diseo de or de calor de doble tubo 2

8/8/2019 Diseo de or de Calor de Doble Tubo 2

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DISEO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO

ALVARO JAVIER HERNANDEZ BAEZ1085918067

ANDRES FELIPE RUIZ MARTINEZ1040734975

PROFESOR: Jairo Ramrez

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIAFACULTAD DE INGENIERIA

DEPTO DE INGENIERIA QUIMICAMEDELLIN

2010


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RESUMEN

En este trabajo se desea disear y calcular un intercambiador para una empresaque requiere calentar Benceno hasta una temperatura requerida para llevar a cabosu procesamiento. Este se debe disearse de tal forma que ocupe el menor

espacio posible y este construido con elementos de fcil consecucin y bajo costo.El diseo bsico consta de un arreglo de tubos concntricos, por entre los cualesfluirn los lquidos en contracorriente, dos ts conectoras, un cabezal de retorno yun codo en U. El flujo msico para el cual se diseara el intercambiador estar deacuerdo con los requerimientos mnimos de abastecimiento normal para elproceso. Este trabajo se ocupara primordialmente de determinar el rea deintercambio necesaria para transferir calor, entre varios tipos de arreglos detubera, escogiendo as la que mas se acomode a las condiciones requeridas. Losclculos se desarrollaran utilizando el software MATLAB, dados los flujos msicosy las temperaturas de los fluidos.


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OBJETIVOS

Objetivo general

Disear un intercambiador de calor ptimo para calentar benceno de 15.6C a40C utilizando tolueno que se enfra de 80C a 50C con las mejores condicionesde operacin y un bajo costo.

Objetivosespecficos

- Realizar un recorrido bibliogrfico alrededor de los fundamentos detransferencia de calor en intercambiadores de tubos concntricos.

- Desarrollar habilidades para el diseo, y la planeacin para el correctoanlisis de operacin del intercambiador de calor.

- Calcular el calor cedido por el fluido caliente y ganado por el fluido frio.- Calcular el rea requerida para cada arreglo de tubera.- Calcular la cada de presin en el intercambiador de calor.


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MARCO TEORICO

Intercambiadoresdecalor

Son equipos para la transferencia de calor, donde normalmente no existencambios de fase. Estos equipos se clasifican segn su tipo de construccin y laconfiguracin de su flujo.

Existen muchos tipos de intercambiadores as como numerosas clasificaciones,las cuales pueden basarse en sus caractersticas fsicas, sus funciones y horassegn el proceso involucrado. A continuacin se presenta uno de losintercambiadores mas utilizados industrialmente para el intercambio de calor, elcual fue objetivo de estudio para este trabajo.

El intercambiador de doble tubo es el mas comn y consiste bsicamente en dostubos concntricos, a travs de los cuales se hace circular un fluido por la regin

anular y otro fluido por el tubo interno (ver figura 1).

Figura 1. Intercambiador de doble tubo

Ha sido usado durante muchos aos por su facilidad de construccin y capacidadpara trabajar a altas presiones y temperaturas. Hoy en da existen muchostamaos y tipos de intercambiadores de doble tubo, adems de varios tipos deaccesorios. Los metales con los cuales puede estar construido pueden seraceroinoxidable 304, acero al carbn y aleaciones de cobre y nquel, entre otros.

Para aumentar el rendimiento de estos equipos se colocan aletas sobre el tubointerno, aumentando as el rea de transferencia de calor y por ende, elintercambio de calor. Para los casos en los que es necesario utilizar unintercambiador de este tipo con dimensiones muy grandes (superior a las 18.6 m2o 200 ft2), es preferible usar un intercambiador de calor de tubos y coraza.


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PARTES QUE CONSTITUYEN UN INTERCAMBIADOR DE TUBOSCONCENTRICOS

La imagen industrial de un intercambiador de tubos concntricos, esta constituidapor tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubera interior se

soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a travsde una conexin roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las testienen boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluidodel anulo que cruza de una seccin a otra a travs de un cabezal de retorno, latubera interior se conecta mediante una conexin en U que generalmente estaexpuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor.

