Cálculo del area de intercambio del rehervidor y del condensador.

Transcripción

1 M.M.J. Págna 1 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) Cálculo del area de nercambo del rehervdor y del condensador. Rehervdor. Procedmeno de dseño: En ese rabajo se preende proporconar un procedmeno sencllo, para el dseño érmco de rehervdores, es decr, que no se oman en cuena consderacones mecáncas y cosos. A connuacón se descrbe la secuenca de pasos que se deben segur para el dseño de esos equpos: 1. Especfcar las condcones operaconales del rehervdor (composcones, flujos, emperauras, presones, calor ransferdo, fraccón vaporzada, ec).. Obener las propedades físcas que se requeren, de odas las correnes que enran o salen del rehervdor, sobre los nervalos de emperauras y presones que neresan. 3. Selecconar el po de rehervdor que se va a emplear. 4. Selecconar el fludo de calefaccón. 5. Hacer una esmacón prelmnar del amaño del rehervdor, ulzando las ablas, que exsen en la bblografía, de las dmensones esándar de los nercambadores de calor. 6. Se realza un prmer dseño compleo, con odos los dealles referenes a los cálculos. 7. Se evalúa el dseño obendo en la eapa 6, en cuano a su capacdad para sasfacer las especfcacones del proceso, con respeco a la ransferenca de calor, caída de presón, ec. 8. Sobre la base de los resulados obendos en la eapa 7, se escoge una nueva confguracón, s es necesaro, y se repe la eapa 7. Esmacones prevas para los cálculos del área necesara para el Rehervdor: o Balance de Energía.

2 M.M.J. Págna de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) DATOS: L Kmolh B Kmolh λ meal+agua JKmol λ Vapor JKmol La expresón del balance de energía es el sguene: ( L - B ) * λ meal+agua C * λ Vapor donde λ meal+agua y λ Vapor, son el calor laene de la mezcla meanol + agua y el calor laene del vapor, ambas calculadas de las ablas (anexo nº 8). ( L - B ) * λ meal+agua C * λ Vapor ( ) * C * C Kmol h Ahora procedemos al cálculo de Q, flujo de calor del Rehervdor, obenendo el sguene resulado: 7 Q C * λ Vapor Q Jh Consderando que no hay pérddas de calor, el calor ceddo ene que ser gual que al calor absorbdo, por lo ano: Q U A LMTD Sendo LMTD, la meda logarímca de las emperauras del nercambador, que ene el sguene valor: LMTD T T T Ln T 1 1 LMTD 30 Es 30 porque esa es la dferenca de emperaura en la enrada y ambén en la salda del rehervdor, eso quere decr que solo hay un cambo de fase pero no de emperaura (esa permanece consane). Conocdos odos los daos necesaros, calculamos pues, el valor de U, coefcene global de ransmsón de calor, para poder conocer el área necesara para el rehervdor. La expresón que ulzaremos en nuesro dseño, es la sguene: U 1 De Do Do 1 + Ln + h D K D h o

3 M.M.J. Págna 3 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) Pero desprecamos la ressenca por conduccón y además consderamos que D o D, quedando: U h he h + h e o Cálculo del Área aproxmada, para un valor de U aproxmado. El U aprox lo obenemos de ablas, el valor de U del meanol + agua y del vapor de agua se encuenra en un nervalo de Kcalhm ºC. Para los cálculos hemos consderado que U aprox vale 1500 Kcalhm ºC. Los resulados obendos son: U aprox Bukf º 67*10 4 Jhm ºC Q U A LMTD * A * 30 A aprox m Se raa de segur el sguene esquema: Calculamos la U eórca, para ver s se aproxma a la U aprox, y así saber s el área aproxmada que habíamos propueso, es la correca. Confguracón de los Tubos Confguracón de la Coraza Arreglo rangular DE 1 nch DI 8 nch DWG 16 Pasos 1 a nch B 1.6 nch (espaco enre los Pasos 1 Deflecores) B15DI coraza N 1 ubos DI 0.87 nch Pch 1.5 nch

4 M.M.J. Págna 4 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) Cálculos de la aproxmacón a la Ureal con la confguracón de ubos y coraza aneror: Daos, (obendos de ablas): K meanol+agua Buhf º K vapor de agua(108ºc) Buhf º L (caudal meanol + agua a 150ºC) Kgh C (caudal del vapor a 180ºC) Kgh Q Rehervdor Kcalh Cp mehanol + agua Bulbº Cp vapor de agua(180ºc) Bulbº µ meanol + agua cp Kgfh µ vapor de agua(180ºc) cp lbfh T 1, T Temperauras a la enrada y salda del fludo calene (Vapor de H O). T ºC 356 º T 180 ºC 356 º 1, Temperauras a la enrada y salda del fludo frío (mezcla de meanol + agua) ºC 30 º 150 ºC 30 º o Balance de Calor. m º Q Rehervdor Kcalh - ludo río (fludo exeror mezcla meanol + agua ): Cp mehanol + agua Bulbº - ludo Calene (fludo nerno Vapor de H O a 180 ºC y 10 bar): Cp agua(180ºc) Bulbº

