TRANSFERENCIA DE CALOR

Ejercicio de diseño                                                                                      Julio 4 de 2019

TRANSFERENCIA DE CALOR

Luisa Fernanda Méndez Peñuela

María Fernanda Moreno Mora

Diseño para un intercambiador de calor

En el siguiente informe se realizará el diseño de un intercambiador de calor  para manejar 100 000 kg/h de metanol que entra al  equipo a 95 °C y se enfría hasta 40 °C de temperatura. Se utiliza agua como medio de enfriamiento, la cual ingresa a 25 °C y se caliente hasta alcanzar los 40 °C. Por requisitos del proceso  la caída de presión no debe superar los 10 psi. Para cumplir el objetivo se realizaron tres diseños diferentes que cumplieran los requisitos anteriormente mencionados. Para el diseño de cada equipo se usará como texto guía “Procesos de transferencia de calor, Donald Q. Kern, Trigésima tercera reimpresión”.

1. Intercambiador de tubos y coraza 1-2:

1. Paso 1: recopilar propiedades físicas y de transferencia de calor

Se considerarán las propiedades físicas de las sustancias:

Tabla 1. Propiedades físicas de cada sustancia.

El intercambiador será de tipo 1−2, es decir un paso por la coraza y dos pasos por los tubos con un arreglo cuadrado. Se decide en este diseño enviar por los tubos el agua y por la coraza el metanol ya que es una sustancia que no provoca ensuciamiento considerable.

1. Paso 2: se define la transferencia de calor

Se calcula la transmisión de calor del metanol como sigue:

[pic 1]

[pic 2]

Esta es la misma transmisión de calor del agua, luego su flujo másico es:

[pic 3]

Se calcula la diferencia media logarítmica de temperaturas de la forma:

[pic 4]

Tratándose de un intercambiador de coraza y tubos, se calcula  la correlación de las razones R y P de temperatura:

[pic 5]

Luego con estos dos valores obtenidos se halla Ft  con la siguiente ecuación:

[pic 6]

La diferencia de temperatura verdadera se halla por medio de un factor de corrección (Ft) usando la siguiente fórmula:

[pic 7]

Con esta información, la ecuación de diseño se pone de manifiesto.

1. Paso 3: Suponer un valor de coeficiente global Uo

Se debe considerar un valor de Uo. La tabla 8 del texto de referencia señala un valor de entre 250 y 500 BTU/h ft2 °F para fluido caliente metanol y fluido frío agua

.

[pic 8]

Figura 1. Valores aproximados de coeficientes totales para diseño.

Se considerará, tentativamente, el valor de 500 Btu/h ft2° F para iniciar con los cálculos, ya que es el mayor valor del coeficiente global de transferencia (UD) para lograr un área mínima. El área de transferencia  se calcula como:

[pic 9]

1. Paso 4: Seleccionar y calcular propiedades de tuberías y coraza

La tubería a usar en este intercambiador será de acero inoxidable. La tubería será de 10 BWG por lo tanto el diámetro interno será de 0,061 ft, y el diámetro externo de 0,083 ft. El lugar donde se debe instalar el equipo tiene una longitud de 16,4 ft, luego se dejarán los tubos de 4,9 ft de largo para tener espacio de trabajo y así poder extraer el haz de tuberías cuando se requiera hacerle mantenimiento. El área de superficie por cada tubo a estas condiciones es de 0,2618 ft2 /ft lineal (Valor tomado de la Tabla 10 – libro de referencia).

Así el número de tubos  será calculado de la siguiente manera:

[pic 10]

Dado que se utilizará un arreglo en cuadros el paso por los tubos será de 1,25 in, este valor indica la distancia que hay desde entre centros de los tubos. Se consulta en la tabla 9 del libro de referencia para  aproximar el valor de tubos según la cantidad de pasos que en este caso será de 2 pasos, el número de tubos para estas condiciones es de 518. Con este valor aproximado se recalcula el área de flujo verdadero:

[pic 11]

[pic 12]

Conociendo el valor de los tubos se revisa el diámetro que debe tener la coraza en la tabla 9 para tubos de 1 in de diámetro, arreglo en cuadro de 1,25 in el diámetro interno de la coraza será de 35 in.

1.  Paso 5: Determinar coeficientes de transferencia de calor

Para hallar el coeficiente de transferencia de calor por los tubos por donde irá como fluido el metanol primero se busca el área de flujo por cada tubo a 1 in de diámetro exterior que será de 0,421 in2  (Tabla 10- Kern), con este valor se podrá calcular el área total de flujo de la forma:

[pic 13]

Así, se calcula el flux másico (Gt)

[pic 14]

Ahora se calcula el número de Reynolds y el de Nusselt,

[pic 15]

[pic 16]

Teniendo estos valores se procede a calcular el coeficiente de película dentro del tubo y de igual manera el coeficiente de película corregido por área:

[pic 17]

[pic 18]

Estos valores también se pueden hallar por  medio de gráfica, sin embargo la resolucion no es muy buena porque lo que se puede generar  un mayor porcentaje de error. Para hacer una comparación se realizaron calculos con un coeficiente de  , este valor fué tomado de la figura 24 del libro de Kern.[pic 19]

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