Diseño de Intercambiador de Coraza-tubo

17 / julio / 2015

PANAMÁ, REPÚBLICA DE

PANAMÁ

Ministerio de EducaciónUniversidad Tecnológica de PanamáFacultad de Ingeniería Eléctrica

Lic. En Ing. ElectromecánicaTransferencia de Calor

Proyecto Final

“Diseño de Intercambiadores de Calor de tipo Coraza y Tubo”

Desarrollado por:

González, Jaime [8 – 848 – 1684]Quintero, Juan [8 – 850 – 1686]

Quirós, Alex [8 – 865 – 693]Reynolds, Alexander [PE – 13 – 183]

Grupo:1 – IE – 143

Profesor:Ing. Delgado, Policarpio

I Semestre

http://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=7XD3X8VZhV1bKM&tbnid=gW18UNgt_LLYoM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.ch.utp.ac.pa/oferta-academica-de-pregrado&ei=P6A4U5GIKLagsQSL3IDoAg&bvm=bv.63808443,d.dmQ&psig=AFQjCNEXm2sU5o8MfBhD6zLVWeinMfr3iw&ust=1396306343535439

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Universidad Tecnológica de PanamáFacultad de Ingeniería Eléctrica


Profesor: Ing. Delgado, Policarpio

Resumen del Proyecto

En este trabajo se presenta la metodología para el diseño teórico y mecánico de un intercambiador de calor de tipo coraza y tubo. Para el desarrollo de esta metodología de diseño se tomaron en consideración las características del fluido de trabajo, que en este caso fue aire (fluido frio) y aceite vegetal (fluido caliente), los flujos, las temperaturas máximas y mínimas de operación, la corrosión permisible, los esfuerzos permisibles de los materiales, las condiciones del banco de prueba, entre otras variables de operación de los intercambiadores. Además se presentan algunas terminologías básicas pero importantes a saber sobre los intercambiadores de calor desde un margen de vista teórico. Igualmente todos los pasos a seguir y las consideraciones técnicas sobre el diseño, desde variables, incógnitas y fórmulas principales para el diseño de los mismos.

Proyecto final:“Diseño de intercambiadores de calor

de tipo Coraza y Tubo”


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Introducción

Existen muchos procesos de ingeniería que requieren de la transferencia de calor. Para este proceso se necesitan los intercambiadores de calor, los cuales se utilizan para enfriar o calentar fluidos. Por muchos años, el diseño de estos equipos ha sido un gran reto para los investigadores, debido a las exigencias del ahorro energético. Sin embargo con el pasar de los años se han ido descubriendo y presentando nuevas técnica de diseño de los mismos, que han favorecido su evolución y desarrollo dentro de la industria en general.

Los Intercambiadores de Calor son uno de los equipos más comunes encontrados en la mayoría de industrias. Existen varios tipos de intercambiadores de calor y actualmente alrededor del mundo se ofrece en el mercado varios diseños de estos. Sus orígenes radican en el estudio de la transferencia de calor y cantidad de movimiento como una forma necesaria para el aprovechamiento de energía. Es por esta razón, que científicos e ingenieros han investigado el funcionamiento, diseño y condiciones de su operación.

El objetivo principal de este proyecto fue proponer una metodología para diseñar un intercambiador de calor de tubo y coraza, con la finalidad de proveer una técnica sencilla de diseño de estos y que porque no, puedan servir para el auto equipamiento de laboratorios de clases y hasta de investigación relacionada con la aplicación de metodologías para diseñar y fabricar intercambiadores de calor, así como también para analizar el proceso de estos equipos, formando recursos humanos que tengan el conocimiento y la experiencia en el desarrollo de metodologías para desarrollar investigación y tecnología en el ámbito de la transferencia de calor y sus aplicaciones.

Otra finalidad es conectar los conceptos teóricos con la aplicación práctica para la formación profesional de todos como estudiantes y poder desarrollar habilidades que nos impulsen al buen desempeño como los futuros profesionales del mercado industrial.