5 M.M.J. Págna 5 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) - LMTD : LUIDO LUIDO RIO DIERENCIA CALIENTE 180 Ala Temperaura Baja Temperaura 0 Dferenca 0 0 LMTD 30 - ludo Calene: Tubos. El área de flujo por ubo (n) a nch m (ablas, anexo nº 8 ) El área de flujo en odos los ubos, se obene: a N a 144 n f G C a Kg h f Kg f h lb f h La vscosdad del fludo a la emperaura µ c : µ vapor de agua(180ºc) cp lbfh En las ablas del anexo nº 8 se encuenra el dámero de los ubos del nercambador: DI 0.87 n 0.0 m f Por lo que podremos calcular el nº de Reynolds: D G Re µ

6 M.M.J. Págna 6 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) Para el valor de Re , se obene de la gráfca (ver anexo nº 8), un valor del facor de ransferenca de calor de jh, suponendo LD 4. El valor de jh asocado a ese valor de Re es 50. La conducvdad érmca del fludo, se obene de la abla (ver anexo nº 8). K vapor de agua(108ºc) Buhf º Ahora se calcula el sguene érmno (numero de Prandl): C p µ κ Bu lbº lb 0.483Bu fhº fh Para la obencón del coefcene de ransferenca de calor del fludo neror susuremos en la fórmula: 1 3 K C p µ h jh φ donde φ 1 DI κ h Bu f hº ludo Calene: Coraza. El área ransversal del flujo para el lado de la coraza esa dada por: a S DI C ' B 144 Pch. Por lo que s susumos nuesros daos endremos que a s f

7 M.M.J. Págna 7 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) sendo la confguracón esándar de la coraza: Por lo que C será: Arreglo rangular C Pch DE nch La velocdad másca es: G s L a s Kg h Kg f f h A 150 ºC la vscosdad del fludo que crcula por la coraza vale: µ meanol + agua cp Kgfh EL dámero equvalene es cuaro veces el rado hdráulco, y el rado hdráulco es, a su vez, el rado de un ubo equvalene a la seccón del anulo. Cuando un fludo fluye por un conduco que ene seccón dferene a la crcular, debemos expresar los coefcenes de ransferenca de calor y facores de frccón medane las msmas ecuacones, para eso ulzaremos el dámero equvalene, para poder represenar. ( Pch π DEubos 4) 4( 1.5 π 1 4) pu lg 0. f 4 De π DE π 1 ubos El número de Reynolds se obendría de la sguene expresón: Re D G µ f Kg Kg fh f h Para el valor de Re , el valor de jh asocado (mrar en las ablas) es 590.

8 M.M.J. Págna 8 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) El valor de la conducvdad érmca es: K vapor de agua(108ºc) Buhf º Ahora se calcula el sguene érmno (numero de Prandl): C p κ µ Bu lbº lb Bu fhº fh Para la obencón del coefcene de ransferenca de calor del fludo exeror susuremos en la fórmula: 1 3 K C p µ h o jh φ donde φ 1 DE κ h o Bu f hº o Coefcene oal de ransferenca, U real : h ho U real Bu f hº h + h o Como el U real U aprox, eso quere decr que la confguracón escogda para los ubos y la coraza son los correcos para el dseño del Rehervdor. Consderando que el área será un poco más grande que la obenda en nuesra confguracón de ubos y coraza escogda, ya que la U aprox se aproxma basane pero por debajo del valor real, por eso consderaremos un poco mas de área.

9 M.M.J. Págna 9 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) Condensador. Procedmeno de dseño : Para el cálculo del dseño de los condensadores se sugere la sguene meodología de cálculo: 1. Especfcar las condcones operaconales del condensador (daos de enrada).. Selecconar el po de condensador. 3. Selecconar el fludo refrgerane. 4. Deermnar la carga de calor que debe ser rerada en el condensador. 5. Calcular la dferenca de emperaura. 6. Calcular el área del condensador, evaluando el coefcene global de ransferenca de calor. 7. Verfcar que se sasfacen las condcones operaconales esablecdas (caída de presón, esbelez, enre oras). En la g. 1, se presena un flujograma con esa meodología de dseño para un condensador: g. 1. lujograma de dseño de un condensador

10 M.M.J. Págna 10 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) o Balance de Energía: Para esmar el calor necesaro, se ulza un balance de energía: DATOS: V Kmolh λ DME JKmol La expresón del balance de energía es el sguene: Q V λ DME donde λ DME, es el calor laene del DME, calculado de las ablas (anexo nº 8). Q V λ DME Q Q J h Q Kj h Para el agua refrgerane, el caudal que necesamos es el sguene, consderando que no hay pérdda de calor, es decr que el calor absorbdo es gual al calor ceddo, los resulados obendos son: Q C λ agua C C Kmolh Consderando que no hay pérddas de calor, el calor ceddo ene que ser gual que al calor absorbdo, por lo ano: Q U A LMTD Sendo LMTD, la meda logarímca de las emperauras del nercambador, que ene el sguene valor. LMTD T T T Ln T 1 1 LMTD 30 - Calcular el valor del coefcene global de ransferenca de calor (U) y del area de ransferenca de calor (A): Para el cálculo del coefcene global de ransferenca de calor, se ulza la sguene relacón. h he U h + h e

