DISEÑO INTERCAMBIADOR DE CALOR

L. L. Solano. V.1, C. F. Garzón.2

1Facultad de Ingenierías, Universidad de Ibagué, Cr 22 Calle 67, Ibagué, Colombia.

RESUMEN

En el siguiente informe se presentará la idea de realizar el diseño de un intercambiador de calor según las condiciones dadas en el problema planteado, para ello se seguirán los pasos y se tomarán los conceptos aprendidos en clase. Sabemos que un intercambiador de calor es un equipo que se encuentra bastante es la industria y es elemental que un ingeniero mecánico conozca sobre su diseño y análisisCon la finalidad de implementar en transferencia de calor en la Facultad de Mecánica para que refuerce los conocimientos teóricos, se ha diseñado y construido un intercambiadores de calor de flujo, donde los fluidos involucrados son: kerosene y crudo en el interior de los tubos y por el exterior de ellos. El diseño se ha realizado en base al libro de Donald Kern octava edición. Para la predicción de resultados se ha empleado el método muy utilizado, como es el programa de Excel, en el cual se implementó una plantilla con dichas formulas aplicadas, más adelante serán nombradas, siendo esta base para iterar y encontrar el valor deseado.La plantilla es capaz de entregar datos de temperaturas simultáneas a la de entrada y salida. Con el marco teórico

propuesto se puede obtener los coeficientes de transferencia de calor reales de los distintos intercambiadores de calor.Palabras claves: calor, longitud, temperatura, diseño.ABSTRACTIn the following report the idea of designing a heat exchanger according to the conditions given in the problem, for it will follow the steps and concepts learned in class will be taken will be presented. We know that a heat exchanger is a team that is enough is the basic industry and is a mechanical engineer who knows about design and analysisIn order to implement in heat transfer at the Faculty of Mechanical to reinforce the theoretical knowledge, it has designed and built a heat exchanger flow where the fluids involved are kerosene and raw on the inside of the tubes and outside them. The design was made based on the book by Donald Kern eighth edition. For the prediction of results has been used widely used method, such as Excel, in which a template was implemented with such applied formulas, later will be named, being this basis to iterate and find the desired value.The template is able to deliver simultaneous data to the input and output temperatures. The proposed framework can obtain the actual coefficients of heat transfer of the different heat exchangers.

INTRODUCCIÓN

El objetivo principal de este informe es diseñar y construir un intercambiador de calor.Así también analizar el marco teórico sobre intercambiadores de calor, igualmente que analizar los parámetros y las variables de diseño y construcción.

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Son equipos que facilita el intercambio de calor entre fluidos que se encuentran a

temperaturas diferentes evitando que se mezclen entre sí. Un intercambiador de calor cerrado consiste en un límite sólido, buen conductor, que separa dos fluidos que se intercambian energía por transmisión de calor.

Tipos De Intercambiadores De CalorEl intercambiador de calor es uno de los equipos industriales más frecuentes. Prácticamente no existe industria en la que no se encuentre un intercambiador de calor, debido a que la operación de enfriamiento o calentamiento es inherente a todo proceso que

maneje energía en cualquiera de sus formas. Existe mucha variación de diseños en los equipos de intercambio de calor. [1]

.

Imagen 1. [2]Un Intercambiador De Calor De Casco Y Tubo

Es un recipiente a presión, el cual envuelve un grupo de tubos rectos en su interior, en el interior de los tubos está inmerso en el fluido que circula por el casco.

Ventajas de trabajar con tubos rectos, la placa tubular flotante permite la expansión diferencial entre carcasa y tubo así como también máxima cantidad de tubos por diámetro de carcasa, también el lado de la carcasa puede limpiarse mecánicamente o con vapor, el haz de tubos puede reemplazarse o repararse fácilmente. Menos costosos que los de cabezal flotante interno.LIMITACIONES: Tanto el lado de la carcasa como el lado de los tubos están expuestos a la empaquetadura. Se deben evitar los fluidos volátiles y/o tóxicos. La empaquetadura limita la presión y la

temperatura de diseño tanto para el lado de la carcasa como para el de los tubos. [3]

DeflectoresLos deflectores son placas metálicas cuya función principal es mantener los tubos en la posición adecuada durante la operación y disminuye la vibración ocasionada por los vórtices inducidos por el flujo del líquido. Además de esto se encargan de guiar el líquido que se encuentra del lado de la carcasa para acercarlo lo más posible al régimen de flujo turbulento.

