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Diseño de equipos de Transferencia Transferencia de calor
5.1 INTERCAMBIADORES INTERCAMBI ADORES DE CALOR ANTECEDENTES HISTÓRICOS
El diseño y construcción de los primeros intercambiadores de carcasa y tubos se inicio primeros años del siglo cuando se construyeron las primeras plantas de producción de e eléctrica y eran necesarios grandes intercambiadores como condensadores y calentado agua. Actualmente se siguen utilizando intercambiadores de carcasa y tubos para este s aunque su diseño se ha sofisticado.
En la industria también se empezó a utilizar a principios de siglo con el desarrollo de la ind del petróleo que requería calentadores, reboilers y condensadores para servicios con prod orgánicos normalmente bastante sucios y a altas temperaturas y presión. Desde el princi problemas que presentaban estos intercambiadores no eran problemas de transferencia d o pérdida de carga, que se fueron estimando con la práctica, sino más bien problemas c materiales de construcción como los ocasionados por el stress térmico o problemas c juntas entre los tubos y la placa de tubular. Hoy en día, aunque se ha avanzado mucho sentido estos problemas siguen ocasionado las averías en estos equipos.
En los años 20 la tecnología de los intercambiadores de carcasa y tubos estaba ba desarrollada y grandes unidades de hasta 500 m 2 fueron construidas para la creciente in del petróleo. Con la implantación de estos equipos surgió la necesidad de elaborar norma el diseño mecánico tanto por cuestiones de seguridad, control de calidad y uniformid equipos. El primer de estos documentos fue TEMA del año 1941.
Hoy en día con su sexta edición se sigue considerando estas normas en todo el mundo. En años 40 y 50 se llevo a cabo una intensa labor de investigación que permitió establecer la de cálculo de estos intercambiadores para los diversos servicios y resolver la mayoría problemas mecánicos en la construcción.
La construcción de los intercambiadores de carcasa y tubos se ha ido desarrollando a lo la los años y se han convertido en los intercambiadores más ampliamente utilizados p construcción robusta y por la gran variedad de diseños y condiciones de operación.
5.2 INTRODUCCION Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES
Un intercambiador de calor se puede describir como un equipo en el que dos corrientes a di temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la o ambas cosas a la vez. vez. El intercambio de calor calor ocurre como se muestra en la figura 5.1: T2
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Diseño de equipos de Transferencia Transferencia de calor
Cuando las corrientes circulan en sentido opuesto se dice que la circulación e CONTRACORRIENTE, pero cuando es en el mismo sentido la circulación es en PARALELO, ta se muestra en las figuras 5.2 y 5.3 respectivamente. T2
Fluido caliente
T2
t1
t1
Fluido frío
Fluido frío
Fluido caliente
T1
T1 t2
Figura 5.2 Circulación en contracorriente
Figura 5.3 Circulación en paralelo
t2
En algunos casos las corrientes se cruzan perpendicularmente y se denominan corrientes CRUZADAS, y se dan con mayor frecuencia en intercambio de calor de gases con líquidos.
Cuando se realiza una transferencia de calor sin cambio de fase se dan dos situaciones típic la primera, ambas ambas temperaturas, t (Temperatura de fluido fluido frío) y T (temperatura caliente) varían simultáneamente. t lo hace creciendo desde t1 hasta t2, y T lo disminuyendo desde T1 hasta T2. Al graficar estos cambios se presentan como se observa figuras 5.4 y 5.5:
En contracorriente
En paralelo
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Diseño de equipos de Transferencia Transferencia de calor
Cuando las corrientes circulan en sentido opuesto se dice que la circulación e CONTRACORRIENTE, pero cuando es en el mismo sentido la circulación es en PARALELO, ta se muestra en las figuras 5.2 y 5.3 respectivamente. T2
Fluido caliente
T2
t1
t1
Fluido frío
Fluido frío
Fluido caliente
T1
T1 t2
Figura 5.2 Circulación en contracorriente
Figura 5.3 Circulación en paralelo
t2
En algunos casos las corrientes se cruzan perpendicularmente y se denominan corrientes CRUZADAS, y se dan con mayor frecuencia en intercambio de calor de gases con líquidos.
Cuando se realiza una transferencia de calor sin cambio de fase se dan dos situaciones típic la primera, ambas ambas temperaturas, t (Temperatura de fluido fluido frío) y T (temperatura caliente) varían simultáneamente. t lo hace creciendo desde t1 hasta t2, y T lo disminuyendo desde T1 hasta T2. Al graficar estos cambios se presentan como se observa figuras 5.4 y 5.5:
En contracorriente
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Diseño de equipos de Transferencia Transferencia de calor
Figura 5.6 Comportamiento de l temperaturas en transferencia de con cambio de fase en c ontracorr
En cualquiera de los casos la variación de una o ambas temperaturas puede ser lineal, aun habitual es que no lo sea. La temperatura media se denomina temperatura media logarítmica y se calcula de la sig manera: Según la disposición de flujos en los gráficos, para flujos en contracorriente: T2-t1 = ∆t1 = ∆tA T1-t2 = ∆t2 = ∆tB Para flujo en paralelo: T1-t1 = ∆t1 = ∆tA T2-t2 = ∆t2 = ∆tB La temperatura media logarítmica (MLTD) se calcula de la siguiente manera :
MLTD
t 2 t 1 t ln 2 t 1
En un intercambiador de calor la temperatura de entrada del fluido c es T1=300°F, y la temperatura de salida es T2=200 °F. Asimismo la temperatura de entra fluido frío es t1=100°F y la de salida t2=150 °F. Calcular la MLTD en el intercambiador. SOLUCION: contracorriente: ∆t2 = T1-t2 = 300-150 a. En contracorriente: 300-150 = 150Sign up to vote on this title ∆t1 = T2-t1 = 200-100 = 100 Useful Not useful
MLTD
t 2 t 1
=
150 100
=123.5°F
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
5.3 SELECCIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS TIPOS DE INTERCAMBIADORES
Los intercambiadores de calor son unos de los equipos de mayor uso en la industria química y de alimen
que siempre existen operaciones de enfriamiento o calentamiento dentro del proceso. Existe una gran v
de equipos que realizan transferencia de calor. En ésta sección se estudiaran y diseñarán los de mayo continuación se presenta una breve clasificación de estos equipos según el tipo de superficie.
De doble tubo
Intercambiadores de tubos
De casco y tubos
De serpentín sumergido Enfriador de cascada Intercambiadores de Calor
Intercambiador de superficie plana
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Intercambiador de placa
Recipiente enchaquetad
Intercambiadores compactos Unlock full access with a free trial.
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Intercambiadores de tubos: Son los mas abundantes, gracias a su mayor flexibilidad. ser de doble tubos o de haz de tubos y coraza.
Intercambiadores de serpentín sumergido: Se usan en casos cuando no hay tiempo o para adquirir un equipo comercial, ya que son fáciles de construir en un taller. Al ser fácil removibles o transportables se usan mucho para instalaciones provisorias. Tienen rendimiento y son fáciles de limpiar exteriormente. La limpieza exterior generalmente problema ya que se usa para calentamiento con vapor que circula por el interior de los tu este no ensucia, pero si es corrosivo. Sign up to votelaonsuperficie this title de transfe Intercambiadores con superficie extendida: Permiten aumentar Los mas usados son los de aletas que pueden ser transversales según q Not useful Useful olongitudinales, plano de las aletas sea normal al eje central del tubo o pase por el mismo. Intercambiadores de placas: Consiste en un conjunto de placas de metal armadas en un bast dispuestas en forma paralela de manera que entre la primera y la segunda placa circule un
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
sobre los tubos horizontales formando una película. Se pueden construir con tubos de tamaños, aunque los mas frecuentes son de 2 a 4” de diámetro. Son relativamente bar fáciles de improvisar pero con baja eficiencia de enfriamiento.
Clasificación por la distribución de flujo
Tenemos cuatro tipos de configuraciones más comunes en la trayectoria del flujo. En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por el mismo ex del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro extremo. En la distribución en contracorriente, los fluidos caliente y frío entran por los ext opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas. En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dent intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido. En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplaza transversal en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.
Para caracterizar los intercambiadores de calor basándose en su aplicación se utilizan en g términos especiales. Los términos empleados para los principales tipos son:
Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los intercambiado calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor para referirse a las calderas en l la fuente de calor es una corriente de un flujo caliente en vez de los productos de la combus temperatura elevada. You're Reading a Preview
Los condensadores seUnlock utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fue full access with a free trial. vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas nucleares para vehículos espaciales. Los principales son los condensadores de superficie, los condensadores de chorro y los condensa evaporativos. Download With Free Trial El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que el condensa recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.
Las unidades conocidas con este nombre compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica ejes paralelos al aire de la coraza. Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y tamb algunos casos los intercambiadores gas-gas. Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los coeficientes de transfe de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden de 3 a 4y los v up to vote on this title de calor lí absolutos son en general menores que los correspondientesSign a los intercambiadores líquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere unvolumen mayor para transf Useful mucho Not useful misma cantidad de calor. Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distri de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. La configuración mas c
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
La plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la velocidad media de de las gotas y por lo tanto aumenta el tiempo de exposición de gotas a la corriente de aire en la Se han construido grandes torres de enfriamiento del tipo de convección natural de más de 90 altura para desechar el calor proveniente de plantas de fuerza. En una torre de enfriamiento por convección forzada se pulveriza el agua en una corriente d producida por un ventilador, el cual lo hace circular a través de la torre. El ventilador puede estar montado en la parte superior de la torre aspirando así el aire hacia ar puede estar en la base por fuerza de la torre obligando al aire a que fluya directamente hacia de
La importancia relativa de criterios tales como poten bombeo, costo, peso y tamaño de un intercambiador de calor varía mucho de una instalación a por lo tanto no es siempre posible generalizar tales criterios con respecto a la clase de aplicación Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación, en la marina o en veh aerospaciales, las consideraciones de peso y tamaño son muy importantes. Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se fijan aletas a la superficie de coeficiente de transferencia de calor. Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño y dimensiones aprop de las aletas varían con la aplicación específica. Se han diseñado varios tipos que se han utiliza numerosas aplicaciones.
