Diseño de intercambiadores de calor de carcasa y tubos

5.2 Coeficientes de transferencia de calor

Las correlaciones de transferencia de calor utilizados en este capítulo se presentan en la Sección 2.4, Sección 3.8, y

Sección 4.2. Se repiten aquí por conveniencia.

Para el tubo de calor lado coeficiente de transferencia, cadena, las ecuaciones Seider-Tate y Hausen se utilizan como

siguiente.

Alternativamente, la ecuación (2.38) puede ser utilizado para las regiones turbulentas y de transición. el Reynolds

número de estas correlaciones se calcula utilizando la tasa de flujo másico por tubo:

caudal másico total de fluido del lado del tubo

np - número de pasadas laterales de tubo

nt - número de tubos

El lado de la carcasa de transmisión de calor coeficiente, ho, se calcula utilizando la siguiente ajuste de la curva a la figura

3,12 (jh cuenta que es adimensional) "

B = deflector espaciamiento

ds - shell ID

De - diámetro equivalente, en unidades apropiadas, a partir de la figura 3.12

El número de Reynolds en la ecuación (3,21) se calcula utilizando el diámetro equivalente y el flujo

área dada en la figura 3.12. La correlación es válida para los haces de tubos que utilizan intercambiador de calor normal o con aletas

tubo, 20% cortar deflectores segmentarios, y un par de tiras de sellado por 10 filas de tubos. es

también se basa en los estándares de TEMA para el tubo a desconcertar y confundir a-to-shell espacios libres. (Vea la Sección 6.7 para

detalles sobre espacios libres). Aunque la correlación se deriva de los resultados de la Delaware

estudio, que contiene un factor de seguridad incorporado en de aproximadamente 25% [1]. Por lo tanto, por lo general debe

dar valores más bajos del coeficiente de transferencia de calor que el método Delaware sí mismo.

5.3 Cálculos hidráulicos

5.3.1 Tubo de caída de presión del lado

La caída de presión debido a la fricción del fluido en los tubos está dada por la ecuación (4,5) con la longitud de la

trayectoria de flujo fijado al tubo de longitud por el número de pasadas de tubo. Por lo tanto,

donde

f - factor de fricción de Darcy (adimensional)

L - Longitud del tubo (m)

G - 0bm/h- flujo de masa m 2)

Di - DI del tubo (m)

s - la gravedad específica del fluido (adimensional)

viscosidad factor de corrección (adimensional)

para el flujo turbulento

para el flujo laminar

Aquí, APF psi cx. (Unidades inglesas se usan en esta sección, véase el Apéndice 5.A para la

. ecuaciones hidráulicas en términos de unidades SI) para el flujo laminar, el factor de fricción viene dado por:

Para flujo turbulento en comerciales tubos de intercambiadores de calor, la ecuación siguiente puede utilizarse para

(Nótese la similitud entre esta ecuación y la ecuación (4,8) para pipe. La superficie

rugosidad tiende a ser menor para los tubos del intercambiador de calor para tuberías que, lo que resulta en algo más pequeña

factores de fricción para tubería.)

El fluido del lado del tubo experimenta una contracción brusca cuando se entra en los tubos de la cabecera y

una expansión repentina cuando sale de los tubos a la cabecera opuesta. Las pérdidas de carga asociadas

puede calcularse utilizando las fórmulas estándar hidráulicos [2], y depende del diámetro del tubo, paso y

diseño. Sin embargo, para las configuraciones de tubo de uso común, la suma de la entrada y salida de las pérdidas

se puede aproximar por 0,5 cabezas del tubo de velocidad en el flujo turbulento [2]. Para el flujo laminar del número

de cabezas de velocidad depende del número de Reynolds, pero para Re> _ 500 es una aproximación razonable

una carga de velocidad de la pérdida de entrada y 3/4 velocidad de la cabeza de la pérdida de salida, dando un total de 1,75

cabezas de velocidad.

En el cabezal de retorno, el fluido experimenta un cambio de dirección ~ 180. Henry [2], ha sugerido una

asignación de 1,5 cabezas de velocidad para la pérdida de presión asociada, similar a la de un codo de tubo. desde

el patrón de flujo de la cabecera es compleja con independencia de que el flujo en los tubos es laminar o

turbulento, este subsidio es probablemente razonable para ambos regímenes de flujo.

5.3.2 Shell del lado de la caída de presión

En el método simplificado Delaware la caída de presión a lado de la carcasa se calcula utilizando la siguiente

la ecuación [1], que es similar a la ecuación (5,1) "

donde

f-factor de fricción (adimensional)

G-mass-f lux / n / a s (lbm / h e 9Fi)

as - área de flujo a través de haz de tubos (m 2)

= Ds C'B / (144PT)

ds - shell ID (pulgadas)

C '- espacio(plg.)

B - deflector de separación (pulgadas)

PT - paso del tubo (mm); reemplazado por PT / ~ 45 ~ por disposición de los tubos

nb-número de deflectores

de-diámetro equivalente de la figura 3.12 (pulgadas)

s-líquido de gravedad específica

viscosidad factor de corrección - (# / # w) 0 "14

APF - caída de presión (psi)

El factor de fricción lado de la carcasa se da en la Figura 5.1 en forma tridimensional. Para el uso en la ecuación (5,6),

Los valores de la figura debe ser multiplicado bythe factor de 144 in.2/ft 2, que se incluye en la siguiente

fórmula de interpolación lineal

Nota: En las ecuaciones (5.9) y (5.11), DS fijados - 23,25 para diámetros de concha superior a 23,25 cm

La caída de presión debido a las boquillas de lado de la carcasa se puede estimar en la misma manera que para la

secundarios tubo-inyectores utilizando ecuaciones (5,4) y (5,5).

5.4 Tubos con aletas

El tubo con aletas utiliza en intercambiadores de calor de carcasa y tubos se refiere a menudo como radial de bajo aleta tubo.

Es producida por un proceso de extrusión en el que se presiona la pared de un tubo liso por las pilas de discos.

