INTERCAMBIADORES TUBO Y CARCAZA: ANÁLISIS TÉRMICO

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1 OPERCIONES UNIRIS PROF PEDRO VRGS UNEFM DPO ENERGÉIC Disponibl n: wwwopracionswordprsscom INERCMBIDORES UBO Y CRCZ: NÁLISIS ÉRMICO NÁLISIS ÉRMICO, CONSIDERCIONES GENERLES nts d scribir las cuacions qu rgulan l nómno d transrncia d calor n un intrcambiador d calor, s dbn stablcr unas condicions o suposicions básicas qu sustntan los modlos propustos Suposicions básicas El intrcambiador opra n stado stacionario Pérdidas d calor a los alrddors dsprciabls No hay unts d calor dntro dl quipo Cp, d cada luido s constant La vlocidad y la tmpratura d los luidos a la ntrada dl intrcambiador son uniorms U s constant a través dl quipo El ára d transrncia d calor stá distribuida uniormmnt sobr cada luido En intrcambiadors d pasos múltipls, l ára d transrncia d calor s considra igualmnt rpartida n cada paso S supon qu no ocurr cambio d as n los luidos involucrados o l cambio d as ocurr bajo alguna d las siguints condicions: - tmpratura constant (luido puro a prsión constant) En st caso la capacidad caloríica dl luido qu cambia d as s considra ininito - La tmpratura dl luido qu cambia d as varía linalmnt con l calor transrido durant la condnsación o bullición En st caso l calor spcíico s constant y inito para l luido qu cambia d as En cuanto a la disposición d los luidos: En lujo parallo y n lujo contracorrint: s uniorm n una scción transvrsal (d) dl quipo En lujo cruzado cada luido pud considrars mzclado o no mzclado n cada scción dl quipo, dpndindo d las spciicacions dl problma En quipos con múltipls pasos, las condicions antriors aplican a cada paso dpndindo dl arrglo d lujo qu xista n cada uno d llos Entr cada paso, l luido pud considrars mzclado o sin mzclar, dpndindo dl problma El lujo másico d cada luido stá distribuido uniormmnt a través dl quipo dntro d cada paso No hay stratiicación, bypass, ni drrams d luido El lujo simpr stá caractrizado por una vlocidad d bulto promdio n cualquir scción transvrsal dl quipo La conducción axial n l luido y n las pards dl quipo son dsprciabls Los cambios d nrgía cinética y potncial qu surn los luidos son dsprciabls LOCLIZCIÓN DE LOS FLUIDOS Dpndindo d las dirnts condicions d opración d los luidos, xistn varios critrios qu nos pudn ayudar a slccionar por dónd van los luidos involucrados, si por los tubos o si por la coraza Viscosidad: Por lo gnral s obtinn mayors lujos d calor cuando s hac pasar l luido más viscoso por la coraza Fluidos tóxicos y/o ltals: S dbn pasar por los tubos y mplar una dobl placa d tubos para vitar posibls ugas o drrams Flujo volumétrico: Usualmnt, para qu l disño rsult más conómico, s db pasar l luido d mnor lujo volumétrico por la coraza Esto s db a qu n la coraza s alcanza un grado d turbulncia mayor a númros d Rynolds más pquños qu dntro d los tubos Corrosión: Si s coloca l luido corrosivo por los tubos, s rquir mnor cantidad d matrials spcials a la hora d construir l quipo, lo qu lo hac mucho más conómico Ensuciaminto: Colocando l luido con mayor actor d nsuciaminto por los tubos, s minimiza la limpiza dl quipo dmás, incrmntando la vlocidad dl luido tind a rducirs l nsuciaminto Si s tin accso a los tubos y éstos son rctos, pudn limpiars por mdios mcánicos sin problma Sin mbargo, por la part