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I. MARCO TEÓRICO

I.1 Intercambiadores de calor: Son equipos que permiten la circulación interna de fluidos a través de ellos

con la finalidad de transferir energía calórica por gradientes de temperatura. Esto se logra a través de un fluido calentador o un refrigerante. Este tipo de aparatos son ampliamente utilizados en todo tipo de industria, especialmente en la química y petroquímica. Estos equipos generan en las empresas ventajas competitivas debido al ahorro y uso eficiente de la energía que proporcionan, así como también a la disminución del consumo de agua en sus procesos de producción. Por lo tanto, para los diferentes escenarios y factores de trabajo que presentan estos procesos, existen diferentes tipos de intercambiadores.

Los factores de trabajo que se deben tomar en cuenta para la elección de un tipo de intercambiador dado el servicio que se necesite son:

Temperaturas de entrada y salido de trabajo. Estado físico de los fluidos. Presiones de las corrientes.

I.2 Condiciones principales de los intercambiadores de calor: Para la elección de un intercambiador de calor se debe tomar en cuenta: La

temperaturas de trabajo (especialmente la temperatura media logarítmica, que es la fuerza que impulsa la transferencia de calor en sistemas de flujo) y estado físico de los fluidos; presión de las corriente y sus pérdidas; acción corrosiva e incrustante, flujos volumétricos y espacio disponible para la instalación del equipo.

I.3 Variables de operación de intercambiadores de calor:Para el diseño de un intercambiador de calor es necesario conocer el tipo de fluidos

que van a circular tanto por los tubos como por la carcasa, sus temperaturas de entrada y salida, el caudal y la cantidad de calor trasferido. A partir de estas variables se pueden calcular cinco variables que son de gran importancia en los intercambiadores de calor. Estas son:

→ Coeficiente Individual de Transferencia de calor (h).




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Donde: - Q es la velocidad de transferencia de calor en kJ / h. - Ai, Ao son las superficies de transferencia de calor interna y externa

respectivamente en m2. - ∆ti, ∆to son las diferencias de temperaturas entre el fluido que circula

por el interior de los tubos y el fluido que pasa por el exterior de los tubos, es decir por la carcasa. Sus unidades son °C.

→ Coeficiente global de trasferencia de calor (U).

Donde: - A es la superficie total de transferencia de calor medido en m2. - ∆t es la diferencia de temperatura entre los dos fluidos en °C.

→ Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (LMTD). Para flujo paralelo:

Para flujo en contracorriente:

Donde:- T1 y T2 son las temperaturas de entrada y salida del fluido caliente

respectivamente. Estas se miden en °C. - t1, t2 son las temperaturas de entrada y salida del fluido frío

respectivamente. Sus unidades son °C.




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→ Diámetro Equivalente y Caída de presión en tuberías y a través de bancos de tubo.

Diámetro Equivalente:

Donde:- D1 es el diámetro exterior del tubo interior (m). - D2 es el diámetro interior del tubo exterior (m). - rh es el Radio hidráulico (m).

Caída de presión en tuberías

Donde: - D es el diámetro interior de la tubería medido en m. - fD es el Factor de Darcy (adimensional). - G es el flujo másico que circula por el tubo (kg / h m2). - L es la longitud del tubo en m. - n es el número de pasos por los tubos.- δ es la densidad en kg / m3




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I.4 Clasificación de los intercambiadores de calor: Los intercambiadores de calor de pueden dividir de la siguiente manera: Según el proceso de transferencia de calor:

→ Contacto directo→ Contacto Indirecto:

- Transferencia directa.- Transferencia con almacenamiento.- Lecho Fluido.

