diseno y calculo termico de un calentador

7/24/2019 Diseno y Calculo Termico de Un Calentador

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ResumenEl siguiente proyecto busca disear unintercambiador de calor tipo: calentadorde aire tubular, con finalidad para unacaldera, calcular la transferencia decalor en cada caso, ya sea porconduccin, conveccin y/o radiacin,si as lo amerita el caso.

De ante mano se tuvo en cuenta en eldiseo del intercambiador laoptimizacin de la trasferencia de calorentre los fluidos circulantes (gas y aire),

de modo que se minimizasen las

perdidas debido a la transferencia decalor con el medio circundante.

Abstract

The next project seeks to design a heatexchanger type: tubular air heater, inorder for a boiler, heat transfercalculation in each case, either byconduction, convection and / orradiation, so it if the case warrants.Beforehand it was considered inexchanger design optimizing the heattransfer between the surrounding fluid(gas and air), so that it would minimizethe losses due to heat transfer with the

surrounding environment.

Contenidos.

I. Introduccin

II. Objetivos

III. Nomenclatura

IV. Metodologa

V. Sntesis

V.1. Intercambiador de calor

V.2. Diseo de un intercambiador de calor

V.3. Tubos

V.4. Cada de presin en un intercambiador de calor

V.5. Coeficiente de transferencia global U

V.6. Ensuciamiento

V.7. Factor de incrustacin

V.8. Eficiencia del intercambiador de calor


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VI.

Anlisis

A.Datos iniciales

B.Composicin qumica del combustible

C.Calculo de los productos de la combustin

a. Coeficiente de exceso de aire

b. Volumen terico de aire

c. Volumen terico de vapor de agua

d.

Volumen real de vapor de aguae. Volumen terico de nitrgeno

f. Volumen de los gases triatmicos

g. Volumen terico de los gases secos

h.Volumen real de los gases secos

i. Volumen real de los gases de combustin

D.Flujo msico del gas natural

E. Calor especfico del gas de combustin

F. Calos especifico del aire

G.

Temperatura de salida de los gases decombustin

H.Temperatura media logartmica

I. Tabla de propiedades

J. Parmetros para el clculo del flujo calrico

K.Calculo del rea de transferencia de calor apartir de unas velocidades y dimensionesrecomendadas para el intercambiador

a. Nmero de Reynolds

b. Factor de TC, JH


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c. Dimetro equivalente

d.

Coeficientes peliculares de TC, hi y ho

e. Coeficiente global de TC, U

f. Potencia calrica

g. rea de TC (limpio)

h.Numero de tubos (limpio)

L. Diseo con el rea de transferencia de calorobtenida y con las velocidades reales

a.

Coeficiente pelicular de transferencia de

calor por el lado de la coraza, ho

b.

Coeficiente pelicular de transferencia decalor Calculo por el lado de los tubos, hi

c.

Coeficiente global de transferencia decalor para el diseo, U

d.

rea total de transferencia de calor

e.

Nmero de tubos de diseoM.Redimensionando el intercambiador con el fin

de que cumpla con las velocidades ydimensiones recomendadas

a. Dimetro equivalente

b. Coeficientes peliculares de TC

i. Calculo por el lado de la coraza, ho

ii. Calculo por el lado de los tubos, hi

c. Coeficiente global de TC definitivo, U

d. rea definitiva de TC

e. Nmero de tubos definitivo

N.Calculo de la cada de Presin

a. Cada de presin por el lado de la coraza,aire


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b. Cada de presin por el lado de los tubos,gas natural

VII. ConclusionesVIII. Bibliografa y referencias

IX. Anexos


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I. Introduccin

Para poder realizar este tipo de trabajos se tuvo que recurrir a muchas habilidadesaprendidas con anterioridad adems fue necesario tener conocimientos sobre muchasramas de la ciencia tales como la termodinmica, ciencias de materiales, mecnica defluidos, qumica, etc. Se sabe que los intercambiadores de calor son dispositivos usados

para la transferencia de calor entre dos o ms fluidos, adems el diseo de estos equiposha sido de gran importancia para los investigadores, debido a las exigencias del ahorroenergtico. Las leyes fundamentales y los principios que definen su diseo sonresultados de anlisis termodinmicos. Estos siguen un proceso anterior al diseo en elque intervienen aspectos tales como la composicin y el comportamiento de los fluidosque lo atraviesan, y procesos posteriores tales como la manufactura que deben detomarse en cuenta.


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II. Objetivos

Identificar los procesos que se utilizan a la hora de realizar un intercambio decalor en un calentador de aire

Comprender el clculo de combustin, y el balance estequiomtrico paracombustibles gaseosos como el gas natural

Dimensionar el intercambiador de calor.

Calcular la transferencia de calor por conduccin y conveccin en los tubosinternos


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III. Nomenclatura

: Dimetro externo de los tubos.: Dimetro interno de los tubos.

: rea interna de los tubos.: Densidad del gas natural.

: Densidad del aire.: Flujo msico del gas natural.: Flujo msico del aire.: Velocidad recomendada para ambosfluidos.

: Velocidad mxima para el aire.

: Numero de Reynolds,: Numero de Nursselt (interno,externo).

,: Numero de Prandt (interno,externo).

:Diferencia de presin en lacarcasa.

: Cada de presin uniforme enla batera de los tubos.

: Numero de tubos.: Espesor del aislante.,: Viscosidad cinemtica (aire,gas natural).

,: Temperatura del aire (entrada,salida).