2 xtrna d los tubos, dl lado d la coraza, por lo gnral s rquirn métodos químicos, n spcial, si l arrglo s triangular o los tubos stán altados xtrnamnt mpratura y prsión: Cuando s trabaja a altas tmpraturas o prsions, s rquir d matrials spcials, por lo tanto, si l luido con alguna d stas caractrísticas s hac pasar por los tubos, s minimiza l uso d stos matrials, con la conscunt disminución d costos dl quipo Caída d prsión: Para una misma caída d prsión, s obtinn coicints d transrncia d calor mayors dl lado d los tubos qu dl lado d la carcasa Por lo tanto, s rcominda colocar por los tubos l luido qu tnga una mnor caída d prsión prmitida SE RECOMIEND POR LOS UBOS Fluidos corrosivos o un luido propnso al dpósito d coqu, sdimntos y otros sólidos, gua d nriaminto, Fluidos con alto actor d nsuciaminto y l mnos viscoso d los dos luidos Fluido a mayor prsión Para prsions xtrmadamnt altas, 6900 kpa (000 psi) manométricas, para qu l disño sa conómico, sta caractrística dbría colocars d primra n sta lista El luido más calint El líquido d mnor volumn EXCEPCIONES a) Los vapors condnsabls s pasan, por lo gnral, a través d la carcasa b) El vapor d agua s pasa, usualmnt, por los tubos c) Si la variación d tmpratura d un luido s muy grand ( F) y s rquir d un quipo con más d un paso d tubos, ntoncs st luido s pasado, usualmnt por la carcasa Esto minimiza los problmas por ctos d xpansión térmica Dos tipos d problmas: Dsd l punto d vista d los jrcicios plantados, xistn dos tipos d jrcicios posibls Evaluación y disño d intrcambiadors Evaluación d un quipo xistnt Incógnitas: Q, h,o y c,o Disño d un quipo para satisacr una ncsidad Incógnitas:, Q, una variabl d ntr tmpraturas y los dos lujos másicos Intrcambiador d tubos concéntricos Estudimos l comportaminto d un intrcambiador d tubos concéntricos, como primr modlo Para l arrglo l cocorrint: (Δ = h,i c,i, Δ = h,0 c,0 ) Para l lujo n contracorrint (Δ = h,0 c,i Δ = h,i c,0 ) El balanc d nrgía n l luido calint stablc qu: h h h mh Cp C Q m () hi h0 D la misma orma para l luido río c h hi h h mc Cp C Q m () c0 ci c La vlocidad d transrncia d calor a lo largo dl quipo Q U (3) ml Dond: ml () ln( / ) Dirncia d tmpraturas mdia logarítmica U: Coicint global d ransrncia d calor [W/m K] : Ára d transrncia d calor [m ] Cuando l intrcambiador tin varios pasos tanto dl lado dl tubo como dl lado d la coraza, la ml, xprimnta una variación a lo largo dl quipo Con la intnción d contabilizar sta variación, s corrig la cuación con la introducción d un actor F: Q FU (5) ml st método d disño, s l conoc como Método F LMD F rprsnta l grado d dsviación d la vrdadra dirncia d tmpratura d la D ahora n adlant, la cuación 5, rprsnta la cuación d disño dl intrcambiador d calor para divrsas condicions c0 h0 ci h c h0 c0 ml hi ci

3 Dond las tmpraturas dnotadas por la ltra t, hacn rrncia al luido qu va por los tubos y las dnotadas con la ltra, hacn rrncia al luido qu va por la carcasa P F F F C Z C F C F Figura 3 Factor d corrcción para un intrcambiador d calor d tubo y carcasa con un paso por la carcasa y cualquir múltiplo d pasos d tubos (dos, cuatro, ) Figura Factor d corrcción para un intrcambiador d calor d tubo y carcasa con dos pasos por la carcasa y cualquir múltiplo d pasos d tubos (dos, cuatro, ) Figura Factor d corrcción para un intrcambiador d calor d tubo y carcasa con trs pasos por la carcasa y cualquir múltiplo d pasos d tubos Dpndindo los valors rlativos d las variabls principals involucradas n la transrncia d calor como los lujos másicos y las capacidads caloríicas, l pril d tmpraturas tanto para l luido río como l calint dntro dl intrcambiador, pud variar considrablmnt continuación s mustra l pril d tmpratura para divrsos casos n un intrcambiador d un paso por los tubos y la carcasa

4 Ds: Diámtro d la carcasa [m] Figura 5 Pril d tmpratura a dirnts condicions CÁLCULO DEL COEFICIENE DE RNSFERENCI El coicint global d transrncia d calor para l intrcambiador pud scribirs como (basado n l ára d transrncia dl xtrior dl tubo): U (6) do do ln d o / di dihi k ho Fluido limpio, y cuando s prsnta nsuciaminto n l intrior o xtrior d los tubos, s añadn dos tapas o rsistncias adicionals d transrncia d calor U (7) do dor si do ln d o / di R so dihi di k ho Las rsistncias d nsuciaminto son abordadas n la siguint scción Mintras qu las tapas d convcción intrna y xtrna son mostradas a continuación: Convcción xtrna: l lujo por la part xtrna d los tubos stá dtrminado por divrsos actors, ntr los qu podmos mncionar, spaciado y arrglo d los tubos, bals y númro d pasos n la carcasa VDq m R V F P D Dq PM D BD s P D P rrglo cuadrado P sn(60) 05 D D q rrglo triangular D : Dnsidad dl luido [kg/m 3 ] V: Vlocidad dl luido por la carcasa [m/s] m : Flujo másico dl luido por la carcasa [kg/s] F : Ára d lujo [m ] P : Pitch [m] D : Diámtro xtrno dl tubo [m] D q : Diámtro quivalnt [m] B: Espaciado ntr Bals [m] Ecuación para stimar l coicint convctivo n carcasas con bals sgmntados j H ln(r) C ln(r) xp C C 0>R D >0 6 0, h0d0 / 3 NuD jh Pr k Lc= D s : Viscosidad dl luido valuada a la tmpratura dl luido [cp] s : Viscosidad dl luido valuada a la tmpratura d la pard [cp] abla Valors d las constant para lujo xtrno con bals sgmntados % d rrglo rrglo cuadrado cort triangular y rotado bal cuadrado C =0,00966 C =0,386 C 3 = 0,68 C =0,00579 C =0,5 C 3 = 0,8 C =0,00638 C =0,389 C 3 = 0,5339 C =0,00606 C =0,33 C 3 = 0,57 3 C =0,00966 C =0,386 C 3 = 0,68 R<000 C = 0,00873 C =0,60 C 3 =,75 R>000 C =0,00579 C =0,5 C 3 = 0,8 R<000 C = 0,00653 C =0,7055 C 3 =,87 R>000 C =0,00638 C =0,389 C 3 = 0,5339 R<500 C = 0,0035 C =0,6363 C 3 =,5736 R>500 C =0,00606 C =0,3 C 3 = 0,57 R<500 C = 0,00305 C =0,6306 C 3 =,6390 R>500