Según su construcción:→ Flujo cruzado→ Espiral→ Placas→ Superficie aletada→ Tubular:

- Doble tubo- Carcasa y Tubo

→ Regenerativo:- Estático- Dinámico

Según su compacidad:→ Compacto→ No compacto

Según disposición de fluidos:→ Paso Múltiple→ Paso único:

- Equicorriente- Contracorriente- Cruzado

Según mecanismo de transferencia de calor:




8Figura 1. Intercambiador de coraza y tubo.




→ Convección/Convección→ Convección/Cambio de fase→ Cambio de fase/Cambio de fase→ Convección/Radiación

Según su aplicación:→ Economizadores, Precalentadores, recuperadores.→ Hornos→ Generador de vapor→ Evaporadores, condensadores, torres de enfriamiento→ Colector solar→ Heat Pipe

I.5 Intercambiadores de Calor de Coraza y Tubo:

Son equipos compuestos por una carcasa cilíndrica en cuyo interior se dispone tubos de diámetro pequeño, en paralelo al eje del cilindro. En el interior de éstos últimos, circula un fluido a una temperatura, velocidad y presión determinada. Por su exterior, atraviesa un segundo fluido con diferentes propiedades físicas. En los extremos del paquete de tubos se encuentran los cabezales, que por su apropiada ubicación de las placas, obligan al fluido circular por el interior de los tubos.

Además cuenta con tabiques deflectores colocados en la carcasa, que permiten al fluido externo circular varias veces en posición perpendicular respecto al paquete de tubos. La finalidad de que haya más de una pasada es controlar la velocidad del fluido en los tubos y la carcasa, pudiendo aproximarse con más exactitud la temperatura entre los dos fluidos. Existe variedad de intercambiadores de calor tipo tubo carcasa. Estos son los más utilizados a nivel industrial debido a su fácil y eficiente funcionamiento. Estos equipos son de accesible mantenimiento ya que los cabezales pueden ser retirados para su limpieza y reparación.




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Existen varios diseños de este tipo de intercambiador de coraza y tubo como son:

→ Intercambiador de cabezal flotante interno: son los intercambiadores más utilizados en la industria ya que son fáciles de desmontar. Estos se encuentran compuestos por tubos de doble paso, cabezal flotante, desviadores transversales de flujo y placas de apoyo. Sus tubos pueden fácilmente expandirse con el cambio de temperatura. Además se puede variar las condiciones del fluido gracias a los desviadores ya que permiten un cambio en la velocidad del mismo en el casco. El flujo es contracorriente al inicio y final de los tubos mientras que en la mitad de estos se vuelve a favor de corriente

Figura 2. Intercambiador de cabezal flotante interno

→ Intercambiador de lámina y tubo fijo: posee espejos soldados a la coraza, los cuales sirven también como brida que sujeta a los cabezales del lado de los tubos. Asimismo, tienen una junta de expansión en la carcasa, lo que le ayuda a soportar la diferencia de temperatura. La velocidad de circulación del fluido dentro de los tubos se encuentra limitada debido a que es de un paso. Esto ocasiona además, que el coeficiente de transferencia de calor sea bajo. Su limpieza se ve limitada debido a la imposibilidad de apertura del casco.

Figura 3. Intercambiador de lámina y tubo fijo




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→ Intercambiador de cabezal flotante exterior: posee haces de tubos rectos y desmontables. Asimismo, tiene espejos flotantes y anillos de cierre hidráulico tanto en la coraza como en los tubos. Es la menos costosa en comparación a los intercambiadores que contienen las mismas características de tubos. Este tipo de modelo admite el movimiento del cabezal lo que facilita la limpieza interior del intercambiador. Su inconveniente es la necesidad constante de mantenimientos con el fin de prevenir las fugas y mantener el empaquetado.

Figura 4.Intercambiador de cabezal flotante exterior.