,: Temperatura del gas natural(entrada, salida).

: Temperatura promedio del aire.: Temperatura promedio del gasnatural.

: Temperatura ambiente del aire.: Calor especifico del aire a latemperatura promedio.

: Calor especifico del gas natural ala temperatura promedio.

: Coeficiente de transferencia decalor dentro de los tubos.

: Coeficiente de transferencia decalor por fuera de los tubos.

: Conductividad trmica., n= 1, 2, 3, 4: Transferencia de calor: Resistencia trmica.

: Prdidas por tramo recto en tubos

internos.

: Prdidas por intercambiador decalor.

: Factor de friccin.: Coeficiente global de transferenciade calor


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IV. METODOLOGIA

Inicialmente se procedi a realizar el clculo de combustin para la

caldera requerida, utilizando los parmetros predeterminados; de ello

es sabido que en las reacciones de combustin intervienen

procedimientos estequiomtricos, dependiendo de los fluidos

vinculados a la reaccin combustiva: gas natural y aire. De aqu en

adelante se estima la cantidad de aire demandado en el proceso con

su respectivo coeficiente de exceso de aire, para optimizar l sistema.

Posteriormente se realiz el clculo de las composiciones de los

fluidos circulantes, estos valores son necesarios en losprocedimientos siguientes, entre ellos balance de energa-masa en el

intercambiador.

Partiendo de cada proceso previamente calculado y sus respectivos

resultados e yendo de la mano con los procesos de transferencia de

calor por conveccin interna y externa, y conduccin, los coeficientes

de transferencia de calor (obteniendo los nmeros adimensionales de

Reynolds, Prandtl y Nusselt). Posteriormente se calcula el coeficiente

global de transferencia de calor, as como el rea de intercambio decalor (lo cual definir la geometra del intercambiador), teniendo en

cuenta la aplicacin de normas ampliamente aceptadas como las

normas TEMA y ASME.


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V. SNTESIS

1- Intercambiador de calor

En los sistemas mecnicos, qumicos, nucleares y otros, ocurre cuando el calordebe ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Losintercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea.Un entendimiento bsico de los componentes mecnico de los intercambiadores decalor es necesario para comprender como estos funcionan y operan para unadecuado desempeo.El funcionamiento de los intercambiadores de calor se basa en la transferencia de

energa en forma de calor de un medio (aire, gas o lquido) a otro medio. Elmecanismo de funcionamiento de los intercambiadores de calor, que logran una

separacin total entre los dos fluidos sin que se produzca ningn almacenamientointermedio de calor, se conoce como recuperador. Recair desarrolla y fabricarecuperadores para transferencia de calor aire-aire.Existen diversos tipos de intercambiadores, el ms comn es el de doble tuboconcntrico donde los fluidos estn separados por una pared o una divisin a travsde la cual fluye el calor. Debido a que las corrientes de ambos lquidos fluyen porel intercambio de una sola vez, el proceso de transferencia de calor se llamaintercambio de un solo paso. Si ambos fluidos se desplazan en la misma direccin,el intercambiador es del tipo flujo paralelo. Si los fluidos fluyen en direccionesopuestas el intercambiador es del tipo contra flujo o contra corriente. Cuando

los fluidos que recorren la superficie que transfiere el calor se mueve en ngulorecto entre s, el intercambiador de calor es de tipo flujo cruzado transversal.

Esquema de un tipo de intercambiador


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Las razones que se utilizan los Intercambiadores de Calor

Calentar un fluido frio mediante un fluido con mayor temperatura. Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor

temperatura. Llevar al punto de ebullicin a un fluido mediante un fluido con mayor

temperatura.

Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frio. Llevar al punto de ebullicin a un fluido mientras se condensa un fluido

gaseoso con mayor temperatura.

2- Diseo de un intercambiador de calor

El primer paso es delimitar el problema tanto como sea posible inicialmente, estoes, definir para las corrientes: caudales, presiones, temperaturas, propiedadesfsicas, fouling, prdidas de presin admisibles, etc. Luego se procede aseleccionar valores tentativos para los parmetros ms importantes de diseo, talescomo longitud y dimetro de los tubos (teniendo en cuenta las prdidas de presiny las vibraciones que se producirn), el arreglo del banco de tubos, elespaciamiento entre deflectores, la cantidad de pasos y cantidad de carcasas enserie. Con estas dimensiones, se tiene el valor de un rea inicial supuesta.Con estos valores se efecta la evaluacin trmica del intercambiador, dando comoresultado un valor del coeficiente global de transferencia de calor. Este puedeobtenerse mediante la combinacin de correlaciones que dependen de los

parmetros seleccionados. Con este valor, se procede a calcular un nuevo valor derea requerida. El procedimiento es ms preciso en la medida que lo es el clculo


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del coeficiente global de transferencia de calor. Este es un valor que depende delcoeficiente de transferencia de calor por conveccin en el interior y exterior de lostubos, que a su vez de las propiedades de los fluidos. Si bien la definicin dedichos coeficientes en el lado de los tubos es bastante precisa con las correlacionesactuales, no lo es tanto para el lado de la carcasa.En general, puede enumerarse una serie de pasos, como sigue

1. Comprobar el BALANCE DE ENERGA, se deben de conocer lascondiciones del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones, propiedadesfsicas de los fluidos.

2. Asignar las corrientes al tubo y carcasa.3. Dibujar los diagramas trmicos.4. Determinar el nmero de intercambiadores en serie.5. Calcular los valores corregidos de la diferencia media de temperaturas (MTD).