La remoción del calor sobrante en el condensa una planta de fuerza que produce la electricidad para la propulsión, el comando y el equi comunicaciones de un vehículo espacial presenta problemas serios aún en plantas que genera unos pocos kilovatios de electricidad. La única forma de disipar el calor sobrante de un vehículo espacial es mediante la radiación té aprovechando la relación de la cuarta potencia entre la temperatura absoluta de la superficie y de calor radiante. Por eso en la operación de algunas plantas de fuerza de vehículos espaciales el ciclo termodinám realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece al rojo. Aún así es difícil de mante You're Reading a Preview tamaño del radiador para vehículos espaciales dentro de valores razonables. Unlock full access with a free trial.
En los diversos tipos de intercambiadores que hemos discutido hasta el momen fluidos frío y caliente están separados por una pared sólida, en tanto que un regenerador With Free Trial intercambiador en el cual se aplica unDownload tipo de flujo periódico. Es decir, el mismo espacio es oc alternativamente por los gases calientes y fríos entre los cuales se intercambia el calor. En general los regeneradores se emplean para recalentar el aire de las plantas de fuerza de vap los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundición o de los altos hornos y además en m otras aplicaciones que incluyen la producción de oxígeno y la separación de gases a muy temperaturas. Para los intercambiadores estacionarios convencionales basta con definir las temperaturas de e y salida, las tasas de flujo, los coeficientes de transferencia de calor de los dos fluidos y las superficiales de los dos lados del intercambiador. Pero para los intercambiadores rotator necesario relacionar la capacidad térmica del rotor con la de las corrientes de los fluidos, las ta flujo y la velocidad de rotación. Sign up to vote on this title
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La efectividad de transferencia de calor se define como la razón de la transferencia de calor logr un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible, si se dispusiera de área infin
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Consta de cuatro partes fundamentales: compresor, condensador, válvula o capilar de expa evaporador. Se utilizan una sustancia refrigerante tal como el dióxido de carbono, amoniaco cloruro de metilo El vapor saturado seco se comprime. El vapor sobrecalentado se enfría y condensa, a p constante, hasta que se convierte en líquido mediante enfriamiento por aire o agua, por ejemplo El líquido se expande irreversiblemente a través de una válvula o capilar de expansión. El líquido (con algo de vapor) entra en el evaporador o cámara de refrigeración, donde se ev absorbiendo el calor de la cámara de refrigeración.
La diferencia fundamental entre el frigorífico de absorción de vapor y el de compresión de vapo método empleado para comprimir la sustancia refrigerante. Si el compresor se reemplaza absorbedor, generador y bomba se obtiene un frigorífico de absorción de vapor. El principio de funcionamiento de esta máquina es como sigue:
La sustancia refrigerante (generalmente NH3) entra en el absorbedor en estado gaseoso y disuelve en el disolvente (generalmente agua) desprendiendo calor.
Esto reduce el volumen del NH3, pero no altera su presión. Para elevar la presión, la diso acuosa de amoniaco se hace pasar a través de una bomba, donde se realiza el trabajo W el fluido.
Este trabajo es considerablemente menor que el requerido para comprimir el NH3 gaseo una máquina de compresión de vapor, ya que al disolver el NH3 en agua se ha re considerablemente su volumen.
Después de dejar la bomba, la disolución acuosa de amoniaco entra en el generador recibe calor Q y el amoniaco se desprende de la adisolución. You're Reading Preview La disolución diluida de NH3 re al absorbedor para completar el ciclo. Unlock full access with a free trial.
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5.4. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBO Es el intercambiador de calor mas simple que se conoce. Consiste en dos tubos concéntricos aleteados. Normalmente el fluido frío circula por el espacio anular y el fluido caliente circula interior del tubo interno. La disposición de los tubos es como se muestra en el siguiente gráfic
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Los tubos interiores pueden ser de tres tipos: Lisos, corrugados y aleteados (transve longitudinal).
Tubos aleteados
Tubos lisos
Tubos corrugados You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
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En la siguiente tabla se dan los tamaños estándar de tes y cabezales de retorno. Tabla 5.1 Tubos IPS para intercambiadores de calor
TUBO EXTERIOR IPS 2 2½ 3
TUBO INTERIOR IPS Sign up to vote on this title
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Para el diseño de un intercambiador de doble tubo se siguen los siguientes pasos: 1. Balance térmico Q = m.cp.∆T. (intercambio de calor sensible) Donde: Q = calor total transferido, Btuhr m = masa del fluido, lb/hr. Cp = capacidad calorífica del fluido, (Btu/lb.°F) ∆T = Diferencia de temperatura del fluido, °F
2. Calcular MLTD.
You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
Download With Free Trial Suponiendo un flujo en contracorriente
MLTD
T 1 t 2 T 2 t 1 t 2 t 1 LnT 1 t 2 / T 2 t 1 ln t 2 / t 1
Suponiendo un flujo en paralelo MLTD
T 1 t 1 T 2 t 2 t 2 t 1 LnT 1 t 1 / T 2 t 2 ln t 2 / t 1
3. Propiedades físicas de los fluidos: a. Capacidad calorífica, cp ( Btu/lb.°F)
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Si se trata de fluidos viscosos, o hidrocarburos hacer uso de Fig.17 (Manual de Ta gráficos) y determine la temperatura calórica para determinar las propiedades físicas
T C T 2 F C T 1 T 2
Fluido caliente
t C t 1 F C t 2 t 1
Fluido frío
4. Selección de los tubos IPS y sus características(Usar tabla 1.2 de Manual de Tablas y gr a. Diámetro exterior del tubo exterior, (Do), pulg. b. Diámetro interior del tubo exterior, (Di), pulg. c. Diámetro exterior del tubo interior, (do), pulg. d. Diámetro interior (di) del tubo interior, (di), pulg. e. Espesor (x), pulg f.
Área de sección transversal del tubo (a t) y del anillo (aa), pie2.
g. Diámetro equivalente entre los tubos (De), pulg.
x
Di di
Do
do
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5. Determinación del curso de losDownload fluidos. With Free Trial * El fluido de mayor masa irá por el tubo de mayor área de flujo. 6. Cálculo del coeficiente de película en el tubo interior, h t. 1/ 3
k cp. hi J H di k
w 1/ 3
k cp. di k
hi 1.86 J H
di
0.14
w
(para flujo turbulento)
0.14
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(para flujo laminar) Useful
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Donde: Gt es velocidad másica, lb/hr.pie2.
mt masa del fluido que circula por el tubo interior, lb/hr
at area de sección transversal del tubo, pies2 (Tabla 1.2 Manual). 7. Calculo del coeficiente de película en el anulo, h a.
k cp. ha J H de k
1/ 3
w
0.14
(para flujo turbulento)
Donde: ha Coeficiente de película en el anulo, Btru/hr.pie 2.°F Factor térmico de Coldburn (leer en gráfico vs numero de Reynolds) J H
w Viscosidad a temperatura de la pared del tubo, lb/pie.hr Nre
De .G a
Ga
ma aa
Donde Ga = velocidad másica en el anillo o anulo, lb/hr.pie2.
d e Diámetro equivalente, pulg m a masa del fluido que circula por el anulo, lb/hr You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
8. Cálculo del coeficiente total limpio, Uc.
U C
ht .ha ht ha
, Btu/hr.pie2.°F
Download With Free Trial
9. Cálculo del coeficiente total de diseño, Ud. 1 Ud
1 Uc
Rd
Rd = r t
r a
Rd = Factor de obstrucción, (Btu/hr.pie2.°F)-1 Sign up to vote on this title r t Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el tubo interno, (Btu/hr.pie
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r a Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el anulo, (Btu/hr.pie2.°F)
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12. Cálculo del número de horquillas, (Nh). L Nh T 2 L Donde: L = Longitud del tubo, pies.
El numero de horquillas es valor que se redondea si este no resulta entero, con éste va recalcula la longitud total del intercambiador y luego el área verdadera. 13. Cálculo de la caída de presión en el lado del tubo interior, psia.
P t
f .Gt 2 . LT
f 0.0035
72. g . . Di
0.264
Nre
Nre 0.42
d i .Gt
g = 4.18x10 8 pie/hr2
N Re Numero de Reynolds en el tubo interior. 14. Cálculo de la caída de presión en el lado del tubo exterior o anulo, psia.
P A P a Pes P a
f .Ga2 . LT
v
'
Ga
' e
3600 . 2. g You're Reading a Preview
0.264
Unlock full D access a free trial. e .Gwith t
( Nre) 0.42
Download With Free Trial
72. g . . D
f 0.0035
Pes
n.v 2
, pies / s
'
Nre
De' Di do = diámetro equivalente en el anillo, pulg. g’ = 32.17 pie/s2 N Re Numero de Reynolds en el anulo.
n = numero de horquillas. Di= diámetro interior del tubo exterior, pulg. do= diámetro exterior del tubo interior, pulg. Sign up to vote on this title
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La caída de presión máxima permisible para los líquidos es 10 psia, y en los gases y va es 1 psia. En algunos casos excepcionales se puede aceptar hasta 3 psia para los gases
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Diseño de equipos de Transferencia de calor Fluido caliente, T1
Fluido frío, t2
Fluido caliente, T2 Fluido frío, t1
Figura 5.8. Diagrama de un arreglo de flujo en paralelo
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Fluido frío, t2
Fluido caliente T1 Download With Free Trial
Fluido caliente, T2 Fluido frío, t1’
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5.5 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS
Son los intercambiadores de calor de mayor uso en la industria química. Consisten de una c o recipiente cilíndrico y un haz de tubos en paralelo dentro de la coraza. Se usan cuando los son grandes y continuos. Manejan grandes áreas de transferencia. Pueden ser de varios tipos: De Placa y tubos fijos. De cabezal flotante.
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Haz de tubos en U.
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De tubos aleteados. De simple paso.
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De múltiple paso.
CASCO
HAZ DE TUBOS
CABEZALES
√ PLACAS DE TUBOS O ESPEJOS. √ DEFLECTORES
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Es un cilindro metálico que envuelve al hazUseful de tubos Not cuyo diámetro sigu useful codificaciones de tuberías siguientes: : Cuando el diámetro del casco (Ds) es: Ds ≤ 24” . Es un tamaño estándar y el esp 3/8” y soporta una presión límite de 300 psig.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Como el caso de los intercambiadores de doble tubo, aquí los tubos pueden ser: Tubos lisos Tubos con aletas transversales o longitudinales Tubos corrugados Las especificaciones de los tubos se encuentran en Tabla 10. Algunos intercambiadores de calor llevan tubos con diámetro típicos como por ejemplo: Para intercambiadores de transferencia e calor simple Para refrigeración Para evaporadores y calderos Hornos
: : : :
¾” OD y 1”OD 5/8” OD y ½” OD ¾”, 1¼”, 1½” , 2” y 3” OD 3½” y 4” OD.