11 M.M.J. Págna 11 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) o Calculamos al área aproxmada, para un valor de U aprox. El U aprox lo obenemos de ablas, el valor de U del DME es 0 Bu f hº Kjhm K. Los cálculos obendos son los sguenes: Q U A LMTD A aporx 30 A aprox m Los cálculos realzados en el condensador se realzan parendo de la msma dea que para el rehervdor, es decr sguendo el sguene esquema comenado en el aparado aneror. En el momeno en el que la U eórca se acerque a la Uaprox, la confguracón escogda en los cálculos será la correca para su dseño, cumplendo así nuesras expecavas. Confguracón de los Tubos Confguracón de la Coraza Arreglo rangular DE 1 nch DI 8 nch DWG 16 Pasos 1 a nch B 1.6 nch (espaco enre los Pasos 1 Deflecores) B15DIcoraza N 1 ubos DI 0.87 nch Pch 1.5 nch

12 M.M.J. Págna 1 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) Cálculos de la aproxmacón a la U real con la confguracón de ubos y coraza aneror: Daos (obendos de ablas): K DME KjhmK Bufhº K agua(15ºc) Buhf º Cp DME Bulbº Cp agua(15ºc) 1.1 Bulbº µ DME Kgfh µ agua(15ºc) lbfh V Kmolh Kgh C Kmolh Kgh T 1, T Temperauras a la enrada y salda del fludo calene (DME). T 1 45 ºC 113 º T 45 ºC 113 º 1, Temperauras a la enrada y salda del fludo frío (mezcla de meanol + agua) ºC 59 º 15 ºC 59 º o Balance de Calor: m º Q Condensador Kjh - ludo ro (fludo neror agua ): Cp agua(15ºc) 1.1 Bulbº - ludo Calene (fludo exeror DME ): Cp DME Bulbº

13 M.M.J. Págna 13 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) - LMTD : LUIDO LUIDO RIO DIERENCIA CALIENTE 45 Ala Temperaura Baja Temperaura 0 Dferenca 0 0 LMTD 30 - ludo ro: Tubos. El área de flujo por ubo (n) a nch m (ablas, anexo nº 8 ) El área de flujo en odos los ubos, se obene: a N a 144 n f G C a Kg f h lb f h En las ablas del anexo nº 8 se encuenra el dámero de los ubos del condensador: DI 0.87 n 0.0 m f Por lo que podremos calcular el nº de Reynolds: D G Re µ Para el valor de Re , se obene de la grafca (ver anexo nº 8), un valor del facor de ransferenca de calor de jh, suponendo LD 4. El valor de jh asocado a ese valor de Re es 9.

14 M.M.J. Págna 14 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) Ahora se calcula el sguene érmno (número de Prandl): C p µ κ Bu lbº lb Bu fhº fh Para la obencón del coefcene de ransferenca de calor del fludo neror susuremos en la formula: 1 3 K C p µ h jh φ donde φ 1 DI κ h Bu f hº ludo Calene: Coraza. El área ransversal del flujo para el lado de la coraza esa dada por: a S DI C ' B 144 Pch. Por lo que s susumos nuesros daos endremos que: a s f sendo la confguracón esándar de la coraza: Arreglo rangular

15 M.M.J. Págna 15 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) Por lo que C será: C Pch DE nch La velocdad másca es: G s V a s Kg h Kg f f h EL dámero equvalene es cuaro veces el rado hdráulco, y el rado hdráulco es, a su vez, el rado de un ubo equvalene a la seccón del anulo. Cuando un fludo fluye por un conduco que ene seccón dferene a la crcular, debemos expresar los coefcenes de ransferenca de calor y facores de frccón medane las msmas ecuacones, para eso ulzaremos el dámero equvalene, para poder represenar. ( Pch π DEubos 4) 4( 1.5 π 1 4) pu lg 0. f 4 De π DE π 1 ubos En las ablas del anexo nº 8 se encuenra el dámero de los ubos del condensador: DI 0.87 n 0.0 m f El número de Reynolds se obendría de la sguene expresón: Re D G µ f Kg Kg fh f h Ahora se calcula el sguene érmno (número de Prandl): C p µ κ Bu lbº 0.03lb Bu fhº fh Para la obencón del coefcene de ransferenca de calor del fludo exeror susuremos en la fórmula: 1 3 K C p µ h o jh φ donde φ 1 DE κ h o 46.45Bu f hº

16 M.M.J. Págna 16 de 16 0 Sepembre 005 Revsón (0) o Coefcene oal de ransferenca U real : h ho U real 30Bu f hº h + h o Como el U real U aprox, eso quere decr que la confguracón escogda para los ubos y la coraza son los correcos para el dseño del Condensador.