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Diseño de un intercambiador de calor Descripción del problema Un intercambiador de calor de dos pasos tiene el funcionamiento de calentador debe estar en forma vertical. Su función es calentar un gasoil, el medio de calefacción es vapor de agua saturado a la presión manométrica de ⁄ . Los tubos a utilizar son de acero 16BGW con un Diámetro externo de la mezcla entra a y sale a , la viscosidad varia en forma exponencial con la temperatura. Siendo a de y a la salida de a , la densidad del aceite a es de , la velocidad de flujo es . Suponer que el vapor de agua condensa en forma de película, la conductividad calorífica del aceite es ⁄ y el calor especifico de ⁄ . La velocidad del aceite en los tubos es de ⁄ .

Datos de diseño Fluido patrón u objetivo: Gasoil ⁄ ⁄ Fluido comparsa o acarreador de calor: Vapor de agua saturado (Ref. No.1. Mcabe. Apéndice No.7)

Tuvo a utilizar en el intercambiador Materia: acero BWG: 16 (Ref. No.1. Mcabe. Apéndice No.4) (Ref. No.1. Mcabe. Apéndice No.4) (Ref. No.1. Mcabe. Apéndice No.4)

(Ref. No.1. Mcabe. Apéndice No.4)

Solución Temperatura media del sistema Viscosidad

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Valuando los puntos

Viscosidad media del sistema

Densidad ⁄ ⁄ ⁄ Si se corrige la densidad reduciendo 0.1% su valor a cada aumento de 10 a fin de simplificar el proceso. ⁄ Numero de tubos:

(

) (

) (

) (

) (

)

⁄

Caudal de masa:

(

) ⁄

Calculo de los coeficientes de transferencia de calor Dentro de los tubos:

⁄

Dado que se tiene un Re mayor a 6000 se usara la ecuación de Colburn además se desprecia el factor de relación de las viscosidades. Relacionando las ecuaciones 12.51 y 5.53 se obtiene la ecuación siguiente:

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Para el coeficiente del interior

La conductividad térmica de tubos de pared metálica. Del apéndice 10 (Ref. No.1).

Espesor de pared:

Podemos obtener el factor ⁄ que va dentro del coeficiente total en la ecuación básica de un intercambiador de calor.

Cálculos fuera de los tubos (condensación de vapor de agua) Velocidad lineal de masa

(

) ⁄

Carga de calor que debe tomar el aceite:

⁄

El calor de vaporización (condensación). Apéndice 7 (Ref. No.1).

Al tener la carga de calor y el calor de vaporización se puede obtener el flujo de condensado producto de la trasferencia de calor del vapor al aceite.

El intercambiador es de 2 pasos y tiene 15 tubos por paso. Cada tubo con . Por lo tanto el área superficial que ocupan todos los tubos es de:

(

)

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Por lo tanto el factor (carga de condensado en el fondo del tubo) del fluido es de:

Para los cálculos en el fluido (agua condensada) se debe asumir una temperatura razonable para la capa límite de película de agua condensada. La temperatura puede asumirse en . Las propiedades para el fluido son las siguientes:

(Apéndice No.9)

(Apéndice No.6)

(Valor estimado del apéndice No.6) Calculo del numero Re para el fluido

Considerando la condensación del vapor en una superficie vertical se utiliza la figura 13.2 para encontrar el factor de numero Nu´.

Por lo tanto el coeficiente externo será:

(

)

Si calculamos el diámetro logarítmico medio dando un valor de 0.933in. Podemos calcular el coeficiente global. Ecuación 11.32 (Ref. No.1. Mcabe.)

Tomando en cuenta las temperaturas a través de una temperatura media logarítmica

⁄

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Por lo tanto el área de transferencia es de:

La circunferencia del tubo o superficie ⁄ de longitud= 0.2618 (Apéndice No.4). Longitud de los tubos:

El descenso en la temperatura en el exterior del intercambiador de calor será de:

(

)

Por lo tanto la temperatura promedio de la película de agua será de:

(

)

Con lo cual se da finalidad al diseño del intercambiador de calor