Intercambiadores de Calor

Transferencia de Calor y RefrigeracinIntercambiadores de Calor

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CONTENIDO

1. Introduccin2. Antecedentes3. Realidad problemtica4. Objetivos4.1. Objetivos generales4.2. Objetivos especficos5. Desarrollo5.1. Intercambiadores de calor5.1.1. Definicin5.1.2. Tipos5.2. Intercambiador de calor de cascos y tubos5.2.1. Partes del intercambiador de calor de cascos y tubos6. Resultados7. Conclusiones8. Recomendaciones9. Anexos

1. Introduccin:El equipo para transferencia de calor es esencialmente usado en todas las industrias de proceso, y el ingeniero debe estar familiarizado con los diferentes tipos de equipo empleados para esta operacin. Aun cuando pocos ingenieros estn involucrados en la fabricacin de intercambiadores de calor, muchos ingenieros estn directamente comprometidos con la especificacin y adquisicin de equipos de transferencia de calor. Entonces son de gran importancia para estas personas las consideraciones de diseo de procesos, ya que deben decidir cul unidad de equipo es mejor para un proceso dado.

Los modernos intercambiadores de calor van desde los intercambiadores simples de tubos concntricos hasta complejos intercambiadores con cientos de metros cuadrados de rea de calentamiento. Entre estos dos extremos se encuentran el intercambiador convencional de casco y tubos, intercambiadores con tubos de superficie extendida, intercambiadores de placas, hornos y muchas otras variedades de equipo.

Una inteligente seleccin de equipos de transferencia de calor, requiere un entendimiento de las teoras bsicas de la transferencia de calor y los mtodos para clculos de diseo, en adicin los problemas relacionados al diseo mecnico, fabricacin, y operacin deben no ser descuidados. Una revisin de la teora de transferencia de calor y mtodos de clculo para diseo son presentados en esta obra, junto con un anlisis de los factores generales que pueden ser considerados en la seleccin de equipo de transferencia de calor.

La determinacin apropiada de coeficientes de transferencia de calor es necesaria para clculos de diseo en operaciones de transferencia de calor. Estos coeficientes muchas veces pueden estimarse sobre la base de pasadas experiencias, o ellos pueden calcularse a partir de ecuaciones tericas o empricas desarrolladas por otros profesionales comprometidos en esta rama. Muchas ecuaciones semi-empricas para la evaluacin de coeficientes de transferencia de calor han sido publicadas. Cada una de estas ecuaciones tienen sus limitaciones y el ingeniero debe reconocer de facto que estas limitaciones existen.

2. Antecedentes:El mecanismo normal para la transferencia de calor en condensadores comerciales es la condensacin tipo pelcula. La condensacin tipo gota proporciona altos coeficientes de transferencia de calor, pero es impracticable; y no es considerada como una propuesta prctica para el diseo de condensadores para propsitos generales.

La ecuacin bsica para la condensacin tipo pelcula fue derivada por Nusselt (1916), y es su ecuacin la base para diseo prctico de condensadores. En el modelo de Nusselt se asume flujo laminar y condensacin tipo pelcula, y la transferencia de calor se asume que se realiza enteramente por conduccin a travs de la pelcula. En condensadores prcticos, el modelo de Nusselt ser estrictamente aplicable solamente a bajas velocidades de lquido y vapor y donde el flujo de le pelcula de condensado no es obstruido. Puede inducirse turbulencia en la pelcula de lquido con altas velocidades del lquido. Y mediante altas velocidades del vapor. Esto generalmente incrementar la velocidad de transferencia de calor sobre los valores precedidos usando el modelo de Nusselt.

La energa puede transportarse entre dos puntos en forma de calor, para lo cual se requiere que estos puntos estn a diferentes temperaturas. Los dos puntos pueden estar situados en distintas partes del mismo elemento o en cuerpos diferentes. El flujo de energa calorfica es siempre en la direccin del punto (o cuerpo) de alta temperatura llamado tambin fuente hacia el punto (o cuerpo) de baja temperatura o receptor.

En muchos casos, el intercambio ocurre por una combinacin de dos o ms de estos mecanismos. Cuando la velocidad de transferencia de calor permanece constante y no es afectada por el tiempo, el flujo de calor es denominado a estar en un estado estacionario; un estado no estacionario existe cuando la velocidad de transferencia de calor a cualquier punto varia con el tiempo. La mayora de operaciones industriales en las cuales est involucrada la transferencia de calor son llevadas a cabo bajo condiciones de estado estacionario. Sin embargo las condiciones de estado no estacionario son encontradas en los procesos batch, enfriamiento y calentamiento de materiales tales como metales o vidrio y ciertos tipos de procesos de regeneracin y activacin.3. Realidad Problemtica:Los procesos industriales, en su mayora involucran la transferencia de calor, ya sea mediante el contacto directo de las sustancias o a travs de paredes que los separan.

La transferencia de calor mediante el contacto directo de las sustancias entre otros equipos se realiza en los hornos en donde los gases calientes producto de la combustin de un combustible especfico transfieren calor a los slidos. Estas operaciones son comunes en el tratamiento de minerales y en la produccin de harina de pescado mediante el secado directo.

La transferencia de calor en forma indirecta, se efecta cuando la sustancia caliente con la sustancia fra no estn en contacto y existe una pared que los separa y a travs de la cual se transfiere el calor, tal como en el secado indirecto de harina o en el suministro de calor para la ebullicin en el fondo y la condensacin en el tope de una columna de destilacin.

