intercambiador de doble tubo - ensayos de colegas - 28martin

9/5/2015 IntercambiadorDeDobleTuboEnsayosdeColegas28Martin

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IntercambiadorDeDobleTuboBy28martin|buenastareas.com

DiseodeEquipoTrmicoIQ30312

Periodo:AgostoDiciembredel2012

Integrantes:GonzlezCabreraAlejandraGonzlezMataLilianaMendozaNezMartnSnchezRamrezMarielaPalomaresCervantesSergioFechadeentrega:22deOctubrede2012

INTRODUCCINElintercambiadordecalor,seconcibecomoundispositivodeingenieraconunfuncionamientoquepodraconsiderarseelementalsinembargoesunodelosartefactosnecesariosparaquelaindustriapuedallevaracabounainfinidaddeproblemas.Esporelloqueunadelaslaboresquedebepoderllevaracabouningenieroeslacorrectaseleccinyprobablediseodeunintercambiadordecalor.Enelpresentetrabajosebuscaanalizarunproyectoenelqueseinvolucraelusodeunintercambiadordetubosconcntricosporelquefluyeortoxilenoyalcoholbutlicoendiferentesconfiguracionesdeflujoycontemperaturaspreviamentedefinidas.Elobjetivodelmismoesdeterminarlaconfiguracindeflujomsadecuadaparaelsistematomandoencuentalosfactoresdemantenimiento,corrosinygastosmsicostomadosencuentaparaeldiseodeintercambiadoresdecalor.Serealizaronclculosadicionalesdecadasdepresindentrodelintercambiadorparaelmejorarregloquesedetermin.PLANTEAMIENTODELPROBLEMAPROBLEMA6.3(KERN)Ortoxylenoprocedentedeuntanquedealmacenamientoqueesta1000F,debecalentarsea1500Fenfriando18000lb/hdealcoholbutlicode170a1400F.Disponiblesparaestepropsitohaycincohorquillasde20piescuyosnulosytubos



estncolocadosenserie.Losintercambiadoressonde3por2plg.IPS.a)Culeselfactordeobstruccin?b)Lascadasdepresinc)Cmojustificaorefutasudecisinrespectoadondecolocarlacorrientecalienteylacorrientefra?

1.MARCOTERICO:ANLISISDEDISEODEUNINTERCAMBIADORDETUBOSCONCNTRICOSIPS.Losintercambiadoresdecalor,comosunombreloindica,sondispositivosmecnicos,quesebasanenlaconduccinyenlaconveccin(fenmenosdetransportedecalor),paraintercambiarenergaenformadecalorentredosfluidosqueseencuentranadiferentetemperatura,sinmezclarlos.Elusoprcticodeestosdispositivosesmuycomnytieneunaampliagamadeaplicacioneslossistemasdecalefaccin,airesacondicionadosparaelhogarylosradiadoressonejemplosclarosdesuusocotidiano.Enunintercambiadordecalorparticipandosomscorrientesdeproceso,unasactancomofuentesdecalorylasotrasactancomoreceptoresdecalor,elcualsetransfiereatravsdelasparedesmetlicasdelostubosqueconformanelequipo(contactoindirecto).Losequiposutilizadosparacalentarfluidosempleangeneralmentevaporcomofuentedecalentamiento,losequiposutilizadosparaenfriarfluidosempleanusualmenteaguacomofluidodeenfriamiento.Segnlasdiferentesaplicacionesdelatransferenciadecalor,losintercambiadoresrequierendediferentesconfiguracionesyaccesoriosparadesarrollarbiensusfunciones.Deacuerdoalacopledelosaccesoriosyasuconfiguracinfsicalosintercambiadoressepuedenclasificarcomo:Detubosconcntricosodetubodoble,detipocompacto,decorazaytubos,ydeplacasyarmazn.Enestetrabajoesdeinterselintercambiadordetubosconcntricos,yaqueelejercicioasignadoessobreunintercambiadordeestetipo.INTERCAMBIADORESDETUBOSCONCNTRICOSEstosintercambiadoresconstansimplementededostubosconcntricosdediferentedimetro.Porunodelostubossehacepasarelfluidofroyporelotroelcalienteynuncasemezclan.Esteintercambiadorsepuedetrabajardedosmaneras:Conlosflujosenparalelo,enelcuallosdosfluidosvanenlamismadireccin,oconlosflujos



