Gui a Inter Cam Bi Adores

7/31/2019 Gui a Inter Cam Bi Adores

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OPERACIONES UNITARIAS II

DIMENSIONAMIENTO DE

INTERCAMBIADORES DE CALOR

TUBULARES

MATERIAL COMPLEMENTARIO

Realizado por:

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Prof. Mara Isabel Briceo

Mrida, junio de 2005.

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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,

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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.

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Fig. 2. Intercambiador de carcasa y tubo.

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Fig. 3. Clasificacin de los intercambiadores de carcasa y tubo acorde a la TEMA.

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Fig. 4. Procedimiento general para el diseo de intercambiadores de calor.

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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.


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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

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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.

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Tabla 9. Diagramas -NTU para intercambiadores de carcasa y tubo, 1 pasepor la carcasa y un nmero par de pases de tubo.

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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

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