Equipos de Transferencia de Calor

IntercambiadoresCoraza y Tubo

Generalidades. Configuración 1:2

Prof. Jesús F. Ontiveros

Prof. Jesús F. Ontiveros O.

Estructura

Intercambiador más utilizado en la industria de procesos Áreas entre 50 y 700m

2.

Mayor rigurosidad en el diseño “T.E.M.A.”

Definición

CorazaCaracterísticas

Tamaños : 8 – 48 pulgadas.Espesor : 3/8 pulgada (hasta 300 psia.).Materiales : Acero.

TiposE = Coraza TípicaF = Permite incrementar la diferencia efectiva de

temperatura.G= Mayor efectividad térmica. H.= Similar al G J= Aplicaciones a baja presión. (1/8 ∆P E)K= Rehervidor Kettler.X= Aplicaciones a muy baja presión.

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TubosCaracterísticas

¼ ; 3/8; ½; 5/8; ¾; 1; 1¼ y 1½ pulgadas de diámetro8,12,16 y 20 pies de longitudEspesor de acuerdo a estándar BWG.

Número de TubosEspaciado entre tubos. Arreglo Espacial

Cuadrado

Cuadrado Rotado

Triangular 30º

Triangular 60º

CabezalesPartes

Cubierta, Canal

Espejo FijoCabezal AnteriorCabezal Posterior

Cabezales fijosCabezales flotantes

Tipo AES

Tipo CFU

Tipo AKT

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DeflectoresDefiniciónTipos

1. Longitudinal2. Transversal

Inducir Turbulencia, soporte del haz de tubos.

3. ChoquePrevenir daños por alta velocidad del fluido, Distribución de flujo, eliminación de heterogeneidades.

Deflectores Transversales

Perfil de Temperatura

Veamos el perfil de Temperatura en un intercambiador 1:2

Existe un segmento en Contracorriente y otro

en paralelo

El MLDT no es representativo de la diferencia de

temperatura existente

Factor “FT”Significado

Estimación

Generalización12

21

ttTT

R−−

=

11

12

tTtt

S−−

=

11

12

tTtt

S−−

=

FT vs R y S para configuración 1:2

Los intercambiadores 1:2 se usan cuando T2>t2o cuando FT > 0.75

DimensionamientoBalance de Energía Elegir qué fluido va por cada lado Geometría

Suponer Geometría¡Alta

complejidad! Buscar un UD típico y

estimar el Área

Elegir el diámetro nominal de los tubos , BWG, longitudy arreglo espacial

Calcular el número de tubos( ) ce

T NDLAN

⋅Π⋅=

1

Con el número de tubos y el número de pasos por el lado tubo leer de las tablas adecuadas

el tamaño de la coraza

MLDTFUQ

ATD ⋅⋅

=

Determinación del Coeficiente de Película en el lado tubo

pt

itt N

DNa 1⋅

=

t

tt a

MG =

t

ttt k

Cp µ=Pr

Calcular el área transversal de flujo

Calcular el flujo por unidad de área

t

itt

DGµ

1Re =

De acuerdo al régimen de flujo elegir la correlación adecuada y estimar el Nusselt

( ) ( )

Calcular el Reinolds y el Prandtl

1Pr2/7.1207.1PrRe)2/(

3/25.0 −⋅⋅+⋅⋅

=f

fNu

14.03/1PrRe86.1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅⋅⋅=

wLdNu

µµ

( )( ) ( )1Pr2/7.121

Pr1000Re)2/(3/25.0 −⋅⋅+

−⋅=

ffNu

10000<Re<5*106

2300<Re<10000

Re<2300

Determinación del Coeficiente de Película en la Coraza

pcTc NP

BCDca⋅

⋅⋅=

c

cc a

MG =

e

e

e D

DPtD

1

212 )4(4

π

π−=

2

843

4

1

21

2

e

eT

e D

DP

Dπ

π⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

Calcular el área transversal de flujo y el flujo por unidad de área

Calcular el diámetro equivalente

Calcular el Reinolds y el Prandtl

a

aaa k

Cp µ=Pr

a

eaa

DGµ

=Re

Determinación del Coeficiente de Película en la Coraza

14.03/155.0 PrRe36.0 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅=

⋅=

w

eo

kDh

Nuµµ

Calcular el Nusselt, asumiendo que es 1.

Con ho

y hio estimar la temperatura de la pared tw

Fluido frío en tubo

Fluido frío fuera del tubo ( )ccoio

iocw tT

hhh

Tt −+

−=

( )ccoio

iocw tT

hhh

tt −+

+=

14.0

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

wµµ

Buscar la viscosidad a tw y calcular

Estimar de nuevo el Nusselt y el con éste el coeficiente de película ho

14.0

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

wµµ

Determinación del Desempeño térmico

Calcular el coeficiente global de transferencia de calor limpio y sucio

Con el coeficiente “sucio” calcular el área de transferencia mínima

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

oioc hhU111

DcD

RUU

+=11

MLDTFUQA

TDUD ⋅⋅

=

¿A>AUD?

Con UD , recalcular una nuevaárea y suponer otra geometría

No

Calcular el Sobrediseño

Desempeño Hidráulico

Sí

100% ⋅−

=U

Uefectiva

AAA

S

Determinación del Desempeño Hidráulico

Lado Coraza Lado Tubo

( )14.0

2

2

1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

⋅+⋅⋅=∆

w

pcccBcc

De

NNDNGfP

µµρ 2

442

1

tcpt

i

cpt

t

t vNN

DNLN

fP

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⋅⋅=

∆ρ

( )( )cf Reln19.0576.0exp −= 2)28.3ln(Re)58.1( −−⋅=f

?¿ permitudoP∆CambiarGeometría

No

Si

ImágenesProf. Jesús F. Ontiveros O.

Espejo de un intercambiador coraza y tubo.

Banco de Tubos de un intercambiador coraza ý tubo.

Prof. Jesús F. Ontiveros O.

Referencias[1] Perry. “Manual del Ingeniero Químico”. Sexta

Edicion. Mc Graw-Hill. (1997). Pág. 11-3 y ss, 10-24 y ss.

[2] Kern, D. “Process Heat Transfer”. Mc Graw-Hill (1950). Pág. 102 y ss, 127 y ss., 221 y ss.

[3] Kakaç, S. & Liu, H., “Heat Exchangers, Selection, Rating and Thermal Design”. Department of Mecanical Engineering, University of Miami. CRC Press. (1995). Pág. 53 y ss