6.

Seleccionar el dimetro, espesor, material, longitud y configuracin de lostubos.7. Estimar los coeficientes de pelcula y de suciedad. Calcular los coeficientes

globales de transmisin de Calor8. Calcular la superficie de intercambio estimada.9. Seleccionar el tamao del casco (utilizando dos pasos en tubo).10.Calcular las prdidas de presin en el lado del tubo y recalcular el

nmero de pasos para cumplir con las prdidas de presin admisibles.11.Asumir la separacin entre desviadores y el rea de paso para conseguir la

perdida de presin en casco admisible.

12.

Recalcular los coeficientes de pelcula en el lado del tubo y del cascoutilizando las velocidades msicas disponibles.13.Recalcular los coeficientes globales de transmisin de calor y comprobar si

tenemos suficiente superficie de intercambio.14.Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequea revisar los

estimados de tamao de carcasa y repetir las etapas 9-13.

3- Tubos

Los tubos son los componentes fundamentales, proporcionando la superficie detransferencia de calor entre el fluido que circula por el interior de los tubos, y lacarcasa. Los tubos pueden ser completos o soldados y generalmente estn hechosde cobre o aleaciones de acero. Otras aleaciones de nquel, titanio o aluminio

pueden ser requeridas para aplicaciones especficas.Los tubos pueden ser desnudos o aletados. Las superficies extendidas se usancuando uno de los fluidos tiene un coeficiente de transferencia de calor muchomenor que el otro fluido. Los tubos doblemente aletados pueden mejorar an msla eficiencia. Las aletas proveen de dos a cuatro veces el rea de transferencia de

calor que proporcionara el tubo desnudo. La cantidad de pasos por los tubos y porla carcasa dependen de la cada de presin disponible. A mayores velocidades,


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aumentan los coeficientes de transferencia de calor, pero tambin las perdidas porfriccin y la erosin en los materiales. Por tanto, si la prdida de presin esaceptable, es recomendable tener menos cantidad de tubos, pero de mayor longituden un rea reducida. Generalmente los pasos por los tubos oscilan entre 1 y 8. Losdiseos estndares tienen uno, dos o cuatro pasos por los tubos. En mltiplesdiseos se usan nmeros pares de pasos. Los nmeros de pasos impares no soncomunes, y resultan en problemas trmicos y mecnicos en la fabricacin y en laoperacin.

La seleccin del espaciamiento entre tubos es un equilibrio entre una distanciacorta para incrementar el coeficiente de transferencia de calor del lado de lacarcasa, y el espacio requerido para la limpieza. En la mayora de losintercambiadores, la relacin entre el espaciamiento entre tubos y el dimetroexterior del tubo vara entre 1,25 y 2. El valor mnimo se restringe a 1.25 porque

para valores inferiores, la unin entre el tubo y la placa tubular se hace muy dbil,y puede causar filtraciones en las juntas. Para los mismos espaciamiento entretubos y caudal, los arreglos en orden decrecientes de coeficiente de transferenciade calor y cada de presin son: 30,45,60 y 90.

Los tubos se pueden clasificar en cuatro tipos de arreglos.

Imagen tomada de: Proceso de transferencia de calor. Donald Kern (figura 7.3)

Espaciado de los tubos

Los orificios de los tubos no pueden taladrarse muy cerca uno de otro, ya que unafranja demasiado estrecha de metal entre los tubos adyacentes, debilita estructuralmenteel cabezal de tubos o espejo. La distancia ms corta entre dos orificios adyacentes es elclaro o ligadura, y stos a la fecha, son casi estndar. Los tubos se colocan en arreglosya sea triangulares o cuadrados, como se muestra en las Figs. 7.3a y b. La ventaja delespaciado cuadrado es que los tubos son accesibles para limpieza externa y tienen

pequea cada de presin cuando el fluido fluye en la direccin indicada en la Fig.

7.3a. El espacio de los tubos PT es la distancia menor de centro a centro en tubosadyacentes. Los espaciados ms comunes para arreglos cuadrados son de 3/4 plg DE en


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un espaciado cuadrado de 1 plg y de 1 plg DE en un espaciado en cuadro de 1 plg.Para arreglos triangulares stos son, de 3/4 plg DE en espaciado triangular de

plg,

3/4 plg DE en un arreglo triangular de1 plg, y 1 plg DE en un arreglo triangular 1% plg.En la Fig. 7.3~ el arreglo en cuadro ha sido rotado 45

, y permanece esencialmente lo

mismo que en la Fig. 7.3a. En la Fig. 7.3d se muestra una modificacin del espaciadotriangular que permite una limpieza mecnica. Si los tubos se separan suficientemente,es posible dejar los pasajes indicados para limpieza.

4- Cada de presin en un Intercambiador de calor

La cada de presin es, en general, una importante restriccin en el diseo deintercambiadores de calor compactos; si el flujo es gaseoso, este tipo deintercambiadores de calor tienden a presentar una gran rea frontal y una longitudde flujo pequea. La Fig 4.1 muestra el esquema del ncleo de un intercambiadorde calor compacto. Segn Kays y London la cada de presin total P entre laentrada y la salida es la suma de la cada de presin por contraccin Pent. Ms la

cada de presin en el ncleo Pnc. Menos la presin recuperada por expansin

Psal

= +


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Cada de presin en el lado de la carcasa: La cada de presin se debe a aspectos talescomo el nmero de deflectores, cada de presin en la seccin de entrada y salida, y lacada de presin por la configuracin de los tubos. Este diferencial se puede calcular

mediante la ecuacin de Delaware:

= + 1 : Cada de presin uniforme en la batera de los tubos.:Numero de deflectores.: Coeficiente del orden de 0.2 al 0.3

5- Coeficiente de transferencia trmica global U

Es uno de los aspectos principales de anlisis trmico en un intercambiador decalor y viene definido por dos ecuaciones.