encontracorriente,endondelosfluidosvanendireccionesopuestas.Laventajaprincipaldetenerunintercambiadordetubosconcntricos,opuestoalintercambiadordetubosycoraza,eslasimplicidaddesudiseo,graciasalocualelinteriordeambassuperficiesesmuyfcildemantenerydelimpiar,haciendoesteintercambiadoridealparafluidosquegeneranincrustaciones.Adicionalmente,suconstruccinrobustapermitequepuedasoportaraltaspresionesdeoperacin.Losintercambiadoresdetubosconcntricostambinproducencondicionesturbulentasatasasdeflujobajas,incrementandoelcoeficientedetransferenciadecaloryporlotantolatasadetransferenciadecalor.Lasdosdesventajasmssignificativassonsualtocostoenproporcinalreadetransferenciadecalorylasmedidastangrandesrequeridasparaaltastasasdetransferenciadecalor,queresultanpocoprcticasyhacenquesegenerengrandesprdidasdecaloralambiente.Laformamssimpledediseosonseccionesdetubosdentrodeunacorazaexterna,aunquehayotrasalternativascomotuboscurvosqueconservanelespaciomientrasmaximizanelreadetransferenciadecalorporvolumen.Estosintercambiadorestambinpuedenserarregladosenserieoenparalelo,dependiendodelosrequerimientosdetransferencia.INTERCAMBIADORDETUBOSCONCNTRICOSIPS.Sonuntipodeintercambiadordetubosconcntricosconarreglodehorquillasenserieynulosenparaleloqueposeengeometradeterminadayseencuentrantabuladosenbibliografa.

2.TABLASDEDATOSYRESULTADOS

3.1TABLA1:DATOSDEENTRADAYSALIDADELASSUSTANCIASDELINTERCAMBIADOR

|ORTOXYLENO(Acalentarse)|ALCOHOLBUTLICO(Aenfriarse)|UNIDADES|Temperaturaentrada|100|170|0F|Temperaturasalida|150|140|0F|Flujomsico|17370.62|18000|Lb/hr|Flujovolumtrico|355.966|315.835|Ft3/hr|Presininicial|14.696|14.696|psi|

3.2TABLA2:DATOSESTRUCTURALESDELINTERCAMBIADORLosdatospresentadosenlasiguientetablaseobtienenmediantelecturadirectadelos



datostcnicosparaunintercambiador3x2IPSCdula40

DATOSINTERCAMBIADOR3X2IPS||#Horquillasdisponibles|5||Longitudporhorquilla|40ft||Longitudportramo|20ft||DIMETROSDETUBERAS||TUBERAEXTERNA|3IPS|TUBERAINTERNA|2IPS||Dimetrointerno(Di)|0.256ft|Dimetrointerno(di)|0.172ft|||Dimetroexterno(do)|0.198ft||*Losdatosanterioresfueronobtenidosdelatabla11(apndice),Kern,ProcesosdeTransferenciadeCalor

DATOSESTRUCTURALES|readeflujo(ai)|0.023ft2|reaanular(ao)|0.02ft2|Dimetrodetransferenciadecalor(deq)|0.131ft|Dimetrohidrulico(dh)|0.057ft|Dimetromediologartmico(dw)|0.185ft|Grosordelatuberainterna(x)|0.013ft|*Ladeterminacindelosvaloresanterioressedeterminaronelapartado4.43.3TABLA3:NOMENCLATURADELASTEMPERATURASDELSISTEMA

