Ingeniería Química

Universidad del Atlántico

2015Intercambiador de tubo y coraza

Transferencia de Calor II‘Memoria de cálculo’

INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA Inicialmente para el diseño del intercambiador de tubo y coraza, se deben tener en cuenta las siguientes propiedades de los fluidos:

Fluido caliente: T1, T2, Wh, Ch, Sh, μ, kh, Rd, ΔP Fluido frío: t1, t2, Wc, Cc, Sc, μ, kc, Rd, ΔP Fluido caliente: KerosenoWh: Flujo masico por la corazaT1 : Temperatura altaT2 : Temperatura bajaCh: Capacidad calorificaSh: gravedad especifcaKh: conductivdadμh :Viscosidad

Fluido frío: Aceite crudoWc: flujo masico por los tubost1: Temperatura Bajat2= Temperatura AltaCc:Capacidad calorificaSc: gravedad especifcaKc: conductivdadμc :Viscosidad

Los otros datos que deben conocerse son los correspondientes al arreglo del intercambiador:Coraza

Dc: Diametro interno B: Especiado de los deflectoesNumero de Pasos por la corazaN: numero de tubosC’: espaciado entre las superficies de los tubos

TubosNt: Numero de tubosL:Longitud de los tubosArreglo de los tubosn:Numero de pasos de los tubosBWGDE:Diametro exteriora t': Arela de flujo de los tubosPT:espaciado entre lso tubosAhora que se cuentan con todos los parámetros, se procede a seguir una serie de pasos que ayuden a encontrar la información requerida:

Paso 1. Inicialmente se hace el balance de calor en el intercambiador:Q=W h∗Ch∗(T1−T 2 )=W c∗C c∗( t2−t 1)

Ch: Capacidad calorifica del fluido de la coraza obtenida de temperature mas alta(T 1 ).C c: Capacidad calorifica del fluido de los tubos obtenidad a la temperature mas baja(t 1 ).Paso 2. Se calcula la temperatura verdadera con la MLDT porque los flujos son en contracorriente.

MLDT=(T1−t 2 )−(T 2−t1)

ln(T 1−t1T 2−t1 )

Paso 3. Posteriormente se procede a calcular el factor de corrección de la MLDT, dado por la siguiente fórmula donde es necesario conocer los factores S y R.Para un paso por la coraza y 2n pasos por los tubos (n=1,2,3,4..):

FT=√R2+1 ln [( 1−S1−RS )]

(R−1 ) ln2−S ¿¿¿

Dónde:S=

t2−t1T 1−t 1

;R=T1−T2t2−t1

Para dos pasos por la coraza y 2n pasos por los tubos (n=2,3,4..):

FT=√R2+1 ln [( 1−S1−RS )]

2 (R−1 ) ln( 2S−1−R+2 ( (1−S ) (1−RS ) )0,5

S+√R2+1

2S−1−R+

2 ( (1−S ) (1−RS ) )0,5

S−√R2+1 )

Se calcula la diferencia verdadera de temperaturaΔt:∆ t=FT∗MLDTPaso 4. Se procede a calcular las temperaturas Caloricas de los fluidos para establecer sus propiedades.

T 1(Temperatura alta en la coraza)T 2((Temperatura baja en la coraza)t 1((Temperatura baja en la tubo)t 2((Temperatura alta en la tubo)Buscar ,μ,ρ,cp a las temperaturas К T 1y T 2 para el fluido que pasa por la coraza.Buscar ,μ,ρ a las temperaturas К t 1y t 2 para el fluido que pasa por la coraza.Calcular Reynolds:Para la coraza:ℜT 1

=D¿

μT1ℜT2

=De∗¿G s

μT 2¿¿

Para el tubo:ℜt1

=Di∗¿G t

μ t1ℜt 2

=D i∗¿Gt

μt 2¿¿

Calcular PrPara la coraza:PrT1

μT 1cpT1К T1

,PrT2μT2cpT 2КT2

,

Para el tubo:Pr t1

μt 1 cpt1К t 1

,Pr t2μ t1cpt 1К t1Calcular factor de f

Cuando es laminarPara la coraza:f T1=

16ℜT 1

, f T 2=16ℜT 2

,

Para el tubo:f t1=

16ℜt 1

, f t 2=16ℜt 2Cuando es turbulento

Para la coraza:f T1=0,0014+

0,125

ℜT 1

0,32f T2=0,0014+

0,125

ℜT 2

0,32

Para el tubo:f t1=0,0014+

0,125

ℜt 1

0,32f t2=0,0014+

0,125

ℜt 2

0,32

Calcular nusseltCuando Re<2300 Nu=4,36Cuando Re>2300:

Para la coraza:NuT1=

( f T18 )∗ℜT 1∗PrT1

1,07+900ℜT 1

−0,63

(1+10∗PrT1 )+12,7∗( f T18 )

0,5

∗(PrT12 /3−1)

NuT2=( f T 28 )∗ℜT2

∗PrT 2

1,07+900ℜT 2

−0,63

(1+10∗T 2)+12,7∗( f T28 )