INVESTIGACIÓN PRELIMINAR

Transferencia de calor, se le define como el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. La ciencia de la transferencia de calor no sólo trata de explicar cómo puede ser transferida la energía calorífica, sino también trata de predecir la rapidez a la que se realizará este intercambio bajo ciertas condiciones especificadas. La transferencia de calor completa al primer y segundo principios de la termodinámica, al proporcionar reglas experimentales adicionales que se pueden utilizar para establecer la rapidez de transferencia de energía.

El calor puede transferirse por conducción, convección y radiación o por una combinación de los tres modos. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. El calor siempre se mueve de las zonas más calientes a las más frías; busca el

equilibrio. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más rápidamente fluye el calor hacia la zona más fría.

FIGURA 1. FLUJO DE CALOR A TRAVES DE UNA PARED.

El arreglo geométrico se muestra de forma esquemática.Normalmente, un fluido se mueve sobre los tubos. Se enfocará de forma específica en la transferencia de calor por convección asociada con el flujo cruzado sobre los tubos.

IMAGEN 3. ESQUEMA DE TUBOS {2}PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Se requiere calentar 149.000lb/h de crudo 34ºAPI desde 100°F hasta 170°F, para lo cual se dispone de kerosene de 42°API a 390°F, el cual no se puede enfriar a menos de 200°F diseñando un intercambiador de calor de coraza y tubos en el cual la caída de presión tanto en el

lado de la coraza como en el lado de los tubos no sea mayor a 10 PSI. y las temperaturas de salida de los fluidos cuando se pone en funcionamiento el equipo, no deben diferir de las de diseño en más de 10ºF.

Como primera medida se hace una leve investigación sobre las sustancias que se dieron a trabajar, como son crudo a 34 Api y kerosene a 42 Api.

Crudo a 34° APIEn el lenguaje petrolero corriente los petróleos crudos se clasifican como livianos, medianos, pesados o extrapesados. Esta clasificación está muy vinculada a la gravedad específica o índice de grados API de cada crudo. La propia clasificación nos da una idea de la viscosidad o fluidez de cada crudo. Kerosene a 42° APIEl queroseno es un destilado del petróleo utilizado como combustible o disolvente. Es un líquido fino, claro que consta en una mezcla de hidrocarburos que hierven entre 302 ° F y 527 ° F (150 ° C y 275 ° C). Mientras que el queroseno se puede extraer a partir de carbón, petróleo de esquisto bituminoso, y la madera, se deriva principalmente de petróleo refinado.

METODOLOGÍA GENERAL DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

Se hace un análisis primordial de los valores que se están nombrando en el enunciado y así especificar cada paso que se va realizando buscando incógnitas y dándole un desarrollo.

1. Se basa en norma API american Petroleum Institute

Tomando

T1= 390°T2=200°Según por tabla el factor f de T° Calórica que se encuentra en la pág 932 del libro de Kern, hace referencia con:

TERMINAL CALIENTE

TERMINAL FRIA

Donde: T1= 390 T2= 200,t1= 100 ,t2= 170k

T1-T2= (390-200)F°T1- T2= 190F°.

Con un API 42, Por tabla Kc=0,22

2. SE PROCEDE A HALLAR LOS ∆Th para hallar la temperatura calórica.

∆Th∆Tc

=200−100390−170

∆Th∆Tc

=0,45

Según la tabla finalmente se adquiere el valor de Fc = 0,43

Ahora se procede a hallar la temperatura Calórica., para cada uno de los terminales, la primera será para será con la T2-t2 , la entrada de la terminal calor y la salida de la terminal fría

Unidades en F°

Tc=T 2+Fc (T 1−T 2 )Tc=200+0,43 (390−200 )Tc=281,6 F°

Y la segunda es con la salida de la terminal de calor menos la entrada de la terminal fría,

t2-T1

Tc=t 2+Fc ( t 1−t 2 )Tc=100+0,43 (170−100 )Tc=130,1 F°

Seguidamente se trabajará con el flujo de calor.