→ Intercambiador de cabezal y tubos integrados: este intercambiador consta de un haz de tubos en U, deflectores, cabezales y coraza. Su propiedad más importante es la capacidad de contracción y dilatación que pueden tener cada uno de los tubos. El haz de tubos es fácil de retirar de la coraza lo que permite una mejor limpieza. El inconveniente de este tipo de intercambiador es la dificultad de sustituir un tubo cuando este se encuentre dañado.

Figura 5 Intercambiador de cabezal y tubos integrados.




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→ Rehervidor de caldera: este tipo de intercambiador es utilizado para calentar líquidos. Por lo general se emplea como fluido caliente al vapor de agua para que este ceda calor a un fluido frío. El caudal del vapor se controla dependiendo a la necesidad de temperatura final. Una aplicación práctica de este tipo de intercambiador es en el proceso de destilación en cual se calienta a la mezcla líquida que va a ser destilada. Este se lo coloca en el fondo del destilador para lograr dicho proceso.

Figura 6. Rehervidor de caldera.

→ Condensador de flujo dividido: este tipo de intercambiadores tiene la propiedad de trabajar como condensador en su primera sección y como enfriador en su segunda sección. Además, posee un desviador central que se encarga de dividir el flujo en dos. El resto de desviadores llevan el flujo por los tubos para enfriarlo. En la industria su aplicación fundamental es como condensador de vapores ya que estos evitan las pérdidas de carga.

Figura 7. Condensador de flujo dividido




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II. DISEÑO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR TIPO CORAZA Y TUBO

Hoy en día existen muchos métodos para el diseño de intercambiadores de calor, en especial de tipo coraza y tubo. Para en nuestro caso especial explicaremos el método de diseño de Kern. Antes de empezar con el diseño, conozcamos un poco sobre este método.

En 1950 Kern presentó una importante aportación al diseño de intercambiadores de calor con el objetivo de mostrar un diseño único. En este se toma en cuenta factores de construcción, factores de ensuciamiento, diferencia de temperatura media logarítmica, y flujo de los fluidos por el lado de la carcasa y de la tubería. El método de Kern es utilizado hasta la actualidad y más conocido para el cálculo de intercambiadores multitubulares.

II.1 Principios básicos para el diseño de intercambiadores de corza y tubo.

Para el cálculo del intercambiador de calor se debe conocer los siguientes datos: En cuanto a los fluidos:

+ Temperatura de entrada y salida. + Capacidad Calorífica. + Densidad. + Conductividad térmica. + Flujo másico. + Viscosidad.

En cuanto a las tuberías:+ Caída de presión permisible. + Diámetro y longitud de la tubería. + Factor de ensuciamiento. + Conductividad térmica.

En cuanto a la carcasa:+ Número de pasos. + Arreglo y disposición de los tubos. + Espaciado entre los centros de los tubos (pt).




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II.2 Selección de fluidos:En un principio se pensó en el diseño del intercambiador de calor basado en el

fenómeno de transporte de calor entre agua (fluido frio) y aceite vegetal (fluido caliente), ya que este tipo instrumento es ampliamente utilizado en las diferentes industrias como la alimenticia, petrolera, entre otras. Sin embargo, por motivos de complicación en la viabilidad mecánica en la construcción de un intercambiador con estas características, se consideró el cambio del fluido enfriador a aire. La desventaja del cambio de fluido es la baja conductividad del aire (0,0864 KJ / h m °C) en comparación a la del agua (2 KJ / h m °C) Esto provoca un intercambio de calor más lento. Los fluidos del intercambiador de calor estarían ubicados en contracorriente.

II.3 Selección de los materiales del intercambiador de calor:

II.3.1 Tubería de cobre:El cobre es uno de los metales más importantes industrialmente. Es

un gran conductor de electricidad, es dúctil y posee una coloración rojiza. La tubería de cobre ha confirmado su reputación como material ligero, fuerte y resistente a la corrosión, con años de servicio. En la actualidad, el tubo de cobre es empleado para instalaciones hidráulicas, calefacción y acondicionamiento del aire. En el mercado se dispone de tubos en temples estirado y recocido, en una amplia gama de diámetros y espesores de pared.