La parte intacta de la pared del tubo entre los discos de forma de las aletas. Las aletas son en realidad

helicoidal en lugar de que radial, sino que se puede aproximar como radiales (anular) aletas de perfil rectangular

para fines de cálculo. Low-aleta tubo está hecho en una variedad de aleaciones y configuraciones. la

número de aletas por pulgada de la longitud del tubo varía desde 11 hasta 43; altura de las aletas varía desde alrededor de 0,02 a

0,125 mm, y rangos de espesor de las aletas de 0,01 cm y aproximadamente 0,015 pulgadas

Un diagrama de una sección de tubo bajo de aleta se da en la figura 5,2. La parte del tubo por debajo de la

aletas se llama el tubo de raíz. El diámetro exterior de la sección con aletas es algo menor que el diámetro de la

tubo llano de la que se formó, tubos con aletas para son intercambiables con los tubos lisos en el tubo

paquetes. Tanto el ID y el espesor de pared de la sección con aletas son menores que las del tubo original.

Los extremos de los tubos se dejó sin aletas de modo que se puede rodar en las placas de tubos. dimensiones

seleccionado de baja aleta tubo de dos fabricantes se dan en el Apéndice B (Tablas B.3-B.5).

La ecuación (2,27) se puede utilizar para calcular la eficiencia de la aleta. La ecuación se repite aquí para

conveniencia.

donde

m = (2 ho / kr) 1/2

rl = radio del tubo externo raíz

r2 = radio exterior de la aleta

RZ = r2 + r / 2 = aleta corregido radio

k = conductividad térmica de la aleta

= Espesor de la aleta

ho = lado de la carcasa de transmisión de calor coeficiente

La temperatura de la pared de un tubo de aletas puede ser estimado de la misma manera que la de una aleta

tubería en un intercambiador de doble tubo. Dos temperaturas, TP y Twtd, se calculan utilizando las ecuaciones

(4,38) y (4,39), que se repiten aquí por conveniencia.

En estas ecuaciones,

qw - eficiencia aleta ponderado

delirar = temperatura media del fluido tubular lateral

Tara a la media de temperatura de líquido de concha-side

Ai - área de la superficie interior del tubo

A Tot = superficie exterior (Prime + aletas) área del tubo

Tp es una estimación de la temperatura promedio de la superficie principal, es decir, el tubo de raíz, y se utiliza

para calcular el factor de corrección de viscosidad, r para el fluido del lado del tubo. Twtd representa un promedio ponderado

promedio de las temperaturas de superficie extendida y principal, y se utiliza para calcular la viscosidad

factor de corrección, r para el fluido de lado de la carcasa.

Para los tubos con 16 o 19 aletas por pulgada, la liquidación, C ', y el diámetro equivalente, DE (o

de), que se utilizan para calcular el lado de la carcasa de transmisión de calor y coeficiente de caída de presión se dan en la

Figura 3.12. Para otras configuraciones estos parámetros deben ser calculados. Se basan en un

efectiva raíz tubo de diámetro obtenido añadiendo al tubo de raíz de un cilindro cuyo volumen es igual

al volumen total de las aletas. Las ecuaciones correspondientes son las siguientes:

donde

/ ~) r-efectiva raíz diámetro del tubo

Dr = diámetro del tubo de raíz

NF - número de aletas por unidad de longitud de tubo

b-r2 - rl - altura de la aleta

donde

fl-1.0 por plaza y girar paso cuadrado

= 0,86 para paso triangular

Un comentario final se refiere a la "baja aleta límite" indicado en la figura 3.12 en un número de Reynolds

500. La explicación de esta notación es la siguiente [1] "

"Cuando un lado de la carcasa bajo número de Reynolds es el resultado de una velocidad alta masa y alta viscosidad en oposición

a una velocidad baja masa y baja viscosidad cierta precaución se sugiere. Aceite de lubricación refrigeradores con aceite en el lado de la carcasa

y el agua en el lado del tubo de ilustrar este punto. A menudo, no hay control de la temperatura en el agua de refrigeración

de modo que en el agua durante el invierno muy por debajo de la temperatura de diseño se puede hacer circular. Podría reducir el

temperatura de las aletas inferiores al punto de nube o punto de fluidez del aceite. Esto puede causar una viscoso, aislante

masa de establecer en la circunferencia del tubo. La temperatura de la pared, T ~, siempre será mayor que el

temperatura de un tubo liso de las mismas condiciones de proceso y los coeficientes equivalentes. Esto es inherente

la diferencia en el exterior a la superficie interior-relaciones entre los tubos bajo la aleta y la llanura. No obstante, la aleta de baja

tubo está ligeramente más dispuesto hacia aislante en sí con líquidos que tienen altas viscosidades. La precaución es

la intención de hacer obligatoria una verificación de la viscosidad / zw contra temperaturas del agua que operan en oposición

para el diseño de temperaturas que pueden ser considerablemente más alto. "

5.5 Contar Tube-Tablas

El número de tubos de un tamaño determinado que se puede acomodar en una cáscara dado depende de muchos

factores, incluyendo el número de pases de tubo, tubo de patrones y de paso, deflector de corte, número de sellar

tiras, tipo de cabeza, presión nominal, y fie-rod ubicación [7]. El número real de tubos contenidos en

una concha dado también varía de un fabricante a otro. Aunque no es práctico

cuenta de todos estos factores, las tablas de los recuentos de tubos aproximadas son útiles en el proceso de diseño

para estimar el tamaño de la concha requerida.

Un conjunto de tablas de conteo de tubo figura en el Apéndice C. Los valores indicados en las tablas representan el

número de agujeros de los tubos en cada placa de tubos, que es igual al número de tubos en el caso de ordinario

tubos. Para tubos en U, sin embargo, el número de agujeros de los tubos es el doble del número real de los tubos. la

las tablas se basan en los criterios siguientes [7]:

9 Los tubos se han eliminado para proporcionar un área de entrada para una boquilla con un diámetro igual a 0,2 ds.

9 diseños de tubo son simétricas alrededor de los ejes horizontal y vertical.