Se creo un algoritmo en MATLAB, mediante este se pudo dar solucin a dos tiposde problemas bsicos a los cuales nos enfrentamos antes de disear elintercambiador de calor, que fueron el rea de transferencia y la cada de presin

permitida.Se procedi al calculo del intercambiador teniendo en cuenta las ecuaciones dediseo reportadas en el libro Procesos de Transferencia de calor de Donald Kerny posteriormente para los clculos de Potencia se tuvo en cuenta las ecuacionesdel libro Fundamentos de transferencia de calor de Frank Incropera, con lo cualse obtuvo resultados para cada tipo de tubera segn el dimetro nominal, comotambin segn la longitud lineal de los tubos. Para la eleccin del modelo queservira para nuestros requisitos, se tuvo como criterio de seleccin el quepermitiera una eficiencia de transferencia mayor, pero que a su vez utilizara la

menor rea de transferencia.Al algoritmo se le especificaron ciertos parmetros necesarios como propiedadesde los fluidos a utilizar, dimetros de tubera, entre otros, los cuales fuerontomados del apndice del libro de Donald Kern.


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SELECCIN DEL INTERCAMBIADOR

Para el proceso de seleccin del intercambiador de calor se distinguieron tresetapas claramente definidas. En la primera se tomaron en cuenta consideracionesreferidas al tipo de intercambiador que se produce. En la segunda se obtuvieron

las propiedades de los fluidos en funcin de las variables conocidas y se calcul elrea A y el coeficiente global U. En la tercera etapa se eligi un intercambiadoradecuado para este caso particular, teniendo en cuenta el coeficiente global U, elrea de transferencia y las caractersticas de los fluidos de las corrientes. Acontinuacin se explicara en detalle las etapas realizadas para el desarrollo deltrabajo.

PrimerPaso: definir el tipo de intercambiador de calor

Lo primero que se determino al seleccionar el intercambiador fue el tipo deintercambio de calor que se deba producir en el equipo, ya que no se comportande igual forma un fluido que intercambio calor sin cambio de fase que un fluido queintercambia calor con cambio de fase, y de ello se deduce que el equipo en cadacaso ser diferente.

Los intercambiadores de doble tubo se sugieren mucho cuando la superficie totalde transferencia de transferencia de calor requerida es pequea, tomando valoresentre 100 ft2 (9.29 m2) a 200 ft2 (18.58 m2).Tenemos que algunas de las reas queresultan de la realizacin del algoritmo estn dentro de este rango, en cambiootras resultan por debajo o encima del valor de este rango. Podemos decir conseguridad que los resultados obtenidos se ajustan a lo esperado por tanto no esnecesario recurrir a un intercambiador de tubos y coraza, el cual se hace a partirde partes estndar, proporcionando superficies de transferencia de calor a bajocosto. Existe un acuerdo general en los intercambiadores de calor, en el cual seusa la disposicin de flujos a contracorriente. Solo en circunstancias realmenteexcepcionales se justifica tener los flujos en corrientes paralelas. Ya que hay mastransferencia de calor en el arreglo en contraflujo cuando no hay cambios de fase.


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Segundopaso:obtener propiedades de los fluidos, calcular Q,U y A.

Se establecieron configuraciones de tubos, con dimetros variables y secompararon entre si datos como coeficiente total de transferencia, reasrequeridas para intercambio de calor, cadas de presin, potencia requerida para

transportar el fluido.

Tercerpaso:elegir una configuracin (tipo de intercambiador) adecuada.