Asimismo se encuentra con gran facilidad, accesorios prefabricados para cualquier aplicación de diseño. Las uniones son sencillas, confiables y económicas, lo que se traduce en grandes ventajas para la elección de tubería de cobre. Además, existen diversos tipos de tubería de cobre K, L, M o G.

Cada tipo representa una serie de diámetros con diferentes espesores de pared. El tubo tipo K tiene paredes más gruesas que el tipo L, y a su vez, esta posee paredes más gruesas que la M. Los diámetros interiores dependen del tamaño del tubo y del espesor de pared.

El tipo de tubería de tipo M es una buena elección, debido a sus propiedades físicas como son temperatura y presión a la que puede ser sometida, así como su resistencia a la corrosión y su facilidad para transmitir calor.




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A continuación se presentan tablas que indican las características de cada tipo de tubería:



Figura 9. Tipos y aplicaciones de tubería de cobre.

Figura 8. Tipos y aplicaciones de tubería de cobre.


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II.3.2Carcasa,

tanque de almacenamiento de aceite y flauta de distribución- acero al carbón:

El acero al carbón es una aleación formado principalmente de hierro, máximo de 1% de carbón, y otros elementos necesarios para su producción tales como silicio, magnesio e impurezas como azufre, fósforo, oxígeno e hidrógeno. Este es considerado el material más común utilizado en las plantas de procesos y equipos industriales.

El aumento del contenido de carbón en el acero produce un aumento de su resistencia a la tracción, un incremento del índice de fragilidad en frío y disminución de la tenacidad y la ductilidad.

En función de estas características investigamos los tipos de acero existentes, para conocer sus principales detalles:→ Acero dulce: Contiene porcentaje de carbón de 0,25%. Presenta una

resistencia mecánica de 48 - 55 kg/mm2 y una dureza de 135 - 160 HB.



Figura 9. .Dimensiones y características de tubería rígida de cobre.


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→ Acero semidulce: Posee 0,35% de carbón. Tiene una resistencia mecánica de 55 - 62 kg/mm2 y una dureza de 150 - 170 HB.

→ Acero semiduro: su porcentaje de carbón es de 0,45%. Tiene una resistencia mecánica de 62 - 70 kg/mm2 y una dureza de 280 HB.

→ Acero duro: El porcentaje de carbón que contiene es de 0,55%. Tiene una resistencia mecánica de 70 - 75 kg/mm2, y una dureza de 200 - 220 HB.

En función de esta información se decidió trabajar con acero de tipo dulce debido a su facilidad de dobles, es decir por su baja dureza, bajo contenido de carbón, y su buena resistencia mecánica.

II.3.3 Manguera de caucho y lona:El intercambiador de calor necesita de conectores que lleven el fluido

desde la flauta de distribución al inicio de los tubos dentro de la carcasa y del final tubería de cobre hacia el tanque de almacenamiento de aceite para permitir la recirculación.

El tipo de manguera de caucho y lona selecciona fue la multipropósitos ya que esta se encuentra en el mercado desde un diámetro de 3/16” (4,76 mm) hasta 2” (50,80 mm). Entre sus características principales esta su capacidad para soportar presiones de operación de 150 a 300 psi y una temperatura máxima de 90°C en el caso de que su utilización sea continua.

II.4 Selección de instrumentos adicionales:El sistema de intercambio de calor además de los componente básicos del

intercambiador tipo coraza y tubo, necesita de ciertos instrumentos adicionales que permiten su perfecto funcionamiento. Estos suelen ser:

II.4.1 Bomba de aceite: Se selecciona una bomba de engranajes de aceite de 1/8 HP para

impulsar el flujo de salida desde el tanque de almacenamiento de aceite hasta su retorno al mismo tras el paso de este por los tubos del intercambiador de calor. Su flujo es 700 kg / h.