Los coeficientes individuales de transferencia de calor, representan una medida del calor transferido por unidad de tiempo, por unidad de superficie y por unidad de diferencia de temperatura, los cuales indican la razón o velocidad a la cual fluidos, que tienen una variedad de propiedades físicas y bajo diferentes grados de agitación, transfieren calor.

qh=ṁhCph (T 1−T 2 )

La idea de esta fórmula es poder hallar el valor del flujo másico del terminal frio, y que la del terminal caliente no la da el enunciado. EntoncesValor de Cp, que son hallados por la gráfica N° 14 del libro Donald Kern, pág 911

Con 34 API Con 42 PICoraza Cpn = 0,59 Tubo Cpc= 0,48

3. Los Cp hallados son en unidades de Btu/lb*F.

Se hace una igualación con las dos ecuaciones, para así poder despejar el flujo másico que se requiere

ṁhCph ( t 1−t 2 )=ṁcCpc (T 1−T 2 )

ṁhCph ( t 1−t 2 )Cpc (T 1−T 2 )

=ṁc

149000∗0,59 (70)0,48(190)

=ṁc

67474,78 Btu/h=ṁc

1. Se determina el flujo másico de la sustancia fría mediante la utilización del balance de energía. El flujo másico del kerosene es hallado con la fórmula del flujo volumétrico por la densidad igualando la ecuación con el flujo que ya dieron siendo este flujo másico de 149000 btu/h de esta sustancia. Dejando como única incógnita el flujo másico del kerosene.

Ya teniendo los valores anteriormente nombrados, se procede a hallar las propiedades para cada una de las sustancias.

Iniciando con la gravedad, entrando a la Fig. 6 con los grados API y con la T° calórica.

34° API 42° API

Gravedad 0,86 0,73

Gravedad especifica

0,0344 0,0292

4. Se busca seguidamente la conductividad térmica en la Fig. 1 del libro de Donald Kern

34° API 42 API

K 0,079 0,076

Ya para terminar con la adquisición de propiedades por medio de la T° calorífica y los grados API, se mostrará la viscosidad de fracciones de petróleo.

34° API CRUDO CONTINENTL, unidades en centipoise

9

X= 10,3 Y= 21,3

42° API CRUDO KEROSEN

Unidades en Centipoise

3

X= 11,6 Y= 16

Con la adquisición de estos datos y manejando la tabla de viscosidad del libro de Donald Kern se hallan los valores.

5. INICIO DE PLANTILLA

Después de haber hallado las propiedades se parte de montar una plantilla en este caso en Excel donde se podrán anexar los datos requeridos como Reynolds coeficientes conductivos, viscosidades de la pared, entre otros, para así poder hallar lo que se requiere hallar, partiendo de esto, se inicia con toda la parte geométrica ya que son datos

relacionadas con base a modelos y diseños de intercambiador ya establecidos, en este caso por la sociedad de fabricantes de intercambiadores de calor tubulares; cuando se habla de geometría se hace referencia al diámetro interno y externo del tubo y de la coraza, numero de pasos, numero de tubos, paso transversal, esto con el fin de tener una plantilla con cada arreglo, se manejará arreglo triangular y arreglo en cuadro.

Las tablas con las que se tomó de guía para el diseño del intercambiador fueron usadas del libro de Donald kern paso a paso como se mencionó con anterioridad, el cual cuenta con un listado de tamaños y configuraciones geométricas que se ajustan a los arreglos establecidos por la norma; cada tipo de arreglo geométrico cuenta con su propia tabla que se resume en los datos de diámetro exterior del tubo empleado, diámetro interior de la coraza, paso transversal o distancia entre los centros de los tubos y número de tubos en función del número de pasos y diámetro de la coraza.