En esta etapa seleccionaremos el tipo de intercambiador que mejor se ajusta alservicio que nos interesa. Nos basamos exclusivamente en consideracionestcnicas y econmicas, que fijan la opcin ganadora en trminos de servicioprolongado y satisfactorio con menores costos inciales y operativos, adems secuenta con limitaciones de espacio, tipo de materiales del equipo, caractersticasde ensuciamiento, peligrosidad y agresividad qumica de las corrientes


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JUSTIFICACION DEL DISEO DEL INTERCAMBIADOR

Seleccin de fluidos que pasan por el tubo y por el nulo.

Se hizo circular fluido caliente por el anulo y el fluido frio por el tubo interiorteniendo en cuenta la relacin de reas de flujo, como tambin la condicin de queno hay flujo viscoso en la terminal fra y adems los rangos de Temperatura sonmoderados. Un factor que hay que tener en cuenta son las perdidas de calor conel ambiente, estas perdidas si bien es cierto, pueden disminuirse utilizandoaislantes trmicos (como lana de vidrio), las perdidas pueden ser menores alhacer circular el fluido refrigerante por el anulo, pues la temperatura es menor a olo sumo igual a la temperatura del ambiente, con lo que dara la posibilidad de queen lugar de existir flujo de calor desde el intercambiador hacia el ambiente, sepresente el fenmeno contrario, es decir, un flujo de calor desde el ambiente haciael intercambiador.

Materialesdeconstruccindelintercambiador.

En la construccin del equipo se puede utilizar materiales de fcil adquisicin en elmercado como lo son la tubera galvanizada, la tubera de acero A. S. T. M(tubera de acero negro) la que se utiliza en las lneas de vapor y los accesoriosnecesarios para efectuar las conexiones.

Para el cuerpo del intercambiador se utilizara acero al carbono sin costura A 179,debido a que si bien el acero posee una conductividad trmica mucho menor queel cobre (pues K=324 Kcal/m.C para el cobre y K= 38.a6 Kcal/m.C para el acero,

ambos a 100C) lo que redunda en una menor capacidad para transferir calor, sejustifica si se tiene en cuenta los precios de ambos materiales, adems se eligisin costura debido a que pueden haber fugas en los tubos con costura, y elbenceno es un material toxico y se deben tener medidas de seguridad.


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RESULTADOS

BENCENO

Ti =15.6 C (60F)

To = 40 C (104F)

m= 12000 lb/h (5450kg/h)

Tprom= 27.8C (82F)

TOLUENO

Ti =80C (176F)

To = 50C (122F)

Tprom= 65 C (149F)

De las graficas del libro de Kern se obtiene los siguientes datos:

Cpben= 0.41 BTU/lb. F

Cptolu= 0.45 BTU/lb. F

La transferencia de calor es:

q=m* Cpben *T= 216480 BTU/h

Para hallar el flujo msico del tolueno asumimos que el calor que gana el cenceoes igual al calor cedido por el tolueno. Entonces q=m* Cp tolu *T y despejando elflujo se tiene que el flujo msico del tolueno es m= 8908.6 lb/h.

Fluido Caliente Fluido Frio Diferencia

176F Alta Temperatura 104F 72F T2

122F Baja Temperatura 60F 62F T1

10F T2-T1

MDTL=

= 66.87F

Una comprobacin de ambas corrientes muestra que no hay flujo viscoso en lasterminales fras, as para el benceno 0.4


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Se halla las capacitancias C del benceno y del tolueno para saber cual es Cmin yel Cmax.

CT = mT*CpT = 4008.87 BTU/h. F

CB = mB*CpB = 4920.00 BTU/h. F

Se halla la eficiencia que es igual a:

qmax= Cmin*(Th,i Tc,i) = 425028.92 BTU/h.

= q/ qmax= 0.51

Para determinar el rea de transferencia empleamos el algoritmo en MATLAB y seobtuvo los siguientes resultados.