Cualquiera que sea el caso de los vistos anteriormente, estos involucran dos tipos de procesos sin cambio de fase (transferencia de calor sensible) y con cambio de fase (transferencia de calor latente).Hoy en da en nuestro pas se cuenta con muchas empresas que tienen procesos de calor y en estos, estn muchas veces involucran el vapor es por la cual las empresas se mueven su produccin y generan energas mediante este proceso. Los cuales pierden grandes cantidades de energa calorfica para eso se disean distintos tipos de intercambiadores los cuales evitaran en lo posible la perdida de esta energa ahorrndole anergia y grandes gastos de productividad a estas empresas.

A la hora de seleccionar un intercambiador de calor existen varios factores que influyen, para realizar una adecuada seleccin. Entre ellos mencionaremos: Flujo de calor, tamao y peso, cada de presin, economa.

En este trabajo nos concentraremos en describir fundamentalmente la metodologa para el anlisis y seleccin de intercambiadores de calor, desde el punto de vista trmico.

4. Objetivos:

4.1. Objetivos generales:

Conocer y obtener los clculos para el diseo de un intercambiador de calor.

4.2. Objetivos especficos:

Conocer los tipos, funcionamiento y accesorios de los intercambiadores de calor. Realizar los clculos para el intercambiador de calor. Poder elegir el adecuado intercambiador de calor para un caso determinado.

5. Desarrollo:5.1. Intercambiadores de calor:5.1.1. Definicin: Cualquier aparato diseado para trasmitir la energa calorfica desde un medio (gas o liquido) hacia otro medio es denominado Intercambiador de calor. En el Intercambiador de calor, el calor es transferido desde el medio caliente hacia el medio fro por conduccin y conveccin, y algunas veces por radiacin en el caso de gases. Una condicin para la transferencia de calor es que exista una gradiente de temperatura entre los dos medios.Los intercambiadores de calor donde dos fluidos estn en contacto directo uno con el otro, se denominan intercambiadores directos. El rea necesaria para la transferencia es proporcionada por las interfaces del lquido, por las gotas, o por las pelculas de lquido (ejemplo un Scrubber).Los intercambiadores de calor en los cuales los dos fluidos estn separados uno del otro por una pared divisora a travs de la cual se transporta el calor,. Se denominan intercambiadores indirectos. La pared que los separa proporciona el rea de transferencia de calor.Los intercambiadores en los cuales un fluido de proceso es calentado o enfriado para un servicio en la planta se denominan calentador o enfriador. Si la corriente de proceso es vaporizada, el intercambiador es denominado vaporizador si la corriente es completamente vaporizada, hervidor si se vaporiza parcialmente y si est asociada con una columna de destilacin se denomina re-hervidor (reboiler), si se usa para concentrar una solucin se denomina evaporador. Si el intercambiador se usa para condensar una corriente se denomina condensador que puede ser total si toda la corriente condensa o parcial si condensa parte de la corriente de proceso. Adems, segn las condiciones de operacin los intercambiadores pueden ser con sobrecalentamiento en el caso de vaporizadores o con sub enfriamiento o sobre enfriamiento para los condensadores.Cuando se usan intercambiadores calentados por gases de combustin se denominan intercambiadores al fuego.5.1.2. Tipos: Los intercambiadores de calor de acuerdo a su construccin pueden dividirse en tres grandes grupos: Intercambiadores compactos: los que estn hechos en base a placas o lminas planas paralelas. Intercambiadores tubulares: los que estn hechos en base a tubos. Intercambiadores miscelneos: los que tienen diferentes configuraciones segn el requerimiento especfico. De todos estos tres grupos, los que predominan en la industria son los intercambiadores compactos y los intercambiadores tubulares. Aunque hace pocos aos casi todos los intercambiadores de calor eran del tipo tubular (doble tubo y de casco y tubos), actualmente estos estn siendo remplazados por los denominados intercambiadores compactos (intercambiador de placas, de espiral y laminar) y para procesos especficos se usan los intercambiadores que pueden considerarse dentro de los miscelneos (chaqueta, espiral calentador de aire, enfriador por goteo, lneas trazadoras, etc.)5.2. Intercambiador de calor de cascos y tubos:El intercambiador de casco y tubos, es hasta ahora entre los equipos de transferencia de calor el ms comnmente usado en la industria qumica. Las ventajas de este tipo de intercambiador son Su configuracin proporciona grandes reas de transferencia en pequeos espacios Soportan altas presiones y altas temperaturas de operacin Procedimientos de diseo y tcnicas de fabricacin bien establecidas Esta unidad consta de una envoltura cilndrica denominada casco el cual envuelve a un conjunto de tubos denominado haz de tubos. Un fluido circula por el interior de los tubos (lado de los tubos), y otro por el exterior de los mismos (lado del casco).