0,5

∗(PrT 223−1)

Para el tubo:Nut1=

( f t 18 )∗ℜt1∗Pr t 1

1,07+900ℜt1

−0,63

(1+10∗Pr t1 )+12,7∗( f t18 )

0,5

∗(Pr t123−1)

Nut2=( f 28 )∗ℜt2

∗Pr t 2

1,07+ 900ℜt2

− 0,63

(1+10∗Pr t2 )+12,7∗( f t28 )

0,5

∗(Pr t 223−1)

Se calcula hPara la coraza:hT 1=

NuT 1De

∗КT1hT 2=

NuT 2De

∗КT2

Para el tubo:ht 1=

Nut1Di

∗К t 1∗Di

DEht 2=

Nut2Di

∗К t 2∗Di

DE

Calcula U hyU c

U h=( 1hT 1+ 1ht2 )−1

U c=( 1hT 2 + 1ht1 )−1

Calcula KcK c=

U h−U c

U c

Calcular rr=T 2−t 1T 1−t 2

Se calcula FcFc=

( 1Kc )+ rr−1

1+ln (Kc+1)ln (r)

− 1Kc

Calcular las temperaturas calóricas Para la coraza:T c=T2+Fc∗(T 1−T 2 )Para el tubo:t c=t1+Fc∗(t 1−t 2 )

Paso 5. En este paso se calculan las áreas de flujo de la coraza y los tubos.*Se toman como nuevos subíndices la letra s para denotar coraza y t para tubo* Área de flujo de la coraza:

as=Dc∗C' B144 PT

Donde C’=Pt-DE Área de flujo por el lado de los tubos:

at=¿

Número detubos∗Área deflujo /tuboNúmero de pasos

=N∗at '144 n

¿

Paso 6. A partir de las áreas de flujo del tubo y la coraza, se pueden calcular los flux másicos por ambas configuraciones:

Por la coraza:Gs=

W h

as

Por los tubos:Gt=

W c

at

Paso 7. Se calcula el número de Reynolds para ambas sustancias Por la coraza:

ℜs=DeGs

μTc

Por los tubos:ℜt=

DiGt

μtc

Paso 8. Del mismo modo con las temperaturas caloricas, se ubican los valores de Ch, Kh, Cc, Kc para calcular de ho y hio:Paso 9. En este paso se calcula el coeficiente corregido a partir de:Se calcula el Factor de friccion para el lado del tubo y la coraza:Cuando es laminar

f s=16ℜs

f t=16ℜtCuando es turbulento

f s=0,0014+0,125

ℜs0,32

f t=0,0014+0,125

ℜt0,32Se calcula el nusselt:

Nus=( f s8 )∗ℜs∗Pr s

1,07+ 900ℜs− 0,63

(1+10∗Prs1 )+12,7∗( f s8 )

0,5

∗(Prs2 /3−1)

Nut=( f t8 )∗ℜt∗Prs

1,07+ 900ℜt− 0,63

(1+10∗Prs1 )+12,7∗( f t8 )

0,5

∗(Prs2 /3−1)

Pr=C∗uk

Se calculan los valores de hPor la coraza:ho=

Nu sDe

∗Кh

Por los tuboshio=

NutDi

∗К c∗Di

DE

Paso 10. Con los coeficientes anteriormente calculados, se halla el valor de las temperaturas en las paredes del tubo, dado por la siguiente fórmula: tw=t c+

hohio+ho

(T c−t c)

Para ésta temperatura en los tubos, se procede a buscar la viscosidad de ambas sustanciasPaso 11. Ahora se puede obtener el coeficiente CorregidoEl coeficiente corregido:

hoic=hio∗ϕt=¿

Paso 12. Se calcula el coeficiente total limpio, denotado como Uc y dado por la fórmula:U c=

hoichohoic+ho

Paso 13. Se procede a calcular el coeficiente total de diseño U D, obteniendo la superficie externa de la tabla 10 (Kern)del valor de la superficie externa, la longitud de los tubos y el número de tubos.Superficie total de transferencia de calor A:

A=a ’’∗L∗N

U D=QA Δt

= 5000000662∗135,915

Paso 13. Se calcula el factor de obstrucción Rd:Rd=

U c−U D

U c∗UD

Como podemos ver, el valor calculado del Rd excede al valor requerido, por lo tanto se puede seguir con el procedimiento de cálculo ya que una de las condiciones es:Rdcalculado≥ RdrequeridoPaso 14. Contando con los requerimientos anteriores, se puede proceder a calcular la caída de presión:

Número de cruces: N+1=12 L

B=12∗16

5=39

Lado de la coraza:ΔP s=

f Gs2D s(N+1)

5.22∗1010De sϕs

Lado de los tubos:

ΔP t=f Gt

2D s ln

5.22∗1010Dsϕs

ΔP t=

4ns

∗V 2

2 g

Presión total:ΔPT=ΔP r+ΔPt