Estas tablas y los datos arrojados en ella nos ayudaron principalmente a la realización de las iteraciones que se realizaron en los dos

arreglos (triangular y cuadros), con los datos obtenidos se hace un estudio y se escoge cual es la iteración que se llega o puede llegar al arreglo que más no sea conveniente, seguidamente se explicará cual es el procedimiento que determina tal escogencia, manteniendo unas constantes, en las iteraciones se varia la parte geométrica escogida de cada arreglo, dicha parte se muestra subrayada de color rosa en la siguiente gráfica.

Se mostrará seguidamente cada paso que se realiza para encontrar la mejor iteración, los cambios y las fórmulas que se utilizaron para determinar los valores obtenidos.

Con estos cambios en la plantilla, el número de Reynolds cambia ya que una de las variables es el diámetro interno del tubo por ende se determina un nuevo tipo de flujo en el interior del intercambiador (Jh), como se definió anteriormente el kerosén ira por el lado de la coraza y el crudo por el lado de los tubos, se sabe de la ecuación de Reynolds depende de:

ℜ= ρ∗V∗Diμ

,

Es por esto que se hace necesario hallar la velocidad del fluido en el interior de la coraza, así como el parámetro conocido como diámetro equivalente con el fin de obtener el número de Reynolds en el interior de esta, por lo cual se emplean las siguientes ecuaciones. Es la misma forma tanto para coraza como para tubo, la diferencia minuciosamente observada es la letra con la que se muestra cada variable, con (t) es para tubo, y con © para coraza.

V c=mc

ρc∗A s

El diámetro equivalente

El diámetro equivalente es un parámetro usado en el cálculo de un intercambiador, el cual corresponde a cuatro veces el radio hidráulico, y el radio hidráulico es a su vez, el radio de un tubo equivalente a

la sección de un ánulo. El radio hidráulico se obtiene como la razón del área de flujo al perímetro húmedo. {4}

De=4 Rh

La variable As hace referencia

As= B∗C∗DiPt

=3,85 pulg∗0,25 pulg∗19,25 pulg0.9375 pulg

=18,52 pulg2

Donde B es la distancia entre deflectores, C es el claro y se obtiene C=Pt−Dtuboresta el paso transversal al diámetro exterior de los tubos Di es el diámetro interior de la coraza.

Rh= AlibrePmojado

donde

Alibre=Pt 2∗sen(60)

2−

( π4 )∗De ( t )2

2=

1 pulg2∗sen (60 )−( π4 )∗0.75 pulg2

2=558 pulg2

El perímetro mojado es Pmojado=π∗De (t )=π∗0.75 pulg=2,35 pulg

Remplazando

Rh= AlibrePmojado

=558 pulg2

2,35 pulg=0,236 pulg

Hallando la velocidad en la coraza

V c=mc

ρc∗A s

=18,74

lbseg

0.0292lb

pulg3∗18,52 pulg2=34,63 pulg2

Determinando el diámetro EquivalenteDe=4∗Rh=4∗0,2369=0,07897 pulg

Ya teniendo los valores antes nombrados se puede determinar el nuevo numero de Reynolds para la coraza y así determinar el valor de Jh.

ℜc=ρ c∗V c∗Di

μc

=19261,34

Para el fluido en el interior de los tubos se calcula la velocidad media, en este caso el fluido que fluye por el interior de los tubos es el crudo API 34;

Seguidamente se plantean las ecuaciones teniendo en cuanta teniendo en cuenta que el área Transversal es aquella de todos los tubos por paso, como

At=

π∗Di (t )2∗Número de tubosNúmerode pasos

4=27.611 pulg2

V t=mt

ρt∗A t

=50

lbseg

0.034lb

pulg3∗27.611 pulg2=53.25

pulgseg

ahora se haceel procedimeinto parahallar elreynold del tubo

ℜc=ρ t∗V t∗Di (t)

μ t

=0.034

lb

pulg3∗53.25

pulgseg

∗0.532 pulg

0.0000504lb

pulg∗seg

=19261,34

Se puede conluir con esos dos valores que el valor de Reynolds de la coraza es turbulento y el del tubo es laminar, pues no da mayor a 1000, se encontró que esta configuración es la que mejor resultados ofrecía respecto a las condiciones de operación.