5.2.1. Partes del intercambiador de calor de cascos y tubos:

a) El haz de tubos: Es un conjunto de tubos que se albergan dentro del casco y en sus extremos estn soportados en la placa de tubos, la cual puede ser placa fija o con cabeza flotante. El empleo de uno u otro tipo de placa depende de la diferencia de temperatura que se registre en los extremos durante la operacin. Por lo general se usan tubos lisos y de manera especial con superficie extendida. Dimensiones: se usan tubos con dimetro en el rango de 16 mm (5/8) a 50 mm (2). Los dimetros pequeos 16 a 25 mm (5/8 a 1) son preferidos para la mayora de servicios, obtenindose as intercambiadores ms compactos. Los tubos grandes son fciles de limpiar por mtodos mecnicos y se deben seleccionar para fluidos que formen incrustaciones. El espesor de los tubos (calibre) es seleccionado para soportar la presin interna y dar una adecuada tolerancia a la corrosin. Dimetros estndar y espesores para tubos de acero son dados en la Tabla 1. Las longitudes preferidas para intercambiadores son de 1,83 m (6 pies); 2,44 m (8 pies); 3,66 m (12 pies); 4,88 m (16 pies) y 6,1 m, (20 pies). Para un rea dada, el uso de tubos largos reducir el dimetro del intercambiador.Dimetro Exterior (mm) Espesor (mm)

16 (5/8)20 (3/4)25 (1 ) 30 (11/4)38 (1)50 (2 )1,2-----1,61,61,616--2,02,02,02,02,02,0-2,62,62,62,62,6--3,23,23,23,2

Tabla 1. Dimensiones estndar para tubos de aceroArreglo o disposicin de los tubos en el haz: Los tubos en un intercambiador son usualmente dispuestos en forma de un tringulo equiltero (triangular) o de un cuadrado (cuadrangular).

El arreglo triangular permite albergar un mayor nmero de tubos dentro del casco y da mayores coeficientes de pelcula, se emplea con fluidos limpios y cuando la limpieza se realiza con medios qumicos. El arreglo cuadrangular se emplea cuando se quiere albergar un menor nmero de tubos y cuando la limpieza debe hacerse con medios mecnicos, se emplea con fluidos con tendencia a formar incrustaciones, este arreglo produce bajas cadas de presin en el lado del casco.

La distancia recomendada entre centros de tubos () es de 1,25 veces el dimetro exterior del tubo y la mnima distancia entre tubos (C) debe ser 0,25 pulgadas (6,4 mm). Los valores de recomendados son:ARREGLOOD del tubo: pulgPt: pulg

Triangular Cuadrangular 1 115/161 11

b) La placa de tubos:Es una plancha metlica perforada segn el arreglo, sirve de sostn a los tubos en sus extremos. Existen diferentes tipos: Placa fija: Va fija al casco y se usa para diferencias de temperatura en los extremos de hasta 90 C (200 F). Placa de cabeza flotante: Para diferencias de temperaturas mayores a 90 C (200 F), para evitar que los esfuerzos trmicos produzcan fracturas. Placa de tubos en U: Se usan tubos en U para la evaporacin (caldern) y en este caso la placa que sostiene a los tubos en el extremo donde se produce el retorno se denomina placa de tubos en U. Figura. Has de tubos en U y placas extremas

Figura. Intercambiador con tubos en Uc) El casco:Es la envoltura cilndrica que cubre el haz de tubos. Sus principales caractersticas son el dimetro y el espesor.Dimetro: El casco se construye con tuberas de acero (o de otro material) de pared estndar hasta de 24 de dimetro. La British Standard (BS 3274) cubre intercambiadores con dimetro de casco desde 150 mm (6) hasta 1067 mm (42). La TEMA Tubular Exchanger Manufacturers Association, tiene intercambiadores estndares de hasta 1520 mm (60) de dimetro de casco.Espesor: Para cascos de hasta 610 mm (24) de dimetro, se usa la tolerancia dada para tuberas NPS, y usualmente se usan espesores de 10 mm (3/8) y se construyen a partir de tuberas de dimensiones estndar, sobre los 610 mm (24 pulg) se construyen a partir de placas roladas. Para fluidos muy corrosivos o cuando la presin en el lado del casco excede a 2,07 MPa (300 psig) se sugieren los mtodos para el clculo de espesores de tanques y recipientes a presin.El dimetro del casco se debe seleccionar de tal manera que se pueda obtener cierto espacio luz entre el dimetro del haz de tubos y el dimetro interior del casco . Este espacio depender del tipo de intercambiador y las tolerancias de los fabricantes. Valores tpicos son dados en la figura.

Figura. Espaciado entre el casco y haz de tubos

El dimetro del haz de tubos depende del nmero de tubos, y de la distribucin. Un estimado del dimetro del haz de tubos se puede obtener de la ecuacin 1.b, la cual es una ecuacin emprica basada en distribuciones estndar de tubos. Las constantes para usarlas en esta ecuacin, para arreglos triangular y cuadrado son dadas en la Tabla 2.(1.a) (1.b) Dnde: = Nmero de tubos Dimetro del haz de tubos Dimetro exterior de los tubos, mm.