9 La distancia desde la superficie exterior del tubo a la línea central de particiones de paso es de 5/16 para los depósitos

con ID menor que 22 mm, y de 3/8 para las grandes conchas.

5.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAÍDA DE PRESIÓN

Un aspecto importante del diseño de intercambiador de calor es el control de las pérdidas de presión para permanecer dentro de la

especificaciones de las dos corrientes, mientras que el logro de una buena transferencia térmica. En esta sección consideramos

los parámetros de diseño que se pueden ajustar para controlar el tubo del lado del lado de la carcasa y la caída de presión.

5.6.1 Tubo de caída de presión del lado

La pérdida por fricción en el lado del tubo está dada por la ecuación (5,1), que muestra que:

Además, el flujo de masa, G, es la tasa de flujo de masa por tubo (MNP / nt) dividido por el área de flujo por

tubo (zrD2 / 4). Sustitución de los rendimientos:

El factor de fricción es inversamente proporcional al número de Reynolds del flujo laminar y proporcional

a la potencia -0,2585 del número de Reynolds en el flujo turbulento de acuerdo con las ecuaciones (4,6) y (5,2).

desde:

Ahora, para una cantidad dada de la superficie de transferencia de calor y un tubo especificado BWg

Si el diámetro del tubo también se especifica, entonces nt es inversamente proporcional a la longitud del tubo, y

proporfionalifies (5,19) y se convierten en (5,20):

Por lo tanto, independientemente del régimen de flujo, la caída de presión es una función fuerte de la longitud del tubo y

el número de tubo pasa.

5.6.2 Shell-lado de presión baja

De acuerdo con la ecuación (5,6), para la caída de presión a lado de la carcasa:

El número de espacios de deflectores es aproximadamente igual a la longitud del tubo dividido por el espaciamiento deflector

en unidades coherentes, es decir,

El diámetro equivalente, de, depende del tamaño del tubo y el paso. Para tubos lisos, la relación es

dada por la ecuación (5.15) con /) r sustituido por el OD del tubo. Para paso cuadrado,

Para tubo de diámetro determinado y de concha, esta relación se simplifica a:

Lado de la carcasa caída de presión es por lo tanto una fuerte función de la separación entre el deflector. El aumento de B aumenta

el área de flujo a través del haz de tubos, lo que disminuye la caída de presión. La dependencia no es tan

fuerte como se puede deducir de la relación anterior debido a que el factor de fricción se incrementa con la

desconcertar espaciado. La dependencia ApagadoEncendido B es compleja ya que f aumenta directamente con la relación B / ds

e indirectamente a través del número de Reynolds. Sin embargo, el espaciamiento deflector es el diseño principal

parámetro para el control de lado de la carcasa caída de presión.

El aumento de la superficie de juego tubo también aumenta el área de flujo a través del haz de tubos y por lo tanto disminuye

la caída de presión. Sin embargo, esta táctica tiene el inconveniente de aumentar el tamaño de la concha requerida

y, por lo tanto, el coste del intercambiador de calor. Por lo tanto, el paso del tubo generalmente no se usa para controlar

Pérdida de carga, salvo en situaciones donde no se dispone de alternativas.

Lado de la carcasa caída de presión también varía directamente con la longitud del tubo. Sin embargo, para un tubo especificado

diámetro y una cantidad dada de la superficie de transferencia de calor, reduciendo la longitud del tubo aumenta el número

de tubos del haz, que puede requerir una carcasa más grande. También tiene un gran impacto en el tubo del lado

la caída de presión.

Hay otras maneras de controlar el lado de la carcasa caída de presión que no se contabilizan en el

Simplificado Delaware método. Aumentar el corte deflector reduce la longitud de la trayectoria de flujo cruzado

a través del haz, lo que reduce la caída de presión. En la práctica, sin embargo, este parámetro es muy

correlacionados con el espaciamiento deflector porque una proporción adecuada de estos parámetros es necesario para

distribución buen flujo en la cáscara. (Con el método simplificado Delaware, el corte deflector está fijado

en 20% y no puede ser variada.) Un efecto similar puede conseguirse mediante el uso de doble o triple segmentaria-

5.7 Normas de diseño

5.7.1 Fluidos colocación

Directrices para la colocación de fluido se dan en la Tabla 3.4. Las consideraciones más importantes son

corrosión y ensuciamiento. Fluidos corrosivos debe ser colocado en el lado del tubo de modo que sólo los tubos,

cabeceras placas de tubos, y (posiblemente) deben ser hechos de aleación resistente a la corrosión. Fluidos que se

foulers pesados deben colocarse en el lado del tubo, ya que es (normalmente) más fácil de limpiar los depósitos de

las superficies interiores de los tubos que de las superficies exteriores. El agua de refrigeración se coloca generalmente

en los tubos debido a su tendencia a corroer el acero al carbono y para formar escala, que es difícil de

eliminar de las superficies de los tubos exteriores. Además, en servicios que impliquen agua de refrigeración y una orgánica

corriente, tubos con aletas se utilizan con frecuencia para compensar el bajo coeficiente de transmisión de calor de la orgánica

corriente relativa al agua. Esto requiere la corriente orgánica en el lado de la carcasa en contacto con

las aletas. Aleaciones de cobre tales como latón Admiralty (71% Cu, 28% Zn, 1% Sn) se utilizan frecuentemente como

resistentes a la corrosión de tubos para los servicios de agua.

Presión de la corriente es otro factor que puede influir en la colocación del fluido. La razón es que es

generalmente menos costosas para confinar un flujo de alta presión en los tubos en lugar de en la cáscara. debido

a sus diámetros pequeños, tubos de espesor de pared estándar puede soportar presiones muy altas, y

solo lado del tubo-headers y boquillas normalmente requieren una construcción más robusta.