Seguidamente se utiliza este valor para hallar el número JH haciendo uso de la gráfica número 24 del libro de Donal Kern

Y para la coraza

Jh=hi∗Dik

∗( cμk )−13 ∗( μ

μw)−0.14

En la ecuación anteriormente nombrada se debe decir que no es posible despejar el valor del coeficiente convectivo (hi), esto se debe a que primero se debe hacer un cálculo por medio de tablas , se trata del coeficiente convectivo h del fluido y μw la viscosidad del fluido a la temperatura de la pared, así que primero se debe determinar la Tw que la temperatura de la pared del tubo, siendo esta variada en cada unto del tubo debido a las diferencias de temperatura entre la entrada y salida de los fluidos la temperatura del tubo varía.

Como se puede observar en la ecuación de Jh tiene un factor muy importante, el coeficiente convectivo del fluido correspondiente; y con este encontrar el coeficiente global de transferencia de calor que sirve para el análisis del diseño que se obtuvo.

Para el cálculo de la temperatura de la pared se emplea la ecuación siguiente

Tw=tc+ hoho+hio

(Tc−tc )

Para este caso sigue habiendo incógnitas ya que depende de las temperaturas calóricas de los fluidos y de los coeficientes convectivos; para este caso se remplazaría la incógnita hio

por hio∅ t

y ho por ho∅ c

.

Ya que ∅ es igual

∅=( μμw

)0.14

El valor μes la viscosidad del fluido a la temperatura calórica correspondiente y μw es la viscosidad del fluido correspondiente a la temperatura de la pared.Se mostrará a continuación la forma como se debe hallar:

hi∅ t

=Jht

Di(t )k

∗( cμk )−13

=¿

hi∅ t

=0.0003080btu

seg∗pulg2∗° F

De la misma manera se hace el desarrollo de Ho, solo que con los datos de la coraza.

ho∅ c

= Jh

Dek

∗( cμk )−13

ho∅ c

=0.0003839btu

seg∗pulg2∗° F

Se puede observar en la ecuación de la temperatura del tubo que no se tiene el valor hioconocido como coeficiente convectivo interno referido del área externa,

hio=hi∗Di (t )De (t )

:

Entonces la nueva ecuación de la temperatura a la pared del tubo sería

Tw=tc+

ho∅ c

ho∅ c

+

hi∅ t

∗Di ( t )

De ( t )

(Tc−tc )

Tw=100 ° F+

btu

seg∗pulg2∗° F

0.0003839btu

seg∗pulg2∗° F+0.0003080

btuseg∗pulg2∗° F

∗0.625 pulg

0.75 pulg

∗(281.7 ° F−130.1 ° F)

Tw=113,29 ° F

Ya obtenido el valor de Tw se puede ir a la tabla Con el valor de la temperatura del tubo, manteniendo las coordenadas iniciales, ya que se ha mantenido la misma sustancia, Kerosene 42°API Y Crudo a 34° API.

Siguiendo el mismo proceso de cuando se halló la viscosidad inicial, solo que aquí es con la nueva temperatura Tw, haciendo uso de las figura 14 del libro de Donald Kern, de los cuales se obtiene una viscosidad para el

Kerosén μw (c)=0.0000476lb

pulg∗seg y para el crudo μw ( t )=0.00014

lbpulg∗seg

.