Arreglo triangular, Pt = 1,25 OD

No. De pasos 1 2 4 6 8

K1 0,319 0,249 0,175 0,0743 0,0365 2,142 2,207 2,285 2,499 2,675

Arreglo cuadrado, Pt = 1,25 OD

No. De pasos 1 2 4 6 8

K1 0,215 0,156 0,158 0,0402 0,0331 2,207 2,291 2,263 2,617 2,643

Tabla 2. Constantes para uso en ecuacin 1.b

La longitud del casco es la misma que la de los tubos que protege. El casco se extiende hacia los cabezales anterior y posterior, y posee sus propios acoplamientos. Los cascos pueden ser de 1, 2 o ms pasos. Paso. Se denomina as a las veces que el fluido cruza el eje transversal del casco. Los cascos pueden ser de un paso y si se colocan desviadores longitudinales slidos, pueden ser de dos o ms pasos. A mayor nmero de pasos se obtiene mayor eficiencia trmica, pero su construccin se hace ms compleja y aumentan las prdidas de presin por friccin. Los pasos mltiples en el lado del casco se encuentran solamente en grandes instalaciones; su uso depende de factores tales como costo, facilidad de limpieza, diferencia de temperatura, corrosin, presin de operacin, cada de presin y riesgos.

d) Las pantallas en el casco:Son dispositivos mecnicos, a manera de compuertas transversales, que se insertan a lo largo del casco de un intercambiador. Con las pantallas, se produce incremento de la velocidad de fluido que pasa por el casco, aumentando su coeficiente de pelcula pero aumentando tambin la cada de presin. Existen diferentes tipos: Pantalla Segmentada al 15, 25, 35, y 45 % (ms comn al 25 %)

Pantalla de disco.

Pantalla perforada.

e) Las pantallas en los cabezales:En los cabezales tambin se insertan pantallas longitudinales que permiten dirigir el flujo por el lado de los tubos.Con la instalacin de estas pantallas se consiguen los intercambiadores de mltiple paso. Tratndose de que se mantenga en el casco un solo paso con las pantallas en los cabezales se puede obtener el intercambiador 1-2 (4, 6, 8, n pasos).Si se usa 2 pasos en el casco se puede conseguir los intercambiadores 2-4 (8, 12,16, n pasos); y, as sucesivamente. La limitacin radica en la complejidad de la construccin y en el costo de la operacin. A medida que aumentan los pasos la velocidad del fluido aumenta, tambin aumenta la cada de presin. Por ello las series de intercambiadores de mltiple paso se limitan a 6-n.f) Cabezales:Son los receptculos del fluido que circula por el lado de los tubos. Estos sirven para dirigir el curso de este fluido en el lado de los tubos. Aqu se insertan los acoplamientos para el fluido de este lado. Como se dijo anteriormente, estos cabezales pueden ser de placa fija o de cabeza flotante. g) Uso de los intercambiadores de casco y tubos:Este tipo de unidad es la ms usada en la industria. Cubre todas las operaciones de transferencia de calor y sus aplicaciones generales, son las siguientes:

En el intercambio de calor sensible lquido-lquido se usan las unidades 1-n, ya sea para calentamiento-enfriamiento. La unidad 1-2 suele usarse como reactor de lecho fijo. Para el calentamiento-enfriamiento lquido-gas se usan las unidades de mltiple paso con tubos de superficie extendida. En una operacin ebullicin-vaporizacin de un sistema de destilacin, se usan los reboilers o calderines. Estos equipos suministran calor al fondo de las columnas de destilacin. Sus versiones ms populares son el caldern y el termosifn. La condensacin de un vapor saturado emplea unidades 1-n en posicin horizontal. Los intercambiadores verticales se emplean para producir condensacin con subenfriamiento, o cuando se condensa vapor cuyo condensado es corrosivo.

h) Intercambiadores de mltiple paso:La TEMA cubre intercambiadores estndar de las series:

Serie 1 2; 4; 6; 8... Serie 2 4; 8; 12, 16... Serie 3 6; 12; 18; 24... Serie 4 8; 16; 24; 32...A mayor nmero de pasos, aumentan las velocidades lineales de flujo, por lo que se incrementan los coeficientes de pelcula y por lo tanto el coeficiente total, disminuyendo el rea necesaria para la transferencia de calor (disminuye el tamao). Al aumentar la velocidad disminuye la formacin de incrustaciones. A mayor nmero de pasos los rendimientos trmicos tambin son mayores. Como desventaja se tiene que a mayor nmero de pasos y al aumentar la velocidad, aumenta la cada de presin por lo que el costo de bombeo aumenta. As mismo a mayor nmero de pasos el costo debido a la geometra de la unidad aumenta. La seleccin adecuada de un intercambiador por lo tanto puede hacerse mediante un anlisis de optimizacin del proceso y encontrar el costo total de operacin mnimo.