5.7.2 Tubería de selección

Los tamaños de tubo más utilizados son 3/4 y 1 pulg Para el servicio de agua, 3/4 pulg, 16 tubos BWG son

recomendado. Para el petróleo (hidrocarburos líquidos) servicio, 3/4 pulg, 14 tubos BWG se recomienda si

el fluido es resistente al ensuciamiento, mientras pulg, 14 tubos de BWG debe utilizarse para fluidos incrustantes. longitudes de tubo

típicamente rango de 8 a 30 pies, y a veces más tiempo en función del tipo de construcción y el

tubo de material. Un buen valor para empezar es de 16 o 20 pies

5.7.3 Tubo de diseño

Diseños triangulares y cuadradas son las más comunes, pero girada paso cuadrado se utiliza también. Un cuarto

configuración, girada paso triangular, rara vez se utiliza. Con paso triangular de los tubos son más

estrechamente empaquetados en el paquete, que se traduce en más de transferencia de calor de superficie en una cáscara y dado

presión algo mayor caída y el coeficiente de transferencia de calor. Sin embargo, la separación entre tubos

es típicamente el más grande de 0,25 cm y 0,25 Do, y con paso triangular esto no es suficiente para permitir

limpieza de calles entre las hileras de tubos. Aunque la limpieza química puede ser posible, triangular

ángulo de paso suele limitarse a los servicios de limpieza con laterales de concha líquidos. Girado paso cuadrado proporciona

algo de mejora en el coeficiente de transferencia de calor (junto con la caída de presión más alta) en comparación

con paso cuadrado, mientras que todavía proporciona los carriles de limpieza entre los tubos. Esta configuración es

especialmente útil cuando el número de Reynolds lado de la carcasa es relativamente bajo (menos de aproximadamente 2000).

En resumen, los diseños de válvula más comúnmente utilizados son triangular o cuadrada, con un paso

de 1,0 pulgadas (para 3/4-in. tubos) o 1,25 pulgadas (para 1-en. tubos).

5.7.4 tubo pasa a

Para típicas corrientes de proceso de baja viscosidad, es altamente deseable mantener turbulento completamente desarrollado

flujo en los tubos. Aunque esto puede no ser práctico con líquidos de alta viscosidad, turbulento

flujo proporciona la transferencia de calor más eficaz. Una vez que el tubo de tamaño y número de tubos han sido

determinado, el número de pasadas de tubo pueden ser elegidos para dar un adecuado número de Reynolds, es decir,

Con excepción de un solo paso intercambiadores, un número par de pases de tubo se utiliza casi siempre por lo

que el fluido del lado del tubo entra y sale en la misma cabecera. Con tubos en U, esta es la única factible

disposición, y servicial boquillas internas (tipo S o T) Cabezales flotantes a fin de proporcionar

un número impar de pases es muy engorroso.

Velocidad de fluido también se puede utilizar como criterio para fijar el número de pasadas laterales de tubo. es

deseable mantener la velocidad del líquido en los tubos en el intervalo de aproximadamente 3-8 m / s. Demasiado bajo una velocidad

puede provocar el ensuciamiento excesivo, mientras que una velocidad muy alta puede causar erosión de la pared del tubo. algunos

materiales específicos velocidades máximas se dan en el Apéndice 5.B. Los materiales más duros tubos, tales como

acero, puede soportar velocidades algo más altas que metales más blandos, tales como cobre o aluminio, para

ejemplo. Máximo velocidades de vapor también se dan en el Apéndice 5.B.

5.7.5 Shell y la cabeza tipos

Tipos de Shell y la cabeza se presenta en la Figura 3.3. El single pass tipo E cáscara es estándar. Si varios

pases de concha se requieren, como se indica por la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)

factor de corrección, conchas E se pueden conectar en serie. Alternativamente, un tipo concha de dos pasos F puede ser

utilizado, aunque la pared longitudinal puede estar sujeto a fugas. Un Shell F también se puede utilizar con

dos tubos pasadas para obtener el equivalente de un 1-1 (flujo a contracorriente verdadero) intercambiador. La cáscara otro

tipos que aparecen en la figura 3.3 se utilizan para aplicaciones más especializadas, incluyendo intercambiadores de calor (G, H, K,

X) y unidades, tales como condensadores y refrigeradores de gas, que requieren bajas lado de la carcasa-caídas de presión (J, X).

La consideración más importante con respecto al tipo de cabeza se fija la cabeza placa tubular frente flotante.

Un diseño fijo placa de tubos es más barato y menos propensos a las fugas. Sin embargo, el haz de tubos no pueden

sacarse para limpiar las superficies exteriores de los tubos. Por lo tanto, fija las placas de tubos intercambiadores

normalmente se limitan a los servicios de limpieza con laterales de concha líquidos. Además, si la diferencia de temperatura

entre las dos corrientes de entrada es mayor que aproximadamente 100 ~ una junta de expansión se requiere en la

cáscara de un intercambiador de placa de tubos fijos para acomodar la expansión térmica diferencial entre

los tubos y la carcasa. El coste adicional de la junta de expansión compensa en gran parte la ventaja del costo de la

fija la placa de tubos de diseño.

Con los intercambiadores de cabeza flotante y un tubo en U, el haz de tubos completo puede ser retirado de la cáscara

desde el frente (cabeza estacionaria) final. Esto permite una limpieza mecánica de las superficies de los tubos exteriores,

por lo general por alta presión de chorros de agua, vapor o dióxido de carbono supercrítico. (Por supuesto, cuadrado

o girado paso cuadrado debe ser utilizado para proporcionar carriles de limpieza.) Además, puesto que sólo una placa de tubos es

ancladas en el depósito (en el extremo delantero), los tubos son libres para expandirse o contraerse relación a la envuelta

debido a las diferencias de temperatura.