NOMENCLATURADETEMPERATURAS|T1|Temperaturadelalcoholisobutlicoenlaentrada|T2|Temperaturadelalcoholisobutlicoenlasalida|t1|Temperaturadelortoxylenoenlaentrada|t2|Temperaturadelortoxylenoenlaentrada|

3.4TABLA4:CLCULOSDELFLUJODECALORYDIFERENCIASDETEMPERATURAENELINTERCAMBIADOR

Q(calor)|372600|BTU/hr|T1|T1t2|20|oF|T2|T2t1|40|oF||Tml|28.85|oF|

3.5TABLA5:CLCULODELOSCOEFICIENTESCONVECTIVOSYLOSDATOSPARASUCLCULO

|CASO1:ALCOHOLBUTILICOPORTUBOS|CASO2:ALCOHOLBUTILICO



PORNULOS|Unidades|FAB|355.963|Ft3/h|Forto|315.835|Ft3/h|Vab|1.53*10^4|1.741*10^4|Ft/h|Vorto|1.545*10^4|1.358*10^4|Ft/h|Reab|5.008*10^5|1.897*10^5|adimensional|Reorto|3.356*10^5|8.861*10^5|adimensional|Nuab|1.053*10^3|484.268|adimensional|Nuorto|522.817|1.137*10^3|adimensional|hi|517.399|504.205|BTU/hft2oF|ho|358.677|312.315|BTU/hft2oF|*Losdatosanterioresseobtuvieronmedianteelapartado4.4Y4.6NOMENCLATURADETABLA5|Fab|Flujovolumtricodelalcoholisobutlico|Forto|Flujovolumtricodelortoxyleno|Vab|Velocidaddelalcoholisobutlico|Vorto|Velocidaddelortoxyleno|

3.6TABLA7:DATOSCOEFICIENTESDETRANSFERENCIADECALORPARALASDOSCONFIGURACIONESDEFLUJO.

|CASO1:ALCOHOLBUTILICOPORTUBOS|CASO2:ALCOHOLBUTILICOPORNULOS|Unidades|Ao|124.617|Ft2|Uexp|103.625|BTU/hft2oF|Ulimpio|180.713|176.683|BTU/hft2oF|Rd|4.117*10^3|3.99*10^3|hft2oF/BTU|*Losdatosseobtuvieronenelapartado4.6

Sernecesarioutilizarlascincohorquillasdisponibles?...

|Horquillasmnimas|Unidades|Ao|71.458|Ft2|Lmin|114.684|Ft|Tramos|5.734~6||#Horquillasmnimas|3|||Horquillasnecesarias|Unidades|UTOT|130.268|BTU/hft2oF|



Ao|99.142|Ft2|Lmin|159.094|Ft|Tramos|7.955~8||#Horquillasmnimas|4||

3.7TABLA8:CADASDEPRESINAsumiendoquelastuberasdelintercambiadorestnconstruidasenaceroinoxidableLarugosidadrelativaseobtuvodegrficasysedeterminelfactordefriccinfDCADASDEPRESIN||Para6tubos|Para8tubos|Longitud(L)|120ft|160ft|Nmerodevueltas(n)|5|7|Pretorno|0.154kg/cm2=314.828lb/ft2|0.215kg/cm2=440.759lb/ft2|Porto|0.386kg/cm2=790.731lb/ft2|0.515kg/cm2=1.054x103lb/ft2|Pab|0.092kg/cm2=187.911lb/ft2|0.122kg/cm2=250.547lb/ft2|Panular|0.54kg/cm2=1.106x103lb/ft2|0.73kg/cm2=1.495x103lb/ft2|

*Losclculossemuestranenapartado4.73.8TABLA9:PROPIEDADESTERMODINMICASYFISICOQUMICASDELALCOCHOLBUTLICODATOSALCOHOLBUTLICOa14.696psi,1550F|Cpab|0.69|BTU/lb.0F|ab|0.266|lb/ft.hr|ab|50.567|lb/ft3|Prab|2.169|adimensional|Kab|0.085|BTU/ft.0F.hr|