= 1 + 2 + 1

= 11+ 2 +

Estas dos ecuaciones representan el coeficiente de globaltransferencia exterior e interior respectivamente.

6- Ensuciamiento

Tras un perodo de funcionamiento, las superficies de transferencia de calor de unintercambiador de calor pueden llegar a recubrirse con varios depsitos presentesen las corrientes, o las superficies pueden corroerse como resultado de lainteraccin entre los fluidos y el material empleado en la fabricacin del

cambiador de calor. En cualquier de los casos, esta capa supone una resistenciaadicional al flujo de calor y, por tanto, una disminucin de sus prestaciones.


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El efecto global se representa generalmente mediante un factor de suciedad, oresistencia de suciedad, Rf, que debe incluirse junto con las otras resistenciastrmicas para obtener el coeficiente global de transferencia de calor.Los factores de suciedad se tienen que obtener experimentalmente, mediante la

determinacin de los valores de U del cambiador de calor tanto en condiciones delimpieza como de suciedad. El factor de suciedad se define entonces as.

= 1 1

Estos factores de ensuciamiento,son resistencias trmicas unitarias y por lotanto, cuando vayan a emplearse hay que tener en cuenta el tamao del reasuperficial. Debido a

1= 1+ +

Que tanto las superficies calientes como las fras pueden ensuciarse, debemosmodificar la ecuacin del coeficiente global de transmisin segn la ecuacinanterior.

7- Factor de incrustacin:

Me permite determinar cul es la resistencia al flujo de calor que posee laincrustacin de suciedad conociendo la conductancia del intercambiador limpio.

= 1+

1

:Resistencia al flujo de calor de la incrustacin.:Conductancia despus de formarse incrustaciones.: Conductancia del intercambiador limpio.


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8- Eficiencia del intercambiador de calor:

La eficiencia del intercambiador de calor es la relacin que existes entre la

velocidad real de transferencia de calor en un intercambiador determinado y lavelocidad mxima posible de transferencia de calor. Esta velocidad mxima deintercambio de calor se obtendra en un intercambiador de calor en contra corrientecon superficie de intercambio infinita.

=

Existen ligeras modificaciones de la ecuacin de eficiencia de unintercambiador, de acuerdo a la situacin que se presente, porejemplo:

Sea:

=

=

Caso 1. <

= =| ; = |= = 1

Caso 2. < ; =

= =| ; = |= = 1


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VI. ANLISIS

A continuacin encontramos los valores predeterminados del diseo del Intercambiadorde Calor, tipo calentador de Aire Tubular para Caldera:

Flujo de Aire: 2000kg/h

Asumir la temperatura de entrada y salida para el aire.

Asumir la temperatura de entrada y salida para los gases de combustin.

Temperatura de aire a la entrada de calentador mxima debera ser de 80o lo que eslo mismo: 27C (aproximadamente), cabe destacar que la temperatura a la entradadepende de las condiciones atmosfricas del medio ambiente, tal que para el trpico la

temperatura promedio del aire es en general alrededor de los 30C (esta informacin fuetomada del siguiente documento:http://www.indeeco.com/images/Duct_Spanish.pdf).

El calentar el aire a una temperatura aproximadamente de 200c logra una mejoraconsiderable en la combustin de los compuestos (hidrocarburos) que intervienen en el

proceso, aumentando la eficiencia general del sistema.

Modernas calderas de alta capacidad siempre se proporcionan con un calentador previo

de aire. El papel del pre calentador de aire, est en precalentar la combustin de aire, lacual aumenta con la alimentacin de la unidad de una planta. Los gases de combustinde caldera contienen cantidad significativa de energa trmica a la salida deleconomizador. Adems de la necesidad de precalentar el aire para mejorar la eficienciade la combustin el beneficio de precalentamiento del aire de combustin se puededemostrar que ser 1% de mejora en eficiencia de la caldera, para cada 22 C deaumento en la temperatura del aire de combustin.

Los principales requisitos para un bue calentador de aire son tener buena tasa detransferencia de calor, bajo ensuciamiento y bajas cadas de presin

En general los calentadores de aire trabajan junto a economizadores, tal que los gasesantes de reaccionar en la combustin pasan por el economizador, en donde se eleva sutemperatura hasta aproximadamente 300C, dependiendo de la temperatura a la que sedesee calentar el aire (Rakesh Kumar-Sanjeev Jain. Performance evaluation of airpre heater at off design condition)

De aqu se tiene el siguiente cuadro comparativo que representa los datos iniciales deldiseo:
http://www.indeeco.com/images/Duct_Spanish.pdfhttp://www.indeeco.com/images/Duct_Spanish.pdfhttp://www.indeeco.com/images/Duct_Spanish.pdf


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A. Calculo de la temperatura de salida de los gases de combustin

La transferencia de calor consiste es que parte de la energa de los gases de combustines cedida al aire en forma de calor.

=

= Sabiendo que:

= De donde:

=

=

=

Remplazando en la expresin anterior

= NOTA: las variables con subndice a corresponde a caractersticas del aire, y lasvariables con subndice g designan caractersticas del gas de combustin.