5 Para lujo cruzado n bancos d tubos s pud utilizar la siguint xprsión: h0d m / 3 NuD CRD Pr k 0 R D C m 0, 0,989 0, ,9 0, ,683 0, ,93 0, ,07 0,805 Convcción intrna: La caractrística d la transrncia intrna n los tubos stá dtrminada por la convcción intrna n supricis cilíndricas VDi m R V F N F Si hay más d un paso por los tubos N F Di Ára d lujo N i P D NDiL Ára intrna d transrncia d calor N D L Ára xtrna d transrncia d calor Corrlacions para lujo intrno hidi / 5 0, NuD 0,03 RD Pr R D >0000, 0,6<Pr<60 k Nu D / 3 0 / 3 / 3 D b 86 R Pr L R D 300 w ENSUCIMIENO Si s prvé qu ocurra nsuciaminto, s convnint sobrdisñar l intrcambiador para qu st opr d manra convnint durant l mayor timpo posibl En gnral, s procura qu la limpiza dl intrcambiador coincida con la parada d planta programada Existn trs ormas d stimar l sobrdisño adcuado: i) mdiant l actor d nsuciaminto rqurido, ii) l actor d limpiza y iii) l porcntaj d sobrdisño dl ára Método dl actor d nsuciaminto El uso d st método prsupon qu s conocn los actors d nsuciaminto sprados para l sistma n studio, lo cual s, para la mayor part d los casos, muy diícil d prdcir Sin mbargo, si s tinn bunos stimados d los actors d nsuciaminto, n los casos n qu ambas supricis s nsucin, s pud calcular un coicint global d transrncia d calor, U, qu tom n cunta st cto Entoncs, l actor d nsuciaminto total R st sría, d prsntars n las dos supricis o Rst Rsi Rso (5) i i dond R si y R so s rirn a los actors d nsuciaminto d la suprici intrna y la xtrna, rspctivamnt El coicint calculado n la Ec 5 stá rrido al ára xtrna d transrncia d calor partir d st coicint, s pud calcular ntoncs l U so rqurido como U os Rst (6) U ol El U os calculado mdiant las cuacions antriors stá rrido al ára xtrna partir d st valor para l coicint global d transrncia d calor pud calculars l ára d transrncia rqurida, por l método dl F LMD abla 3: Coicints típicos d transrncia global d calor n intrcambiadors tubulars Fluido calint Fluido río U (W/m K) gua gua moníaco gua Gas gua 0 50 Gas Gas 0 60 Gas Orgánico liviano 0 00 Gas Orgánico psado 0 60 Orgánico liviano (< 0,5 cp) Gas 0 00 Orgánico psado (> cp) Gas 0 60 gua ir comprimido gua cit lubricant 0 30 Orgánico liviano gua Orgánico mdiano (0,5 cp) gua Orgánico psado cit lubricant 5 00 Vapor gua Vapor moníaco gua moníaco (condnsación) gua Frón 3 (bullición) Vapor Gass 5 0 Vapor Orgánicos livianos Vapor Orgánicos mdianos Vapor Orgánicos psados Orgánicos livianos Orgánicos livianos Orgánicos mdianos Orgánicos mdianos Orgánicos psados Orgánicos psados Orgánicos livianos Orgánicos psados Orgánicos psados Orgánicos livianos Ptrólo Gasólo Vapor (Evaporador) gua Vapor (Evaporador) Otros luidos Evaporador d rrigración Vapor (Condnsador) gua Vapor (Condnsador) Otros luidos

6 0 Factor jh n Funcion dl Rynolds para intrcambiadors con Bals 0 3 Coicint jh 0 0 riang y cuad 5 % riang y cuad 5 % riang y cuad 35 % riang y cuad 5 % Rotado 5 % Rotado 5 % Rotado 35 % Rotado 5 % Numro d Rynolds Figura 6 Dtrminacion dl Coicint d transrncia d calor para intrcambiadors d calor con Bals sgmntados con porcntajs d cort ntr 5 y 5 % (Basado n Valors d abla )