5.3. Diseo De Intercambiadores De Casco Y Tubos Cuando los requerimientos de rea para la transferencia de calor exceden los 10 m2 se recomienda un intercambiador de casco y tubos en lugar de un intercambiador de doble tubo. Curso de los fluidos.- el primer paso es seleccionar cual fluido va por el lado del casco y el que va por el lado de los tubos. Cuando no ocurre cambio de fase, los siguientes factores determinan el curso de los fluidos. Corrosin. El fluido ms corrosivo deber ser enviado por el lado de los tubos. Esto reduce el costo de por el uso de aleaciones costosas o materiales de recubrimiento. Incrustaciones. El fluido que tiene una mayor tendencia a formar incrustaciones en las superficies deber enviarse por los tubos. Esto permite un mejor control sobre la velocidad de diseo del fluido, y las altas velocidades permitidas por el lado de los tubos reduce la formacin de incrustaciones. Tambin, los tubos son ms fciles de limpiar. Temperaturas de los fluidos. Si las temperaturas son lo suficientemente altas para requerir el uso de aleaciones resistentes a temperaturas altas, el fluido caliente por el lado de los tubos reduce el costo total. A temperaturas moderadas, el envo del fluido caliente por el lado de los tubos reduce las temperaturas en el casco, y por lo tanto se reduce la necesidad de proteccin para evitar las prdidas de calor, o por razones de seguridad Presiones de operacin. Las corrientes a alta presin debern ser enviadas por el lado de los tubos. Altas presiones en el lado de los tubos son ms econmicas que altas presiones en el lado del casco. Cada de presin. Para la misma cada de presin, se obtienen altos coeficientes de transferencia en el lado de los tubos antes que en el lado del casco, y el fluido con la menor cada de presin permisible deber enviarse por el lado de los tubos. Viscosidad. Generalmente, se obtendr un coeficiente de transferencia de calor alto, enviando el material ms viscoso por el lado del casco, debido a que el flujo es turbulento. El Nmero de Reynolds crtico para flujo turbulento en el lado del casco es alrededor de 200. Si no se puede conseguir flujo turbulento en el lado del casco, mejor es enviar al fluido por el lado de los tubos, as el coeficiente de transferencia en el lado de los tubos se puede estimar con mayor exactitud.Velocidades de flujo de las corrientes. Enviar el fluido con menor velocidad por el lado del casco, esto normalmente da el costo de diseo ms econmico. La siguiente tabla muestra el orden de prioridad para la seleccin del curso de los fluidos. Lado de los tubos Lado del casco

Los lquidosLos gases o vapores

Fluidos a presinFluidos a baja presin

Fluidos con mayor rFluidos con menor r

PARAMETROS A TENER EN CUENTA PARA EL DISEO DEL INTERCAMBIADORSe eligi un condensador de carcasa y tubos. De flujo contracorrientes de acuerdo a los clculos siguientes:La eleccin del flujo contracorriente en ms efectivo que el flujo en Corrientes paralelas a igual de todos los otros factores para esto analizamos con breve clculos y comparamos la variacin de temperatura logartmica.Teniendo las siguientes condiciones de temperaturas:Fluido caliente:fluido frio:

T1 =390Ft1 =100 F

T2 =200 Ft2 =170 F

Clculos de temperatura logartmica para equicorriente:

Clculos de temperatura logartmica para contracorriente

Al ser mayor el clculo en la temperatura logartmica en flujo contracorriente

Definiendo el tipo de condensadorPara la seleccin del condensador ser por medio del proceso que se dar en el intercambiador ya que se condensara eso nos dice que abra un cambio de fase.

RESULTADOS.

1) CLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR TOTAL DEL VAPOR PRODUCIDA POR EL INTERCAMBIADOR DE CALOR.

a) Como datos requeridos para el clculo tenemos:

Para el fluido caliente (kerosene 42 API)

Para el fluido frio (crudo 34 API)

Dnde: = El flujo msico del kerosene . = temperatura de entrada del kerosene

= temperatura de salida del kerosene = temperatura de entrada del crudo = temperatura de salida del crudo = cada de presin b) Propiedades de los fluidos

Kerosene 42API (Th=295F)

crudo 34API (Tc=135F)

c) Para esto procedemos a hacer un balance energtico para el fluido caliente:

Donde: = Cantidad de Calor . = Flujo msico del kerosene . = temperatura de entrada del kerosene = temperatura de salida del kerosene

d) Ahora con estos datos obtenidos, reemplazamos en la Ecuacin (I) para poder as hallar el :

2) CLCULO DEL FLUJO MSICO DEL AGUA QUE INGRESARA AL INTERCAMBIADOR DE CALOR.

a) Como datos requerido para el clculo tenemos: ; Dnde: Temperatura de Entrada del Agua al Intercambiador de Calor (). Temperatura de Salida del Agua al Intercambiador de Calor (). Eficiencia del Intercambiador de Calor.

b) Para esto procedemos a emplear la frmula de Cantidad de Calor til aprendida en clase:

Donde: = = Flujo msico del Agua (Kg/s).= Calor Especfico del Agua (Kj/Kg.C).= Diferencia de temperaturas del Agua ().

c) A continuacin hallaremos el Flujo Msico de Agua a 30C. Para esto necesitaremos el Calor Especfico(Cp)del Agua a 30C y lo calculamos por medio de Tabla:T)

204.182

30

404.178

Entonces interpolando hemos obtenido el siguiente resultado:)

d) Ahora, con la frmula terica de Eficiencia podemos hallar :

Despejando el tenemos:

= 0.85 x = -10560.60104 Kw.

e) Ahora con estos datos obtenidos, reemplazamos en la Ecuacin (III) para poder as hallar el :

Despejando el tenemos:

132.97 Kg/s 3) CLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR TOTAL DEL VAPOR PRODUCIDA POR LA CALDERA: DIAGRAMA T-S.a) Como datos requeridos para el clculo tenemos:

Donde: = Flujo msico del Vapor . La Presin Absoluta del Vapor. Temperatura Del Vapor.

b) Para esto procedemos a emplear la frmula de Cantidad de Calor de la Caldera aprendida en clase:

Dnde: = Cantidad de Calor Total de la Caldera . = Flujo msico del Vapor . = Entalpa del Lquido Saturado Seco . = Entalpa del Vapor Saturado .

c) Entonces por frmula terica sabemos:

Dnde: = Entalpa del Vapor Saturado . = Entalpa del Lquido Saturado . = Volumen especifico del Vapor Saturado . = Presion del Vapor Saturado Seco = Presin del Vapor del Lquido Saturado (bar).