Es sabido que

< >

Entonces

=


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De aqu se tiene:

=

Esta expresin nos proporcionar el valor de la temperatura de salida de los gases decombustin, en ella las incgnitas son:

Flujo msico del gas de combustin

Calor especfico del gas de combustin

B. Composicin qumica del combustible

El combustible requerido ser el gas natural extrado en Colombia, este es uncombustible relativamente limpio cuyas caractersticas varan dependiendo del lugardonde se extrae. La siguiente informacin es tomada del documento Calidad de Gasescomercializados en Colombia, en el Apartado que designa a la zona: Guajira- CostaAtlntica, Ecopetrol, gerencia de gases, Junio 2004.


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Con base en los porcentajes de las molculas componentes del gas natural colombianose calcula cuanto porcentaje hay de los elementos qumicos individuales en 1Kg demasa de combustible.

Ahora se procede a sumar los gramos obtenidos para cada elemento por kilogramo decombustible, debido a que esta suma no afecta en lo absoluto al calor especifico quetendr el producto de la combustin de gas natural con el aire.

C. Calculo de los Productos de la combustin

Para este caso se utilizara el mtodo de la norma sovitica utilizando las expresiones acontinuacin.

Volumen real de los gases de combustin ( = + ;

De donde se tiene que:

=

= Volumen real del vapor de agua (

= + 0,032 1 ;

De donde: =

Volumen terico del vapor de agua (

= 0,01 + + 2 + 0, 032


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De donde: = % = % = %

Volumen terico de aire (= 0,0476 [0,5 + 0,5 + 1,5 + + 4

] ;

De donde: = % = %

Volumen real de los gases secos ( = + 1;

Volumen terico de los gases secos ( = +

Volumen de los gases triatmicos ()= 0,01 + + + ;

Volumen terico del nitrgeno (= 0,79 + 100 ;

De donde:

= %

C.1 Clculo del coeficiente de exceso de Aire

Corresponde a una cantidad de aire que debe ser suministrada a la cantidad de aire

terico para garantizar la combustin completa de la mezcla: gas natural aire, esto sedebe a que en general experimentalmente no todo el combustible se quema con la


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cantidad de aire terico. Se incrementa la eficiencia de la caldera en 1% por cada 15%de disminucin de exceso de aire, esta informacin se obtuvo consultando al artculo:Mejora de la eficiencia de combustin en calderas, Metrogas, www.metrogas.cl

(referencia vista como archivo anexo).

El termino combustin completa o curre cuando la totalidad de las sustanciascomponentes del combustible entran en reaccin.

De la tabla anterior se tiene que:

Donde los valores en rojo corresponden a la eficiencia total de la caldera respecto alporcentaje de exceso de aire y al choque trmico entre la temperatura del gas decombustin y el aire.

Asignamos los siguientes puntos para el clculo del exceso de aire:

Se interpola la tabla anterior tal que la diferencia de temperatura entre el gas decombustin y el aire esta predeterminada para nuestro caso, 100C

para el punto a:

=83.1 85.414993 10093 +85.4

= 85.11


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para el punto b:

=82.8 85.214993 10093 +85.2 = 84.9 para el punto c:

= + 2 =85.11 + 84.92 85

Entonces:

Para nuestro caso lo importante es el exceso de aire, dado que no hay oxigeno suelto enla composicin de nuestro gas combustible (gas natural)

% = 159.584.985.11 8585.11 +9.5% = 12.38 %

El coeficiente de exceso de aire se calcula de la siguiente manera

= 1 + % 100%

= 1 + 12.38%100% = .

C.2 Calculo del Volumen terico de aire (

= 0,0476 [0,5 + 0,5 + 1,5 + + 4 ] ;

En la composicin del gas natural no se encuentran los siguientes compuestos:


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CO: monxido de carbono

H2: hidrogeno libre

H2S: sulfuro de hidrogeno

O2: oxigeno libre

Se procede a realizar el clculo de los hidrocarburos con el trmino:

+ 4

Entonces:

= 0,0476 [ +4 ]

= ,

C.3 Volumen terico del vapor de agua (

= 0,01 + + 2 + 0, 032


H2: hidrogeno libre


Se procede a realizar el clculo de los hidrocarburos con el termino:

2


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Entonces

= 0,01 2 + 0, 032

= 0,01197,31 +0,0329,41

= ,

C.4 Calculo de Volumen real del vapor de agua (

= + 0,032 1 ;

Remplazando los valores conocidos= 2,27+0,0321,12381 9,41

= ,

C.5 Calculo de Volumen terico del nitrgeno (

= 0,79 + 100 ;

Sabiendo que para el gas natural el porcentaje de nitrgeno es de 6,1 %,entonces se remplaza:

= 0,79 9,41 + 1,395100

= ,


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C.6 Calculo del Volumen de los gases triatmicos ()

= 0,01 + + + ;


CO: monxido de carbono

O2: Oxigeno libre


El porcentaje de dixido de carbono en el gas natural es de 0,242%

Se procede a realizar el clculo de los hidrocarburos con el trmino:

= 0,01 0,242 + 98,95;

= ,

C.7 Calculo del Volumen terico de los gases secos (

= +

Remplazando los valores conocidos:


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= 0,99 + 7,45 = ,

C.8 Calculo del Volumen real de los gases secos (

= + 1;

Remplazando los valores previamente hallados:

= 8,44+ 1,12381 9,41; = ,

C.9 Calculo del Volumen real de los gases de combustin (

= + ;

Remplazando los valores obtenidos anteriormente:

= 9,6 + 2,31;

= ,

D. Calculo del flujo msico de los gases de combustin

Sabiendo que: = De donde:


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: = :

Tal que el trabajo en la transferencia de calor entre el aire y el gas de combustin ocurreen una misma unidad de tiempo, se obtiene la siguiente expresin:

=

De donde los valores con subndice a designan caractersticas del aire y los con

subndice g designan caractersticas del gas de combustin.

