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Diseño De Un Intercambiador De Calor De Tubos Concéntricos

Rafael Eduardo Córdoba Useche

Universidad de Ibagué

Facultad de Ingeniería

Programa de Ingeniería Mecánica

2019

Diseño de un Intercambiador de Calor de Tubos Concéntricos

Rafael Eduardo Córdoba Useche

Trabajo de grado que se presenta como requisito parcial para optar al título de:

Ingeniero Mecánico

Director (a):

Ing. Héctor Mauricio Hernández Sarabia

Profesor Universidad de Ibagué

Universidad de Ibagué

Facultad de Ingeniería

Programa de Ingeniería Mecánica

2019

Diseño de un intercambiador de calor de tubos concéntricos

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por sus bendiciones, por guiarme a lo largo de mi existencia, ser mi

apoyo y fortaleza en aquellos momentos de dificultad y de debilidad.

Gracias a mis padres: Rafael y Saturia; por ser los principales promotores de mis sueños,

por confiar y creer en mis expectativas, por los consejos, valores y principios que me han

inculcado. A mi hermano por su acompañamiento y apoyo brindado a lo largo de esta etapa

de mi vida.

Agradezco a mis docentes de la Facultad de Ingeniería Mecánica y demás dependencias de

la Universidad de Ibagué, por haber compartido sus conocimientos a lo largo de la

preparación de nuestra profesión, de manera especial, al Ingeniero Héctor Mauricio

Hernández Sarabia, tutor de nuestro trabajo de grado, quien nos ha guiado con su paciencia

y conocimiento en la elaboración del presente trabajo.


TABLA DE CONTENIDO

1 RESUMEN .................................................................................................................................. 10

2 JUSTIFICACIÓN........................................................................................................................... 11

3 OBJETIVOS ................................................................................................................................. 12

OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................... 12 3.1

OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................................... 12 3.2

4 MARCO DE REFERENCIA ............................................................................................................ 13

Definición de Calor ............................................................................................................ 13 4.1

Mecanismos de Transferencia de Calor ............................................................................ 13 4.2

4.2.1 Conducción ................................................................................................................ 13

4.2.2 Convección ................................................................................................................ 14

4.2.3 Radiación ................................................................................................................... 15

Intercambiadores de Calor ................................................................................................ 15 4.3

4.3.1 Tipos de Intercambiadores de Calor ......................................................................... 15

5 ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................................... 18

FABRICANTES..................................................................................................................... 18 5.1

APLICACIONES ................................................................................................................... 20 5.2

5.2.1 Intercambiadores de Calor en la Industria ................................................................ 21

5.2.2 Intercambiadores de Calor en Laboratorios ............................................................. 21

6 NORMATIVIDAD PARA EL DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR ................................. 22

MANUAL HEDH .................................................................................................................. 22 6.1

DESCRIPCIÓN DE LA NORMA ASME-SECCIÓN VIII ............................................................. 23 6.2

6.2.1 REQUERIMIENTOS GENERALES ................................................................................. 23

6.2.2 PROCESOS DE FABRICACIÓN ..................................................................................... 23

6.2.3 MATERIALES .............................................................................................................. 23

RECOMENDACIONES TEMA ............................................................................................... 23 6.3

7 CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR .......................................................................... 24

CONCEPTOS BÁSICOS ........................................................................................................ 24 7.1

7.1.1 CAUDAL ..................................................................................................................... 24

7.1.2 FLUJO MÁSICO ........................................................................................................... 25

7.1.3 REGIMEN DE FLUJO ................................................................................................... 25


7.1.4 NUMERO DE REYNOLDS ............................................................................................ 26

7.1.5 ANALISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR .................................................................. 27

7.1.6 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR .............................................. 28

7.1.7 DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA (LMTD) ................................ 29

7.1.8 CAIDA DE PRESIÓN .................................................................................................... 30

8 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................................ 31

9 SOLUCIÓN DEL PROBLEMA ....................................................................................................... 32

DISEÑO TERMICO .............................................................................................................. 33 9.1