d) A continuacin hallaremos el Volumen especifico del Vapor Saturado a 81.35C y lo calculamos por medio de Tablas:

T

800.001029

81.35

850.001033

Entonces interpolando hemos obtenido el siguiente resultado: e) Procedemos a convertir las Presiones en KPa: = 30 bar x x = 3000KPa = 0.5 bar x x = 55KPa

f) Ahora con estos datos obtenidos, reemplazamos en la Ecuacin (V) para poder as hallar el :

g) Entonces ahora hallamos la entalpia del Vapor Saturado Seco (. Luego a una temperatura de 30bar (3MPa) y 400 por tabla de vapor sobrecalentado tenemos el (: P = 3MPa = 3230.9 T = 400

h) Ahora con estos datos obtenidos, reemplazamos en la Ecuacin (IV) para poder as hallar el :

= 16041.78 Kw

DIAGRAMA DE h-S: DIAGRAMA DE MOLLIER

4) CALCULO DEL DIAMETRO DE LA TUBERIA POR DONDE INGRESARA EL VAPOR SUTURADO SECO.

a) Como datos requeridos para el clculo tenemos:Pv = 0.5 barDnde: = Presin del Vapor Saturado Seco .

b) Deseamos encontrar:Nmero de Schedule: (1)Dnde:P = Presin de trabajo (PSI). S = Esfuerzo de trabajo (PSI).c) De informacin del cuaderno sacamos el siguiente dato:= 1.35 a 2 Entonces asumimos:= 2

d) Con los datos obtenidos hallamos la Presin de trabajo P en (PSI):P = f x PvDnde: = Presin del Vapor Saturado Seco . .P = f x Pv = 2 x 0.5 = 1 Convirtiendo el resultado a PSI:P = 1 * 14.75 PSI = 14.75 PSI

e) De la siguiente tabla hallamos el Esfuerzo de trabajo S en (PSI) a una temperatura:

MaterialEspecificacin ASTMFatigas admisibles en Kg/cm2, hasta las siguientes temperaturas, 0C

65232316399427482538566593

Acero sin costura:

Grado A, al SiA - 106840840840749630350

ESFUERZOS ADMISIBLES EN TUBERAS DE NORMALIZACIN AMERICANA EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA.De la tabla elegimos el Esfuerzo de Trabajo S y despus los convertimos a (PSI):S = 840 Kg/ x 14.75 = 12390 PSI

f) De los datos encontrados reemplazamos en la Ecuacin (1):

Nmero de Schedule: Nmero de Schedule: 1000 * Nmero de Schedule = 1.1904

g) Entonces utilizamos la siguiente frmula para poder hallar la Superficie Total:

------ (1)Donde: = Flujo msico del Vapor . .(m2).(m/s).

h) De la tabla de tuberas Normalizadas a un vapor de baja Presin tenemos: SERVICIOVELOCIDADES DEL FLUIDO

ft/minm/s

Lneas de salida de vapor y de baja presin.6000 - 1500030.5 76.2

Entonces asumimos una Velocidad de: = 30.5 m/s i) Ahora tenemos que hallar el Flujo Volumtrico del Vapor con la siguiente frmula:

(2)Dnde: = Flujo Volumtrico del Vapor (). = Flujo msico del Vapor . = Volumen especifico del vapor ().

j) Entonces ahora hallamos el Volumen Especfico del Vapor con la siguiente frmula: (3)Dnde: = Volumen especifico del vapor (). = Volumen especifico del Lquido Saturado (). = Volumen especifico del Vapor Saturado ().= La Calidad del Vapor.

k) Ahora utilizado la tabla de termodinmica y teniendo la temperatura del vapor a 81.35 0C, Interpolaremos y hallaremos los Volmenes Especficos del Lquido Saturado y del Vapor Saturado:T (0C)()()

81.330.0010303.240

81.35

91.780.0010372.217

Entonces interpolando hemos obtenido los siguientes resultados: = 0.001030 (). = 3.23804 ().

l) Entonces con los Volmenes Especficos obtenidos de la Interpolacin, reemplazamos en la Ecuacin (3):

m) Entonces con estos nuevos datos obtenidos reemplazamos en la Ecuacin (2):

= 17.45 n) Ahora procedemos a hallar la Densidad del vapor (), y utilizamos la siguiente frmula:

(4)Donde: = Densidad del vapor . = Flujo Volumtrico del Vapor (). = Flujo msico del Vapor o) Entonces con los datos encontrados reemplazamos en la ecuacin (4):

=

p) Ahora procedemos a despejar La Superficie total() de las Ecuacin (1):

Despejando: (5)q) Luego reemplazamos los datos encontrados en la Ecuacin (5):

= 0.5693.r) Ahora hallaremos el Dimetro Nominal de la tubera por donde ingresara el Vapor Saturado Seco con la siguiente ecuacin: (6)Dnde:(m2). = Dimetro Nominal de la tubera por donde ingresara el Vapor Saturado Seco (m).s) Entonces de la Ecuacin (6) despejamos el Dimetro nominal ():

Despejando: (7)

t) Luego reemplazamos los datos hallados en la Ecuacin (7):

.u) Convertimos el Dimetro nominal () en Pulgadas:

5) CALCULO DEL DIAMETRO DE LA TUBERIA DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO.

a) Como datos requeridos para el clculo tenemos:

132.97 Kg/s; VAGUA = 1.5 m/s; T3 = ; T4 = Dnde:= Flujo msico del Agua (Kg/s).VAGUA = Velocidad del Agua (m/s). T3 = Temperatura de Entrada del Agua al Intercambiador de Calor ().