El espesor de los tubos depende del código BWG (10 a 20). Ver tabla 10. Longitud: Los tubos se encuentran con longitudes de 8’, 10’, 12’, 14’, 16’ , 20, 24’ y 26.
Arreglo: Los tubos se pueden arreglar de dos formas. Arreglo TRIANGULAR y arreglo CUADRANGULAR. ARREGLO CUADRANGULAR:
Pt
You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial. C
C
En línea
Download With Free Trial En rombo
Pt
Este arreglo permite mayor acceso a la limpieza pero acomoda menor número de tubos. Pr bajas caídas de presión en el lado del casco y las dimensiones recomendadas son: Para tubos de ¾”OD le corresponde Pt = 1” Para tubos de 1”OD le corresponde Pt= 1¼”
ARREGLO TRIANGULAR
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Pt
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Pueden ser elípticos o Standard, y planos.
Cabezal Standard
Cabezal plano
Se usa para T <93°C (200°F). Este tipo de construcc probablemente la utilizada con mayor frecuencia. La construcción es simple y económic interior de los tubos puede limpiarse mecánica y químicamente. Sin embargo, la superficie e de los tubos solo se puede limpiar mediante limpieza química. Además, si hay diferen temperaturas entre los materiales del tubo y de la carcasa se presentan problemas de térmico. Si la presión en la carcasa es reducida este problema se puede solucionar colocación de fuelles de expansión en la carcasa. You're Reading a Preview
Unlock access with a 93°F. Se usafull para T free trial.Este tipo de construcción se uti servicios sucios asociados a altas temperaturas y presiones. Económicamente r aproximadamente un 25 % más caro que laWith placaFree tubular Download Trial fija. El haz tubular consiste en rectos asegurados en cada extremo con una placa tubular. En la parte posterior se cierr tubos mediante el cabezal flotante. El haz tubular se puede extraer con facilidad para limp mantenimiento. Los tubos pueden ser limpiados mecánicamente tanto por la parte exterior interior de los tubos.
Se usa para T >>93°C (200°F). Este tipo de construcción resulta ligera más cara que la anterior. El haz de tubos se puede extraer de la carcasa para limp mantenimiento. La limpieza mecánica del interior de los tubos no es muy efectiva por lo utiliza cuando el fluido interior es limpio. La expansión térmica de los tubos no presenta prob pero presenta el inconveniente que resulta complicado reemplazar un tubo en caso de ru Para llegar a los tubos centrales se debe desmontar todoSign el haz tubular. up to vote on this title
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
CONSIDERACIONES PREVIAS AL DISEÑO
Mientras menor sea el diámetro del tubo, menor será el coste del intercambiador ya que a m diámetro de tubos, mayor número de ellos pueden ser acomodados en un diámetro determ de carcasa para un paso entre tubos dado. El diámetro inferior de los tubos, está lim generalmente por consideraciones de limpieza.
Los tubos con diámetro interior inferior a 0,5 pulgadas (12,7 mm) no pueden ser limp mecánicamente ni con agua a presión. Esto quiere decir, que el mínimo diámetro externo tubos a emplear deben ser de 3/4". Para tubos en "U" el mínimo diámetro exterior permitido limpieza mecánica es de 1" debido a la curvatura. A veces existen consideraciones de pérdi carga que obligan a utilizar tubos de mayor diámetro.
La elección final depende de un compromiso entre el diseño térmico óptimo y la accesibil estandarización de las dimensiones del tubo.
El espesor de pared del tubo, debe ser suficiente para soportar las presiones interiores y e en servicio, tensiones longitudinales, consideraciones mecánicas y corrosión. No obstan espesor requerido para soportar las presiones y tensiones longitudinales hasta 30 Kg/cm pequeños comparados con el requerido por corrosión. El espesor de los tubos se suele espe en función del calibre BWG y del material. (Tabla 1.1).
You're Reading a Preview Para una superficie de transferencia de calor dada, un intercambiador de calor será tant Unlock full access with a free trial. económico cuanto mayor sea la longitud de tubos. Así por ejemplo un intercambiados de 8 longitud de tubos podría costar aproximadamente el doble de otro con 16 ft con la superficie, quiere esto decir que Download el diseñador debe siempre a la misma longitud de With FreeirTrial compatible con las pérdidas de carga permitidas y con los requisitos de implant Normalmente la relación entre la longitud de los tubos y el diámetro de la carcasa se sitúa e y10. Las dimensiones recomendadas de tubos son: 8, 10, 12, 16, 20, 24 ft.
Lo normal es que existan tubos en stock de muchos materiales, hasta 20 ft. Sin embargo p emplearse otras longitudes aunque deben considerarse los posibles problemas de entre normal es que un cliente exija una longitud fija de tubos para todos los intercambiadores d plantas o submúltiplos enteros de ello así como el mismo espesor y diámetro para el m material, esto le permite mantener un stock de repuestos para posibles reposiciones.
Todo lo que hemos dicho anteriormente, se refiere a tubos rectos. Para tubos en Sign up to vote on this title tratamiento es completamente diferente. Un intercambiador con tubos en “U" está formado p determinado número de horquillas con la misma longitud parte curva es difere Usefulpero useful recta, laNot
unas a otras (aunque haya algunas iguales entre sí) esto unido a la dificultad (o imposibilid reposición de las horquillas hace que en estos casos se empleen longitudes no estandarizada
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
El diámetro más económico, será el menor que contenga en su interior el número de tubos teniendo en cuenta las consideraciones de número de pasos, área libre de entrada y sali fluido.
Estas chapas, tienen un doble propósito, como desviadoras de flujo en la carcasa y como so para mantener el paso correcto entre tubos evitando vibraciones inducidas. Existe un gran n de deflectores que se emplean comúnmente. El espaciado óptimo entre deflectores para pro sin cambio de fase es aproximadamente el 40% del diámetro de la envolvente. El m espaciado es el recomendado por TEMA, 20% del diámetro de la envolvente o 2 pulgad mayor. La máxima distancia viene determinada por la máxima distancia sin soportar de a Preview permitida por la norma TEMA; paraYou're tubosReading de 3/4" es 60”, lo cual quiere decir que para defle "segmentados” la máxima distancia entre ellos debe ser de 30”. Unlock full access with a free trial.
El corte del deflector, se especifica como un tanto por ciento del diámetro de la envolven corte del deflector se determina como una combinación de efectos de pérdida de ca Download With Freeadecuar Trial el corte del deflector, de form transferencia de calor. Una buena aproximación, sería el área de paso del fluido a través de él sea aproximadamente la misma que la que correspo flujo transversal al haz.
Los más comunes son los segmentados al 25%. Se llaman así porque alcanzan una altura de del diámetro del casco, dejando un espacio del 25% para el paso del fluido en el lado del También existen otros tipos como los de pantalla de disco y pantallas de orificios.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Pantallas segmentadas al 25% de segmento simple vertical
Pantallas segmentadas al 25% de segmento simple horizontal
Estas pantallas se utilizan para transferencia de calor sensible, pero para requerimientos de baja pérdida de carga.
Estas pantallas se utilizan para transferen de calor sensible, y para mínimas pérdida carga.
Pantallas de disco Se usa como alternativa del doble segmentado horizontal. Su costo es elevado.
El espaciado
entre pantallas deflectoras se determina según la siguiente relación: You're Reading a Preview 1 5
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Ds e Ds
Ds, es el diámetro interior del casco, pulgada
Download With L Free Trial El número de pantallas se calcula como: n p n e
Son unas chapas alineadas con el haz tubular y soldadas a los deflectores que evitan el by-p la envolvente cuando la diferencia entre el diámetro de la envolvente y del haz sea al menos mm. Estas llantas de sellado no son necesarias cuando se trate de servicios de condensa evaporación. Sign up to vote on this title
Estas chapas se colocan en el haz tubular, en coincidencia con la conexión de la envolvente Useful Not useful prever que los sólidos suspendidos o las gotas de líquido en fase mixta produzcan corro erosión en el haz tubular al efectuarse el choque. Las líneas generales para su uso son las indican a continuación.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
En una primera etapa del diseño debe decidirse si se requiere o no chapa de choque, ya q colocación puede incidir en la determinación del diámetro de la envolvente.
Su posición en el haz, viene en función del área de la conexión de entrada a la envolven forma que dicha área sea la misma que la chapa de choque deja libre para penetrar en el ha
Además de lo anterior, deberá preverse una adecuada área de escape del fluido en la conex salida; esta área, deberá preverse también a la entrada cuando el intercambiador no lleve de choque.
El área de escape en las conexiones de entrada y salida deberán ser al menos iguales a las correspondiente conexión. Además el valor de rV2 no debe exceder de 400 lb/ft2s.
El diseño del haz tubular previendo este área de escape en la conexión de salida, se desprec frecuencia; las consecuencias son: mayores caídas de presión y peligros de vibración.
OTRAS CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA EN UN BUEN DISEÑO.
You're Reading a Preview En ambos lados, carcasa y tubos de un intercambiador, el efecto del ensuciamiento, es dob una parte disminuye el coeficiente global de transferencia Unlock full access with a free trial. de calor, y por otra increme pérdida de carga. A pesar de que en el diseño del intercambiador se prevean las consecue existen una serie de consideraciones que tratan de minimizar dicho efecto: Download With FreeaTrial a) Eliminando las posibles zonas de by-pass del fluido través del haz.
b) Minimizando en lo posible los espacios muertos del intercambiador, donde una baja vel repercute en un mayor ensuciamiento.
c) Emplear velocidades de líquido adecuadas en los tubos 1 a 2 m/s. Cuando se emplee ag refrigeración, la velocidad debe ser tan alta como sea posible es posible 1.5 m/s mínimo.