TUBO EXTERIOR TUBO INTERIOR

ARREGLO (in) IPS(in)

1 2 1_1/4

2 2_1/2 1_1/4

3 3 2

4 4 3

Los resultados para los coeficientes de conveccin, el coeficiente corregido y el

coeficiente total de diseo fueron los siguientes:

ho hi hio Ud

ARREGLO BTU/h.pie2.F BTU/h.pie2.F BTU/h.pie2.F BTU/h.pie2.F

1 339.91 248.64 206.70 102.25

2 154.35 270.89 225.20 77.40

3 175.31 143.76 124.85 63.63

4 183.08 78.10 68.46 45.31

Nota:Cabe destacar que los valores de jH, tomados de la fig. 24 con los valoresdel nmero de Reynolds para cada arreglo, no dependa de la longitud por lo tantolos coeficientes son los mismo en cada arreglo tanto para una longitud de 15 pies-lineales como 20 pies- lineales que fueron las longitudes con las que setrabajaron.


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Los valores de las reas de transferencia que se requieren por arreglo fueron:

rea Long. Requerida

ARREGLO Pie2 pies

1 73.33 168.58

2 96.87 222.70

3 117.83 189.43

4 165.47 180.45

El nmero de horquillas que se requieren por arreglo fueron:

N horquillas N horquillasARREGLO 15 ft-lineales 20 ft-lineales

1 6 5

2 8 6

3 7 5

4 7 5

La superficie suministrada en realidad para cada arreglo fue:

Superficie(pie2) Superficie(pie2)

ARREGLO 15 ft-lineales 20 ft-lineales

1 87.00 78.30

2 104.48 104.40

3 124.40 130.62

4 146.72 192.57


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El factor de obstruccin para cada arreglo fue:

Factor Obstruccin Factor Obstruccin


1 0.0038 0.0027

2 0.0030 0.0030

3 0.0037 0.0037

4 0.0051 0.0056

La cada de presin para cada arreglo fue:

TOLUENO

Cada de Presin(Psi) Cada de Presin(Psi)


1 24.52 27.18

2 3.49 3.47

3 3.01 3.53

4 3.75 3.87

BENCENO

Cada de Presin(Psi) Cada de Presin(Psi)


1 6.88 7.65

2 9.18 9.18

3 1.13 1.08

4 0.16 0.12


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GRAFICAS

Cada de presin para el Benceno:

Cada de presin para el Tolueno:

Como se puede observar las cadas de presin en el primer arreglo son muchomayores en el anulo, debido a que es el que tiene menor rea transversal, portanto cuanto mayor sea el rea transversal menor ser la cada de presin. Porotro lado aumentara el costo del equipo. Se tendr que optimizar el costo total queser igual a los costos de inversin ms los costos de operacin.


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La cada mxima permitida es de 10 Psi y vemos el arreglo 1 no esta en esterango, este necesitara mucha potencia para ser bombeado y las condicionestendran que ser en serie paralelo.

Coeficientes de conveccin para los fluidos y coeficiente total de diseo:

Segn la grafica la tendencia que se ve es que los coeficientes de pelculadisminuyen con forme se aumentan las reas transversales en los tubos debido aque se disminuye la turbulencia perjudicando la transferencia de calor.

Se ve que para los arreglos 1,3 y 4 el coeficiente de pelcula interno es menor queel externo y as el coeficiente total se ve mayormente influenciado por laresistencia interior (resistencia controlante).

Segn lo anterior se ve claramente que se va a necesitar mayor superficie para latransferencia de calor debido a la disminucin en el coeficiente total de diseo, y

as aumentaran los costos del equipo.


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SELECCIN DEL ARREGLO PTIMO

Segn los resultados obtenidos se puede decir que la mejor opcin esta entre losarreglos 2,3 y 4, puesto que el arreglo 1 no cumple con los requisitos al estar surea de transferencia por debajo del rango establecido para los intercambiadores

de doble tubo. Adems la cada de presin para las dos corrientes es muyelevada sobrepasando as el lmite establecido y lo cual se vera reflejado en unaumento en los costos de operacin.