T4 = Temperatura de Salida del Agua al Intercambiador de Calor ().

b) Hallando la Temperatura del Agua (Tm):

c) Ahora hallamos Flujo Volumtrico de Agua con la siguiente ecuacin: (1)Dnde: = Flujo Volumtrico del Agua ().= Flujo msico del Agua (Kg/s). = Densidad Media del Agua a Temperatura Media .

d) Entonces de la tabla de las propiedades del Agua Interpolamos para encontrar la Densidad Media del Agua a Temperatura Media:T (0C)

20998.2

39.5

40992.3

Entonces interpolando hemos obtenido los siguientes resultados: = 992.44 .e) Ahora con los datos obtenidos anteriormente reemplazamos en la Ecuacin (1):

0.135

f) Entonces ahora despejaremos la Superficie Total ST de la siguiente Ecuacin: (2)Dnde: = Flujo Volumtrico del Agua (). = Numero de Tubos; hemos tomado 40 Tubos. = Superficie Total m2. = Velocidad del Agua (m/s).g) Ahora despejamos la Superficie Total ST de la Ecuacin (2)y reemplazamos los datos obtenidos:

0.00223333 m2h) Entonces ahora hallaremos el Dimetro Nominal Dn del Tubo por donde fluir el Agua con la siguiente Ecuacin: (3)Dnde:(m2). = Dimetro Nominal de la tubera por donde ingresara el Agua (m).

i) Entonces de la Ecuacin (3) despejamos el Dimetro nominal ():

Despejando: (4)j) Luego reemplazamos los datos hallados en la Ecuacin (7):

.k) Convertimos el Dimetro nominal () en Pulgadas:

l) De tablas de Tuberas Comercial de la Norma ASME B36.10 Y B36.19:

m) Hallamos de la tabla a ; De cedula 10 Acero Inoxidable, los siguientes datos:Dext = 60.3 mm.Dint = 54.76 mm. = 2.77 mm.

n) Entonces con los nuevos Dimetros encontrados en las Tablas de las Tuberas Normalizadas trabajamos y encontramos la nueva Velocidad del Agua : (5)

o) Ahora procedemos a despejar la Velocidad del Agua de la Ecuacin 5:

= 1.42 m/s.

6) CALCULO DEL hint ENTRE LA ENTRADA Y SALIDA DEL AGUA POR LOS TUBOS DEL CONDENSADOR.

a) Como datos requeridos para el clculo tenemos:

= 1.42 m/s; = Dnde: = Velocidad del Agua (m/s). = Temperatura Media del agua. ()

b) Primero hallamos el Numero de Reynolds Re para saber si nuestro flujo es laminar o turbulento:Re = (1)Dnde:Re = Numero de Reynolds = Velocidad del Agua (m/s). = Dimetro Interior de la Entrada del Agua (m). = Viscosidad cinemtica (m2/s).

c) Entonces utilizamos la tabla de las propiedades del Agua a Temperatura Media y luego Interpolamos para encontrar los parmetros siguientes:

Pr = Prandell. = Viscosidad cinemtica (m2/s).KA = Conductividad Trmica (W/m)T () (m2/s)PrKA (W/m)

201.0067.020.597

39.5PrKA

400.6584.340.633

Entonces interpolando hemos obtenido los siguientes resultados:Pr = 4.407 = 0.667 x 10-6 m2/sKA = 0.6321 W/m

d) Entonces ahora reemplazamos los datos hallados en la Ecuacin (1):

Re = Re = Re = 116632.9684 ------------- Turbulento

e) Ahora encontraremos Nucon la frmula de Mac Adams.:Nu = 0.023 * Re0.8 * PrnDnde:n = 0.4 ---------- Porque se Calienta.

Nu = 0.023 * (116632.9684)0.8 * (4.407)0.4Nu = 470.8

f) Entonces con los Valores encontrados reemplazamos en esta Ecuacin y hallaremos hint :

hint = hint =

hint = 5434.49 W/m2

7) CALCULO DEL hext EN EL CONDENSADOR CON EL METODO DE KUTATELEZE.

a) Como datos requeridos para el clculo tenemos:TSat = 81.35; TP = 40.5 ; Dext = 0.0603 mDonde:TSat = Temperatura de Saturacin.TP = 39.5 --- Se asume 1 mas a la Pared.

b) Primero hallamos la Temperatura Media Tm:

c) Ahora hallamos Nu con la siguiente Ecuacin:

Nu = 0.725 * (Ga * Pr * Ku)1/4 (1)

d) Entonces utilizamos la tabla de las propiedades del Vapor Saturado Seco a Temperatura Media Tm y luego Interpolamos para encontrar los parmetros siguientes:Pr = Prandell. = Viscosidad cinemtica (m2/s).Ku = Conductividad Trmica (W/m).Cp = Calor Especifico (KJ/Kg)rl-v = KJ/Kg.T ()Pr (m2/s)Kv(W/m)Cp.(J/Kg)

603.020.4780.6584.181

60.925PrKvCp.