Un problema que puede presentarse en los intercambiadores dethis carcasa Sign upde tocalor vote on title y tubos e la vibración del haz tubular como consecuencia de la velocidad fluido de la envolven Useful del useful Not
diseñador deberá poner especial cuidado en la máxima longitud de tubos sin soportar de que la frecuencia de la vibración inducida en el haz sea inferior a la frecuencia natural del s
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
o
o
o
Intercambiadores con cabezal flotante o tubos en "U" cuando la dilatación diferencial
tubos y envolvente sea elevada. Aun en estos casos podría emplearse intercambiadores con placas fijas, previendo una de expansión en la envolvente. En muchos casos se recurre a construcciones de cabezal flotante.
Así como el deflector longitudinal en intercambiadores de placas fijas, lo mismo sucede c intercambiadores de haz extraíble, cabeza flotante o tubos en "U"
Desde el punto de vista de diseño, la corrosión influirá en la selección de los materia construcción y en los grosores de los materiales utilizados. Si el diseño no permite elimi problema de la corrosión se ha de optar por un diseño que permita cambiar los compo atacados. Esto elimina la posibilidad de utilizar una construcción con la placa tubular fija.
DISEÑO DE INTERCAMBIADOR E CALOR DE CASCO Y TUBOS (TEMA) 1. Balance térmico Q = m.cp.∆T. (Intercambio de calor Reading sensible).a Preview You're Q = m.λ (Intercambio de calor con cambio de fase). Donde:
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Q = calor total transferido, Btu/hr Download With Free Trial m = masa del fluido, lb/hr.
λ = Calor latente de vaporización, Btu/lb
Cp = capacidad calorífica del fluido, (Btu/lb.°F) ∆T = Diferencia de temperatura del fluido, °F
1. Propiedades físicas de los fluidos a temperatura media a. Capacidad calorífica, cp ( Btu/lb.°F) b. Viscosidad, µ (lb/pie.hr) c. Conductividad, k (Btu/hr.pie.°F) d. Densidad, ρ (lb/pie3)
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
3. Suponiendo un flujo en contracorriente T L MLTD .F t MLTD
T 1 t 2 T 2 t 1 t 2 t 1 LnT 1 t 2 / T 2 t 1 ln t 2 / t 1
F t Se lee en figuras 18 a 23 de Manual. Para ello se calcula: R
T 1 T 2 t 2 t 1
y
S
t 2 t 1 T 1 t 1
4. Determinar el curso de los fluidos Fluido con mayor ri
Fluido con menor r i
Fluido líquido
Fluido gaseoso o vapor
Fluido a presión
Fluido a baja presión
5. Calcular coeficiente de película en el lado de los tubos, ht
k cp. hi J H Di k ht hi
Nre
Di Do
Di.Gt
1/ 3
0.14
(para flujo turbulento) w You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
' mt Download With Free N t .a t Trial a Gt t 144 .n a t
JH = Factor térmico de Coldburn. Se determina en función al Nre. Di = Diámetro interior de los tubos interiores, pies Gt = velocidad másica en los tubos, lb/hr.pie2 mt = masa que circula por los tubos, lb/hr at = area de sección transversal en el haz de tubos, pie2 a t ' área de sección transversal de cada tubo, pie2 Sign up to vote on this title
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Nt = Numero de tubos en el haz, (estimado con ayuda de la tabla 1.3) n= Número de pasos en los tubos.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Donde: JH = Factor térmico de Coldburn. Se determina en función al Nre. De = Diámetro equivalente, pies Gs = velocidad másica en el casco, lb/hr.pie2 ms = masa que circula por el casco, lb/hr as = área de sección transversal en el casco, pie2 Ds = Diámetro interior del casco, pulg. C = espaciado de los tubos, pulg. e = espaciado entre pantallas, pies. Pt = distancia entre los centros de los tubos, pulg. 7. Calcular Coeficiente Total Limpio, Uc
U C
ht .h s ht h s
, Btu/hr.pie2.°F
8. Cálculo del coeficiente total de diseño, Ud. 1 Ud
1 Uc
Rd
Rd = r t
r a
You're Reading a Preview
Donde:
Unlock 2full access Rd = Factor de obstrucción, (Btu/hr.pie .°F)-1 with a free trial. r t Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en los tubos, (Btu/hr.pie2.°F)-1 Download With Free Trial r s Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el casco, (Btu/hr.pie 2.°F)-1
Calculo utilizando diseño riguroso 1 Ud
Do ht . Di
+ r i
Do Di
x w . Do K w . Dm
r s
1 h s
Donde: x w espesor de los tubos, pulg.
k w conductividad .del .metal , Btu/hr.pie Dm Diámetro medio, pulg
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Se determinan en función a P y R, siendo:
P
t 2 t 1
R
T 1 t t
T 1 T 2 t 2 t 1
F t 0.75 Ft
La estrategia es que
Si no se cumple, se debe modificar el número de pasos. Se comprueba el factor de obstrucción: Rd = Uc Ud (de diseño) Uc.Ud
Rd (diseño) > Rd (calculado) 10. Cálculo de la caída de presión en el lado de los tubos, psia.
P T P t P r
( caída de presión en los tubos y en los retornos)
En los tubos:
P t
f .Gt 2 . L .n 5.22 x1010. Di . s. t
Unlock full access with a free trial.
En los retornos
P r
f ubicar en la figura 26 en función a Nre. You're Reading a Preview
4.n.v 2
Download Free Trial g ' With 32.17 pie/s
'
2. s. g
11. Cálculo de la caída de presión en el lado del casco, psia.
P s
f .G s2 . D s .( N 1) 10
'
5.22 X 10 . D e. s. s
N 1 12
f = leer en figura 29. Gs = velocidad másica en el casco, lb/hr.pie2 Ds = Diámetro interior del casco, pulg. g’ = 32.17 pie/s 2
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INTERCAMBIADORES DE CALOR INDUSTRIALES
Fig. 5.10 Intercambiador de calor de doble tubo
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Fig. 5.11 Intercambiador de calor de carcasa y tubos
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Fig. 5.13 Condensadores de superficie
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MOTO R
Vapor
Condensado
Ju o re calentado clarificado
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Fig. 5.15 Intercambiador de calor de serpentín
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Fig. 5.16 Intercambiador de calor de chaqueta (marmita)
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USOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CASCO Y TUBOS
A. Para operaciones de transferencia de calor sensible: Calentamiento y enfriamiento. Las unidades son horizontales de simple y múltiple paso. Pueden ser: 1-14, 1-2, 1-4, 2-4, 1entre otros. B. Como reactores: son intercambiadores de calor de casco y tubos 1-1, verticales que fu
como reactor manteniendo lecho fijo de catalizador o reactante en los tubos verticales se realiza la reacción. Por la carcasa circula el fluido que permite mantener la temperat reacción.
C. Como HERBIDORES-VAPORIZADORES: Uno de los mas utilizados en la industria qu principalmente en los sistemas de destilación es el REBOILER o también llamado CALD
utilizado como elemento para entregar calor a la columna de destilación realizan
rehervido de los líquidos de fondo. Otro es el TERMOSIFON que puede ser vert horizontal, con una función similar al del calderón.. D. Como CONDENSADORES de gases o vapores. Pueden ser verticales u horizontales seg el caso. La posición del condensador afecta significativamente el valor del coeficie película de condensación.
Los verticales se usan para condensación con o
enfriamiento. Se aplica el subenfriamiento a productos volátiles para evitar us enfriador, en algunos casos para evitar pérdidas por evaporación cuando los producto You're Reading a Preview muy volátiles. Los horizontales condensan vapores con descarga al vacío (esca Unlock full access with free trial. (10 000 a 60 000 pie2), y em turbinas). Operan con grandes superficies pora coraza tubos de hasta 26 pies de longitud, y coeficiente total de transferencia de hast Download With Free Trial btu/hr.pie2.°F. Facilitan la distribución de vapor y eliminación de condensado.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASE Para transferencia de calor con cambio de fase se usan los siguientes equipos: Calderones, Vaporizadores, Hervidores, Evaporadores, Condensadores y calderas. : Es un intercambiador vaporizador usado para evaporar agua o solución acuos
Es un intercambiador vaporizador usado para suministrar calor en el fo una columna de destilación ya sea que el vapor formado sea agua o no. asociado a la generación de potencia. solvente agua.
: Usado para producción de agua pura o para cualquier p
: Usado para concentrar una solución química mediante la evaporaci
: Cuando se usa para formación de vapores de sustancias que no son agua y no parte de un proceso de destilación. : Usado en la planta para generar vapor como fuente de energía.
nuevamente su uso.
Es la recompresión del vapor para aumentar su temperatura y p
Los hervidores – vaporizadores pueden ser de circulación forzada o circulación natura clasificación es la siguiente:
You're Reading a Preview a. Calderín con ebullición isotérmica Unlock full access with a free trial. b. Calderín con rango de ebullición c. Calderín para solución acuosa o evaporador de circulación forzada. Download With Free Trial a. Calderín con o sin rango de ebullición. b. Calderín para solución acuosa o evaporador de circulación forzada.
a. Calderín de marmita b. Calderín con haz de tubos en la columna. d. Calderín horizontal de termosifón. B.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
T bal
QTotal
q / t )
q
qc
t t
c
qv
t v
t c MLTD c t v MLTD v h s hs c hs v ht hh 1500 btu/hr.pie2.°F (para vapor de agua) Uc c
Uc v
Acc
Acv
ht .hsc ht hsc ht .hsv ht hs v qc Uc c t c You're Reading a Preview
qv
Unlock full access with a free trial.
Uc v t v
Acbal Acc Acv Ucbal
U d
(Uc c xAc c ) Uc v xAcv Acbal Qtotal
Ad .t bal
Ad N t . L.alt Rd
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Uc bal U d Uc bal xU d
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Se usa un intercambiador de calor de casco y tubos con un mayor número de tub el segundo paso para facilitar la evaporación y obtener menor caída de presión. Para efectos del diseño se procede similar al caso anterior (calderín con ebu isotérmica), teniendo en cuenta el rango de ebullición.
