13. diseño de intercambiadores

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO

Las ecuaciones principales para el dimensionamiento son: Balance de energía

Q Q

m. H

Ecuación de calor para un intercambiador de calor

Q Uo. A. LMTD.Fc

m.Cp. T Área de Transferencia de Calor

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En el diseño se requiere determinar LA CONFIGURACIÓN del intercambiador necesaria para lograr el Área de Transferencia de Calor Fluido caliente

Fluido frío

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Número de pasos por carcaza Número de Deflectores Características de los tubos

Número de tubos

Diámetro de la carcaza

Carcaza

Número de pasos por tubos

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Cálculo de la diferencia promedio logarítmica de temperaturas LMTD

T1 Arreglo en contracorriente

T2 LMTD

T2

Arreglo en T1 paralelo

Más utilizado

T2 T1 Ln ( T2 / T1 )

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Cálculo de la deferencia promedio logarítmica de temperaturas LMTD La LMTD depende del número de pasos en el intercambiador

LMTD

T2 T1 Ln ( T2 / T1 ) Un paso por carcaza y uno por los tubos

Se corrige con el factor Fc

LMTD . Fc

T2 T1 Ln ( T2 / T1 )

Un paso por carcaza y dos pasos por los tubos

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Cálculo de la deferencia promedio logarítmica de temperaturas LMTD -Temperaturas El factor Fc - Configuración depende de

Se recomienda que Fc ≥ 0,8

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Cálculo del área de transferencia de calor A

Q Uo. A. LMTD.Fc

Q

Q Q

Q A Uo . LMTD .Fc

m. H m.Cp. T

Uo= Coeficiente global de transferencia de calor El factor Uo depende de la configuración del equipo por lo tanto se realiza un proceso de ensayo y error para determinar el área de transferencia

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Cálculo del área de transferencia de calor A

Q A Uo . LMTD .Fc Se asume un valor de Uo inicial para calcular el Área El Área de transferencia se calcula en referencia a la pared externa de los tubos

tubo

Los valores de Uo inicial se encuentran en la literatura y dependen de los fluidos en el intercambiador de calor

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Especificación de los tubos Área exterior por pie lineal (pie2/pie) Calibre BWG (Espesor)

Do L= Longitud del tubo

Do= entre ¼ y 2 ½ pulgadas, (más comunes ¾, 1 y 1 ¼ ) L= 8, 12, 16, 20, 24 y 32 pies, estándar es 20 pies Calibre BWG= 12, 14 y 16

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Especificación de los tubos Pitch

Claro entre los tubos c Utilizado para servicios sucios

Utilizado normalmente

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Cálculo del número de tubos (Nt) Con Do definido se busca en la tabla de las características de los tubos el área exterior por pie lineal de la tubería a’’ (pie2/pie lineal)

Área exterior por pie lineal (pie2/pie)

Calibre BWG (Espesor)

Do

L= Longitud del tubo

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Cálculo del número de tubos (Nt) Con Do definido se busca en la tabla de las características de los tubos el área exterior por pie lineal de la tubería a’’ (pie2/pie lineal) GPSA

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Cálculo del número de tubos (Nt)

A

a ' '. Nt . Ltubo

Se despeja el número de tubos

Área exterior por pie lineal (pie2/pie)

Calibre BWG (Espesor)

Do

Se asume la Longitud del tubo (Ltubo)

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Cálculo del diámetro de la carcaza Espaciamiento de Baffles

Corte entre 15 y 45 % 25% nor.

D carcaza

Número de Baffles Espaciamiento de los baffles es menor Dcarcaza pero mayor a 1/5 Dcarcaza

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Cálculo del diámetro de la carcaza

D carcaza

Con el número de tubos, las características del tubo, el arreglo y el número de pasos se estima por tabla el diámetro interno de la carcaza

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Se revisa la relación Ltubo/Dcarcaza

3 < Ltubo/Dcarcaza < 15

Si no cumple debe modificarse la longitud del tubo asumida

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO La ecuación para el cálculo del coeficiente global se presenta a continuación:

Uo

1 1 ho

ro

rw

Ao Aavg

Tubo

Ao ri Ai

1 Ai hi Ao

hi ri .

ro ho

rw

Donde: ho = coeficiente de película externo al tubo, (Btu/ h ·pie2 ·ºF). hi = coeficiente de película interno al tubo, (Btu/ h ·pie2 ·ºF). rw = resistencia del material de la pared del tubo. ro = resistencia de ensuciamiento externo, (pie2 ·ºF· h) / (Btu). ri = resistencia de ensuciamiento interno, (pie2 ·ºF· h) / (Btu). Ao = área lateral externa del tubo por cada longitud de tubo, (pie2 /pie). Ai = área lateral interna del tubo por cada longitud de tubo, (pie2 /pie). Estas resistencias se muestran en la Figura Nº 6, en la cual se representa el corte transversal de un tubo.

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Cálculo de hi

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Cálculo de hi Se calcula el número de Reynolds para el lado de los tubos D. G Re D = Diámetro interno del tubo, pies. μ = Viscosidad del fluido a la temperatura promedio, lbm / (hr pie). G = Velocidad másica del fluido, lbm/ (hr pie2).

G

W AT

W = Flujo másico del fluido por los tubos, lbm/hr.

AT

AT

Área de flujo total a través de los tubos, pie 2

N t . atubo 144 . n

atubo

Área de flujo a través de un tubo,

n= número de pasos por los GPSA tubos.

pu lg 2

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Cálculo de ho

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Cálculo de ho Se calcula el número de Reynolds para el lado de la carcaza De . G Re De depente de De = Diámetro equivalente, pies. Do, pitch y μ = Viscosidad del fluido a T. prom, lbm / (hr pie). arreglo del tubo Tabulado en fig. G = Velocidad másica del fluido, lbm/ (hr pie2). 10-47, en pulgadas

G

W As

W = Flujo másico del fluido por la carcaza, lbm/hr.

As

As

Área de flujo total a través de la carcaza,pie 2

Dc . c . B PT .144

Dc c

B

Diámetro interno de la carcaza, pu lg Sección libre entre los tubos,

pu lg

Espaciado de los deflectores,

pu lg

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Cálculo de la resistencia por la pared del tubo rw rw se encuentra en la tabla 10-13

Cálculo de la resistencia por ensuciamiento ro = resistencia de ensuciamiento externo, (pie2 ·ºF· h) / (Btu). ri = resistencia de ensuciamiento interno, (pie2 ·ºF· h) / (Btu). Valores tabulados

Finalmente se calcula el Uo:

Uo

1 1 ho

ro

rw

Ao Aavg

Ao ri Ai

1 Ai hi Ao

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Cálculo del área de transferencia de calor A

Acal

Q Uo cal . LMTD .Fc

A asumida > A calculada

en al menos 10 %

Si cumple con la condición se procede a calcular la caída de presión

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Cálculo de la caída de presión de los tubos 2

Ptubos

f .G . L . n 5,22.1010. D. s .

t

f= factor de fricción se estima por la figura 10-121 G = Velocidad másica del fluido, lbm/ (hr pie2). L = Longitud de los tubos, pie. D = Diámetro interno de los tubos, pie.

s = gravedad especifica n = número de tubos.

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Cálculo de la caída de presión por la carcaza 2

Ps

f . G . Ds . ( N 1) 5,22.1010. De. s . s

f= factor de fricción se estima por la figura 10-124 G = Velocidad másica del fluido, lbm/ (hr pie2). N+1 = cruces por los baffles, 12.(L/B)