Hallando el valor de ∅ para la coraza y los tubos se tiene:Para el crudo:

∅ t=( μμw (t ) )

0.14

=( 0.0003358lb

pulg∗seg

0.00014lb

pulg∗seg)

0.14

∅ t=1.1302

Para el kerosén:

∅ c=( μμw ( c ) )

0.14

=( 0.00002075lb

pulg∗seg

0.0000476lb

pulg∗seg)

0.14

∅ c=0.8902

Con los valores de ∅se procede a calcular los coeficientes convectivo para el kerosén y el crudo, despejando y remplazando.Así para 34°API:

hi= JhDi ( t )k

∗( cμk )−13

∗∅ t=0.00168363btu

seg∗pulg2∗° F∗1.1302=1.56∗10−4 btu

seg∗pulg2∗° F

Para 42°API:

ho= Jh

Dek

∗( cμk )−13

∗∅ c=0.0003839btu

seg∗pulg2∗° F∗0.8902=1.94∗10−4 btu

seg∗pulg2∗° F

Hallando el coeficiente convectivo interno referido del área externa:

hio=hi∗Di (t )De ( t )

hio=1.56∗10−4

btu

seg∗pulg2∗° F∗0.625 pulg

0.75 pulg

hio=1.13∗10−4 btu

seg∗pulg2∗° F

hi=67.56btu

h∗ft 2∗° F

Con los valores de los coeficientes convectivos establecidos se procede a hallar el valor del coeficiente global de transferencia de calor limpio, con ayuda de la ecuación.

Una de las variables que debe considerarse, al evaluar las dos corrientes de fluidos que se tienen en un intercambiador de calor, es el coeficiente global de transferencia de calor (U), que representa el valor inverso de la suma de los elementos combinados de conducción y convección, además de las resistencias inherentes al proceso. {4}

Uc=hio∗hoho+hio

Remplazando

Uc=1.13∗10−4 btu

seg∗pulg2∗° F∗1.56∗10−4 btu

seg∗pulg2∗° F

1.94∗10−4 btuseg∗pulg2∗° F

+1.13∗10−4 btuseg∗pulg2∗° F

=8,5∗10−5 btuseg∗pulg2∗° F

Uc=42.1btu

h∗ft2∗° F

El cálculo del coeficiente global de transferencia de calor por convección limpio es una primera aproximación al desempeño del intercambiador, este coeficiente convectivo es llamado limpio ya que no tiene en cuenta factores que afectan la transferencia de calor en el intercambiador como es el caso de partículas, sedimentos y minerales que pueden quedar atrapados o atascados en las

paredes de los tubos, coraza y deflectores y que pueden presentar una gran disminución en la cantidad de calor transferido de un fluido a otro; es aquí donde es introducida la variable de diseño conocida como factor de obstrucción, este representa una disminución en la cantidad de calor transmitido de un fluido a otro producto de los diferentes elementos que pueden quedar atrapados en la

pared de los tubo y que se traducen en una resistencia para la transferencia de calor.En el diseño de intercambiadores el factor de obstrucción es tenido en cuenta a la hora de calcular el coeficiente de calor sucio, este coeficiente representa una disminución en el coeficiente convectivo limpio y es un factor importante de diseño ya que me garantiza el funcionamiento del intercambiador aun cuando este se encuentre sin mantenimiento o limpieza por un periodo prolongado.

Para la longitud que es una de las principales variables a hallar, se debe tener en cuenta con la siguiente ecuación para así hallar la longitud final del intercambiador.

Teniendo en cuenta que a la longitud que se halla en (q), hay que sumarle ½’ y debe ser submúltiplo de 6

Siendo q=ṁt∗cpt∗(t 2−t 1 )

Para utilizarlo en la formula final de la longitud hallada

L= qUd∗π∗De∗¿ tubos∗∆TML∗ft

L=232,61

TEMPERATURA LOGARITMICA

Las temperaturas de los fluidos en un intercambiador de calor en general no suelen ser constantes, sino que varían de un punto a otro, conforme el calor fluye del fluido más caliente al más frío. Por lo tanto, incluso en el caso de un coeficiente global de transferencia de calor constante, la razón de flujo de calor variará a lo largo de la trayectoria de los intercambiadores, porque su valor depende de la diferencia de temperaturas entre el fluido caliente y el fluido frío en esa sección {4}Donde la temperatura logarítmica se define de la siguiente manera

∆TML= ∆ t 2−∆ t 1

2,3 log(∆ t 2∆ t 1 )

∆TML= ∆ t 2−∆ t 1

2,3 log(∆ t 2∆ t 1 )

Entonces para hallar ft se hace uso de la fórmula:

ft=√R2+1∗ln (

(1−S )(1−RS )

)

(R−1 )∗ln ¿¿

ft=0,8916

Para hallar la caída de presión en Lb/ft2.

