CAPITULO N03

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBO

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBOLos intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre s. En la prctica, los intercambiadores de calor son de uso comn en una amplia variedad de aplicaciones, desde los sistemas domsticos de calefaccin y acondicionamiento del aire hasta los procesos qumicos y la produccin de energa en las plantas grandes.En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender conveccin en cada fluido y conduccin a travs de la pared que los separa. En el anlisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total U que toma en cuenta la contribucin de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La velocidad de transferencia de calor entre los dos fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, la cual vara a lo largo de dicho intercambiador. En el anlisis de los intercambiadores de calor, suele ser conveniente trabajar con la diferencia de temperatura media logartmica, LMTD (por sus siglas en ingls), la cual es una diferencia media equivalente de temperatura entre los dos fluidos para todo el intercambiador. Un cambiador de doble tubo consiste en dos tubos concntricos; generalmente el fluido que debe enfriarse se introduce por la tubera interna, mientras que el fluido que se va a calentar circula por el espacio anular comprendido entre las dos tuberas. Estos cambiadores pueden conectarse en serie para aumentar el rea de transferencia. En general se usan para servicios en los que se transfieren bajas cargas trmicas, del orden de un cuarto de milln de kcal por hora.No son frecuentes en la industria de la refinacin, pero en la petroqumica y farmacutica si se encuentran ms a menudo. Se usan para calentar o enfriar fluidos sin que lleguen a presentar un cambio de fase.

PROBLEMA 01:

Se desea calentar de benceno desde hasta , con tolueno que pasar de. Si se cuenta con horquillas de 20 pies de pulgadas cdula 40 Cuntas horquillas (tubos en U) se requieren si se trabajan a contracorriente?SOLUCIN1. EsquemaRepresentado grficamente podemos ver que las temperaturas de entrada y de salida describen las siguientes trayectorias:

2. Planteamiento

2.1. Balance de calorRealizando el respectivo balance de calor del sistema tendremos:

2.2. Ecuacin de diseo

donde:

2.3. Coeficientes

Normalmente los intercambiadores son diseados para transferencia de calor por conveccin forzada y/o turbulenta. Por lo tanto se tiene para conveccin forzada y flujo turbulento.

Benceno se calienta desde 26C hasta 48C; Flujo turbulento Re > 10 000

Tolueno se enfrade a ; Flujo turbulento Re > 10 000

(3.4b)

2.4. Cadas de presin

Cada de presin en el tubo

donde:

Cada de presin en el espacio anular, posee dos partes, una en la parte recta y otra en la curvatura:

donde:n: nmero de pasos

3. Clculos

3.1. Balance de energa

Temperatura media del :

Capacidad calorfica del a la temperatura media, usando el Chemcad:

ABC

129 440-169,50,64781

Temperatura media del :

Capacidad calorfica del a la temperatura media, usando el Chemcad:

ABC

140 140-152,30,695

Reemplazando datos en la ecuacin (1):

3.2. Diferencia media de temperaturas

BencenoToluenoT3T1T2T4TLT2TT1

3.3. Datos de tubera

1 cdula 402 cdula 40

Del apndice XXIX:

Factores de conversin al sistema mtrico.

Radio de giro cm, rea cm2, mod. Seccin , m de inercia , peso/m .Nota #1. Las letras S X Y XX en la columna de cdulas indican estndar, extrafuerte, reforzado y super-reforzado, respectivamente.Nota #2. Los valores que aparecen en pies2 de rea transversal respresentan tambin en volumen en pies cbicos por pies lineal de tubera.

DimetroPulg.DimetroExteriorPulgNo. DecdulaEspesor de paredPulgDimetro interior Pulg.rea del metal enPulg.rea transversal internaMomento de inerciaPulg4Peso de tubera libras por piePeso del agua libras por pie de tuberaSup. Etx.Pie2 por pie de tuberaMdulo de seccinRadio giro Pulg.

Pulg2Pies2

1 1,66040s80x160xx,140,191,250,3821,3801,2781,160,896,6685,88151,10701,5341,4951,2831,057,630,01040,00891,00734,00438,1947,2418,2839,34112,2722,9963,7645,214,649,555,458,273,435,435,435.435,2346,2913,3421,41100,5400,5240,5060,472

22,37540s80x160x,154,218,343,4362,0671,9391,6891,5031,0751,4772,1902,6563,3552,9532,2411,774,02330,02050,01556,01232,6657,86791,1621,3113,6525,0227,4409,0291,451,45,97,97,622,622,622,622,5606,7309,9791,31100,7870,7660,7280,703

Tubera de 1 (nominal)

donde:

donde:Awn: rea logartmica media Dwn: dimetro logartmico medioDwn es calculado para ser usado en el clculo de la transferencia de calor. Tubera de 2 (nominal):

Dimetro equivalente para calor:

3.4. Coeficiente interno

Los fluidos se ubican siguiendo el siguiente criterio:

