DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

Juan Camilo Esquivel Villamarin

Se desea diseñar un intercambiador de calor de tubos concéntricos que cumpla con los siguientes requerimientos: 150.000 lb/h de la mezcla metanol-etanol 50%/50% desde 120 °F hasta 80 °F usando agua para enfriamiento. Las pérdidas de presión no deben ser superiores a 12 psi para cada corriente.

A continuación, se presenta el modelo de cálculo para este intercambiador con las condiciones requeridas y las suposiciones, para el diseño exitoso.

Suposiciones.

• Se considera que el agua de enfriamiento que se va a utilizar proviene del acueducto de Bogotá e ingresa a el intercambiador a 13°C (55° F), el agua sale del mismo a una temperatura de 35°C (96 °F) el cual es una temperatura permitida para poder transportar el agua al alcantarillado de Bogotá.  
• Debido a que es agua la que se utilizara para enfriar la mezcla, esta ingresara por los tubos del intercambiador y la mezcla ira por la coraza. El diseño de intercambiador de coraza es AFS
• Los tubos son de acero al carbón BWG 16 y su longitud son de 23 ft, la tabla 1 especifica los diámetros del tubo y de la coraza del diseño exitoso. Pitch 1 y configuración cuadrada.

Tabla1. Especificación tubería del intercambiador de calor

Se partirá del diseño termodinámico y se finalizará con el diseño hidráulico.

• Para ambos diseños se necesitan propiedades tanto del agua como de la mezcla que se especificaran en la tabla 2.

Tabla2. Propiedades de ambos fluidos

• Se calcula el Q por medio de la primera ley de la termodinámica y con el fluido de la mezcla.

[pic 1]

[pic 2]

[pic 3]

• Para determinar la masa del agua se parte de la misma ecuación, pero con el fluido del agua.

[pic 4]

[pic 5]

• Para calcular Pr de la mezcla y el agua.

[pic 6]

 mezcla                                                                                                   Agua                                                     [pic 7][pic 8]

• Temperatura media logarítmica

[pic 9]

[pic 10]

 °F[pic 11]

• Corrección LMTD

ta=Temperatura de entrada tubo   55°F

tb=Temperatura de salida tubo        96°F

Ta=Temperatura de entrada de coraza      120°F

Tb=Temperatura de salida coraza       80°F

N=Pasos por coraza 2

[pic 12]

[pic 13]

[pic 14]

[pic 15]

[pic 16]

[pic 17]

F=0.87

• Estimar Ud

• 120 [Btu/h °F ft²]

• Calcular hi (tubos-agua)

• Calcular área requerida

[pic 18]

[pic 19]

A=1441,9 ft^2

• Calcular número de tubos

[pic 20]

[pic 21]

• Calcular Reynolds y velocidad en función del número de pasos.

[pic 22]

[pic 23]

[pic 24]

[pic 25]

[pic 26]

[pic 27]

Se escoge el mayor número de pasos para esta configuración, y se multiplica por la velocidad r Reynolds obtenido

np=6

[pic 28]

 ft/s[pic 29]

La velocidad es aceptable ya que el rango es de 3 a 8 ft/s

Nos dirigimos a la tabla C.3 con diámetro de ¾, un pitch de 1, configuración cuadrada y un numero de tubos de 319.

El número real de tubos es de 344 con un diámetro de coraza de 25 in.

• Calcular U requerido

[pic 30]

[pic 31]

[pic 32]

• Reynolds real

[pic 33]

[pic 34]

[pic 35]

• Hi

[pic 36]

[pic 37]

[pic 38]

[pic 39]

Con un Bc=0.4 y un B/ds=0.35

[pic 40]

[pic 41]

[pic 42]

• Estimas [pic 43]

[pic 44]

Debido a que Do < 1.25 y 2*B <3 ft

• Calcular [pic 45]

[pic 46]

       [pic 47]

• Ds-Dotl

Ds-Dotl=35.48 mm       1.397 in

• Dotl

Dotl =25-1.397=           23.603 in

• Dctl

Dctl =23.603-3/4=        22.853 in

• Coeficiente externo ho
• Hallar Sm

[pic 48]

[pic 49]

Sm=62.21 in^2       0.4320 ft^2

• Hallar [pic 50]

[pic 51]

[pic 52]

[pic 53]

• Hallar Fc

[pic 54]

[pic 55]

[pic 56]

• Hallar Stb

[pic 57]

[pic 58]

[pic 59]

• Hallar [pic 60]

[pic 61]

[pic 62]

[pic 63]

• Hallar Ssb

[pic 64]

[pic 65]

 in^2[pic 66]

• Hallar Sb

[pic 67]

[pic 68]

[pic 69]

• Hallar Fw

[pic 70]

[pic 71]

[pic 72]

• Hallar Sw

[pic 73]

[pic 74]

[pic 75]

• Hallar G

[pic 76]

[pic 77]

• Hallar Re

[pic 78]

[pic 79]

[pic 80]

• Hallar factor j

Debido al que el Reynolds es de 15558 y la distribución es cuadrada se tomaran los valores de 10^5- 10^4 para hallar j.

a1=0.370

a2=-0.395

a3=1.187

a4=0.370

Pt/Do= 1.3333

[pic 81]

[pic 82]

[pic 83]

[pic 84]

[pic 85]

[pic 86]

• Hallar ho ideal

[pic 87]

[pic 88]

• Hallar Factor corrección Jc

[pic 89]

[pic 90]

[pic 91]

• Hallar factores JL y RL

[pic 92]

[pic 93]

[pic 94]

[pic 95]

[pic 96]

[pic 97]

[pic 98]

[pic 99]

[pic 100]

[pic 101]

[pic 102]

[pic 103]

[pic 104]

[pic 105]

[pic 106]

• Hallar factores RB y JB

[pic 107]

= Para distribución cuadrada es el mismo pitch para la triangular es el pitch por el coseno 30 [pic 108]

...