Otra consideración con respecto al tipo de cabeza es bonete contra canal. Bonnets son más baratos

y menos propensos a las fugas. Sin embargo, para tener acceso a la placa de tubos para inspeccionar o limpiar

los tubos, la cabeza estacionaria debe estar desconectado de la tubería de proceso y eliminado

la cáscara. Con una cabeza de tipo de canal, el acceso a la placa de tubos se obtiene simplemente destornillando y

la eliminación de la cubierta de canal. Por lo tanto, una cabeza de tipo de canal estacionaria es preferible que los tubos se

requieren una limpieza frecuente.

Otros factores que pueden afectar la elección del tipo de cabeza figuran en el apéndice 5.D. El más ampliamente

utilizado cabeza flotante de diseño en las industrias de proceso es el intercambiador AES. Intercambiadores de tubo en U son

menos caros y también se utilizan ampliamente. La llegada de los equipos para la limpieza de los interiores de los

Tubos en U a alta presión chorros de agua ha mitigado el problema de la limpieza de las curvas de retorno,

dando lugar a un mayor uso de estos intercambiadores [10].

.7.6 Los deflectores y placas de tubos

Individuales deflectores segmentarios son estándar y, con mucho, el más ampliamente utilizado. Con el fin de proporcionar un buen

distribución de flujo en el lado de la carcasa, la separación entre deflectores debe estar entre 0,2 y 1,0 shell

diámetros (pero no menos de 2 cm). Sin embargo, el espaciamiento máximo deflector puede estar limitado por tubo

apoyo y la vibración consideraciones a menos de un diámetro Cuerpo [11,12] (véase también el Apéndice

5.C). Como se señaló anteriormente, los tubos de No--en-ventana opción se puede utilizar para ampliar el espaciado deflector

en estas situaciones. Para la distribución del flujo bueno, el corte deflector debe estar entre 15% y 45%. Para

monofásico flujo, sin embargo, una serie de 20-35% se recomienda [9]. Con el Delaware simplificado

método, el corte deflector se fija en 20%.

Aunque espaciamiento deflector y corte deflector son ostensiblemente parámetros independientes, en la práctica

están altamente correlacionados. La Figura 5.4 muestra las recomendaciones dadas por Taborek [11], que establece:

"Un diseño de sonido no debe desviarse considerablemente de los valores recomendados, que se basan

en una gran cantidad de experiencia práctica, así como en los estudios de los patrones de flujo de lado de la carcasa. "Si el

corte deflector se fija en el 20% para el método simplificado Delaware, a continuación, la figura 5.4 indica que el deflector

espaciamiento debe estar en el intervalo de 0,2 a aproximadamente 0,4 diámetros de concha de una sola fase de flujo.

Espesor deflector no se requiere para el método simplificado Delaware, pero se utiliza en la Corriente

Método de análisis y en los programas informáticos comerciales. Esto varía de 1/16 a 3/4 pulg, y generalmente

aumenta con el tamaño de la carcasa y el espaciamiento deflector. Si este parámetro no se especifica como entrada, más equipo

programas de esta forma los valores estándar indicados en la Tabla 5.2.

Espesor de placa de tubos es otro parámetro que se utiliza en los programas informáticos comerciales. Varía

de aproximadamente 1 a 6 pulgadas, y generalmente aumenta con el tamaño de la carcasa y la presión de operación. Como áspero

aproximación, un valor igual a la mayor de I cm y 0,1 veces el ID de cáscara se puede usar [11]. Detallado

métodos para calcular espesor placa de tubos requerido basado en las tensiones de flexión y cizallamiento se dan

En la referencia. [12].

5.7.7 Boquillas

Las boquillas pueden ser de un tamaño para satisfacer las limitaciones de caída de presión y / o para que coincida con las tuberías de proceso. la

directrices dadas por Kern [4] y reproducen en la Tabla 5,3 son útiles como punto de partida.

Otras consideraciones en toberas de tamaño son las vibraciones del tubo y la erosión. El fluido que entra en la cáscara

a través de la boquilla de entrada incide directamente en el haz de tubos. Si la velocidad de entrada es demasiado alta,

vibración excesiva tubo y / o la erosión puede provocar. TEMA especificaciones para prevenir la erosión del tubo

5.7.8 tiras de sellado

El propósito de tiras de sellado es reducir el efecto de la corriente de derivación que fluye alrededor de haz

la parte exterior del haz de tubos. Por lo general son tiras delgadas de metal que encajan en las ranuras en los deflectores

y se extienden hacia fuera, hacia la pared de la cubierta para bloquear el flujo de derivación y forzar de nuevo en el tubo

liar. Se colocan en pares en lados opuestos de los deflectores discurren en sentido longitudinal a lo largo de la

liar. Tiras de sellado se utilizan principalmente en la cabeza flotante intercambiadores, donde la holgura entre

el haz de carcasa y tubos es relativamente grande. Típicamente, un par se utiliza para cada cuatro a diez filas

de los tubos entre las puntas deflectoras. Aumentar el número de tiras de sellado tiende a aumentar el lado de envoltura

coeficiente de transferencia de calor a expensas de una caída de presión algo mayor. En el simplificado

Delaware método, el número de tiras de sellado se fija en un par por diez filas de tubos.

5.8 Diseño de Estrategia

De carcasa y tubo de diseño es inherentemente un proceso iterativo, los pasos principales de que se pueden resumir

como sigue:

(a)

(b)

(c)

(d)

Obtener una configuración inicial para el intercambiador de calor. Esto se puede lograr mediante el uso de la

procedimiento de diseño preliminar dada en la sección 3.7 para estimar la necesaria transferencia de calor superficial

zona, junto con las directrices de diseño y mesas de recuento de tubo se discutió anteriormente por completo

especificar la configuración.

Calificar el diseño para determinar si es térmicamente e hidráulicamente adecuado.

Modificar el diseño, si es necesario, sobre la base de los resultados de los cálculos de calificación.

Ir a la etapa (b) y repetir hasta que un diseño aceptable se obtiene.