Analizando en detalle los otros arreglos, no cabe duda que para nuestro objetivoprincipal el arreglo que se selecciona es el arreglo 2 el cual consta de una tuberade 2 * 1 y con una longitud de 20 pies- lineales puesto que esta es lalongitud mxima permitida para evitar que el tubo interior se flecte y no permita unflujo adecuado.

Los criterios que se tuvieron en cuenta para que este arreglo se lo considerara elmas adecuado fue porque tiene caractersticas ventajosas frente a los demsarreglos en cuanto a que los coeficientes de pelcula son ms altos y esto favoreceal crecimiento del coeficiente total de diseo, adems si vemos el factor deobstruccin, el arreglo 2 es el que menor valor tiene lo cual conviene para que elequipo no se deteriore tan fcil con el tiempo y se aada otra resistencia trmicaque ayude a disminuir la transferencia de calor. En cuanto a la cada de presinpara el benceno los tres arreglos mantienen un valor semejante y por debajo delvalor mximo permitido, razn por la cual este se convierte en un criterioirrelevante para la seleccin del arreglo optimo, sin embargo, si consideramos la

cada de presin para el Tolueno vemos que el arreglo 2 se encuentra endesventaja frente a los otros, puesto que su valor es alto comparado con losdems arreglos pero que no se sale del limite permitido. Esta desventaja frente alos otros arreglos se ve fuertemente compensada por el criterio de costos en cualse puede decir que su costo de adquisicin es menor que los arreglos con mayordimetro.

Ser un arreglo en serie con una longitud de las horquillas igual a 20 ft (6,1 m), 6mhorquillas, para una longitud efectiva de 73.2 m. El arreglo ser de la siguientemanera:


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CONCLUSIONES

- A la hora de seleccionar un intercambiador de calor existen varios factoresque influyen para realizar una adecuada seleccin entre ellosmencionaremos flujo de calor, tamaa, peso, cada de presin y economa.

- Los intercambiadores de tubos concntricos se utilizan cuando latransferencia de calor requerida no es muy alta, adems se hace a partir departes estndar, proporcionando superficies de transferencia de calor debajo costo.

- El coeficiente total de transferencia de calor depende de los coeficientes depelcula de cada fluido y estos a su vez dependen de la turbulencia y de supropia conductividad. A mayor turbulencia mayor es la transferencia decalor.

- En general al aumentar el dimetro de los tubos se disminuye el coeficientede transferencia de calor debido q que el fluido es menos turbulento, conesto se aumenta el rea requerida para la transferencia y se incrementanlos costos de inversin.

- La resistencia predominante para la transferencia de calor se encuentra dellado del fluido frio y por ello para lograr una mayor efectividad elintercambiador se debe actuar sobre esta resistencia para disminuirla, lo

cual se logra con la adicin de elementos que hagan crecer la turbulencia(pues se aumenta el h y por ende se disminuye la resistencia trmica).

- La cada de presin en las tuberas no debe exceder los 10 Psi debido aque los costos de operacin se incrementan, necesitando de bombas ydems equipos hidrulicos.

- Por lo general los intercambiadores de calor son de dimetro inferiores a 2pulg debido a la disminucin en los coeficientes de pelcula y mayorescostos.

- Una muy buena opcin al momento de la eleccin de un intercambiador esevaluar sus costos de operacin, esto ayuda a identificar entre variasopciones de diseo aquella que sea eficiente y adems de bajo costo.


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BLIBLIOGRAFIA

- KERN, Donald Q. Procesos de transferencia de calor. ED CECSA.Mexico.1995

- INCROPERA; Frank. Fundamentos de transferencia de calor. 4ta Edicin.ED. Prentice may. Mxico. 1999

- KARLEKAR, B.V, Transferencia de calor. 2da Edicin. ED Interamericana.Mexico.1985

- Plant Design and Economics, For chemical Engineers. 2da Edicin, 850psgMax S. Peters and Klaus D. Timmerhaus. ED Mc Graw Hill

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