Entonces se tiene la siguiente correlacin:

= Remplazando los valores conocidos

= (11.919,41) 2000/

= , /

E. Calculo del calor especifico del gas de combustin

Cabe destacar que el calor especifico Es la cantidad de calor medida en julios, que se

requiere para elevar la temperatura de un kilogramo de una sustancia un Kelvin.

De acuerdo con la ley formulada por los qumicos franceses Pierre Louis Dulong yAlexis Therese Petit, el calor especfico de los elementos slidos es inversamente

proporcional a su masa atmica de forma que el calor especfico multiplicado por lamasa atmica es aproximadamente una cantidad constante para todos los elementosslidos

Para obtener el calor especifico de los gases que intervienen en la combustin, se debecalcular la cantidad porcentual de elementos que estos posean.

Para el gas natural ya se realiz esta tabla anteriormente:


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= Para este punto es necesario conocer los calores especficos de los elementos qumicos

por separados

Remplazando entonces en la frmula del calor especifico par los gases de lacombustin, previamente anunciada:

=

= ,

F. Calculo del calor especifico del aire

Sabiendo que el aire est aproximadamente compuesto de 21% oxgeno y 79%nitrgeno.

Entonces:


31/54

Remplazando entonces en la frmula del calor especfico para el aire, previamenteanunciada:

=

=

G. Calculo de la temperatura de salida de los gases de combustin

De ante mano se demostr la ecuacin que calcula la temperatura a la salida de los gases decombustin, la cual es la siguiente:

=

Remplazando los valores conocidos:

= 300 200010072541,393920,6 20027= ,

H. Calculo de la temperatura media logartmica

La Temperatura media logartmica corresponde a una medida esencial para el clculo dela transferencia de calor convectiva, cabe destacar que para este punto es necesarioconocer la temperatura de los fluidos a la entrada y a la salida del intercambiador.

Para calcular la temperatura media logartmica se utiliza la siguiente ecuacin:

=ln ()

Remplazando los valores conocidos

=20027 300 265.03

ln 200 27300266.17


32/54


33/54

De donde:

= 9

= 30 Se utilizara tambin por recomendacin BWG 14, con:

Dimetro externo: 0,5 pulg (0,0127m) Dimetro interno: 0,334 pulg (0,0085m) Espesor: 0,083 pulg (0,0021m) Longitud: 144 pulg (3,66m)

El intercambiador ser un arreglo en triangulo a 60, con lo siguiente:

= 1,25 = 0,25

K. Calculo del rea de transferencia de calor a partir de unas velocidades ydimensiones recomendadas para el intercambiador.

Haciendo uso de la metodologa del Kern (texto gua) se procede a realizar el clculosiguiendo un algoritmo de trabaja bsico, de la siguiente manera.

K.1 Calculo del nmero de Reynolds

El nmero de Reynolds (Re) es un nmero adimensional utilizado en mecnica defluidos,diseo de reactores y fenmenos de transportepara caracterizar el movimientode unfluido

=

Para el aireo = 9 o = 0,0127o = 0,89 o = 2,28 10

=

Para el gas de combustin
http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_adimensionalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Dise%C3%B1o_de_reactoreshttp://es.wikipedia.org/wiki/Fen%C3%B3menos_de_transportehttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fen%C3%B3menos_de_transportehttp://es.wikipedia.org/wiki/Dise%C3%B1o_de_reactoreshttp://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidoshttp://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_adimensional


34/54

o = 30 o = 0,0085o = 0,78 o = 5,49 10

= K.2 clculo del factor de trasferencia de calor JH

Utilizando el valor del nmero de Reynolds, nos dirigimos a la figura 28 y figura 24 dellibro de Kern para encontrar los valores de JH para los nmeros de Reynolds de losfluidos anteriores.

Tabla de calculo de JH del lado de la coraza.


35/54

Curva de clculo de JH del lado de los tubos.

De aqu se tiene que:

= =

K.3 Calculo del dimetro Equivalente

Corresponde a una medida a partir del radio hidrulico y estdefinida de la siguiente manera:

= 4 = /42/2

= 4 Remplazando los valores conocidos:

=0,0127 0,008540,0085 = ,

K.4 Calculo de los coeficientes peliculares de transferencia de Calor

Para ello se utiliza la siguiente expresin que relaciona las caractersticas del fluido con

su respectivo factor JH.

= ( )

Para el lado de la coraza

Se tiene que = 1

=

(

)


36/54

= 35 0,0260,01 1007 2,28 10

0,026 1

= ,

Para el lado de los tubosSe tiene que = 1,2

= ( )

= 30 0,76630,01 4068 5,49 100,7663

1= ,

K.5 Calculo del coeficiente Global de transferencia de Calor

Ya teniendo los coeficientes peliculares y , se puede hallar un valor para elcoeficiente total de transferencia de calor (limpio), despreciando la resistencia de la

pared y el ensuciamiento y as poder dimensionar por primera vez el intercambiador.