El procedimiento de diseño se ilustra en los siguientes ejemplos.

ejemplo 5,1

Una corriente de queroseno con una velocidad de flujo de 45.000 libras / h se enfría desde 390F a ~ 250F~ por calor intercambio con 150.000 libras / h de petróleo crudo a 100 ~ Una caída de presión máxima de 15 psi se ha especificado para cada secuencia. La experiencia previa con este aceite particular indica que presenten obstrucción significativa tendencias, y un factor de ensuciamiento de 0,003 h.F/Btu es recomendable. Propiedades físicas de las dos corrientes se dan en la siguiente tabla. Diseñar un intercambiador de calor de carcasa y tubo para este servicio.

solución

(a) Hacer las especificaciones iniciales.

(i) Fluido colocación

Queroseno no es corrosiva, pero el petróleo crudo puede ser, dependiendo de la sal y el contenido de azufre

y la temperatura. En la baja temperatura de la corriente de aceite en esta solicitud sin embargo,,

corrosión no debería ser un problema siempre y cuando el aceite se ha desalado (si es necesario).

Sin embargo, el aceite crudo se deben colocar en los tubos debido a su ensuciamiento relativamente alto

tendencia. Además, el queroseno se debe colocar en la carcasa debido a su gran AT de 140 ~ F

de acuerdo con las directrices dadas en la Tabla 3.4.

(ii) los tipos de Shell y la cabeza

El factor de ensuciamiento recomendado para el queroseno es 0.001-0.003 h. m 2. ~ (Tabla 3.3),

indica un potencial de ensuciamiento significativo. Por lo tanto, un intercambiador de coma flotante de la cabeza se selecciona

que permita una limpieza mecánica de las superficies de los tubos exteriores. Además, la placa de tubos flotante

permitirá la expansión térmica diferencial debido a la gran diferencia de temperatura

entre las dos corrientes. Por lo tanto, un intercambiador de tipo AES se especifica.

(iii) Tubing

Siguiendo las directrices de diseño para un cambio de aceite fouling, i pulg, 14 tubos BWG se seleccionan

con una longitud de 20 pies

(iv) Tubo de diseño

Como la limpieza del tubo de superficies exteriores se requiere, paso cuadrado se especifica

para proporcionar carriles de limpieza a través del haz de tubos. Siguiendo las directrices de diseño, por

Yo pulg tubos un paso del tubo de 1,25 cm se especifica.

(v) Pantallas

Deflectores segmentarios con un corte de 20% se requiere por el método simplificado Delaware, pero

este es un punto de partida razonable en cualquier caso. En consideración de la figura 5.4, un deflector

espaciamiento de 0,3 diámetros de concha que se elija, es decir, B / ds = 0,3.

(vi) las tiras de sellado

Un par de tiras de sellado por 10 filas de tubos se especifica de acuerdo con la

requisitos del método simplificado Delaware y las directrices de diseño.

(vii) Los materiales de construcción

Dado que ni el líquido es corrosivo, acero al carbono se especifica para tubos, conchas y otros

componentes.

Estimar UD.

Con el fin de obtener una estimación inicial para el tamaño del intercambiador, un valor aproximado para

el total de transferencia de calor coeficiente se utiliza. De la Tabla 3,5, para un intercambiador de queroseno / aceite,

se encontró que 20% _ <UD <_ 35 Btu / h. m 2. ~ Un valor próximo a la mitad de la gama se selecciona:

UD - 25 Btu / h. FF2. ~

(f) Cálculo de la transferencia de calor de área y número de tubos.

(g) Número de tubo pasa.

El número de pasadas del tubo se elige para dar un flujo turbulento completamente desarrollado en los tubos y un

velocidad del fluido razonable.

Queremos Re> _ 10 4 y un número par de pases. Por lo tanto, tomar n # = 6.

Comprobación de la velocidad del fluido,

La velocidad está en el extremo alto de la gama recomendada, pero todavía

aceptable. Por lo tanto, seis pases tubo se usará.

Determine el tamaño de carcasa y tubo recuento real.

De la tabla de tubo de 1 pulgada recuento tubos en 11/4-in. paso cuadrado (Tabla C.5), con seis tubos

pases y una cabeza de tipo S, el listado más cercano a 153 es de 156 tubos en un 211/4-in. shell. Por lo tanto, la

número de tubos se ajusta a nt = 156 y el ID de cáscara se toma como ds = 21,25 pulg

Esto completa el diseño inicial del intercambiador de calor. El diseño inicial ahora debe estar clasificado

para determinar si es adecuado para el servicio. Puesto que la dependencia de la temperatura de las propiedades de fluido no está disponible, se supone constante; los factores de corrección de viscosidad

se establecerá en la unidad y la temperatura de la pared del tubo no será calculado.

(i) Calcular el coeficiente global requerida.

factores de ensuciamiento

El factor de ensuciamiento para el petróleo crudo se especifica como 0,003 h. m 2. ~ Y en la Tabla 3.3, un

valor de 0,002 h. if2. oF / u Bt se da por queroseno. Por lo tanto, la asignación por ensuciamiento total es:

(n) Calcula el coeficiente de diseño en general.

Desde UD es mucho mayor que Ureq, el intercambiador térmico es viable, pero de gran tamaño.

El exceso de superficie y sobre el diseño

Es conveniente llevar a cabo los cálculos utilizando los coeficientes generales en lugar de áreas de superficie.

Las relaciones apropiadas son las siguientes:

Claramente, el intercambiador es mucho más grande de lo necesario.

(p) Tubo de caída de presión del lado

El factor de fricción se calcula utilizando la ecuación (5,2).

La pérdida de fricción está dada por la ecuación (5,1

El tubo de entrada, salida, y las pérdidas de retorno se calcula utilizando la ecuación (5,3) con Otr igual a

(2NE - 1,5) de la Tabla 5.1.

La suma de las dos caídas de presión es mucho mayor que la caída de presión permitida.

Por lo tanto, las pérdidas de los inyectores no se calcula.

(q) Shell del lado de la caída de presión

El factor de fricción se calcula utilizando las ecuaciones (5,7) - (5,9).

El número de espacios deflectoras, nb 4 a 1, se estima por descuidar el espesor de las placas de tubos.

