obtenida de los valores de hio y ho, y Q y t son calculadas de las condiciones del proceso, la superficie A requerida puede ser computada. El clculo de A se conoce como de diseo. Cuando los aparatos de transferencia de calor han estado en servicio durante algn tiempo, se les depositan incrustaciones y basura en la parte interior y exterior de las tuberas, aadiendo dos resistencias mas de las que fueron incluidas en el clculo de U por la ecuacin.La resistencia adicional reduce el valor original de U y la cantidad requerida de calor ya no se transfiere por la superficie original A; la temperatura de salida del fluido caliente aumenta y la temperatura de salida del fluido fro disminuye respecto a las temperaturas de salida deseadas, an cuando hi y hio se mantienen sustancialmente constantes. Para obviar sta eventualidad, es costumbre disear el equipo anticipando la depositacin de las basuras e incrustaciones, introduciendo una resistencia Rd llamada factor de basura, incrustacin o de obstruccin. Supngase Rdi el factor de obstruccin para el fluido del tubo interior a su dimetro interior, y Rdo el factor de obstruccin para el fluido del tubo externo en el dimetro exterior del tubo interior. Estos factores pueden ser considerados muy delgados para lodos, pero apreciablemente gruesos para incrustaciones, que tienen conductividad trmica mayor que los lodos.El valor de U obtenido de la ecuacin nicamente a partir de 1/hio y 1/ho puede considerarse como coeficiente total limpio designado por Uc para mostrar que los lodos o basura no se han tomado en cuenta. El coeficiente que incluye la resistencia de los lodos se llama de diseo o coeficiente total de lodos UD. El valor de A correspondiente a UD en lugar de Uc, proporciona las bases en las cuales el equipo debe ser hecho en ltima instancia. La correlacin entre los dos coeficientes totales es:

..6Donde Rd = Rdi + Rdo.

La ecuacin de Fourier para la superficie en la que el lodo se depositar se transforma en:

(7)Si se desea obtener A, entonces hio y ho debern calcularse primero mediante ecuaciones tales como las ecuaciones (9) y (10) que son independientes de la magnitud de la superficie pero dependen de su forma, tales como el dimetro y al rea de flujo del fluido. Con stas Uc se obtiene de la ecuacin (5) y UD se obtiene de Uc usando la ecuacin (6).

.(8)

(9)

Donde: .hi: Coeficiente de transferencia de calor para fluido interno en BTU/h ft2F. D : Dimetro interior en ft. K : conductividad trmica en BTU/h ft F. G : Velocidad de masa en Lb/h ft2. G = w/a; donde w es el flujo msico en Lb/h y a es el rea de Flujo en ft2 : Viscosidad a la temperatura calrica en Lb/ft h. C : Calor especfico del fluido en BTU/LbF. w : Viscosidad a la temperatura de la pared del tubo en Lb/ft h

La ecuacin (8) se emplea para flujo laminar y la ecuacin (9) para flujo turbulento. La temperatura calrica para el fluido caliente y fro se calculan por las ecuaciones (10) y (11) respectivamente. .(10)(11)Donde: Tc, tc : Temperatura calrica del fluido caliente y fro respectivamente. T1, T2: Temperatura de entrada y salida del fluido caliente. .t1, t2: Temperatura de entrada y salida del fluido fro. Fc: Fraccin calrica, adimensional. Calculo de la diferencia de temperatura de las terminales fra y caliente:(12)..(13)Donde: tc, th: Diferencia de temperatura de las terminales fra y caliente, respectivamente. T1, T2: Temperatura de entrada y salida del fluido caliente. t1, t2: Temperatura de entrada y salida del fluido fro.