Utilizando la expresin:

1=

1+

1


1

= 1

83,28+ 1

1746,17

De donde

= ,

K.6 clculo de la Potencia calrica

Se sabe que la energa calrica puede ser representada en forma de potencia en la

siguiente expresin:


37/54

= Remplazando para los valores del aire:

= ,

K.7 rea de transferencia de calor

Usando la siguiente expresin

= Y sabiendo que el factor

= 1Entonces se despeja de la ecuacin la variable A, que designa el rea de transferencia decalor en limpio del intercambiador.

= . Remplazando los valores conocidos

= 96783,8979,4985,28 = ,

K.8 clculo del nmero de tubos

Es sabido que el rea de trasferencia de calor para este caso se puede expresar de lasiguiente manera

nlDAext

Despejando ntenemos

=

= 14,380,0127 3,66


38/54

De donde

L. Diseo con A obtenida y velocidades reales

Se procede a realizar el algoritmo de clculos pertinentes para determinar el diseocategrico del sistema, con la condicin que el intercambiador trabajar con cincodeflectores, tal que el espaciamiento entre ellos ser de:

= 24" = 0,61L.1 Calculo por el lado de la Coraza

Se calcula en dimetro interno de la coraza, de la siguiente manera

= ( 0,0743) ,

= 0,0127 ( 980,0743),

= , Ahora se procede a calcular

=

=0,220,250,01270,611,250,0127

= , Con esto se calcula la velocidad del fluido

=

= , /

Con esto se procede a evaluar el nmero de Reynolds


39/54

= =

Al consultar en la grfica de JH para el lado de la coraza se obtiene:

= Ahora se calcula el coeficiente pelicular de transferencia de calor correspondiente al aire

= ( )

De donde

= 1

Entonces:

= 50 0,0260,01 1007 2,28 10

0,026 1

= ,

L.2 Para el lado de los Tubos:

Para este caso se considera que el intercambiador trabaja con cinco pasos, la normativade clculo del coeficiente pelicular de transferencia de calor es la siguiente:

Sabiendo que:

= De donde

= Entonces

= =

Se calcula la velocidad del gas de combustin con esta frmula, dando como resultado:


40/54

= , Con esta velocidad se calcula el nmero de Reynolds

= =

Al consultar en la grfica de JH para el lado de los tubos se obtiene:

= Ahora se calcula el coeficiente pelicular de transferencia de calor correspondiente al gasde combustin

= ( )

De donde = 1,2Entonces:

= 15 0,7663

0,01 4068,945,4910

0,7663

1,2

= ,

L.3 Calculo de coeficiente global de transferencia de calor, U, para el diseo

Para calcular el coeficiente de transferencia de calor U para el diseo se consideran lasperdidas asociadas al sistema en la siguiente ecuacin, en funcin de los coeficientes

peliculares de transferencia de calor, hi y ho, respectivamente. Se considerar que laconstante de la pared 48 W/mK.

1=

1+

1+ + +

ln 2 Se calculan las resistencias de la siguiente manera:

Por el lado interno


41/54

= 1= ,

Por el lado externo

= 1= ,


1= 1873,09 + 1118,96 +5,05+16,59+ ln 0,01270,00852 48 3,66

= ,

L.4 Calculo del rea total de transferencia de calor




= . Remplazando los valores conocidos

= 96783,8921,6485,28 = ,


42/54

L.5 clculo del nmero de tubos

Es sabido que el rea de trasferencia de calor para este se puede expresar de la siguientemanera

=

Despejando ntenemos

=

= 52,430,0127 3,66De donde

M.Redimensionando el intercambiador con el fin de que cumpla con lasvelocidades y dimensiones recomendadas.

Para los tubos se utilizara BWG 14 con las siguientes caractersticas:

Dimetro externo: 3/4 pulg (0,01905m)

Dimetro interno: 0,334 pulg (0,0085m)

Longitud: 108 pulg (2,74m)

Se utilizarn cinco deflectores con espaciamiento igual a = 0,366. Con cincoPasos, de donde se sabe tambin que:

= 0,25 = 1.245 = 48

M.1 Calculo del dimetro equivalente

Corresponde a una medida a partir del radio hidrulico y est definida de la siguientemanera:


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= 4

=

/4

2/2

= 4 Remplazando los valores conocidos:

=0,019050,008540,0085

= ,

M.2 Clculo de los coeficientes Peliculares de transferencia de calor

Se procede a realizar el algoritmo de clculos pertinentes para determinar el diseocategrico del sistema.

M.2.1 Calculo por el lado de la Coraza

Se calcula en dimetro interno de la coraza, de la siguiente manera

= ( 0,0365) ,

= 0,01905 ( 3590,0365),

= , Ahora se procede a calcular

=

=0,59 0,25 0,01905 0,00466 0,366

1,250,01905


44/54

= , Con esto se calcula la velocidad del fluido

= = , /

Con esto se procede a evaluar el nmero de Reynolds

=

= Al consultar en la grfica de JH para el lado de la coraza se obtiene:

= Ahora se calcula el coeficiente pelicular de transferencia de calor correspondiente al aire

=

(

)

De donde = 1Entonces:

= 60 0,0260,03 1007 2,28 10

0,026 1

= ,

M.2.2 Para el lado de los Tubos:

Sabiendo que:

=

De donde


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= Entonces

= = Se calcula la velocidad del gas de combustin con esta frmula, dando como resultado:

= , Con esta velocidad se calcula el nmero de Reynolds

= =

Al consultar en la grfica de JH para el lado de los tubos se obtiene:

= Ahora se calcula el coeficiente pelicular de transferencia de calor correspondiente al gasde combustin

= ( )

De donde = 1,2Entonces:

= 20 0,7663

0,03 4068,945,4910

0,7663

1,2

= ,

M.3 Calculo de coeficiente global de transferencia de calor, U, definitivo

Para calcular el coeficiente de transferencia de calor U para el diseo se consideran lasperdidas asociadas al sistema en la siguiente ecuacin, en funcin de los coeficientes


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peliculares de transferencia de calor, hi y ho, respectivamente. Se considerar que laconstante de la pared 48 W/mK.