El espaciado deflector se interpreta comúnmente como la distancia de centro a centro entre los deflectores, que

es técnicamente el terreno de juego deflector. En efecto, el espesor deflector se explica en el espaciado deflector.

(Esta interpretación es incompatible con la ecuación para el área de flujo, como, en la cara-a-cara

espaciamiento deflector se debe utilizar en lugar de la separación de centro a centro. Sin embargo, la diferencia es

. generalmente consecuencias prácticas poco y se descuida el presente documento) El resultado es:

La pérdida de fricción viene dado por la Ecuación

Las pérdidas de boquilla no se calculan ya que el diseño inicial requiere una modificación significativa.

Con esto se completa la calificación del diseño inicial.

En resumen, existen dos problemas con la configuración inicial del intercambiador de calor:

(1) La caída de presión del lado del tubo es demasiado grande.

(2) El intercambiador es de gran tamaño.

Además, la caída de presión en el lado de la carcasa es bastante baja, lo que sugiere una pobre compensación entre

caída de presión y transferencia de calor.

Para remediar estos problemas, tanto el número de tubos y el número de pasadas de tubo puede

reducirse. En primer lugar, calcular el número de tubos necesarios, suponiendo que el total de transferencia de calor

coeficiente permanece constante.

Tomando cuatro pases de tubo, tubo de la tabla de conteo muestra que el conteo más cercano es de 104 tubos en un 17,25-in.

shell. El efecto de estos cambios en el flujo del lado del tubo y la caída de presión se calcula de la siguiente

Dado que estos cambios dejan Re (y por lo tanto G) sin cambios, las pérdidas menores son fácilmente calculados

utilizando la ecuación (5,3).

Por lo tanto, con el fin de satisfacer la restricción de caída de presión, la longitud del tubo tendrá que ser reducido

significativamente, a unos 15 pies cuando reserva para pérdidas de boquilla incluido. El undersurfacing resultante

tendrá que ser compensado por un aumento correspondiente en ho, lo cual es problemático.

(Puesto que Rei no ha cambiado, también lo hace hi.) Se deja como ejercicio para el lector para comprobar el

viabilidad de esta configuración.

Con el fin de reducir aún más la caída de presión del lado del tubo, el próximo considerar un intercambiador con más

tubos. Haciendo referencia de nuevo a la mesa de tubo de recuento, la unidad más grande siguiente es un 19,25-in. shell que contiene una

máximo de 130 tubos (para cuatro pases). El número de tubo del lado de Reynolds para esta configuración es "

La reducción del número de tubos a 124 (31 por pasada) da Rei-10189. La pérdida por fricción a continuación,

se convierte en:

ejemplo 5,2

350.000 lbm / h de un aceite de color se enfría desde 240F a ~ 150F ~ utilizando agua de refrigeración con una amplia

de 85F a 120F ~ ~ Una caída de presión máxima de 7 psi ha sido especificado para cada flujo, y el ensuciamiento

factores de 0,003 h. ft^2*F/btu Por el petróleo y 0,001. H*ft^2*f/btu por el agua son necesarios. fluido

propiedades se dan en la siguiente tabla. Diseñar un intercambiador de calor de carcasa y tubo para este servicio.

solución

(a) Hacer las especificaciones iniciales.

(i) Fluido colocación

De acuerdo con la Tabla 3,4, agua de refrigeración se deben colocar en los tubos a pesar de que el

necesarios factores de ensuciamiento indicar que el aceite tiene una tendencia mayor ensuciamiento. Además, este

servicio (líquido orgánico frente a agua) es una buena aplicación para un intercambiador de tubo con aletas,

lo que requiere que el aceite se coloca en la carcasa.

(ii) los tipos de Shell y la cabeza

Con aceite en el depósito, las superficies de los tubos exteriores se requiere limpieza. Por lo tanto, una

flotante de cabeza tipo AES intercambiador está seleccionado. Esta configuración también acomodará

expansión térmica diferencial que resulta de la diferencia de temperatura entre

las dos corrientes.

(iii) Tubing

Tubos con aletas que tienen 19 aletas por pulgada se utilizarán. Para el servicio de agua, las directrices de diseño

indicar 3/4-in., 16 tubos BWG. Una longitud de tubo de 16 pies que se elija.

Las dimensiones de los tubos en la Tabla B.4 se asumirá para el propósito de este ejemplo.

Los últimos tres dígitos del número de catálogo (o número) indican la media de la pared

espesor de la sección con aletas en milésimas de pulgada. Desde un tubo de BWG 16 tiene una pared

grosor de 0,065 mm, el tubo especificado corresponde al número de catálogo 60-195065.

(iv) Tubo de diseño

Paso cuadrado está especificado para permitir la limpieza mecánica de las superficies de los tubos exteriores.

Siguiendo las directrices de diseño, por 3/4-in. tubos de un campo de 1,0 pulgadas se especifica.

(v)

(vi)

(vii)

Pantallas

Deflectores segmentarios con un corte de 20% se especifican, y el espaciado deflector se fija en 0,3 shell

diámetros.

tiras de sellado

Un par de tiras de sellado por 10 filas de tubos se especifica como se requiere para el simplificado

Delaware método.

Los materiales de construcción

Latón Admiralty (k = 64 Btu / h 9f t. ~ F) se utiliza para los tubos y el latón para el ombligo

placas de tubos. Acero al carbono se utiliza para todos los otros componentes, incluyendo la carcasa,

cabezas, pantallas y tabiques de tubo de paso. A pesar de las cabezas y las particiones de paso será

expuesto al agua, el potencial de corrosión no se considera suficiente para utilizar aleaciones

para estos componentes. Placas de tubos de latón se especifica para la compatibilidad con los tubos en

Para excluir ataque electrolítico.

(e) Estimado UD.

La lectura de la Tabla 3.5 indica que los mejores partidos son una kerosene-or-gas-oil/water

intercambiador y un intercambiador de low-viscosity-lube-oil/water, tanto con UD entre 25 y

50 Btu / h. ft 2 ~ Por lo tanto, asumir UD -. 40 Btu / h. m 2. ~

(f) Cálculo de la transferencia de calor de área y número de tubos.