DISEÑO MECÁNICO ........................................................................................................... 47 9.2

CALCULO DE AISLAMIENTO ............................................................................................... 54 9.3

10 ANALISIS DE RESULTADOS ..................................................................................................... 56

11 CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 59

12 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................ 60

13 ANEXOS ................................................................................................................................. 62


LISTA DE FIGURAS

fig. 1 Conducción de calor a través de una pared plana de espesor Δ𝒙. Fuente: (Çengel &

Afshin, 2011) ........................................................................................................................ 14

fig. 2 Enfriamiento de un huevo cocido por convección forzada y convección natural

(Çengel & Afshin, 2011). ..................................................................................................... 15

fig. 3 Componentes principales de un intercambiador de calor de tubos concéntricos.

Fuente: (ROJAS, 2014). ....................................................................................................... 16

fig. 4 Perfil de temperatura - Flujo paralelo. Fuente (Çengel & Afshin, 2011). ................. 17

fig. 5 Perfil de temperatura - Flujo Contracorriente.. Fuente (Çengel & Afshin, 2011) ..... 17

fig. 6 Régimen de Flujo Turbulento y Laminar. Fuente: (Mott, 2006). .............................. 26

fig. 7 Volumen de Control para un intercambiador de calor con flujo paralelo.

Fuente(Mills, 1995)] ............................................................................................................. 27

fig. 8 Cuatro arreglos básicos para los cuales la diferencia de temperatura media

logarítmica se puede determinar a partir de la ecuación (29): (a) Contraflujo; (b) flujo

paralelo; (c) fuente con temperatura constante y receptor con incremento de temperatura;

(d) temperatura constante en el receptor y fuente con temperatura en decremento. Fuente:

(Jaramillo, 2007) ................................................................................................................... 29

fig. 9 Diagrama de Flujo del Bando de Intercambiadores de Calor .................................... 32

fig. 10 perfil de temperatura para intercambiador vapor-agua (F. KREITH; & RAJ, n.d.). 35

fig. 11 Conexiones para intercambiadores doble tubo. Fuente: (Kern, 1999)] ................... 36

fig. 12. Curva de transferencia de calor lado tubos. Fuente (Kern, 1999). .......................... 39

fig. 13. Interfaz de herramienta Aislam (AISLAM,2019). ................................................ 399

file:///C:/Users/Asus-PC/Desktop/DISEÑO%20DE%20UN%20INTERCAMBIADOR%20DE%20CALOR%20DE%20TUBOS%20CONCENTRICOS.docx%23_Toc5033391


LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Calculo de la temperatura del vapor. Fuente: (Kern, 1999). ..................... 33 Tabla 2 Propiedades físicas de los fluidos ............................................................ 34 Tabla 3. Dimensiones del Anulo (TEMA, 2009) ..................................................... 36 Tabla 4. Dimensiones de la Tubería (TEMA, 2009) .............................................. 36 Tabla 5 Resultados del Diseño Térmico ................................................................ 46 Tabla 6 Resultados del Diseño Mecánico ............................................................. 53


LISTA DE ECUACIONES Ecuación .......................................................................................................... 24 Ecuación .......................................................................................................... 25 Ecuación .......................................................................................................... 26 Ecuación .......................................................................................................... 27 Ecuación .......................................................................................................... 28 Ecuación .......................................................................................................... 28 Ecuación .......................................................................................................... 28 Ecuación .......................................................................................................... 28 Ecuación .......................................................................................................... 29 Ecuación ........................................................................................................ 29 Ecuación ........................................................................................................ 30 Ecuación ........................................................................................................ 30 Ecuación ........................................................................................................ 30 Ecuación ........................................................................................................ 30


