DP 8-Calculos Diseño de Intercambiadores

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FILIAL CUTERVO ESCUELA DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS  ALIMENTARIAS  ALIMENT ARIAS DISEÑO DE PLANTAS DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS DOCENTE: ING. JULIO TIRADO VASQUEZ CICLO 2013-II

CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Esquemas

Condiciones de proceso requeridas para ambos fluidos - Temperaturas de entrada y salida. - Flujos másicos. - Capacidades caloríficas. - Conductividades térmicas. - Densidades. - Viscosidades. - Caídas de presión permisibles. - Factores de obstrucción o ensuciamiento. - Diámetros de las tuberías.

Calor ganado - perdido Q = W C (T2  – T1) = w c (t2  – t1) C = Capacidad calorífica del fluido caliente (BTU/lb.°F). c = Capacidad calorífica del fluido frío (BTU/lb.°F). Tprom = Temperatura promedio del fluido caliente (°F). tprom = Temperatura promedio del fluido frío ( °F). W = Flujo másico del fluido caliente (lb/h).

w = Flujo másico del fluido frío (lb/h).

Cálculos de diferencial logarítmico de temperaturas

1. Calcular el diferencial logarítmico de temperatura en un intercambiador a flujo paralelo y flujo contracorriente, sabiendo que las temperaturas son las siguientes: Entrada fluido frío + 10ºC. Salida fluido frío + 35ºC. Entrada fluido caliente + 150ºC. Salida fluido caliente +100ºC. Resultados:

Flujo paralelo 97,75 ºC Flujo contracorriente 101,99 ºC

Cálculos de diferencial logarítmico de temperaturas 2.- En un cambiador de calor constituido por dos tubos concéntricos entra el fluido caliente a 150 °C y se enfría hasta 100 °C, el fluido frio entra a 40 °C y se calienta hasta 80 °C,calculese la diferencia media logarítmica de temperatura para flujo en contracorriente y flujo continuo

Cálculos de diferencial logarítmico de temperaturas

Ecuación de diseño para flujo de calor Q = U·A· ΔTm

Q= W,

U = W/m2·ºC, A = m2  ΔTm = ºC

3.- Para calentar acido acético desde 20°C hasta 60 °C se hace pasar por el interior de los tubos de un cambiador tubular 1-2 circulando por el exterior agua que entra a 95°C y sale a 80°C, el coeficiente integral de transmisión del calor desde el agua hasta la pared, referido al área interna de los tubos, es de 350 Kcal/m.h°C; el flujo de masa del Ac. Acético es de 200 Kg/h y a 40°C su calor especifico es 0.5Kcal/Kg.°C Determínese la longitud de los tubos si su diámetro interno de 1 cm

Grafico para hallar factor de corrección

X

Problema 3

Eficacia (E) Q E= Q max •

Calor transferido Calor máximo transferido

Calculo del numero de unidades de calor (ntu)

Ud Ao NTU = Cmin

Ejercicio intercambiador doble tubo Por el tubo interior de un intercambiador de doble tubo circula butanol con un caudal de 3m 3/h y se ha de calentar desde 20 °C hasta 70°C por medio de agua que circula en contracorriente por el espacio anular. El tubo interno tiene un diámetro nominal de 1" ¼. Determine el coeficiente integral de transmisión de calor basado en la superficie externa. (Coeficiente de convección agua pared del tubo es 1500Kcal/m2.h.°C .

Ejercicio intercambiador doble tubo Para las condiciones del problema:

Numero de Reynolds (Re) Re: ρ . u . Di μ

Numero de Prand: Pr Pr: Cp . μ / K Numero Nuselt: Nu Nu: 0.023 (Re) 0.8 (Pr)0.4

1 Uo: 1 + e + 1 h u Cc

Problemas propuestos PROBLEMA N° 1 Se desea elevar la temperatura de una corriente de aceite que fluye a razón de 1kg/s de 15 °C a 70°C. Se cuenta con una corriente de 0.3kg/s de agua a 95oC.¿Bastar ´a la cantidad de

agua para calentar el aceite? PROBLEMA N° 2 Se desea que cierta caldera genere 3kg/s de vapor de agua a una presión de 0.13MPa. Una parte del calor desperdiciado se recupera en la forma de 40 kg/s de gases de escape a 300oC. ¿Bastara esta energía para producir el vapor? Tomar Cp=1180 J/kg K para los gases de escape. PROBLEMA N° 3 Se calienta aire desde la temperatura TFE=20 °C hasta la TFS=210°C, con gases calientes que evolucionan desde una temperatura inicial TCE=410 °C hasta TCS=250°C. Calcular la DTLM para el caso de un intercambiador doble tubo en corrientes paralelas, en contracorriente, para un intercambiador en corrientes entrecruzadas en donde ambas corrientes están sin mezclar, y por ´ultimo para otro en que ambas están mezcladas

Problemas propuestos PROBLEMA N° 4 Se quiere diseñar un intercambiador de calor

para precalentar el aire secundario que alimenta un postquemador que sirve para reducir las emisiones de un motor de combustión interna. La velocidad de flujo de los gases de salida es de 150 kg/h y la velocidad de flujo de masa del aire secundario debe ser del 10% de la de los gases. Los gases de descarga salen del postquemador a 850 K, la temperatura ambiente es de 290 K y el aire secundario debe calentarse a 780 K. Como primera propuesta de diseño se ha considerado la posibilidad de construir un intercambiador de tubos coaxiales en contracorriente usando la tubería de escape como tubo interior. Si el escape es un tubo de acero de 2”  calibre 10 y la coraza exterior propuesta es de 2 ”  1/2 calibre 10, determine la longitud que debe tener el intercambiador si la coraza esta bien aislada. Comente la factibilidad del diseño.

Problemas propuestos Se usa un intercambiador de calor en contracorriente para calentar 6kg/s de agua de 35oC a 90oC por medio de 14 kg/s de aceite (Cp=2100 J/kg K) a 150oC. El diseño indica un valor de 120W/m 2K para el coeficiente global de transferencia de calor. Se pretende, además, construir una segunda unidad en otra planta pero se ha propuesto sustituir el intercambiador por dos intercambiadores en contracorriente mas pequeños, cada uno con un ´área de transferencia equivalente a la mitad de la del primero. Estos intercambiadores se deben conectar en serie por el lado del agua y en paralelo por el lado del aceite. La corriente de aceite se divide en partes iguales entre los dos intercambiadores y podemos suponer que el coeficiente global de transferencia de calor de estos es de 120W/m 2K. Compare los rendimientos de estas configuraciones. PROBLEMA

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