802.220.3640.6734.194

Entonces interpolando hemos obtenido los siguientes resultados:Pr =2.983 = 0.4727 x 10-6 (m2/s).Ku = 0.6587 (W/m).Cp = 4.1816 (KJ/Kg)rl-v = 2304.09 (KJ/Kg).

e) Ahora hallamos Ga con la siguiente frmula:Ga = Ga = Ga = 4550.2509f) Ahora hallamos Kv con la siguiente frmula:

Ku = Ku = Ku = 13.61 W/m.

g) Entonces con los datos ya obtenidos, reemplazamos en la Ecuacin (1):Nu = 0.725 * (Ga * Pr * Ku)1/4Nu = 0.725 * (4550.2509 * 2.983 * 13.16)1/4Nu = 571.97h) Ahora hallamos hext con la siguiente frmula:

hext = hext =

hext = 6248.037 W/m2

8) CALCULO DEL KG.

a) Como datos requeridos para el clculo tenemos:

hext = 6248.037 W/m2; hint = 5434.49 W/m2; KAcero = 19 W/m; = 2.77x10-3 m; Dext = 60.3 x 10-3 m.

b) Hallando KG con la siguiente Ecuacin:KG = KG = KG = 2041.443 W/m

c) Si existe incrustacin : = 2 mm y K = 3.3 W/m; hallamos KG:

KG = KG = 912.48 W/md) Graficas del intercambiador de flujo en cruz:

e) Hallando la T para el flujo cruzado con la siguiente frmula:T = = 19f) Hallando la para el flujo cruzado con la siguiente frmula:

= 41.12

g) Ahora hallaremos la Superficie del Intercambiador de Calor SI.C, sin incrustacin:

Despejando: SI.CSI.C = SI.C = SI.C = 125.80 m2h) Hallando la longitud L de los tubos:

SI.C = Donde: = Numero de Tubos. = Numero de pasos. = Longitud de los Tubos.

Despejando: LL = L = L = 4.15 mi) Ahora calculamos el Dimetro del intercambiador de calor con la siguiente ecuacin:

Despejando:

2 mj) Entonces ahora calcularemos la Superficie del Intercambiador con Incrustacin:

Despejando: SI.CSI.C = SI.C = SI.C = 281.46 m2 ------- Con Incrustacin.

9) CALCULO PARA SABER EL TIPO DE INTERCAMBIADOR VAMOS A UTILISAR: HORIZONTAL O VERTICAL.

9.1) INTERCAMBIADOR DE CALOR VERTICAL:

a) Hallando su hc: Dext = 60.3 x 10-3 m.

hc = 1.13 * (1)

b) Primero hallamos la Temperatura Media Tm:

c) Entonces utilizamos la tabla de las propiedades del Vapor Saturado Seco a Temperatura Media Tm y luego Interpolamos para encontrar los parmetros siguientes:Kl = Conductividad Trmica (W/m).rl-v = KJ/Kg. = Densidad del Vapor . = Viscosidad Dinmica (Kg/ms)T ()(N.s/m2)Kl(W/m)

60983.24700.658

60.925Kv

80971.8353.70.673

Entonces interpolando hemos obtenido los siguientes resultados:Kl = 0.6587 (W/m). = 982.67. = 464.62x10-6(N.s/m2)rl-v = 2304.09 (KJ/Kg).a) Entonces ya encontrados los parmetros , reemplazamos en la Ecuacin (1): hc = 1.13 *

hc = 1.13 * hc = 3573.43 W/m2

b) Encontrando la masa de los Condensadores en Tipo vertical, utilizamos la siguiente frmula:SC = SC = SC = 0.7862 m2c) Hallando el Calor total del Condensador Vertical:

d) Entonces ahora hallamos el flujo Msico del Condensador Vertical.

= = 0.0395 Kg/s. ------------- 142.2 Kg/h

9.2) INTERCAMBIADOR DE CALOR HORIZONTAL:

a) Hallando su hc: Dext = 60.3 x 10-3 m.

hc = 0.725 * (1)

b) Primero hallamos la Temperatura Media Tm:

c) Entonces utilizamos la tabla de las propiedades del Vapor Saturado Seco a Temperatura Media Tm y luego Interpolamos para encontrar los parmetros siguientes:Kl = Conductividad Trmica (W/m).rl-v = KJ/Kg. = Densidad del Vapor . = Viscosidad Dinmica (Kg/ms)

T ()(N.s/m2)Kl(W/m)

60983.24700.658

60.925Kv

80971.8353.70.673

Entonces interpolando hemos obtenido los siguientes resultados:Kl = 0.6587 (W/m). = 982.67. = 464.62x10-6(N.s/m2)rl-v = 2304.09 (KJ/Kg).d) Entonces ya encontrados los parmetros , reemplazamos en la Ecuacin (1): hc = 0.725 *

hc = 0.725 * hc = 6603.55 W/m2

e) Encontrando la masa de los Condensadores en Tipo vertical, utilizamos la siguiente frmula:SC = SC = SC = 0.7862 m2

f) Hallando el Calor total del Condensador Horizontal:

g) Entonces ahora hallamos el flujo Msico del Condensador Horizontal.

= = 0.0729Kg/s ------------- 262.44 Kg/h

Por ser mayor el hc del condensado y el flujo msico es mayor para el caso Horizontal:

Elegimos para el Diseo un Condensador Horizontal.