En muchos casos se vaporiza una mezcla de sustancias con diferente pun ebullición. El punto de ebullición inicial es el punto de burbuja. El punto de ebu final es el punto de rocío. Las caídas de presión se calculan igual que en el caso anterior pero con el núme s s v Reynolds calculado a condiciones de entrada y s m c . 2
Se prueba
Q 20000 Btu / hr . pie 2 A
Si los fluidos ingresan a temperatura menor a su punto de burbuja, entonces se en etapa de calentamiento y etapa de vaporización y para los cálculos de dise procede como en el caso anterior. You're Reading a Preview
Incluye al evaporador vertical de tubos largos 1-1. Se diseña de manera sim full access with a free trial. calderín con o sin rango de Unlock ebullición. Este equipo puede evaporar soluciones agua – acetona, agua – etanol, etc. Download With Free Trial
Son intercambiadores de calor verticales con grandes cargas hidrostáticas y caídas de presión. Son de tres tipos: Evaporadores verticales de tubos largos. Calderín vertical de termosifón Generador de vapor de calentamiento directo.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Es un intercambiador de calor de casco y tubos 1-2. La vaporización se realiza en el ca cerca del 80% de lo que se alimenta. Para que funcione correctamente se debe prob Q/A<12 000 btu/hr.pie2. También se debe considerar dos zonas: calentamiento y vaporiz . Para el diseño se aplica
hbalanceado
Q qc hc
qv hv 12 – 17¼
19¼ - 29
31 a >
8’
12’
16’
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Fig. 5.18 Reherbidor con circulación forzada Sign up to vote on this title
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Fig. 5.20 Reherbidor tipo calderín
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Download With Free Trial Fig. 5.21 Reherbidor interno o de tubos horizontales
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Son intercambiadores de calor de casco y tubos 1-2 que operan evaporando el 80% de solución en proceso.
El máximo flujo másico que manejan los vaporizadores de circulación forzada y caldereta sustancias orgánicas es 20 000 Btu/hr.pie 2, y para circulación natural es 12 000 Btu/hr.pie
El máximo flujo másico que manejan los vaporizadores y calderetas de circulación nat forzada para soluciones acuosas de baja concentración o de agua es de 30 000 Btu/hr.pie
El máximo coeficiente de película para vaporización en circulación forzada o natu sustancias orgánicas es 3 000 Btu/hr.pie2 °F .
El máximo coeficiente de película para vaporización en circulación forzada o natural en a Q soluciones acuosas de baja concentración es 1000 Btu/hr.pie 2 °F, siempre que A Btu/hr.pie2.
PROPIEDADES FISICAS DE SOLUCIONES
Los tipos más comunes de intercambio de calor son enfriamiento y calentamien You're Reading a Preview
para las que hay escasez de datos físicos. Algunos de los datos disponib
Unlock full access with a free trial. de reglas para aplicarlas e la literatura y otros estudios permiten la formulación
siguientes propiedades fisicas:
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Soluciones de líquidos orgánicos: usar conductividad por peso.
Soluciones de líquidos orgánicos y agua: usar 0.9 veces la conductividad por pe Soluciones de sales y agua que circulan por la coraza: usar 0.9 veces la conductividad del agua, hasta concentraciones del 30%. Sign up to vote on this title Soluciones de sales y agua circuladas por los tubos y no > de 30%. Usar figura Useful Not useful con conductividad de 0.9 veces la del agua. Dispersiones coloidales: usar 0.9 veces la conductividad del líquido dispersor.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Sustancias orgánicas en líquidos orgánicos: usar el recíproco de la suma de los términos (fracción peso / viscosidad) para cada componente.
Líquidos orgánicos en agua: usar el recíproco de la suma de los términos (fracci peso / viscosidad) para cada componente.
Sales en agua donde la concentración no exceda al 30% y donde se conoce que
resulta una solución siruposa. Usar el doble de la viscosidad del agua. Ejemplo: La
viscosidad del Hidróxido de sodio al 20% en agua, equivale a 2 la viscosidad del ag
EL VAPOR COMO MEDIO DE CALENTAMIENTO
Es el medio de calentamiento mas usado en la industria. Presenta la desventaja de corrosivo como condensado. En los servicios de calentamiento en los equipos de transferencia de calor, se puede considerar un coeficiente total de transferencia de
de 1500 btu/pie2.°F, sin tener en cuenta su localización, esto es ya sea que circule los tubos o por el casco. En un proceso de calentamiento se recomienda que el vapor circule por los tubos. You're Preview La caída de presión permitida para el Reading vapor esa >= 1.0 psia. Unlock full access with a free trial.
La gravedad específica, s es: s
vapor
aguaWith Free Trial Download
Para calentar líquidos hasta 250 o 275°F se usa vapor de proceso de 100 a 200 psi
Para calentar líquidos de 150 a 200°F se puede usar vapor de escape de 5 a 25 psig
DISPOSICION DE FLUJOS PARA AUMENTAR LA RECUPERACION DE CALOR Con deflector movible longitudinal. Ejemplo: Intercambiador calor Sign de up to vote2-4 on this title
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Fig. 5.24 Deflectores segmentados de corte
Fig. 5.25 Deflectores segmentados de corte
Cuando dos intercambiadores de calor 1-2 se conectan en serie tanto la coraza como los tubos, operan idéntico a un intercambiador de calor 2-4.
Los intercambiadores de calor 2-*4, 3-6, 4-8 se basan en conexiones en serie entre tubo corazas.
Cualquier arreglo de numero par múltiple de dos pasos en la coraza tal como 2-4, 4-8, e puede lograr con un numero dado de intercambiadores de calor 1-2.
You're Reading a Preview
La viscosidad varía de 0.015 a Unlock 0.025full cp.access with a free trial.
La viscosidad aumenta con la temperatura en contraste al de los liquidos. Download With Free Trial La conductividad, excepto del hidrógeno, es 1/5 de los valores de líquidos orgánicos y ce 1/15 de los valores del agua y soluciones acuosas.
Las capacidades caloríficas para gases orgánicos y vapores son ligeramente menor que d líquidos orgánicos.
Las capacidades caloríficas para gases orgánicos y vapores hidrocarburos ligeros varían 0.2 y 0.5.
La capacidad calorífica, viscosidad y conductividad de los gases aumentan con latemper Sign up to vote on this title El calentamiento de los gases generalmente es con vapor de agua.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
5.6 DISEÑO DE CONDENSADORES
Los condensadores se clasifican condensadores de superficie de película y de superficie de La primera es la que se en el proceso de condensación en la industria. La segunda se da naturaleza. Son equipos de transferencia de calor de casco y tubos 1-n. Horizontales y Verticales.
Se pueden clas
Los condensadores HORIZONTALES pueden ser de dos tipos: los de condensación en el inter los tubos y los de condensación en el exterior de los tubos (carcasa).
Los condensadores VERTICALES también pueden ser de dos tipos: de condensación en el int de los tubos y de condensación en el exterior de los tubos.
Se usan para condensación sin subenfriamiento, así como para grandes cargas de condensa
áreas de 1 000 a 60 000 pie2 por coraza, con tubos de hasta 26 pie de longitud. Los coefic totales de transferencia alcanzan los 800 Btu/hr.pie2.°F. Utilizan agua fría. Para efec diseño se procede como con cualquier intercambiador de calor de casco y tubos, excepto lado de condensación, utilizando las siguientes ecuaciones: Si
4.Go
f
w Go Reading a Preview You're L. N t
2100
Unlock full access with a free trial.
L ( L V ). g . G o f
hc 0.95.k f
1/ 3
Ec. de Kern. Download With Free Trial
.Nr 1 / 6
Nr = 2/3(Nt) w = carga de condensación o flujo total de condensado. L = Longitud de los tubos, pie N t = numero de tubos
Nr = Numero promedio de tubos en una fila. Sub indice f = “a temperatura de película de condensación” Sign up to vote on this title Ps
1. f .G s2 . D s .( N 1) 2 x5.22 x1010. De . s
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Se recomienda el máximo espaciado, es decir e=Ds
Se usan cuando el condensado es corrosivo, o se quiere recuperar el calor latente del vapo calentar la alimentación.
Si
4.Go
f
2100
L ( L g ). g hc 0.76k f Go . f
Go
w N t . L
1/ 3
Ec. de Nussel
w = carga de condensación o flujo total de condensado.
L = Longitud de los tubos, pie N t = numero de tubos
Sub indice f = “a temperatura de película de condensación”
Ps
1. f .Gt 2 . L.n 10
2 x5.22 x10 . De . s
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Se recomienda el máximo espaciado, es decir e=Ds Download With Free Trial
Usados para condensación con sub enfriamiento, para condensar sustancias corrosivas aprovechar calor latente de condensación, para condensación enfriado con aire condensar mezclas de multicomponentes. Se diseñan de modo que las corrientes V y L fluyen a favor de la corriente, y haciaabajo. Se usa intercambiadores de calor de casco y tubos 1-n.Sign up to vote on this title Si
Nre =
4.Go
f
2100
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
MEDIOS DE ENFRIAMIENTO PARA CONDENSACION
Agua dulce (blanda) : Uso de torre de enfriamiento para enfriar y recircular. El agua d circular a v 3 pie/s. Agua de mar: Se usa en sistemas de circulación abierta. Agua helada: Se usa CHILLER o BUSTER, para enfriamiento del agua hasta 1°C. Salmueras: KCl, CaCl2, ClNa, Lic. (<32°F). Refrigerantes : Solución de Etilenglicol, NH3, freones.
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Fig. 5.26 Condensación en exterior de tubos verticales
Fig. 5.27 Condensación en exterior de tubos horizonta
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
5.7 DISEÑO DE EVAPORADORES
La evaporación es el proceso del calentamiento del líquido para llevarlo hasta el punto de ebu para remover parte del agua contenida como vapor. Los componentes básicos de un sistem evaporación son: Intercambiador de calor, sistema de vacío, separador de vapor y condensador.
El intercambiador de calor se encuentra dentro del cuerpo del evaporador y transfiere calor h líquido, mediante contacto indirecto con vapor de servicio. El vacío hecho en el cuerpo del evapo mantiene relativamente baja la temperatura de ebullición del producto y mantiene la diferen temperaturas entre el vapor de servicio y el producto. El separador de vapor remueve s atrapados en la espuma formada durante la ebullición, enviando a los sólidos nuevamente a la de intercambio de calor y al vapor eliminado del producto hacia el condensador, que generalme una unidad separada del equipo. El vapor eliminado del producto es condensado y sacado del si en forma de agua caliente, que bien podría utilizarse para otro proceso dentro de la planta.
En un evaporador de efectos múltiples utilizando el vapor de un efecto como medio de calentam para otro en el que se produce ebullición a una presión y temperatura mas baja.
