INTERCAMBIADORES TUBO Y CARCAZA: ANÁLISIS TÉRMICO

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1 OPERCIONES UNIRIS PROF PERO VRGS UNEFM PO ENERGÉIC isponibl n: wwwopracionswordprsscom INERCMBIORES UBO Y CRCZ: NÁLISIS ÉRMICO NÁLISIS ÉRMICO, CONSIERCIONES GENERLES nts d scribir las cuacions qu rgulan l fnómno d transfrncia 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 funts d calor dntro dl quipo Cp, d cada fluido s constant La vlocidad y la tmpratura d los fluidos a la ntrada dl intrcambiador son uniforms U s constant a través dl quipo El ára d transfrncia d calor stá distribuida uniformmnt sobr cada fluido En intrcambiadors d pasos múltipls, l ára d transfrncia d calor s considra igualmnt rpartida n cada paso S supon qu no ocurr cambio d fas n los fluidos involucrados o l cambio d fas ocurr bajo alguna d las siguints condicions: - tmpratura constant (fluido puro a prsión constant) En st caso la capacidad calorífica dl fluido qu cambia d fas s considra infinito - La tmpratura dl fluido qu cambia d fas varía linalmnt con l calor transfrido durant la condnsación o bullición En st caso l calor spcífico s constant y finito para l fluido qu cambia d fas En cuanto a la disposición d los fluidos: En flujo parallo y n flujo contracorrint: s uniform n una scción transvrsal (d) dl quipo En flujo cruzado cada fluido pud considrars mzclado o no mzclado n cada scción dl quipo, dpndindo d las spcificacions dl problma En quipos con múltipls pasos, las condicions antriors aplican a cada paso dpndindo dl arrglo d flujo qu xista n cada uno d llos Entr cada paso, l fluido pud considrars mzclado o sin mzclar, dpndindo dl problma El flujo másico d cada fluido stá distribuido uniformmnt a través dl quipo dntro d cada paso No hay stratificación, bypass, ni drrams d fluido El flujo simpr stá caractrizado por una vlocidad d bulto promdio n cualquir scción transvrsal dl quipo La conducción axial n l fluido y n las pards dl quipo son dsprciabls Los cambios d nrgía cinética y potncial qu sufrn los fluidos son dsprciabls LOCLIZCIÓN E LOS FLUIOS pndindo d las difrnts condicions d opración d los fluidos, xistn varios critrios qu nos pudn ayudar a slccionar por dónd van los fluidos involucrados, si por los tubos o si por la coraza Viscosidad: Por lo gnral s obtinn mayors flujos d calor cuando s hac pasar l fluido 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 fugas o drrams Flujo volumétrico: Usualmnt, para qu l disño rsult más conómico, s db pasar l fluido d mnor flujo 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 fluido 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 fluido con mayor factor d nsuciaminto por los tubos, s minimiza la limpiza dl quipo dmás, incrmntando la vlocidad dl fluido 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 fluido 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 coficints d transfrncia d calor mayors dl lado d los tubos qu dl lado d la carcasa Por lo tanto, s rcominda colocar por los tubos l fluido qu tnga una mnor caída d prsión prmitida SE RECOMIEN POR LOS UBOS Fluidos corrosivos o un fluido propnso al dpósito d coqu, sdimntos y otros sólidos, gua d nfriaminto, Fluidos con alto factor d nsuciaminto y l mnos viscoso d los dos fluidos 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 fluido 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 fluido s muy grand ( F) y s rquir d un quipo con más d un paso d tubos, ntoncs st fluido s pasado, usualmnt por la carcasa Esto minimiza los problmas por fctos d xpansión térmica os tipos d problmas: sd 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 isño d un quipo para satisfacr una ncsidad Incógnitas:, Q, una variabl d ntr tmpraturas y los dos flujos 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 flujo n contracorrint (Δ = h,0 c,i Δ = h,i c,0 ) El balanc d nrgía n l fluido calint stablc qu: h h h mh Cp C Q m () hi h0 la misma forma para l fluido frío c h hi h h mc Cp C Q m () c0 ci c La vlocidad d transfrncia d calor a lo largo dl quipo Q U (3) ml ond: ml () ln( / ) ifrncia d tmpraturas mdia logarítmica U: Coficint global d ransfrncia d calor [W/m K] : Ára d transfrncia 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 factor F: Q FU (5) ml st método d disño, s l conoc como Método F LM F rprsnta l grado d dsviación d la vrdadra difrncia d tmpratura d la 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 ond las tmpraturas dnotadas por la ltra t, hacn rfrncia al fluido qu va por los tubos y las dnotadas con la ltra, hacn rfrncia al fluido 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 pndindo los valors rlativos d las variabls principals involucradas n la transfrncia d calor como los flujos másicos y las capacidads caloríficas, l prfil d tmpraturas tanto para l fluido frío como l calint dntro dl intrcambiador, pud variar considrablmnt continuación s mustra l prfil d tmpratura para divrsos casos n un intrcambiador d un paso por los tubos y la carcasa

