Calculo de equipos de intercambio de calor
Enviado por Alan Carrasco Carballo • 13 de Abril de 2017 • Ensayos • 2.803 Palabras (12 Páginas) • 266 Visitas
Caso de estudio.[pic 1]
Use the Bell-Delawere method to calcule the Shell-side heat-transfer coefficient and pressure drop for the cooling of a light hydrocarbon are as follows: [pic 2] , [pic 3], [pic 4], [pic 5], [pic 6] . The dimensions and internal configurations for the shell and tube heat exchanger are listed below:
Inside tube diameter | Di=0.0206m | Baff thickness | tb=0.005m |
Outside tube diameter | Do=0.0254m | Diametral Clearanes | |
Inside shell diameter | Ds=0.54m | Tube-to-baffle | Δtb=0.0008m |
Tube pitch (square) | Pt=0.03175m | Shell-to-tube | Δsb=0.005m |
Shell length | Ls=4.267m | Bundle-to-shell | Δb=0.035m |
Number of tubes | Nt=158 | Sealing strips/cross-flowrow | Nss/Nc=0.2 |
Baffle spacing | LB=0.127m | Number of tube passes | N=4 |
En primera etapa considerando los datos proporcionados por el caso de estudio observamos que el dato dela viscosidad es muy pequeño, obteniendo datos para crudos ligeros del manual de ingeniero químico, se observó que el rango de viscosidad para crudos ligeros anda en el orden de 1 a 30 cp, lo que indica alrededor de un orden de 10-4 en Pa.s por lo que se decido corregir el valor propuesto por el problema a 4*10-4.
[pic 7]
Fig. 1. Ejemplificación del equipo de intercambio de calor para un sistema de tubos y coraza.
Resolución por el método de Bell-Delawere.
- Calculo del coeficiente de trasferencia de calor por la carcasa.
Para este método en primera instancia calculamos el área de trasferencia de la coraza, termino teórico que nos da la idea de un área dentro de la coraza por donde circula el fluido dentro de la misma. Para este cálculo se considera un flujo cruzado para el fluido en la coraza idealmente hablando, además para este caso como se calcula el área de flujo no da importancia al tipo de arreglo (triangular o cuadrado) ya que solo considera los espacios por donde atraviesa el fluido, en la figura 2 podemos ver la ruta que se indica como “cross flow” que indica por donde fluye idealmente el líquido, además podemos observar una vista de los espacios por donde circula indicado en la ruta B.
[pic 8][pic 9]
Fig. 2. Ejemplificación de la circulación del flujo dentro de un intercambiador de calor, indicando los diversos tipos de fugas dentro del mismo equipo, siendo la ruta B la ruta ideal de flujo.
De la ecuación propuesta por este método se observa a continuación:
[pic 10]
de donde se analizan los siguientes los términos que involucra:
LB: se define como el espaciamiento entre deflectores y si es por decir la longitud entre cada uno de los pasos del equipo, si observamos desde arriba esta sección del equipo como se puede denotar en la figura 3 esta distancia nos dice lo largo de cada uno de los pasos por donde circula el líquido.
Ds-DOTL: al ser multiplicado nos indica el área que hay a los extremos del último tubo y la pared de la coraza, en la figura 3 se nombra esta región como “window zone”
El último término de la ecuación nos indica las áreas de flujo del líquido entre los tubos, ya que relaciona el espacio entre cada uno de los tubos y la distancia con respecto al último tubo en relación al pitch que nos indica el número de tubos en este equipo.
[pic 11]
Fig. 3. Corte longitudinal de un equipo de un equipo de intercambio de calor, mostrando los espacios por donde pasa el fluido.
Para este cálculo el particular de este caso de estudio obtenemos lo siguiente:
[pic 12]
Posterior a esta etapa calculamos una idealización teórica de una velocidad lineal de flujo considerando el área calculada en la etapa anterior, pero esta velocidad son solo un dato teórico para el cálculo del Reynolds del proceso, en la siguiente ecuación se involucra el flujo másico del caso de estudio la densidad del crudo ligero y el área ideal teórica calculada.
[pic 13]
Para este caso en particular se obtiene el siguiente valor:
[pic 14]
Continuando con el método se calcula en Reynolds que se calcula en función a los tubos internos debido a que los cálculos de áreas se han hecho normalizado a este valor, como se muestra a continuación:
[pic 15]
Para este caso en particular se obtiene el siguiente valor:
[pic 16]
Con este dato y la relación entre el Pt/Do=1.25 de la tabla 14.1 del texto consultado, ver anexo, obtenemos para este caso los siguientes valores de las constantes para el cálculo de coeficiente ideal de transferencia de calor en la coraza:
a = 0.211 y m = 0.651
Simultáneamente calculamos el Prant para este sistema líquido de la siguiente manera:
[pic 17]
Con los datos anteriores se calcula el coeficiente de trasferencia de calor ideal para el proceso mediante la siguiente expresión:
[pic 18]
En dicha expresión se observan dos factores de corrección los cuales se definen como:
F1: es el factor de corrección con respecto a la viscosidad en el fluido y la viscosidad de la pared, para este caso en particular esta relación es 1.0 debido a que se define al inicio del caso que la viscosidad se mantiene constante.
F2: es el factor de corrección en función al número de filas de tubos en el equipo, para este caso podemos observar que tenemos 158 tubos y si dividimos la relación entre el Pt y el diámetro de la coraza obtenemos un aproximado máximo de 12 tubos por fila y al tener 158 tubos se obtienen más de 10 filas por lo que el valor de F2 es de 0.99.
Con los datos anteriores se obtiene el siguiente valor del coeficiente de trasferencia de calor por la coraza:
[pic 19][pic 20]
Pero como se delimito al inicio este es un coeficiente de trasferencia de calor ideal, en esta metodología se define tres factores de corrección para obtener un valor real considerando todas las rutas de flujo que se observan en la figura 2, siendo la corrección como se observa en la siguiente expresión:
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