Gui a Inter Cam Bi Adores
-
Upload
ana-bertha-ruiz-andrade -
Category
Documents
-
view
218 -
download
0
Transcript of Gui a Inter Cam Bi Adores
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
1/40
OPERACIONES UNITARIAS II
DIMENSIONAMIENTO DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR
TUBULARES
MATERIAL COMPLEMENTARIO
Realizado por:
1
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
2/40
Prof. Mara Isabel Briceo
Mrida, junio de 2005.
2
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
3/40
DIMENSIONAMIENTO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
METODOS TABLAS
1. Introduccin
En la presente gua se describe, en forma general, los mtodos que permiten el
dimensionamiento de intercambiadores de calor de doble tubo y de carcasa y tubo. Se incluyen
tambin tablas de datos complementarios con informacin pertinente al dimensionamiento de
dichos equipos. A modo de ilustracin, en las Figs. 1 y 2 se muestran esquemas de un
intercambiador de doble tubo y un intercambiador de carcasa y tubo. Igualmente, en la Fig. 3
se ha presentado la clasificacin grfica de los intercambiadores de calor de carcasa y tubo,
acorde a los estndares de la TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association).
2. Procedimiento general para el diseo de intercambiadores de todo tipo
El dimensionamiento de un intercambiador de calor consiste en una serie de pasos que es
comn a todos los tipos de intercambiadores. Se puede decir que es un algoritmo; en la Fig. 4
se muestra el flujograma del algoritmo. A continuacin se describe cada paso del algoritmo.
Paso 1: Definicin del problema
En esta etapa se debe obtener una idea del tipo de trabajo de intercambio que hace falta,para los fluidos en cuestin y las condiciones de operacin. Este examen permite
determinar el tipo de intercambiador de calor que, a priori, es ms conveniente para dicha
aplicacin. Adicionalmente, deben establecerse cuales son las condiciones de operacin
imperantes en el proceso. Las condiciones de operacin ms importantes son los flujos, las
temperaturas y presiones de operacin y las limitaciones de cada de presin en el sistema.
El criterio usual es que la cada de presin sea inferior a 1 bar ( 10 psi), tanto por los
tubos como por la coraza o tubo externo. En plantas ya instaladas, las limitaciones de cada
de presin pueden ser ms severas, dependiendo de la potencia de bombeo disponible.
Paso 2: Seleccin de un tipo bsico de intercambiador de calor
En la industria qumica el intercambiador de calor ms utilizado hasta tiempos recientes
(actualmente los intercambiadores de coraza y tubo estn siendo reemplazados por
intercambiadores de placas, de rea extendida y otros) ha sido el de coraza y tubo,
3
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
4/40
especialmente cuando se requieren reas relativamente grandes de intercambio. Cuando se
trata de reas pequeas (< 50 m2), puede pensarse en intercambiadores de doble tubo,
aunque estos resultan ms voluminosos y costosos que los de carcasa y tubo, para reas
similares de intercambio. Otra situacin donde es conveniente usar intercambiadores de
doble tubo es en el caso en que uno de los fluidos, o ambos, se encuentran a muy altapresin; es ms fcil impedir las fugas en el intercambiador de doble tubo que en el de
carcasa y tubos. Por la misma razn, los intercambiadores de doble tubo resultan
convenientes cuando se manejan gases muy difciles de contener (tal como el H2) o fluidos
txicos. Dado que estos intercambiadores son relativamente fciles de limpiar, son tambin
adecuados cuando los fluidos son muy sucios o muy corrosivos.
Fig. 1. Intercambiador de doble tubo. En la parte superior se presentan cortes transversales
mostrando los tubos sin aletas y con aletas.
4
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
5/40
Fig. 2. Intercambiador de carcasa y tubo.
5
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
6/40
Fig. 3. Clasificacin de los intercambiadores de carcasa y tubo acorde a la TEMA.
6
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
7/40
Fig. 4. Procedimiento general para el diseo de intercambiadores de calor.
7
Definicin del problema
Seleccin de un tipo bsico
de intercambiador de calor
Seleccin de un conjunto
tentativo de parmetros de
diseo
Clculos:
Desempeo trmico
Cada de presin
Evaluacin del
diseo
q y P aceptables?Si
Modificacin de los
parmetros de diseo
No
Diseo mecnico, evaluacin
de costos, etc.
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
8/40
Existe una serie de aplicaciones para las cuales los intercambiadores de carcasa y tubo y de
doble tubo no son adecuados. Por ejemplo, si el rea de intercambio requerida es superior a
700 m2, (fluidos de muy bajo coeficiente de conveccin) es conveniente utilizar
intercambiadores compactos; estos suelen usarse para intercambios gas-gas o gas-lquido.