4 Ecuación para stimar l coficint convctivo n carcasas con baffls sgmntados j H Nu ln(r) C ln(r) xp C C 0>R >0 6 h0 k f 0 j H Pr / 3 s 0, 3 Lc= Figura 5 Prfil d tmpratura a difrnts condicions CÁLCULO EL COEFICIENE E RNSFERENCI El coficint global d transfrncia d calor para l intrcambiador pud scribirs como (basado n l ára d transfrncia 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 transfrncia 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 flujo por la part xtrna d los tubos stá dtrminado por divrsos factors, ntr los qu podmos mncionar, spaciado y arrglo d los tubos, baffls y númro d pasos n la carcasa Vq m R V F P f q PM f B s P P rrglo cuadrado P sn(60) 05 q rrglo triangular : nsidad dl fluido [kg/m 3 ] V: Vlocidad dl fluido por la carcasa [m/s] m : Flujo másico dl fluido por la carcasa [kg/s] F : Ára d flujo [m ], P : Pitch [m] : iámtro xtrno dl tubo [m] q : iámtro quivalnt d flujo [m] abla Valors d las constant para flujo xtrno con baffls sgmntados % d rrglo rrglo cuadrado cort triangular y rotado baffl 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 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 Para flujo cruzado n bancos d tubos s pud utilizar la siguint xprsión: Nu h0 k f0 CR m Pr / 3

5 R C m 0, 0,989 0, ,9 0, ,683 0, ,93 0, ,07 0,805 Convcción intrna: La caractrística d la transfrncia intrna n los tubos stá dtrminada por la convcción intrna n suprficis cilíndricas V R i V m Si hay más d un paso por los tubos N F i Ára d flujo N i P F F N NiL Ára intrna d transfrncia d calor N L Ára xtrna d transfrncia d calor Corrlacions para flujo intrno hii / 5 0, Nu 0,03 R Pr R >0000, 0,6<Pr<60 k Nu f / 3 0 / 3 / 3 b 86 R Pr L R 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 formas d stimar l sobrdisño adcuado: i) mdiant l factor d nsuciaminto rqurido, ii) l factor d limpiza y iii) l porcntaj d sobrdisño dl ára Método dl factor d nsuciaminto El uso d st método prsupon qu s conocn los factors d nsuciaminto sprados para l sistma n studio, lo cual s, para la mayor part d los casos, muy difícil d prdcir Sin mbargo, si s tinn bunos stimados d los factors d nsuciaminto, n los casos n qu ambas suprficis s nsucin, s pud calcular un coficint global d transfrncia d calor, U, qu tom n cunta st fcto Entoncs, l factor d nsuciaminto total R st sría, d prsntars n las dos suprficis, R o st Rsi Rso (5) i dond R si y R so s rfirn a los factors d nsuciaminto d la suprfici intrna y la xtrna, rspctivamnt El i coficint calculado n la Ec 5 stá rfrido al ára xtrna d transfrncia d calor partir d st coficint, s pud calcular ntoncs l U so rqurido como U os Rst (6) U ol El U os calculado mdiant las cuacions antriors stá rfrido al ára xtrna partir d st valor para l coficint global d transfrncia d calor pud calculars l ára d transfrncia rqurida, por l método dl F LM abla 3: Coficints típicos d transfrncia global d calor n intrcambiadors tubulars Fluido calint Fluido frío 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 fluidos Evaporador d rfrigración Vapor (Condnsador) gua Vapor (Condnsador) Otros fluidos