3.9TABLA9:PROPIEDADESTERMODINMICASYFISICOQUMICASDELORTOXYLENODATOSORTOXYLENOa14.696psi,1550F|Cporto|0.429|BTU/lb.0F|orto|0.145|lb/ft.hr|orto|54.999|lb/ft3|Prorto|0.692|adimensional|Korto|0.09|BTU/ft.0F.hr|

3.PROPIEDADESDELOSFLUIDOSDETRABAJOLaspropiedadesrequeridasparaeldiseodelintercambiadorsetomaronalatemperaturamedia,tambinllamadatemperaturabulkcorrespondienteparacadafluido.Paraelbutanoles1550Fyparaelortoxileno1250F.



4.CLCULOSYMODELOSDECLCULOSi.BalancedecalorQG=QPQorto=ortoCportoTQab=abCpabti.EcuacindeDiseoQ=U0A0TMLTML=T1t2T2t1lnT1t2T2t1ii.CoeficientesConvectivosCalentamiento:Nui=hidik=0.023Re0.8Pr0.4Enfriamiento:Nuo=hodeqk=0.023Re0.8Pr0.31U0=d0hidi+1ho+xkwd0dw+d0dihdi+1hd0Paradatosdelatuberareadeflujoai=di24reaanulara0=Di24d024DimetroHidrulicodh=Did0Dimetroequivalenteparaelcalordeq=Di2d02d0DimetromedioLogartmicodw=dodilndodiEspesordetubointeriorx=dodi2iii.CadasdepresinPTotal=Pretorno+PortoPortoorto=fDVorto2L2gdiDondeLpuedeser:L6tubos=120ftL8tubos=160ft

5.10FLUJODECALORDELINTERCAMBIADORConsiderandoquenosepresentancambiosdefasedentrodelsistemadelintercambiadorycalculandolaspropiedadesdecadafluidoalatemperaturaintermediaentrelaentradaylasalidapuedehacerseusodelasiguienteexpresin:Q=mCpT5.11CALCULODELCALORCEDIDOPORELALCOHOLBUTLICOQAB=18000lbhr0.69BTUlbF170F140F=372600BTUhr

5.12CALCULODELFLUJOMSICODELORTOXYLENOConsiderandoquenoexistenperdidasdecalorhaciaelambiente,puededeterminarsequeelcalorganadoporelortoxylenoesigualalcedidoporelbutanol,porlotantohaciendousodelaecuacinpreviamentecitada,yconociendolamagnituddelaenergacedidasetieneque:

ORTO=372600BTUhr0.429BTUlbF170F140F=17370.62lbhr



5.13CALCULODELFLUJOSVOLUMTRICOSDELALCOHOLBUTLICOYDELORTOXYLENO

FlujoVol.ORTO=17370.62lbhr54.999lbft3=315.835ft3hr

FlujoVol.AB=18000lbhr50.567lbft3=355.963ft3hr

5.14CALCULODELOSDIAMETROSEQUIVALENTES,HIDRALICOSYDETRASNFERENCIADECALOREldimetrohidrulicocorrespondealadiferenciadedimetrosprovenientedelasiguienteecuacin,estedimetrohidrulicoseusaparacalcularelReynolds:Dido=0.058ftEldimetroequivalenteparacalorseutilizaparacalcularloscoeficientesconvectivosysecalculadelasiguientemanera:

deq=0.25620.19820.198=0.131ft

5.15ANLISISDECASOSCASO1ALCOHOLBUTILICOPORTUBOS

Vab1=355.963ft3hr0.0232ft2=1.53x104fthr

Vorto1=315.835ft3hr0.0204ft2=1.545x104fthr

Reab1=0.172ft1.53x104fthr50.567lbft30.266lbfthr=5.008x105

Reorto1=0.058ft1.53x104fthr54.999lbft30.145lbfthr=3.356x105

Prab=0.69BTUlbF0.266lbfthr0.085BTUhrftF=2.169

Prorto=0.429BTUlbF0.145lbfthr0.090BTUhrftF=0.692

Nuiab1=0.023(5.008x105)0.8(2.169)0.3=1.053x103

Nuiorto1=0.023(3.356x105)0.8(0.692)0.4=522.817hi1=1.053x103(0.085BTUhrftF)0.172ft=517.399BTUhrft2Fho1=522.817(0.090BTUhrftF)0.131ft=358.677BTUhrft2FCalculodelcoeficienteglobalexperimental:A0=0.198ft200ft=124.617ft2



Uexp=372600BTUhr124.617ft2(28.85F)=103.813BTUhrft2FUlimpio1=10.198ft0.172ft(517.399BTUhrft2F)+1358.677BTUhrft2F+0.013ft26.879BTUhrftF0.198ft0.185ft=180.713BTUhrft2FRd1=1103.813BTUhrft2F1180.713BTUhrft2F=4.099x103BTUhrft2FCASO2ALCOHOLBUTILICOPORANULOS

Vab2=355.963ft3hr0.0204ft2=1.741x104fthr

Vorto2=315.835ft3hr0.0232ft2=1.358x104fthr

Reab2=0.058ft1.741x104fthr50.567lbft30.266lbfthr=1.897x105

Reorto2=0.172ft1.358x104fthr54.999lbft30.145lbfthr=8.861x105

Prab2=0.69BTUlbF0.266lbfthr0.085BTUhrftF=2.169

Prorto2=0.429BTUlbF0.145lbfthr0.090BTUhrftF=0.692

Nuoab2=0.023(1.897x105)0.82.1690.3=484.268

Nuiorto2=0.023(8.861x105)0.8(0.692)0.4=1.137x103ho2=484.268(0.085BTUhrftF)0.131ft=312.315BTUhrft2Fhi2=1.137x103(0.090BTUhrftF)0.172ft=504.206BTUhrft2FCalculodelcoeficienteglobalexperimental:A0=0.198ft200ft=124.617ft2Uexp=372600BTUhr124.617ft2(28.85F)=103.813BTUhrft2FUlimpio2=10.198ft0.172ft(504.206BTUhrft2F)+1312.315BTUhrft2F+0.013ft26.879BTUhrftF0.198ft0.185ft=176.683BTUhrft2FRd2=1103.813BTUhrft2F1176.683BTUhrft2F=3.973x103BTUhrft2F5.16CLCULODELASCADASDEPRESINClculodelascadasdepresinpara6tubos(3horquillasnecesarias)L6tubos=120ftConn=5vueltas

Pretorno6tubos=4nVab2ab2g=451.53104fthr2(50.567lbft3)2(4.17108fthr2)=314.828lbft2

Deldiagramaseleyeronlossiguientesfactoresdefriccin

fDorto=0.024fDab=0.019



Porto6tubos=fDortoVorto2L6tubosorto2gdh=0.0241.545104fthr2120ft(54.999lbft3)2(4.17108fthr2)(0.057ft)=790.731lbft2

Pab6tubos=fDabVab2L6tubosab2gdi=0.0191.53104fthr2120ft(50.567lbft3)2(4.17108fthr2)(0.172ft)=187.911lbft2

Panular6tubos=Pretorno6tubos+Porto6tubos=1.106103lbft2

Clculodelascadasdepresinpara8tubos(4horquillasnecesarias)L8tubos=160ftConn=7vueltas

Pretorno8tubos=4nVorto2orto2g=47(1.545104fthr)2(54.999lbft3)2(4.17108fthr2)=440.759lbft2