De la Tabla B.4, el área de la superficie externa de un 3/4-in. tubo con 19 aletas por pulgada es 0,507 ft 2 por

pie de longitud de tubo. Por lo tanto

Numero de pasos

Por lo tanto, una o dos pasadas son suficientes. Para dos pasadas, la velocidad del fluido es:

Por una pasada, V - 2,6 pies / s (muy bajo) y para cuatro pases, V - 10,4 m / s (muy grande). Por lo tanto,

dos pases se utilizará.

(h) Determine el tamaño de carcasa y tubo recuento real.

Desde la mesa de tubo de conteo para 3/4-in. tubos de 1-a. paso cuadrado (Tabla C.3), el más cercano recuento

es de 624 tubos en un 31-en. shell.

Esto completa el diseño inicial de la unidad. Los cálculos de calificación siguen.

(i) Calcular el coeficiente global requerida.

La eficiencia ponderada de la superficie con aletas está dada por la ecuación (2,31). La aleta y el primer

áreas de superficie por pulgada de longitud de tubo se calcula en primer lugar para determinar las relaciones de área:

(m) Cálculo de temperaturas de la pared.

Las temperaturas de pared utilizados para obtener los factores de corrección de viscosidad se dan por las ecuaciones (4,38)

y (4,39). De la Tabla B.4, la relación de externo a área de superficie interna del tubo es ATot/Ai- 3,91.

por lo tanto

Cálculo de los factores de corrección de viscosidad y corregir los coeficientes de transferencia de calor.

De la Figura A.1, la viscosidad del agua a 126 ~ es aproximadamente 0,58 cp. Por lo tanto,

(o) Calcule el coeficiente global limpio.

El coeficiente de limpieza general de un intercambiador de ropas con aletas está dada por la ecuación (4.27

Las incrustaciones subsidio

q) Calcule el coeficiente de diseño en general

(r) del tubo del lado de la caída de presión

Para un 31-en. cáscara, la Tabla 5.3 indica que el 8-in. boquillas son apropiados. Para el horario de 40 boquillas,

Dado que el flujo de la boquilla es muy turbulento, la ecuación (5,4) es aplicable:

El total del tubo del lado de la caída de presión es:

Suponiendo 8-in. programar 40 boquillas se utilizan también para el depósito, en primer lugar compruebe el número de Reynolds

en las condiciones de salida (T-150 ~ en donde la viscosidad del aceite es la más alta.

Puesto que el flujo es turbulento, la ecuación (5,4) se puede utilizar para estimar las pérdidas de boquilla.

Nota: pV 2 - 1.569 0bm/ft 2) (ft / s) 2, por lo que la protección de choque será necesario, lo que aumentará

la presión descenderá. Esto podría evitarse mediante el uso de un diámetro más grande para la boquilla de entrada.

El total de concha lado la caída de presión es:

Esto completa la evaluación de la configuración inicial del intercambiador. En resumen, todo el diseño

criterios son cumplidos, pero el intercambiador es más grande de lo necesario.

El tamaño de la unidad se puede reducir disminuyendo el número de tubos y / o la longitud del tubo.

Con el fin de determinar el alcance de las modificaciones necesarias, primero calculamos el área requerida

suponiendo que el coeficiente global se mantiene sin cambios

A continuación, se considera la reducción de la longitud del tubo mientras se mantiene el número de tubos fijados en 624. la

La longitud de tubo requerida es:

Dado que este cambio no afecta a los coeficientes de transferencia de calor y reducir las caídas de presión,

no es necesario repetir los cálculos de calificación. Las caídas de presión nuevos se puede conseguir por

usando la relación de longitud (13/16) como un factor de escala para las pérdidas por fricción. Las pérdidas menores no se

cambiar. Por el lado de los tubos,

El cálculo para el lado de la carcasa es aproximado ya que la exigencia de un número integral

de deflectores es ignorado:

La superficie sobre-para el diseño modificado se calcula próximo.

La superficie sobre-es bastante alto, pero como fue el caso con el intercambiador de aletas-tubos del Ejemplo 5,2,

esto es simplemente un reflejo del alto factor de obstrucción total de 0,00698 h. m 2. DE / Btu que se requería

para este intercambiador.

El exceso de diseño para esta unidad es efectivamente cero puesto que la longitud real del tubo es igual a la requerida

La longitud de tubo. Si un margen de seguridad adicional se desea, la longitud del tubo se puede aumentar. Una longitud

de 14 pies, por ejemplo, ofrece un diseño sobre-de 7,7%, mientras que los dos caídas de presión muy por debajo de

el máximo especificado.

Finalmente, el lector puede verificar que la velocidad del fluido del lado del tubo es 5,3 si / s, que es dentro de la

rango recomendado. Los parámetros de diseño finales se resumen a continuación.

Diseño resumen

Tubo del lado líquido: agua de enfriamiento.

Shell del lado de líquido: el petróleo.

Shell: Tipo de AES, 31-in. identificación

Haz de tubos: 624 tubos, 3/4-in. OD, 16 BWG, radiales bajo la aleta tubos, 19 aletas por pulgada, 13-pies de largo, de 1-in.

paso cuadrado, arreglado para dos pasadas.

El calor de transferencia de área: 4113 m 2

Pantallas: 20% corte tipo segmentario con una separación de aproximadamente 9,3 cm

Tiras de sellado: un par por cada 10 filas de tubos.

Las boquillas: 8-in. programar 40 en ambos lados del tubo y lado de la carcasa.

Materiales: tubos de latón almirantazgo, placas de tubos de latón naval, todos los demás componentes de acero al carbono

Ahora consideramos la modificación del diseño inicial mediante la reducción del número de tubos. Si la longitud del tubo

y global de transferencia de calor coeficiente permanecen constantes, el número de tubos requeridos es:

TABLAS.