El mayor flujo msico debe discurrir por la mayor rea disponible. En este caso puesto que el benceno tiene mayor flujo msico ir por la mayor rea disponible en el tubo interno.

donde:k:conductividad del fluido

Para el benceno:

La conductividad trmica del fluido benceno:

AB

0,23444-0,00030572

La viscosidad del benceno:

ABC

7,5117294,68-2,794

Capacidad calorfica del benceno:

Entonces el nmero de Prandlt:

El nmero de Nusselt con la siguiente frmula:

Despejando:

3.5. Coeficiente externo

Para el tolueno:

La viscosidad del tolueno a la temperatura media:

ABCDE

-226,086805,737,542-0,0606531

El nmero de Prandtl:

En nmero de Nusselt:

3.6. Factores de ensuciamiento

Del Apndice LI (pg. 567) para lquidos orgnicos se tiene:

Factor de ensuciamientoo resistencia trmica de los depsitos e incrustaciones en los tubos

Agua (a 1m/s y temperaturas menores de 50C)

Destilada MarAgua de ro claraAgua de torre de enfriamiento sin tratarAgua de torre de enfriamiento tratadaAgua tratada para calderasAgua duraAgua de ro lodosa

Vapor de agua

Libre de aceitesProvenientes de mquinas

Lquidos

DowthermSalmuerasOrgnicosAceites combustiblesAlquitranesDeitanolamina y monoetanolamina

Gases

AiresVapores de solventesVapores refrigerantes

Incrustaciones en el tubo interno por afuera y por dentro.

3.7. Coeficiente total

(3.7)

donde:

:Coeficiente externo de pelcula, conveccin

: Coeficiente interno de pelcula, incrustacin

: Dimetro externo del tubo interno, espesor del tubo

: Dimetro medio logartmico del tubo interno, incrustacin

: Resistencia provocada por la suciedad o incrustacin externa

:Resistencia provocada por la suciedad o incrustacin interna

: Grosor del tubo interno

: Conductividad trmica de la pared del tubo

Reemplazamos valores:

3.8. rea

Despejando y remplazando valores

Siendo esta el rea externa del tubo interno

Longitud necesaria de tubera y nmero de tramos:

Para tubo de 1 :

3.9. Cada de presin del tubo interno

Del apndice LXV encontramos la rugosidad relativa:

0,0015Tubera de acero y hierro forjado de (Dimetro Nominal) y se obtiene:

Del Chemcad:

ABCD

1,02590,26666562,050,28394

Tubera recta: Se recomienda velocidades de 1 a 2 m/s:

Realizando una simulacin con el Aspen Hysys resulta:

Que comprobando los resultados, en la seccin de los tubos:

3.10. Cada de presin en el espacio anular

Del Chemcad:

ABCD

1,02590,26666562,050,28394

Luego tendremos que n=6 (cambia la direccin de las horquillas)

4. Resultado

Se requieren 7 tramos de 20 pies.

ANEXOS

Apndice LXIV

Apndice LXV

Apndice XXIX:

Factores de conversin al sistema mtrico.

Radio de giro cm, rea cm2, mod. Seccin , m de inercia , peso/m .Nota #1. Las letras S X Y XX en la columna de cdulas indican estndar, extrafuerte, reforzado y super-reforzado, respectivamente.Nota #2. Los valores que aparecen en pies2 de rea transversal respresentan tambin en volumen en pies cbicos por pies lineal de tubera.

DimetroPulg.DimetroExteriorPulgNo. DecdulaGrueso de paredPulgDimetro interior Pulg.rea del metal enPulg.rea transversal internaMomento de inerciaPulg4Peso de tubera libras por piePeso del agua libras por pie de tuberaSup. Etx.Pie2 por pie de tuberaMdulo de seccinRadio giro Pulg.

Pulg2Pies2

1 1,66040s80x160xx,140,191,250,3821,3801,2781,160,896,6685,88151,10701,5341,4951,2831,057,630,01040,00891,00734,00438,1947,2418,2839,34112,2722,9963,7645,214,649,555,458,273,435,435,435.435,2346,2913,3421,41100,5400,5240,5060,472

22,37540s80x160x,154,218,343,4362,0671,9391,6891,5031,0751,4772,1902,6563,3552,9532,2411,774,02330,02050,01556,01232,6657,86791,1621,3113,6525,0227,4409,0291,451,45,97,97,622,622,622,622,5606,7309,9791,31100,7870,7660,7280,703

Apndice LI

Factor de ensuciamientoo resistencia trmica de los depsitos e incrustaciones en los tubos

Agua (a 1m/s y temperaturas menores de 50C)

Destilada MarAgua de ro claraAgua de torre de enfriamiento sin tratarAgua de torre de enfriamiento tratadaAgua tratada para calderasAgua duraAgua de ro lodosa

Vapor de agua

Libre de aceitesProvenientes de mquinas

Lquidos

DowthermSalmuerasOrgnicosAceites combustiblesAlquitranesDeitanolamina y monoetanolamina

Gases

AiresVapores de solventesVapores refrigerantes