∆ PT=Ff∗Gs2∗Dinternocarcasa∗(¿ deflectores)

(5,22∗1010 )∗(Di )∗∅ s∗gravedad especifica

Donde la gravedad específica

¿= ṁt∗3600Areainternatubo

Donde el Número de deflectores se obtiene de la siguiente formula:

N= longituddist . deflectores

CAÍDA DE PRESIÓN

La caída de presión en un intercambiador de calor, es la pérdida ocasionada por los efectos de la fricción cuando el fluido está en circulación. Este movimiento del fluido se produce a través de las bombas del proceso, las cuales deben desarrollar suficiente cabezal a la capacidad deseada para vencer todas las pérdidas de fricción que se puedan presentar. {4}

Para hallar caída de presión retorno lb/ft2

Caída Presión=2∗¿ pasos∗(V 2)

¿∗(32,2)

Análisis de Resultados

Teniendo en cuenta que es un proceso de diseño iterativo hay que ser muy cauteloso a la hora de trabajar con los datos que se sacan de gráfica, ya que es ahí donde puede estar el margen de error.

En el momento de las iteraciones, se notó que cuando más se disminuía el diámetro de la coraza genera un flujo mayor, mas turbulento, pero requiere de más tubos, en casos hasta de requerir unión de tubos siendo esto no muy satisfactorio ya que la unión de dos o más de estos tubos podría ocasionar esfuerzos residuales en la superficie del tubo (si la unión es soldada) lo que eventualmente,

debido a la fatiga, llevaría a la ruptura del mismo.

También se puede deducir que al reducir el diámetro interior de los tubos favorece la transición de regímenes del fluido pues aumenta la velocidad dentro del mismo, de esta forma aumenta el valor de Reynold e indirectamente incrementa el coeficiente global de transferencia calor.

Cuando el intercambiador inicia su labor de trabajo, se observa que la diferencia entre las temperaturas se deben principalmente a que, como el cálculo de longitud se ha realizado con el coeficiente global sucio Ud, y hay que tener la cantidad de calor transferido es mayor debido

a que aunque es la misma área de transferencia, el coeficiente global limpio es mayor.

CONCLUSIONES

En el diseño de intercambiador de calor realizado anteriormente se puede concluir que hay que tener en cuenta que los carretes van segmentados y por esa razón se reduce el área que se puede utilizar en el exterior, primordialmente hay que basarse en las tablas en arreglo en cuadro y en arreglo en triangulo. Estos tipos de tablas ya vienen estandarizadas para nuestra conveniencia.

La ventaja que tiene el arreglo triangular frente a el arreglo en cuadro es que genera mayor turbulencia ya que el arreglo en cuadro la línea de flujo no encuentra mucha obstrucción a su paso, mientras que el arreglo en triangular hay mucha más obstrucción al paso del fluido, se genera mayor turbulencia por lo tanto la transferencia de calor es más eficiente.

Una de las principales ventajas que tiene el arreglo en triangulo es que tiene mejor transferencia porque genera más turbulencia por lo tanto el número de Nu es más grande así igual con el coeficiente convectivo es más grande.

La desventaja es que hay una mayor caída de presión en el fluido que va por el lado de la coraza por lo tanto se necesita una mayor potencia de bombeo.

Según el tema de los cálculos para el diseño de un intercambiador de calor para poder analizar los intercambiadores de calor nos basamos en las condiciones iniciales, nos dan una sustancia la cual se

necesita enfriar de una temperatura a otra, y para eso se deberá tener otra sustancia que se va a calentar, la sustancia que se enfría le sede calor a la sustancia refrigerante que se va a calentar. Como condición inicial también nos apoyamos en un flujo másico. Fue así, que con estas condiciones se pudo empezar a diseñar.