6 Método dl coficint d limpiza El coficint d limpiza CF da una ida dl máximo grado d nsuciaminto prmitido n l intrcambiador: Uos CF (7) U ol El valor típico para disño dl CF s d 0,85 Con st valor pud stimars l factor d nsuciaminto total R st a partir d la siguint cuación: R st CF (8) U CF ol ado l R st, pud dtrminars l U os y a partir d st l os Método dl sobrdisño dl ára En st método s stablc a priori l porcntaj n xcso rqurido para l ára d transfrncia S, d modo qu 00 S os ol (9) 00 El S pud xprsars como S os Uol R st (0) ol Cab sñalar qu s ncsario conocr a priori l porcntaj d sobrdisño adcuado para cada aplicación; l valor típico s d 5 % d sobrdisño abla : Coficints d nsuciaminto varios para intrcambiadors Fluido industrial R s (m K/W) Sals fundidas 0, Rfrigrants 0,00076 Fluido hidráulico 0,00076 Mdio orgánico d transfrncia d uso industrial 0,00035 moníaco líquido 0,00076 moníaco líquido con acit 0,00058 Solucions d cloruro d calcio 0,00058 Solucions d cloruro d sodio 0,00058 CO líquido 0,00076 Cloro líquido 0,00035 Solucions d mtanol 0,00035 Solucions d tanol 0,00035 Solucions d tilén glicol 0,00035 cits vgtals 0,00058 Gasolina natural y gass ptrolros licuados 0, ,00035 Naftas líquidas 0,00076 Qurosno 0, ,00058 Gasólo liviano 0, ,00058 Gasólo psado 0, ,00088 Solucions d soda caústica 0,00035 sfalto 0,00088 Ful oil nº 0,00035 Ful oil nº 6 0,00088 cit d transformadors 0,00076 Lubricant d máquina 0,00076 cit para tmplado 0, Crudos, 30 a 75 º C 0, ,00088 Crudos, 75 a 30 ºC 0, ,00057 abla 5: Coficints d nsuciaminto para agua n intrcambiadors (m K/W) mpratura dl mdio calfactor Hasta 5 ºC 5 a 05 ºC mpratura dl agua Hasta 50 ºC Encima d 50 ºC Vlocidad dl agua (m/s) 0,9 > 0,9 0,9 > 0,9 gua d mar 0, , , ,00076 gua d torr d nfriaminto ratada No tratada 0, , , , , , , , gua municipal o d pozo 0, , , ,00035 gua d río 0, , , ,00058 gua lodosa 0, , , ,00058 guas duras (> 5 granos/gal) 0, , , ,00088 Condnsado 0, , , , gua d caldra tratada 0, , , ,00076 gua d nfriaminto d chaqutas 0, , , ,00076

7 abla 6: Espcificacions para tubos d acro comrcial sgún norma BWG i i BWG BWG (pulg) pulg pulg pulg / 0,9 / 7 0,890 0,06 8 0,90 6 0, 0 0,98 3/8 8 0,77,00 0 0,305,03 0,39 3,060 0,33,08 / 6 0,370 6,0 8,0 8,5 0 0,30 0,80 0, 0,3 5/8 0,07,8 3 0,35,33 0,59 6, ,8, ,95 3,80 7 0,509 / 9,0 8 0,57 9 0,5 0 0,555 3/ 0 0,8 0,50 0,53 3 0,560 0,58 5 0, ,60 7 0,63 8 0,65 0 0,68 7/8 0 0,607 0,635 0, ,685 0, ,75 8 0, , , ,73 0,760 0,78 3 0,80 0,83 5 0, , ,90 0 0,930 abla 7: Espcificacions para tubos d acro comrcial sgún norma NSI Nom i Cédula pulg pulg pulg 3/,05 0 0,8 80 0,7,35 0, ,957 /,660 0,38 80,78 /,900 0,6 80,50,375 0,067 80,939 /,875 0,69 80,33 3 3,5 0 3,068 80,900 3 /,0 0 3, ,36,5 0, ,86 5 5,536 0 S 5,95 0 5,07 80,83 6 6,65 0 S 6, , ,76 8 8,65 0 S 8, , ,65 0 0,75 0 S 0,0 30 0,9 XX 9,750,75 0 S,39 30,09 XX,75,0 0 3,5 Estándar 3,5 XX 3,00 6 6,0 0 5,50 Estándar 5,5 XX 5,00 8 8,0 0 S 7,6 Estándar 7,5 XX 7,00

8 abla 8: Configuracions comrcials d carcasa y tubos, pas por carcasa, n pass d tubos (conto d tubos) Carcasa P P P 6 P 8 P I pulg ubos 3/ Pt = riangular O / / / / / / ubos O Pt= / riangular / / / / / / ubos 3/ Pt = Cuadrado O / / / / / / abla 9: Configuracions comrcials d carcasa y tubos, pas por carcasa, n pass d tubos (conto d tubos) Carcasa P P P 6 P 8 P i pulg ubos O Pt = / Cuadrado / / / / / / ubos 3/ O Pt 5/6 riangular / / / / / /

9 ubos / O Pt = 9/6 Cuadrado / / / / / / abla 0: Configuracions comrcials d carcasa y tubos, pas por carcasa, n pass d tubos (conto d tubos) Carcasa I pulg P P P 6 P 8 P ubos / Pt = Cuadrado O 7/ / / / / / / ubos / O Pt = 7/8 riangular 8 3 / / / / / / ubos / O Pt = 9/6 riangular / / / / / / Bibliografía Rcomndada Holman J, ransfrncia d calor écima rimprsión Compañía ditorial continntal Gankopolis C, Procsos d transport y opracions unitarias rcra dición Compañía ditorial continntal Gonzálz, Guía d Intrcambiadors d calor: ipos gnrals y plicacions Univrsidad Simón Bolívar 00 Incropra F y Witt, Fundamntos d ransfrncia d calor Cuarta dición Prntic Hall Krn, Procsos d transfrncia d calor rigésima primra rimprsión Compañía ditorial continntal