1=

1+

1+ + +

ln

2

Se calculan las resistencias de la siguiente manera:

Por el lado interno

= 1= ,

Por el lado externo

= 1= ,


1= 143,74 + 1356,62 +12,35+20,05+ ln 0,01270,00852 48 2,74

= ,

M.4 Calculo del rea total de transferencia de calor




= .


47/54


= 96783,8932,4385,28

= ,

M.5 clculo del nmero de tubos

Es sabido que el rea de trasferencia de calor para este se puede expresar de la siguientemanera

=

Despejando ntenemos

= De donde

N. Calculo de la cada de Presin

Debido a la naturaleza del sistema fsico existe una cada de presin en la circulacinnatural de los fluidos gaseosos lo que provoca a su vez perdidas, estas se evaluaran eneste apartado de la manera que sigue a continuacin.

N.1 Cada de presin por el Lado de la Coraza

Para esta se evala la siguiente ecuacin de prdidas en el rgimen nominal:

= + 15.2210

De donde

=

=


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=

Haciendo uso de la siguiente grafica

Curva de variacin del factor f de friccin en funcin del nmero de Reynolds

De aqu se tiene que para un nmero de Reynolds de 10700

, Y donde tambin la gravedad especfica se define como:

= Para este caso en la coraza se utilizara la densidad del aire:

=0,89 1

= , Remplazando los valores conocidos en la ecuacin de perdidas

=0,00250,89 14,40 0,59 5 + 1

5.2210 0,03 0,89 1


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= ,

N.1 Cada de presin por el Lado de los tubos

Para esta se evala la siguiente ecuacin de prdidas en el rgimen nominal:

=

. +

De donde

= =

= =

Haciendo uso de la siguiente grafica

Curva de variacin del factor f de friccin en funcin del nmero de Reynolds

De aqu se tiene que para un nmero de Reynolds de 5320


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VII. CONCLUSIN

Es apenas de notar que la construccin y el diseo de los sistemas concernientes aintercambiadores de calor, adems de ser una tareas tediosa, con el requerimiento de

ciertas normativas y e previo cumplimiento de estndares para la mayor optimizacinposible. Por tal el modelamiento de estos dispositivos va ms ligado a en robusto estadodel arte, en el cual se haga una investigacin de trabajos ya previamente realizados yesquematizados, que brinden los ms altos niveles de optimizacin, tal que hayan deservir como punto de partida para la construccin deseada, las normas TEMA, porejemplo, son una representacin de trabajos ya antes construidos que interviene demanera fundamental en el diseo correcto del intercambiador de calor.

Cabe destacar la importancia de los Intercambiadores de calor tipo calentadores y deeconomizadores en la industria, de modo que en i mismos son mecanismos que mejoranla eficiencia de la planta y trabajando en conjunto con otros equipos para un mayorrendimiento del sistema de transformacin energtica.


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VIII. BIBLIOGRAFA Y REFERENCIAS

[1].Cengel, Yonus A. Transferencia de calor y masa: un enfoque prctico. -3eraEd.- Mxico: D.F. McGraw Hill-interamericana. 2007. (pag. 181, 421, 429).

[2]. Cengel, Yonus A. y Cimbala, John M. Mecnica de Fluidos: fundamentosy aplicaciones. Mxico: D.F. McGraw Hill-interamericana. 2006. (889, 894,895).

[3]. McCabe et al., Operaciones Unitarias en Ingeniera Qumica, 4 Ed., McGraw-Hill, 1991.

[4]. Perry, Robert H. y Chilton, Cecil H. Manual del ingeniero qumico.Mxico D. F. McGraw-Hill. 1982. (pag. 3-300).

[5].Rajiv Mukherjee. (1998, Frebruary). Effectively Design Shell-and-TubeHeat Exchangers. Shell and tuve heat exchangers. Chemical engineering

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[6].Byrne, Richard C, Secretary. Tubular Exchanger ManufacturersAssociation, Inc. -9th Edition- USA, New York. Tubular ExchangerManufacturers Association. 2007.

[7].Briceo, Mara Isabel. Dimensionamiento de intercambiadores de calortubulares. Mrida, Junio 2005.

https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdf

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http://www.indeeco.com/images/Duct_Spanish.pdf
https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdfhttps://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdfhttps://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdfhttps://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdfhttp://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lia/tejeda_u_m/capitulo6.pdfhttp://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lia/tejeda_u_m/capitulo6.pdfhttp://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lia/tejeda_u_m/capitulo6.pdfhttp://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lia/tejeda_u_m/capitulo6.pdfhttp://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lia/tejeda_u_m/capitulo6.pdfhttp://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lia/tejeda_u_m/capitulo6.pdfhttps://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdfhttps://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdf


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diseno y calculo termico de un calentador

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