La alimentación de un evaporador de efecto múltiple se transfiere por lo común de un efecto a o serie de modo que sólo se alcanza la concentración final del producto en un efecto del evaporad el funcionamiento con alimentación hacia adelante se introduce material bruto de alimentación primer efecto y se hace pasar de efecto a efecto en paralelo al flujo de vapor. El producto se ret último efecto.
Este método de funcionamiento es provechoso cuando el material de alimentación está calie cuando el producto concentrado sufrirá dañoso depositaría escamas a temperaturas alta alimentación hacia adelante simplifica You're el funcionamiento cuando el líquido se puede transferir ta Reading a Preview por diferencia de presiones, eliminando todas las bombas intermedias para el líquido.
Unlock with a freehacia trial. adelante proporciona una eco Cuando el material de alimentación está fríofull la access alimentación baja de vapor, puede que una parte apreciable del vapor primario se necesita para calentar el m de alimentación hasta el punto de ebullición y en With esa forma se logra la no evaporación. Si se ne Download Free Trial la alimentación directa y el material de alimentación está frío, se puede mejorar la economía de considerablemente, mediante el precalentamiento del material en etapas con vapor tomado de e intermedios del evaporador. Esto suele representar un aumento pequeño de la superficie to calentamiento o el costo, puesto que el material de alimentación se tiene que calentar de todos y los intercambiadores de calor de casco y tubo suelen ser menos costosos por pie cuadrado q superficie de calentamiento del evaporador.
En un evaporador de alimentación directa o hacia adelante el medio principal de recuperación d puede ser el uso de precalentadores del material de alimentación calentados por vapor toma cada efecto del evaporador. En este caso el condensado se debe vaporizar como antes o utiliza Un m un conjunto separado de intercambiadores para lograr el precalentamiento del material. Sign up to vote on this title de alimentación precalentado por el vapor del último efecto puede reducir también materialmen Useful Not useful necesidades del agua del condensado.
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TIPOS DE EVAPORADORES
1. EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTALES
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2. EVAPORADOR DE TUBOS CORTOS VERTICALES (CALANDRIAS)
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Free Trial Fig. 5.31 A: haz de tubosDownload verticales; With B, conducto de bajada de líquido; C: salida de conde D: purga de incondensables; E: entrada de líquido; F: salida de concentrado.
3. EVAPORADOR DE CANASTA DE TUBOS VERTICALES
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4. EVAPORADOR DE TUBOS VERTICALES LARGOS
You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial. Fig. 5.33 Evaporador de tubos
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Fig. 5.35 Evaporador de circulación forzada con intercambio de calor externo
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Fig. 5.37 Evaporador de película ascendente de simple efecto.
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE EVAPORADORES 1. DE CALANDRIAS: L= 6 a 24”, OD = 2 a 3”, Área de haz de tubos= (0.5 a 1.0) Área de conducto c vapor circula por el exterior de los tubos. Maneja U altos.
2. DE TUBOS LARGOS VERTICALES: L= 12 a 14’, OD = 1¼ a 2”. vapor circula Sign up toElvote on this titlepor el exterio tubos. Ocupa poco espacio. Maneja altos coeficientes de película. No adecuado para líquidos qu Useful Not useful sales.
3. DE TUBOS HORIZONTALES INTERNOS: OD = 3/4 a 1¼”, Área grande de evaporación, costo baj U. Mayor uso para calentamiento de agua. Vapor por los tubos.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
That orange juice that you had this morning sure tasted good didn't it? Did you ever wonder how th it concentrated into that little can? Chances are the manufacturers used a falling film evaporator.
film evaporators are especially popular in the food industry where many substances are heat sensi thin film of the product to be concentrated trickles down inside of heat exchanging tubes. condenses on the outside of the tubes supplying the required energy to the inside of the tubes.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
The overall heat transfer coefficient consist of the steamside condensing coefficient (u about 5700 W/m2 K), a metal wall with small resistance (depending on steam pressure thickness), scale resistance on the process side, and a liquid film coefficient on the pr side. The steam side coefficient can be estimated as above or it can be calculated b following equation for laminar flow and for turbulent flow respectively:
For the equations above,
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All physical properties should be evaluated at the film temperature, T f = (Tsat except for the latent heat which is evaluated at the saturation temperature. resistance due to scale formation cannot be predicted and will probably have estimated or compensated for by added a fouling coefficient or by added 5-10% calculated heat transfer area (or you could determine it experimentally althoug probably not a good use of your time!).
For the process fluid, the heat transfer coefficient can be calculated with the follo expression: Sign up to vote on this title
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Calculating pressure drops in falling film evaporators has been investigated since the late 1940's. A u equation is really not agreed upon. Typically, a constant dependent on the percentage of vapor exit evaporator is used in a pressure drop relationship. If your process fluid shares physical properties c water, you may be able to accurately predict the pressure drop by using graphs and relations found in Chemical Engineers' Handbook.
Evaporating fruit and vegetable juices presents a special challenge for chemical engineers. Juices a sensitive and their viscosities increase significantly as they are concentrated. Small solids in the juices cling to the heat transfer surface thus causing spoilage and burning. Juice evaporations are usually per in a vacuum to reduce boiling temperatures (due to heat sensitivity). High flow circulation rates hel build-ups on the tube walls.
For some juices (Ex/ orange), it is unavoidalbe that the flavor changes as concentration increases. Some volatile, flavor-containing components are lost during evapora-tion. In this case, some of the raw mixed with the concentrate to replace the lost flavors.
Considering that the components of juices have close boiling points, a standard, single evaporator is sufficient. Either a multi-effect evaporation system must be used (lower capital cost, higher energy c a vapor recompression evaporator (higher capital cost, lower energy costs) is employed. In a mul system, the pressure is incrementally lowered in each stage, thus pushing the boiling point gradually. This permits more control over the vapor products to be discarded from the system (mainly and the vapors to be condensed back into the system (volatile juice components).
The vapor recompression evaporator was designed for maximum efficiency. These units generally op 0 Preview low optimum temperature differencesYou're of 5-10Reading C. Thisarequires a larger heat transfer area than mult evaporators, thus the larger capital costs. However, the energy savings, generally make vapor recomp Unlock full access with a free trial. the evaporator of choice in the food industry.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
5.7.
INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS
Figura 5.38. Partes de un intercambiador de calor de placas
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El intercambiador de placas consiste de un conjunto de placas corrugadas o ranuradas de sostenidas por un armazón, el cual consiste de una placa fija, una placa de presión y par conexión. Las placas se acomodan verticalmente y paralelas una tras otra y son presio sobre el armazón. Las placas extremas no intervienen en la transferencia de calor. En la 5.38 y 5.39 se muestran el acomodo de las placas y la dirección de los fluidos. Sign up to vote on this title
DISPOSICIÓN DE LAS PLACAS
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Figura 5.40. Flujos en intercambiador de placas
Al juntar las placas a presión unas a otras, las corrugaciones forman estrechos canales flujo de los fluidos, lo cual siempre produce turbulencia aún a velocidades muy baja corrugaciones también aumentan la rigidez de las delgadas placas, haciéndolas capac resistir deformaciones debido a las altas presiones.
You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
Download With Free Trial Figura 5.41. Disposición de las empaquetaduras
El arreglo de las empaquetaduras en las placas según convenga, permiten arreglar el f contracorriente y los flujos individuales, los flujos pueden ser divididos en corrientes par
así mismo las empaquetaduras sellan a las placas en sus bordes en todo su alrededor, ha el diseño respectivo para dar lugar a las entradas y salidas pueden Sign up que to vote on this ser title en el tope o Useful entre fondo. Las empaquetaduras también proveen un doble las useful corrientes de los sello Not
haciendo imposible la mezcla, también se pueden hacer una gran combinación de canales, manera que el conjunto de placas se puede ajustar para diferentes servicios.
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
El
de las placas varía entre
los canales) está entre
. . Los
promedio entre placas (an de las placas varían entre
se extienden desde de placas manejan flujos de hasta 2500 m 3 /h.
. Los grandes intercambi
Los principales modelos de flujo en intercambiadores de placas son: a) cuando una corriente continua cambia de dirección después de cada rec vertical.
b) la corriente principal se divide en subcorrientes para con posteriormente en una sola. Los arreglos posibles en un intercambiador de placas son: a) b)
Arreglo en paralelo Arreglo en
c) Arreglo en El número de canales paralelos está dado por el rendimiento del intercambiador y la ca
presión permisible. El mayor número de canales disminuye la caída de presión. El núm canales en serie es determinado por la eficiencia y los requerimientos de intercambio de ca un líquido es enfriado en flujo viscoso, el número de canales puede ser reducido Readingaumentar a Preview incrementar la velocidad y por loYou're consiguiente el coeficiente de transferencia de
En la figura 4 se muestra los modelos de access flujo ywith arreglos para los intercambiadores de plac Unlock full a free trial.
DISTRIBUCIÓN DE FLUJO
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La distribución de flujo a través de los canales en un paso, usualmente se asume
uniforme. Este no puede ser el caso para fluidos viscosos, cuando los canales son ancho número de placas es grande. El cálculo de la distribución actual de flujo no es fácil. La distribución de flujo a través de las placas en conjunto, es determinada por los perfi
presión en las dos diversificaciones (las diversificaciones de entrada y salida para up to vote this title corriente). En el arreglo en los canales de entradaSign y salida paraoncada corriente están Useful useful en opuestas misma placa final, pero ellos están en las placas finales en Not el arreglo de presión en las distribuciones son determinadas por dos factores:
. Los p
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Figura 5.42.