Diseo de SerpentinesEl serpentn de tubo proporciona uno de los medios ms baratos de obtener superficie para transferencia de calor, se construyen doblando longitudes variadas de tubera de cobre, acero o aleaciones, para darle forma de hlice, o serpentines helicoidales dobles en los que la entrada y salida estn convenientemente localizados a lado y lado. Los serpentines helicoidales de cualquier tipo se instalan frecuentemente en recipientes cilndricos verticales, ya sea con agitador o sin l, y siempre se provee de un espacio entre le serpentn y la pared del recipiente para circulacin. Otro tipo de serpentn es el de espiral plano, que es un espiral enrollado en un plano de manera que se puede localizar cerca del fondo de un recipiente para transferir calor por conveccin libre. La manufactura de los serpentines, particularmente con dimetros superiores a una pulgada, requiere tcnicas especiales para evitar que el tubo se colapse dando secciones elpticas, ya que esto reduce el rea de flujo. El intercambiador de calor de doble tubo normalmente se usara para muchos sistemas continuos que tienen deberes de calor de pequeo a mediano. Sin embargo, el intercambiador de calor de rollo helicoidal (HCHE) podra ser una opcin mejor en algunos casos: Donde el espacio est limitado, donde no pueda ponerse un tubo recto largo Bajo las condiciones de flujo del laminar o el velocidad de flujo bajo, donde un intercambiador de calor de coraza y tubo se pondra antieconmico debido a los coeficientes de transferencia de calor bajos resultantes. Donde la cada de presin de un fluido est limitada (por ejemplo, debido al flujo a travs de otro equipo del proceso). Poniendo la velocidad del fluido del anulo en un HCHE a aproximadamente 1 m/s, la cada de presin ser baja.

Un HCHE consiste en un rollo helicoidal (serpentn) fabricado fuera de un tubo de metal que se ajusta en la porcin anular de dos cilindros concntricos. Los fluidos fluyen dentro del serpentn y el nulo, con transferencia de calor que tiene lugar por la pared del serpentn. Las dimensiones de ambos cilindros son determinadas por la velocidad del fluido en el nulo necesario para encontrar los requisitos de transferencia de calor.

Los espacios libres mnimos entre las paredes del nulo y el serpentn y entre dos giros consecutivos del serpentn deben ser iguales. En este caso, se toman ambos espacios libres como do/2. El diapasn, p, que es el espacio entre cada vuelta consecutiva del serpentn (medido de centro a centro), es 1.5 do. Asumiendo que la velocidad media del fluido es uniforme, se computa la velocidad de masa del fluido, Gs, basado en el espacio libre mnimo entre la hlice y la pared del cilindro.

Procedimiento de DiseoDeterminar los coeficientes de transferencia de calor. Para calcular los coeficientes de transferencia de calor en el serpentn y en el nulo, deben conocerse los siguientes parmetros 1. La longitud del serpentn, L, necesaria para N vueltas:

.(1)2. El volumen ocupado por el serpentn, Vc :

3. . El volumen del nulo, Va:

4. El volumen disponible para el flujo del fluido en el nulo, Vf :

5. El dimetro equivalente, De:

El coeficiente de transferencia de calor en el nulo, ho, puede ser calculado usando una de las siguientes dos ecuaciones. Para nmero de Reynolds, NRe, en el rango de 50 10000, la siguiente ecuacin es recomendada:

Para NRe por encima de 10000, debe usarse la ecuacin:

El coeficiente de transferencia de calor del fluido que fluye dentro del serpentn, hio, puede ser determinada usando mtodos convencionales. El coeficiente de transferencia de calor basado en el dimetro interno, hi, es obtenido usando cualquiera de dos mtodos para tubo recto, la relacin de Sieder-Tate o la grfica del factor de Colburn, jH vs. NRe. El coeficiente basado en el dimetro externo del serpentn, hio, es obtenido por:

El coeficiente global de transferencia de calor, U, est dado por:

Determinar el rea requerida. El rea necesaria para la transferencia de calor est dada por:

Determinar el nmero de vueltas del serpentn. Desde A = doL, y L es expresado en trminos de N, el nmero de vueltas necesarias del serpentn puede ser calculado por:

Bibliografia: http://www.bdigital.unal.edu.co/1177/1/linamariaarboledaramirez.2003.pdf.pdf

Gabriel contreras Zarazua1