LISTA DE ANEXOS

ANEXO 1 ............................................................................................................... 62 ANEXO 2 ............................................................................................................... 63 ANEXO 3 ............................................................................................................... 64 ANEXO 4 ............................................................................................................... 65 ANEXO 5 ............................................................................................................... 66 ANEXO 6 ............................................................................................................... 67 ANEXO 7 ............................................................................................................... 68 ANEXO 8 ............................................................................................................... 69 ANEXO 9 ............................................................................................................... 70 ANEXO 10 ............................................................................................................. 71 ANEXO 11 ............................................................................................................. 72 ANEXO 12 ............................................................................................................. 73 ANEXO 13 ............................................................................................................. 74 ANEXO 14 ............................................................................................................. 75 ANEXO 15 ............................................................................................................. 76 ANEXO 16 ............................................................................................................. 77


10

1 RESUMEN

En este proyecto se diseñó un intercambiador de calor de tubos concéntricos, para la

elaboración de un banco de pruebas en el laboratorio de combustión de la Universidad de

Ibagué, dicho banco tiene como finalidad otorgar mayor conocimiento y familiarización a

los estudiantes de ingeniería mecánica en manejo de estos equipos.

Para diseño del intercambiador de calor de tubos concéntricos, se usaron métodos

propuestos por distintos autores, seleccionando el método más eficiente de acuerdo con las

condiciones del diseño, para obtener alta calidad y rendimiento del equipo. También se

usaron como referencia las TEMA y ASME, normas internacionales que establecen las

condiciones básicas del dispositivo, e indican pautas concretas sobre el diseño térmico y

mecánico del intercambiador de calor respectivamente.


11

2 JUSTIFICACIÓN

Debido a la constante necesidad de la optimización de los equipos en función al

aprovechamiento energético en un sistema. El rol de los intercambiadores de calor en la

industria es de suma importancia, teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente es

indispensable que los ingenieros tengan conocimiento en cuanto a el funcionamiento de los

equipos con los que se pueden encontrar en el momento de desempeñarse laboralmente. Es

por eso, que la Universidad de Ibagué se ha propuesto diseñar y construir un banco de

intercambiadores de calor, incluido un intercambiador de tubos concéntricos, los cuales se

ubicaran en el laboratorio de combustión.

Dicha iniciativa se justifica por la necesidad de que el estudiante realice diferentes prácticas

de laboratorio, y así brindarle los conocimientos prácticos necesarios del funcionamiento de

diferentes tipos de intercambiadores de calor. Añadido a esto, se desea incentivar a los

estudiantes a la continua mejora, modernización y control de los equipos. Esperando lograr

que la Universidad de Ibagué tome un rol importante a nivel nacional en el estudio de los

intercambiadores de calor.


12

3 OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL 3.1

Diseñar un intercambiador tubos concéntricos para el laboratorio de ciencias

térmicas de la universidad de Ibagué.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 3.2

Definir las condiciones de trabajo y espacio bajo las cuales deberá ser diseñado

el intercambiador de calor.

Desarrollar el diseño térmico basado en las especificaciones de las normas

“TEMA”.

Desarrollar el diseño mecánico basado en normas ASME

Elaborar los planos de construcción haciendo uso de herramientas CAD.

Elaboración del informe final.


13

4 MARCO DE REFERENCIA

Definición de Calor 4.1

El calor es un mecanismo de transferencia de energía que se activa mediante una diferencia

de temperatura entre dos regiones del espacio (Serway & Kirkpatrick, 2008). Interacción

entre un sistema y su entorno. Es un efecto de un sistema sobre su entorno que ocurre en la

frontera del sistema debido a un gradiente de temperatura entre el sistema y su ambiente

(Adebiyi, 1997). la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como

resultado de la diferencia de temperatura (Çengel & Afshin, 2011).

Mecanismos de Transferencia de Calor 4.2

El calor se puede transferir en tres modos diferentes: conducción, convección y radiación.

Todos los modos de transferencia de calor requieren la existencia de una diferencia de

temperatura y todos ellos ocurren del medio que posee la temperatura más elevada hacia

uno de temperatura más baja. Enseguida se da una breve descripción de cada modo(Çengel

& Afshin, 2011).

4.2.1 Conducción

La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una

sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de interacciones entre

esas partículas. La conducción puede tener lugar en los sólidos, líquidos o gases. En los

gases y líquidos la conducción se debe a las colisiones y a la difusión de las moléculas

durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de las vibraciones

de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por parte de los electrones libres.