Modelos de flujos y arreglos
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Si observamos la figura 5.44, el flujo en un canal puede recibir simultáneamente calor d corrientes adyacentes que fluyen en direcciones opuestas. Para aumentar la transferen calor se adicionan mas placas, así se pueden obtener otros modelos de flujo más compl
muchas configuraciones. Según el modelo de flujo, en los intercambiadores de plac diferencia de temperaturas media logarítmica, se puede ajustar usando un factor de correc
Figura 5.44. Mecanismo de transferencia de calor
Las placas según su construcción generalmente se denominan “suaves” o “duras”. Las s
se caracterizan por sus bajos coeficientes de transferencia y pequeñas caídas de presió paso. Las placas duras son mas complejas, son largas y angostas, y tienen prof You're Reading a Preview corrugaciones y pequeños espacios entre placas. Las placas suaves son anchas y cortas. full access with a freese trial. decidir el tipo de placa para unUnlock servicio particular, hace uso del número de unidad transferencia (HTU ):
HTU
t 1 t 2
t m
Download With Free Trial (2 Ap.U ) (Ec.1) ( M .Cp)
HTU , también es conocido como el factor de performance, longitud térmica o raz
temperaturas, y puede definirse como el cambio total de temperatura para cada fluido, d por la diferencia media aritmética de temperaturas en el intercambiador. Se toma el mayo
resultante. También se puede calcular con el método de la carga mínima. Se calcula e para cada fluido, el de mínimo valor se remplaza en laSign ecuación siguiente: up to vote on this title
HTU
(U . Ad ) ( m.Cp ) min
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(Ec. 2)
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
pasos en serie (cada paso con HTU = 3). Usualmente se adopta un desigual número de
cuando las velocidades de flujo y las caídas de presión permisibles para cada fluid
diferentes. La selección de un determinado tipo de intercambiador (tamaño, cantidad de placas y m de flujo) es complicado. Sin embargo, un determinado tamaño de placas puede seleccio para operaciones líquido –liquido mediante el uso de correlaciones generalizadas.
La diferencia de temperaturas media logarítmica (MLTD) ó T L para un intercambia placas se determina por:
(Ec.3) El factor térmico se determina con ayuda del gráfico que se muestra abajo. Figura 5.45. Factor térmico vs HTU
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0.8
4/4 1/1 y 3/3
Ft 2/1
0.7
3/1
0.6
4/1
0.5 0
1
2
3
4
5
HTU
6
7
8
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
INCRUSTACIONES EN LAS PLACAS
La tendencia a formar incrustaciones en un intercambiador de placas es disminuida debid altas turbulencias en el flujo (lo cual mantiene los sólidos en suspensión), las áreas lisas
placas y la ausencia de zonas de baja velocidad (tal como las presentes en el lado del ca intercambiadores tubulares). El material de las placas resistente a la corrosión también red
tendencia a formar incrustaciones en intercambiadores de placas, debido a que los produc corrosión, los cuales pueden formar incrustaciones están ausentes.
Los factores de incrustación para diseño de intercambiadores de placas están entre el 10 y de los factores dados para los intercambiadores tubulares. La fácil accesibilidad a la limpie sea química o mecánica también permite un bajo factor de incrustación para diseño. Tabla 5.1. Resistencias a la incrustación sugeridas para diseño de intercambiador de placas
Agua Desmineralizada o destilada Blanda Dura De enfriamiento (tratada) De mar De río Aceites lubricantes Aceites vegetales You're Reading a Preview Solventes orgánicos Vapor Unlock full access with a free trial. Fluidos de proceso en general.
0,17 0,34 0,86 0,70 0,86 0,86 0,34 0,34 0,17 0,17 0,34
a a a
0,86 1,03 0,51
a
1,03
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS
Para aplicar el siguiente método de diseño se asume lo siguiente: Las pérdidas de calor son despreciables No hay espacios con aire en los intercambiadores El coeficiente total de transferencia es constante a través de todo el intercambiador La temperatura de los canales varía solamente en la dirección del flujo
Las corrientes se dividen en partes iguales entre los canales en el caso de un flujo en paralel
1. Calcular la carga de calor transferido: Q (Btu/hr) Q m.Cp.T
Calcular para ambos fluidos. La ecuación permite calcular las variables masa o temperatur cualquiera de los fluidos, igualando el calor transferido entre ambos fluidos.
2. Determinar las propiedades físicas de los fluidos (cp, µ, k) a su temperatura media. 3. Determinar las resistencias a la incrustación (uso de tablas) You're Reading a Preview 4. Calcular la temperatura media logarítmica, T L
Unlock full access de withplacas. a free trial. 5. Configurar las características del intercambiador
Área de la placa térmica
: A p
Ancho de la placa
: L
Altura de la placa
: h
Espacio entre placas
: b
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6. Calcular el número de unidades de transferencia para cada fluido: HTU Método HTU:
Fluido.caliente : HTU
T 1 T 2
T L
Fluido. frio : HTU
t 2 t 1
T L Sign up to vote on this title
Se toma la suma de los dos, o el mayor según sea el método a usar. Método (w.cp) min
se calcula
(wxCp)c y (wxCp)f , y se escoge el menor.
Luego se calcula: (Ud*Ad)/(w*Cp)
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, este debe coincidir con el mayor va
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Diseño de equipos de Transferencia de calor
Según el método determinamos V/v, que es la relación de flujos volumétricos V = Caudal mayor entre los fluidos o mayor flujo volumétrico, m3/hr v = Caudal por canal (flujo/canal) en m3/hr, para la placa seleccionada. (ver Tabla)
7.4 Determinar el arreglo del intercambiador; número de canales paralelos por paso, n cp número de pasos, np Numero de canales por paso, Ncp =V/v (redondear valor)
Numero de pasos, np
7.5 Recalcular el Np (Numero de placas térmicas).
Numero de placas térmicas, Np = (n p * ncp + np * ncp) – 1 Suponer la unidad seleccionada con el número de pasos para cada fluido y el núme canales por paso. Por ejemplo: Intercambiador de placas A l f a L a v a l P 2 con 11 placas, 3 pas cada fluido y 2 canales por paso .
7.6 Determinar el factor de corrección Ft en función del HTU y tipo de arreglo, Figura 7.
Para un intercambiador con igual número de pasos para ambos fluidos, se toma NTU total Con el valor del NTU y el tipo de arreglo del intercambiador por pasos, en la figura 5 se You're Reading a Preview 7.7 Determinar canales para fluido frio y caliente. Unlock fullNcc=Np/2 access with a free trial. Numero de canales del Fluido caliente,
Numero de canales del Fluido frío, Ncf= (Np/2) + 1 Download With Free Trial 7.8 Calcular los coeficientes de película para cada fluido en función del Número de Reynolds
Los coeficientes de película para la transferencia de calor en los intercambiadores de p son usualmente correlacionados por una ecuación de la forma: Nu = C (Re ) n (Pr) m ( a v / ) x
Para flujo en serie (cada fluido pasa a través de los canales): NRe = (D e G)/
Para flujo en paralelo (flujo dividido en varias subcorrientes): NRe = D e (G/n p)/ Las constantes y exponentes son determinados empíricamente y son válidos para el dise Sign up to vote on this title un tipo de placa en particular.
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Valores típicos reportados para el flujo turbulento son: C = 0,15 a 0,40
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Si la distancia entre placas ( b ) es muy pequeña comparado con el ancho de las placas ( puede aproximar:
De = 2 b
, el coeficiente de película se puede ecuación propuesta por Jackson. El flujo es normalmente laminar en intercambiado placas para fluidos altamente viscosos.
Para calcular las variables de la fórmula anterior, determinamos: Para fluido caliente;
Área de flujo (Af) = Af=w*b Velocidad de flujo de masa = Gc=wc/(Af*Nc)
Numero Reynolds = Nre=(Gc*De)/(u *2.42) Diámetro equivalente, De=2*b
Numero de Prant = Npr=(Cp*u*2.42)/k Para fluido frio ;
Área de flujo (Af) = Af=w*b Velocidad de flujo de masa = Gf=wf/(Af*Nf)
Numero Reynolds = Nre=(Gf*De)/(u *2.42) Diámetro equivalente, De=2*b
Numero de Prant = Npr=(Cp*u*2.42)/k 7.9 Calcular el coeficiente total Limpio de transferencia de calor, Uc Uc
h1 xh2 h1 h2
, donde 1 y 2 corresponden corresponden a cada uno de los fluidos. fluidos.
7.10 Calcular el coeficiente total de diseño, Ud. 1 Ud
1 Uc
obstrucción, r 1 r 2 Rd , donde Rd es el factor de obstrucción,
A on this title 7.11 Calcular el área total necesaria para la transferencia deup calor: Sign to vote
A
Q Ud .T L .F T
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Diseño de equipos de Transferencia Transferencia de calor
El promedio de velocidades en intercambiadores de placas es mas bajo que las d
intercambiadores tubulares. El rango típico de velocidades va de 0,5 a 0,8 m/s. Sin em
debido a la alta turbulencia del flujo en los intercambiadores de placas, los coeficient transferencia son mucho mas altos que en los intercambiadores tubulares (así para 2900 a 4100 W/m 2 C en intercambiadores de placas, comparado con 1150 a 1750 W/m intercambiadores tubulares). 9. Calcular diámetro de acoplamientos.
Di Di 3.9.Q 0.45 . 0.13 Para régimen turbulento Di Di 3.0.Q 0.36 . 0.18
Para régimen laminar
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5.8 INTERCAMBIADORES DE CALOR CALOR DE CHAQUETA SIN AGITACION
El coeficiente total de transferencia para el cálculo del área, viene dado de acuerd material y al fluido que circula por la chaqueta. Fluido en la chaqueta Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor
Fluido en el recipiente
Agua Solución acuosa Sustancias orgánicas Hidroc. No viscosos Comp. Organic.medios
Material de la pared del recipiente
Coeficiente Total d Transferencia 2 Btu/hr.pie .°F
Cobre Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable
200 – 300 75 – 80 50 – 150 30 – 70 10 - 20
CON AGITACION El diseño depende de las variables de diseño del recipiente:
Fluido de proceso (t1)
Vapor (T1) DJ Z Y B
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Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Ind. Alimentarias Diseño de Planas Industriales – Transferencia de calor
Cálculo de U: 1/U = 1/hj + rj + 1/hf + rf Donde : hf = Coeficiente de película del fluido en la chaqueta Hj = Coeficiente de película del fluido en el tanque R = resistencia a la incrustación
Hf es un valor típico que depende de la naturaleza del lado.
hj = Jj ( k/Dj )(Cp.
/ k)1/3 (μ /μw)0.14
Jj se ubica en la Fig. 23 en función a Nre. Nre = ( L2.N.ρ) / μ Donde : L = Longitud de la paleta de agitación N = Revoluciones por hora ρ = densidad promedio de la mezcla o del liquido, lb/pie3 You're Reading a Preview μ = Viscosidad del líquido, lb/pie.hr
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Dj = Diámetro interior del recipiente, pies.