Se tuvo que tener en cuenta que esto es un proceso iterativo en el cual se tiene que hacer una cierta cantidad de cálculos los cuales se hacen en una plantilla de Excel, con esta dicha plantilla se hicieron aproximada mente 15 diseños de intercambiadores en arreglo en cuadro y otros 15 diseños en intercambiadores en arreglo triangular. Con esta serie de diseños calculados se hizo una selección del mejor arreglo que nos aproximó al valor de Longitud y T2 ideal , en este caso el mejor es el que de la menor caída de presión, el que me implique la menor área de transferencia de calor, ya que esto hace que el intercambiador sea más pequeño.

Para el diseño lo primero que se tuvo que hacer fue seleccionar un diámetro de coraza dependiendo de las restricciones que se tengan en la aplicación.

En nuestro caso como no había ninguna restricción alguna se pudo seleccionar cualquier diámetro con el debido número de pasos que genera la tabla.

Una vez seleccionado el diámetro de coraza y seleccionado el arreglo, se tuvo que calcular los coeficientes convectivos.

Hubo que tener en cuenta a la hora de los cálculos, que la temperatura de los fluidos

en el intercambiador de calor nunca es constante, ya que a medida que va pasando por el intercambiador de calor la temperatura va aumentando, nunca es constante, pero para los cálculos se usó primordialmente una temperatura media.Un subdimensionamiento generalmente no sirve para someterlo a las condiciones a la cual se requiere llegar pese a que se tiene una tolerancia grande en los cálculos ya que son aproximados, no son precisos se tendrá que ser muy cuidadosos para no ampliar más los errores de los cálculos del intercambiador.

Es por esta razón que se decide hacer 15 iteraciones en cada uno de los arreglos (cuadrado, triangular) para poder observar su comportamiento en función de la caída de presión, la temperatura requerida y la longitud de la tubería. Al analizar cada uno de los resultados de los arreglos la que mejor tuvo una proximidad a los datos requeridos por el diseñador fue el arreglo en cuadro, según las iteraciones que se concluyeron tuvo como resultado una caída de presión de 0,11 la cual está dentro del rango de optimización, tiene un longitud de 5,9 m la cual permite buscar una buena economía en el sistema de operación y una temperatura de 123,23 k, Estas operaciones se hicieron en base a tubos de 3/4" DE, arreglo en cuadro de 1 plg con 4 pasos y 204 tubos, y con un diámetro interior de coraza equivalente a 19,25 plg.Esta serie de valores nos permite observar las turbulencias del sistema en la coraza y en los tubos.

Referencias

[1] R. A. OSORIO, «http://saber.ucv.ve/xmlui/bitstream/123456789/55/1/Tesis%20II.pdf,» Año 2, Volumen 2, Número 1, Enero-Junio de 2010. . [En línea]. Available: http://www.ammci.org.mx/revista/pdf/Numero2/5art.pdf.

[2] J. L. PEÑALOSA, DISEÑOYCONSTRUCCIÓNDEUNINTERCAMBIADORDECALORDETUBERÍAALETADAPARAELLABORATORIODETÉRMICASDELAFACULTADDEMECÁNICA,MEXICO, 2008.

[3] L. F. Laura Riveros, «diseño termico y mecánico de un intercambiador de Calor,» 2009. [En línea]. Available: file:///C:/Users/azul/Downloads/130082.pdf. [Último acceso: 18 11 2015].

[4] M. A. Baschour, «DISEÑO COMPUTARIZADO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR,» UNIVERSIDAD DE VENEZUELA, JUNIO 202. [En línea]. Available: http://saber.ucv.ve/xmlui/bitstream/123456789/55/1/Tesis%20II.pdf. [Último acceso: 10 11 2015].

[5] D. Kern, Procesosde

TransferenciadeCalor. 1999.

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