II.4.2 Soplador de aire o blower:El blower es un instrumento que permite soplar aire a diferentes

velocidades, caudales y flujo. El blower seleccionado posee una potencia de 1/10 HP y genera un flujo másico de 350 kg / h.

II.4.3 Termómetros:




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Para poder hacer los controles adecuadas de la temperatura se emplean 5 termómetros digitales cuyo rango de medición van desde 0 °C hasta 300 °C.

II.4.4 Anemómetro:Es el instrumento empleado para medir el flujo de aire tanto a la

entrada como a la salida del intercambiador de calor.

II.5 Determinación de las temperaturas de diseño: Para la estimación de la temperatura se pueden realizar dos experimentos

con los fluidos iban a emplear. La prueba se realiza con el objetivo de conocer el rango de temperatura en los que se va a trabajar. Los fluidos ayudan a determinar este rango de variación que es posible alcanzar y una vez obtenido puede obtenerse como nueva variable el flujo másico del fluido caliente que es necesario ocupar para lograr el mismo rango de temperatura que el obtenido con otro fluido.

La prueba consiste en calentar el fluido caliente a 100 °C en un recipiente de acero quirúrgico. Posteriormente se coloca el recipiente dentro de otro que contenga agua a temperatura ambiente. Se toma las temperaturas iniciales de los fluidos y la variación de estas a través del tiempo (cada treinta segundos transcurridos) por los primero cinco minutos. De esta manera se puede apreciar el cambio de la temperatura entre los fluidos. La diferencia de los dos experimentos es el volumen de agua empleado. En el primer experimento el volumen del agua es igual al del fluido caliente, siendo estos de 950 ml cada uno. En el segundo experimento el volumen del agua era dos veces el volumen del fluido caliente, siendo 1900 ml y 950 ml respectivamente. En esta prueba realizada se puede apreciar que es posible disminuir la temperatura del fluido caliente de 90.6 a 80.5 ºC en un rango de tiempo de 30 s y la temperatura del agua varia en 39.6 ºC en este rango tomado.

Comparando los resultados de las dos pruebas se identifica que la desviación estándar entre los dos experimentos realizados con respecto al fluido caliente no presenta una gran variación como lo muestra en el agua. Esto se debe a que el volumen del fluido caliente es igual en los tres experimentos, mientras que del agua varió en relación 1 a 2, y 1 a ½ respectivamente. Es por esta razón que la temperatura del agua cuando el volumen es el doble presenta un menor incremento que cuando el volumen es igual al fluido caliente. Mientras que la temperatura del agua presenta mayor variación cuando el volumen es la mitad de la del fluido caliente. Este fluido caliente es aceite.

A partir de estas pruebas se pueden calcular los parámetros, como el calor, con la siguiente fórmula:




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Luego calculamos el flujo másico del aire:

Posteriormente se calcula la temperatura final del aire:

La prueba realizada con agua ayuda a determinar si es posible bajar la temperatura del aceite en 10 °C. Siendo este el objetivo que se desea alcanzar en un corto tiempo. A pesar que el calor específico del agua es mayor que el del aire, es posible teóricamente, conseguir la disminución de la temperatura del aceite en 10 °C como se desea. La diferencia entre el agua y el aire radica en el flujo másico que se necesita (impuesta por la potencia del blower) y la temperatura de salida del aire.

II.6 Dimensionamiento de un intercambiador de calor:A continuación se procede a realizar los cálculos basados en la metodología de

Kern, partiendo de los datos previamente establecidos. Los fluidos que se emplearon para el diseño de este intercambiador de calor fueron: como fluidos caliente aceite que circulará por el interior de la tubería y como fluido que va a enfriar, aire que fluirá por el interior de la carcasa.