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Pot = 1.29x10 -4 . Dj1.1 .D2.72 . N’ 2.86 . y0.3 . Z0.6 . μ’ 0.14 . ρ0.86 N’ = Velocidad del agitador en RPS μ’ = viscosidad en lb/pie.s
y = ancho del agitador en pies. Esto es aplicable para agitadores con aspas de L > 0.3 Dj Sign up to vote on this title
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Los coeficientes de película pueden variar dependiendo del tipo de agitador que se use. En caso se puede usar la siguiente ecuación:
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Tabla5.6 Coeficientes Totales de Transferencia para recipientes enchaquetados
Fluido en la chaqueta
Fluido en el recipiente
Material de la pared del recipiente
Coeficiente T Transferen Btu/hr.pie .°F
Vapor
Agua
Acero inoxidable
150 – 300
Vapor
Solución acuosa
Acero inoxidable
80 – 200
Vapor
Sustancias orgánicas
Acero inoxidable
50 – 150
Vapor
Aceite ligero
Acero inoxidable
60 – 160
Vapor
Aceite pesado
Acero inoxidable
10 – 50
Salmuera
Agua
Acero inoxidable
40 – 180
Salmuera
Solución acuosa
Acero inoxidable
35 – 150
Salmuera
Sustancias orgánicas
Acero inoxidable
30 – 120
Salmuera
Aceite ligero
Acero inoxidable
35 – 130
Salmuera
Aceite pesado
Acero inoxidable
10 – 30
Aceite térmico
Agua
Acero inoxidable
50 – 200
Aceite térmico
Solución acuosa
Acero inoxidable
40 – 170
Aceite térmico
Sustancias orgánicas
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Acero inoxidable
30 – 120
Aceite térmico
Aceite ligero
35 – 130
Aceite térmico
Acero inoxidable Unlock full access with a free trial. Aceite pesado Acero inoxidable
Vapor
Agua
CS recubierto de vidrio
70 – 100
Vapor
Solución acuosa
CS recubierto de vidrio
50 – 85
Vapor
Sustancias orgánicas
CS recubierto de vidrio
30 – 70
Vapor
Aceite ligero
CS recubierto de vidrio
40 – 75
Vapor
Aceite pesado
CS recubierto de vidrio
10 – 40
Salmuera
Agua
CS recubierto de vidrio
30 – 80
Salmuera
Solución acuosa
CS recubierto de vidrio
25 – 70
Salmuera
Sustancias orgánicas
CS recubiertoSign de vidrio 20 – 60 up to vote on this title
Salmuera
Aceite ligero
CS recubierto vidrio deUseful
25 – 65 Not useful
Salmuera
Aceite pesado
CS recubierto de vidrio
10 – 30
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Tabla 5.7 Coeficientes Totales de Transferencia para recipientes con serpentín
Fluido en el tubo serpentín
Fluido en el recipiente
Coeficiente Total Limpio
Coeficiente Tota
Btu/hr.pie2.°F Conv.natural
Btu/hr.pie
Conv.forzada
Conv.natural
CALENTAMIENTO
Vapor
Solución acuosa
250 – 500
300 – 550
100 – 200
Vapor
Aceite ligero
50 – 70
110 – 140
40 – 45
Vapor
Aceite lubricante mediano
40 – 60
100 – 130
35 – 40
Vapor
Petróleo Bunker C
20 – 40
70 – 90
15 – 30
Vapor
Alquitrán asfaltado
15 – 35
50 – 70
15 – 25
Vapor
Azufre fundido
35 – 45
45 – 55
20 – 35
Vapor
Parafina fundida
35 – 45
45 – 55
25 – 35
Vapor
Aire o gases
2 – 4
5 – 10
1 – 3
Vapor
Melazas o jarabes de cereales
20 – 40
70 – 90
15 .- 30
Agua caliente
Soluciones acuosas
115 – 140
200 – 250
70 – 100
Aceite caliente
Alquitrán asfaltado
12 – 30
45 – 65
10 – 20
Dowtherm
Alquitrán asfaltado
15 – 30
50 – 60
12 – 20
Agua
ENFRIAMIENTO Unlock full access with a free trial. Solución acuosa 110 – 135 195 – 245
Agua
Aceite enfriador
10 – 15
25 – 45
7 – 10
Agua
Aceite lubricante mediano
8 – 12
20 – 30
5 – 8
Agua
Aceite pesado
7 – 10
18 – 26
4 – 7
Agua
Mezcla o jarabe de granos
2 – 4
5 – 10
1 – 3
Freón o Amoniaco
Solución acuosa
35 – 45
60 – 90
20 – 35
Salmuera de calcio o sodio
Solución acuosa
100 - 120
175 - 200
50 - 75
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Los valores son para agitación moderada CS = Acero al carbono
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Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Ind. Alimentarias Diseño de Planas Industriales – Transferencia de calor
Pueden ser de dos tipos: De espiral simple y de espiral plano
DH
DH
Dj
Dj
Recipiente con espiral simple
Recipiente con espiral plano
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Calculo de U:
Unlock full access with a free trial.
1/U = 1/hc + rc + 1/hj + rt
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hc = coeficiente de película en el tubo hj = coeficiente de película en el recipiente Calculo de hc: Para Nre >2100 Se corrige con F :
hc.Di/k = 0.0027 (Nre) 0.8 (Npr)1/3 (/w)0.14 F = 1 + 3.5 (Di / D H)
Donde : Di = Diámetro interior del tubo
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Calculo de Ud Ud = Uc . hf /(Uc + hf)
donde hf = 1/r
Calculo del área requerida A = Q / Ud. T Area de cada vuelta del serpentín: a = . DH .alt, pie2 / vuelta Calculo del N° de vueltas = Nv = A /a
Para agitadores de paletas sin deflectores: ht = 0.87 (k/dj)(L2.N/)0.62 (cp./k)1/3 (/w)0.14 Para
Nre = 300 a 4x105
Para agitadores de turbina con paletas planas con deflectores (cuando el serpentín tom You're Reading a Preview forma de deflector): Unlock full access with a free trial.
ht = 0.09 (k/do)(L2.N/)0.65 (cp./k)1/3 (2/n b)(L/Dj)1/3(/f )0.14 Download With Free Trial Donde: do = diámetro exterior del tubo del serpentín n b = numero de tubos deflectores verticales f = viscosidad a temperatura media de la película N = velocidad rotacional en RPS
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PRACTICA : DISEÑO DE SERPENTIN SUMERGIDO PARA CALENTAMIENTO
Se quiere suministrar 32600 BTU/hr a un líquido isotérmico a 150°F usando vapor de agua a 220°F. El serpen
cobre de ½” OD, y el diámetro de transferencia del serpentín es 9.6”. La longitud de la paleta es 7.2”,con una v
de agitación de 125 RPM. Las propiedades del fluido a calentar son: K = 0.38 M = 1.06 lb/pie.hr R = 62.5 lb/pie3 Cp = 1 Btu/lb.°F Rd = 0.005 Dj = 12”
¿Cuántas vueltas se requerirán para el serpentín? SOLUCION
Vapor de agua
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condensado 7.2” 9.6” 12”
En tabla de caracteristicas de tubos para intercambiadores de calor: Para tubo de ½”OD, alt = 0.1309 pie2/pie
Calculo de Coeficiente de Pelicula en el tanque Nre = L2.N.r / m L = 7.2/12 = 0.6 pies Nre = (0.26)2(7500)(62.5) / 1.06 = 159200 En Fig.36 Jc 1700
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Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Ind. Alimentarias Diseño de Planas Industriales – Transferencia de calor
Área requerida : -150)) = 3.16 pie2 Área de cada vuelta del serpentín: H x alt = 3.1416 x (9.6/12) x 0.1309 = 0.328 pie2 / vuelta Calculo del numero de vueltas del serpentín: Nv = 3.16 / 0.328 = 9.6 vueltas ( 10 vueltas)
5.10 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE SUPERFICIE RASCADA Calculo de coeficiente de película en el tubo interior, ht ht = (k/Di)(cp./k) ((Di-Ds).v./)(Di.N/v)0.62.(Ds/Di)0.55.(nb)0.53 Donde: = 0.014 = 0.96 para líquidos viscosos = 0.039 = 0.70 para líquidos no viscosos Di = Diámetro interior del tubo interior Ds = Diámetro del eje giratorio v = velocidad de flujo del liquido N = velocidad del agitador, RPM NB= Numero de raspadores en el eje. You're Estos valores se cumplen paraReading : v a= Preview 0.076 a 0.38 m/min N = 100 a 750 RPM Unlock full access with a free trial.
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Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Ind. Alimentarias Diseño de Planas Industriales – Transferencia de calor
El Fluidos de baja viscosidad ( < 10 cp)
requiere pequeñas áreas
transferencia.Para fluidos no corrosivos a altas temperatur altas presiones, usar intercambiadores tubulares Para fluidos no corrosivos, usar
Líquidos de baja viscosidad o vapores
acero al carbono.Para cargas corrosivas, para mantener la hig de los fluidos y para vapor a baja presión; usar intercambi de placas. Para grandes cantidades de vapor, intercambiadores de espiral
Fluidos de viscosidad media (109 – 100 cp)
Con iguales fluidos en ambos lados, usar el . Si las empaquetaduras causan problemas o la cantida sólidos es elevada, usar un intercambiador de espiral.
Se aprovecha la para proporciona flujo turbulento. En algunos casos se han usado placas Fluidos con alta viscosidad viscosidades sobre los 5 000 cp. ( > 100 cp) Para viscosidades extremas es preferido el intercambiador de espiral. Puede usarse el o el de espiral. Fluidos sucios (con alta tendencia You're Reading a Preview Por su fácil acceso a la limpieza es preferible el intercambiado a formar incrustaciones) placas. Unlock full access with a free trial. Recomendable el (usado en algunos casos para Suspensiones y pulpas corrientes con mas de 50% de sólidos) y en ciertos casos el
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Líquidos sensibles al calor
El intercambiador .
Enfriamiento o calentamiento de aire
Intercambiador de
Gases o aire a presión
Condensación
es el mejor y en ciertos casos el d
Con ciertas limitaciones puede usarse el de otro modo debe seleccionarse un intercambiador tubular (c superficie extendida en el lado del gas) Para cargas no corrosivas, seleccionar un de acero al carbono. Sign up to vote on this title Para cargas corrosivas intercambiador de espiral. Useful un Not useful Para ciertos casos como el requerimiento de condiciones higiénicas, puede considerarse el intercambiador de placas.
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