Tambin existen los llamados intercambiadores de placa que son de muy fcil limpieza ypor lo tanto son muy utilizados en la industria de alimentos. Estos intercambiadores pueden
tambin sustituir a los tubulares para intercambio lquido-lquido a presiones bajas y
medianas. El diseo de este tipo de equipos (compactos y de placa) no es objeto del
presente curso.
Paso 3: Seleccin de un conjunto tentativo de parmetros de diseo
Una vez que se sepa qu tipo de intercambiador de calor debe usarse para las condiciones
de operacin del proceso, debe hacerse una escogencia preliminar del tamao, dimetro,
longitud, arreglo de tubos, nmero y tipo de deflectores, material de construccin, etc.
1) Intercambiador de doble tubo : A continuacin se presenta una serie de criterios que
permiten hacer una seleccin preliminar de los parmetros de diseo.
Dimensiones: las dimensiones caractersticas de estos intercambiadores son, parael tubo externo, un dimetro interno de 50 a 400 mm y para el tubo interno, un
dimetro externo de 14 a 100 mm. En las Tablas 1 (norma BWG) y 2 (norma
ANSI) se presentan los tamaos comerciales de tubos de acero al carbn, los
cuales son los ms frecuentemente utilizados en intercambiadores. Longitud: La longitud de una horquilla va de 1,5 a 12 m.
Caractersticas y nmero de tubos: Los tubos internos pueden teneraletas longitudinales o circulares para incrementar la transferencia de calor. El
tubo externo puede contener de uno a siete tubos internos.
Velocidad en los tubos: El criterio que puede usarse, a priori, paraestimar el dimetro de los tubos es aquel tamao que permita asegurar una
velocidad del orden de 0,5 a 3 m/s para lquidos y del orden de 30 m/s para
gases. La ventana de velocidad puede ser ms estrecha cuando alguno de los
fluidos arrastra slidos que tienden a depositarse; para evitar esto, debeasegurarse una velocidad relativamente alta en los tubos. Sin embargo, algunos
slidos pueden causar abrasin de la tubera, para lo cual existe un lmite
mximo de velocidad con el fin de evitar este problema.
Asignacin de flujo: Si alguno de los fluidos ensucia, es preferiblehacerlo circular por los tubos internos. Si, por otro lado, el coeficiente h de
8
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
9/40
algunos de los fluidos es bajo, se le hace circular entonces por el conducto que
produzca la velocidad ms alta.
2) Intercambiador de carcasa y tubo : A continuacin se presenta una serie de criterios
que permiten hacer una seleccin preliminar.
Configuracin de flujo: la ms usual para estos intercambiadores es de un pasede fluido por la carcasa y de uno o dos pases de tubos por la carcasa
(configuracin 1-1 y 1-2).
Longitud del intercambiador: Cuanto ms largo es un intercambiador,menos tubos contiene, menor es el dimetro de la carcasa, su diseo es ms
simple y menor es su costo. El criterio general es que
1
15 0,65) cuando el valor de C* es tambin elevado.
37
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
38/40
Tabla 9. Diagramas -NTU para intercambiadores de carcasa y tubo, 1 pasepor la carcasa y un nmero par de pases de tubo.
38
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
39/40
Tabla 10: Coeficientes de ensuciamiento varios para intercambiadores.
Fluido industrial Rs (m2 K/W)
Gases y vapores
Gas manufacturado 0,001761
Gases de escapes de motor 0,001761
Vapor libre de aceite 0,000088
Vapores de refrigerantes con aceite 0,000352
Aire comprimido 0,000176
Vapores de amonaco 0,000176
Vapores de CO2 0,000176
Vapores de cloro 0,000352
Gas de combustin de carbn 0,001761Gas natural 0,000881
Lquidos
Sales fundidas 0,000088
Refrigerantes 0,000176
Fluido hidrulico 0,000176
Medio orgnico de transferencia de uso
industrial
0,000352
Amonaco lquido 0,000176
Amonaco lquido con aceite 0,000528Soluciones de cloruro de calcio 0,000528
Soluciones de cloruro de sodio 0,000528
CO2 lquido 0,000176
Cloro lquido 0,000352
Soluciones de metanol 0,000352
Soluciones de etanol 0,000352
Soluciones de etiln glicol 0,000352
Aceites vegetales 0,000528
Gasolina natural y gases petroleros licuados 0,000176 0,000352Naftas lquidas 0,000176
Queroseno 0,000352 0,000528
Gasleo liviano 0,000352 0,000528
Gasleo pesado 0,000528 0,000881
Soluciones de soda castica 0,000352
Asfalto 0,000881
39
-
7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores
40/40