Cálculos teóricos:




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1. Para el cálculo del calor utilizamos la fórmula siguiente:

2. La temperatura media logarítmica:




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3. Las temperaturas promedio:

4. Parámetros R y S, donde:

5. Factor de corrección para intercambiadores de 1-2:

6. La temperatura media efectiva:

7. El coeficiente global de transferencia:




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8. Área total del transferencia:

9. Superficie externa del tubo:

10. Número de tubos:

11. Área de la configuración de tubos:

12. Área total de los tubos en configuración triangular:

13. Diámetro mínimo de la carcasa:

14. Espacio de los deflectores:

15. Números de deflectores:

16. Corrección de espacio de deflectores:




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17. Número de cruces por el intercambiador:

18. Corrección del área de transferencia supuesta:

19. Coeficiente global de transferencia de calor supuesto:

Para la carcasa:20. Área de flujo de la carcasa:

21. Velocidad másica en la carcasa:

22. Diámetro equivalente:




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23. Número de Reynolds:

24. Número de prandalt:

25. Número de nusselt:

26. Coeficiente individual externo:

Para la tubería:27. Área de flujo por tubo:

28. Área total por tubos:

29. Velocidad de fluido por tubería:




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30. Número de Reynolds:

31. Número de prandalt:

32. Número de nusselt:

33. Coeficiente individual interno:

34. Corrección del coeficiente individual interno:

35. Cálculo de la temperatura de la pared interna:

36. Cálculo de la temperatura de la pared externa:




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37. Factor de corrección para la viscosidad de la carcasa:

38. Factor de corrección para la viscosidad de la carcasa:

39. Corrección de Coeficiente individual de transferencia de calor interno en tuberia:

40. Corrección de Coeficiente individual de transferencia de calor externo en carcasa:

41. Coeficiente de transferencia de calor limpio:

42. Factor de ensuciamiento interno y externo:

43. Coeficiente de transferencia de calor de diseño:

44. Área de transferencia de calor:




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45. Factor de fricción de Darcy para la carcasa:

46. Caída de presión en la carcasa:

47. Factor de fricción de Darcy para las tuberías:

48. Caída de presión en las tuberías:




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III. Descripción de un intercambiador de calor de coraza y tubos ya diseñado.

A continuación se da una breve descripción de los principales componentes de este equipo, ya diseñado:

Figura 10. Principales componentes del intercambiador de calor de tubo y coraza.

1. Coraza: Es la envolvente cilíndrica que contiene al arreglo de los tubos y a través de ella circula un fluido, tiene dos boquillas para la entrada y salida del fluido. El material seleccionado para este componente fue el acrílico, con la finalidad de visualizar el flujo del fluido.

2. Arreglo de los tubos: Los tubos proporcionan el área de transferencia de calor requerido. Se determinó un arreglo de tubos lisos, triangular de 30°, debido a que éste arreglo permite la mayor área de transferencia de calor.




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3. Espejos fijos: Son elementos circulares que sirven para soportar los tubos y separar los fluidos que circulan a través de los tubos y la coraza. También se utilizan como bridas, para unir el cabezal con la coraza.

4. Mamparas: Son placas circulares con un corte del 25%. Se utilizan para dirigir el fluido a través del arreglo de los tubos en el lado de la coraza. También funcionan como soportes para los tubos evitando hundimiento de éstos y daños por vibraciones.

5. Cabezal: El cabezal está compuesto por el canal y la tapa.

5.1 Canal: Es una sección tubular donde se ensambla la tapa semi-elipsoidal y la boquilla de entrada del fluido hacia los tubos.

5.2 Tapa semi-elipsiodal: Es la sección donde entra el fluido y éste se distribuye hacia los tubos. Los cabezales elipsoidales son los más utilizados y recomendados para diámetros pequeños.