Porto8tubos=fDortoVorto2L8tubosorto2gdh=0.0241.545104fthr2160ft(54.999lbft3)2(4.17108fthr2)(0.057ft)=1.054103lbft2

Pab8tubos=fDabVab2L8tubosab2gdi=0.0191.53104fthr2160ft(50.567lbft3)2(4.17108fthr2)(0.172ft)=250.547lbft2

Panular8tubos=Pretorno8tubos+Porto8tubos=1.495103lbft2

ANLISISDERESULTADOSLasprdidasporfriccindelfluidotienenmagnitudesuntantosimilaresparalasdossituacionesdeestudioesdecirhaciendopasarelfluidoaenfriarseporelnulo,oporeltubointeriorporendeestenoseconsideracomounelementovlidoparadecidirlaconfiguracindeflujo,perosipodemosdarnosunaidea.Elcoeficienteglobaldetransferenciadelintercambiadorpresentavaloressuperiorescuandoelfluidocalientesedesplazaporelnulo,porende,sisedeseaaumentarlatransferenciadecalorestainformacinpodradeterminarelcorrectodireccionamientodelflujo.Losfactoresdeincrustamientopresentanmagnitudesconsiderablementesimilaresyademssondemagnitudbaja.

CONCLUSIONESEneldiseodeintercambiadoresdecalorlaseleccindelaconfiguracindeflujoserealizatomandoencuentaunaseriedefactorescomolacorrosividaddelosfluidosdetrabajolaspresionesdeflujo,loscoeficientesconvectivosyelgastomsico.Elfluidomscorrosivodebemoversedentrodeltubointeriordeldispositivopuestoqueresultamssencilloefectuarelmantenimientoocambiodelosmismoselorto



xilenoesuncompuestousadoenlaindustriaparainhibirlacorrosinendeterminadosequiposoprocesoseinclusoseusaparatransportarsustanciascorrosivas.PorlotantoybajoesteestamentoelOrtoxylenodebellevarseporelnuloesdecirporfueradeltubointerior.Elfluidoquepresentemenorgastomsicoyporlotantounamenorvelocidadmediayunmenorcoeficienteconvectivosasociadodebedesplazarseporfueradelatuberainterior,puestoqueesmsfcildisearelementosexternosqueayudenalatransferenciadecalortalescomoaletas.Evaluandolosrespectivoscoeficientesglobalesdetransferenciadecalorlimpiosylosfactoresdeincrustacincorrespondientessepuededecirqueelalcoholbutlicodebefluirporelanulopuestoquepresentavaloresmuchomayoresdecoeficienteglobaldetransferenciadecalorlimpioygeneraramenorincrustacinaunquedicharesoluciniraencontradeloselementospreviamenteplanteadosdecorrosividadsinembargocomoloquesebuscadeunamanerauotraeslamejortransferenciadecalorpuededecirsequeelalcoholbutlicodebeirpordentrodelostubos.Losintercambiadoresdetubosconcntricossonequiposconrequerimientosespacialesrelativamentealtosquetienencomoprincipalventajalaeconomaensudiseo,construccinymantenimientosinembargoslodebenserusadosenaplicacionesquerequierandeunreasuperficialpequea.Losintercambiadoresdetubosconcntricospresentanademsprdidasfriccinalesyporaccesoriosrelativamentebajaspuestoquenotienenelementosdediseotalescomoaccesoriosdegeometracomplicada,odeflectorescomoeselcasodelosintercambiadoresdetubosycoraza.stecomportamientoesidealcuandonosedisponedeequiposdebombeodealtacapacidadocuandoserequiereeconomaendichosentido.REFERENCIAS*Yaws,CL(1995)Handbookofconductivity.GulfPubCo.EEUU.*Incropera,F(1999)Fundamentosdelatransferenciadecalor.Pearson.*Kern,D(1950)ProcesosdeTransferenciadeCalor.McGrwHill.*Felder(2000)Principioselementalesdelosprocesosqumicos.LimusaWiley.

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