6. Boquillas de coraza y cabezal: Son los conductos por los cuales entra y sale el fluido del intercambiador.

7. Bridas del cabezal: Son los elementos que unen al cabezal y los espejos.




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Conclusiones

1. Las condiciones que impone el diseño termodinámico del intercambiador de calor, o siempre son factibles de plasmar en el diseño mecánico. Para esto, es necesario tomar en cuenta la facilidad en manipular el material y su disponibilidad en el mercado Además, los intercambiadores de calor por lo general suelen poseer deflectores que ayudan al fluido que circula por el interior de la carcasa a tener mayor superficie de contacto con los tubos.

2. La eficiencia óptima de un intercambiador de calor requiere, de un buen diseño y una apropiada selección de los materiales para su fabricación. Para lograr esto, es conveniente contar con una metodología, puesto que la investigación científica se define como la serie de pasos que conducen a la búsqueda de conocimientos o desarrollo de proyectos científicos y tecnológicos aplicando métodos y técnicas. El método para el desarrollo del conocimiento científico es un procedimiento riguroso, de orden lógico, con el propósito de demostrar una teoría o resolver un problema práctico.

3. En las pruebas recomendadas se puede observar que existe una transferencia de calor. El fluido que gana calor es el aire y éste presenta una variación de temperatura alta mientras que el fluido que sede calor (aceite) muestra una variación de temperatura muy baja. Esto se debe principalmente al diseño mecánico del intercambiador.

4. El intercambio de calor también se puede ver afectado al cambiar un fluido por otro para el trabajo en el mismo. Esto se debe a que la conductividad térmica que presenta el primer fluido necesariamente no es igual respecto al segundo.

5. Existe una pérdida de calor al ambiente debido a condiciones en que el tanque de almacenamiento y calentamiento de aceite se encuentre descubierto en su parte superior ocasionando un aumento en la temperatura ambiental. De igual manera esto ocasiona que la temperatura de entrada del aire sea alta y el enfriamiento del aceite por los tubos sea mínimo.




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Recomendaciones

1. Para el calentamiento del fluido que circulará por las tuberías se recomienda el uso de una resistencia eléctrica, la cual por recomendaciones, se encuentre totalmente cubierta de aceite para evitar que se queme. Además conectarla a la corriente de 220 V ya que de esta manera calienta con mayor rapidez y se obtiene mayor disipación de calor en la misma permitiendo mayor calor para el calentamiento.

2. Las mangueras de lona y caucho a pesar de poseer un bajo coeficiente de conductividad, experimentan una pérdida de calor por lo que se recomienda cubrirlas con un aislante térmico similar al utilizado en el tanque, y carcasa.

3. El tanque de almacenamiento debería tratarse de colocar a una mayor distancia del sistema de intercambio ya que este provoca un calentamiento en el ambiente donde se trabaja y debería además poseer una tapa que reduzca esta pérdida de calor. Esta ganancia de temperatura en el medio ocasiona que el aire de entrada posea una temperatura elevada y se aprecia poco el fenómeno producido en cuanto a la disminución de temperatura del aceite.




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Referencias

American Society of Mechanical Engineers Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Div. 1, 2001, New York.

Saunders, E. A. D., 1988, Heat Exchangers Selection, Design y Construction, New York, John Wiley & Sons, Inc., pp. 3-83, 475-524.

Megyesy, E. F., 2001, Manual de Recipientes a Presión, 7ta. Ed., Editorial Limusa, México, pp. 13-25, 85-96, 98-104, 118-128, 140-160, 192-199, 237, 324-333.

Flores, González. R., 2007, Diseño, Fabricación y Validación Experimental de un Intercambiador de Calor de Tubo y Coraza, Tesis de Maestría, IPN, México.

Flores, González R., Aguilar, Osorio R., 2006, Diseño y Fabricación de Mamparas para un Intercambiador de Calor de Tubo y Coraza, 9º Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, IPN, México.

http://repositorio.uisek.edu.ec/jspui/bitstream/123456789/617/1/Proyecto%20de%20fin%20de%20carrera.pdf






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