Por ejemplo, llegará el momento en que una bebida enlatada fría en un cuarto cálido se

caliente hasta la temperatura ambiente como resultado de la transferencia de calor por

conducción, del cuarto hacia la bebida, a través del aluminio. La rapidez o razón de la

conducción de calor a través de un medio depende de la configuración geométrica de éste,

su espesor y el material de que esté hecho, así como de la diferencia de temperatura a través

de él (Çengel & Afshin, 2011).


14

fig. 1 Conducción de calor a través de una pared plana de espesor Δ𝒙. Fuente: (Çengel & Afshin, 2011)

4.2.2 Convección

La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el

líquido o gas adyacente que está en movimiento y comprende los efectos combinados de la

conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un fluido,

mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento

masivo de fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente

es por conducción pura. La presencia de movimiento masivo del fluido acrecienta la

transferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido, pero también complica la

determinación de las razones de esa transferencia. La convección recibe el nombre de

convección forzada si el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios

externos como un ventilador, una bomba o el viento. Como contraste, se dice que es

convección natural (o libre) si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de

empuje que son inducidas por las diferencias de densidad debidas a la variación de la

temperatura en ese fluido (Fig.2) (Çengel & Afshin, 2011).


15

fig. 2 Enfriamiento de un huevo cocido por convección forzada y convección natural (Çengel & Afshin, 2011).

4.2.3 Radiación

La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o

fotones) como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o

moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de calor por

radiación no requiere la presencia de un medio interventor. De hecho, la transferencia de

calor por radiación es la más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en un

vacío. Ésta es la manera en la que la energía del Sol llega a la Tierra (Çengel & Afshin,

2011).

Intercambiadores de Calor 4.3

Los intercambiadores de calor son dispositivos que facilitan el intercambio de calor entre

dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se

mezclen entre sí (Çengel & Afshin, 2011). Los intercambiadores de calor en general son

dispositivos o sistemas en los que el calor se transfiere de un fluido circulando a otro. Los

fluidos pueden ser líquidos o gases y en algunos intercambiadores de calor pueden circular

más de dos fluidos (FRANK KREITH; & RAJ, n.d.). En un intercambiador la transferencia

de calor suele comprender convección en cada fluido y conducción a través de la pared que

los separa, así los posibles efectos de la radiación se ven inmersos en los efectos de la

convección (Holman, 1999).

4.3.1 Tipos de Intercambiadores de Calor

Si bien, existen diferentes tipos de intercambiadores de calor, para este caso se hablará

exclusivamente sobre los intercambiadores de tubos concéntricos.


16

4.3.1.1 Intercambiador de Calor de Tubos Concéntricos

En este tipo de intercambiador uno de los fluidos es transportado por el tubo de menor

diámetro, mientras que el otro se transporta entre el espacio anular que se presenta entre los

tubos, en el intercambiador de tubos concéntricos se puede disponer de dos tipos de flujos:

Flujo paralelo y contraflujo (Welty, 1996).

Los intercambiadores de tubos concéntricos están conformados por horquillas las cuales

poseen una forma de U, las cuales poseen los accesorios adecuados para la separación de

los fluidos, podemos apreciar en la figura 3 lo anteriormente mencionado.

fig. 3 Componentes principales de un intercambiador de calor de tubos concéntricos. Fuente: (ROJAS, 2014).

Estos intercambiadores presentan dos tipos de flujos: flujo paralelo y flujo contracorrientes,

los cuales serán brevemente definidos para tener claridad del comportamiento en cada

situación.

Flujo Paralelo

Los dos fluidos, el frío y el caliente, entran en el intercambiador por el mismo extremo y se

mueven en la misma dirección (Çengel & Afshin, 2011). Se presenta flujo en paralelo,

cuando los dos fluidos se mueven en la misma dirección, entrando por el mismo extremo

del intercambiador (Jaramillo, 2007). En este tipo ambos fluidos entran al equipo por

el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el otro extremo(M.

González, 2012).


17

fig. 4 Perfil de temperatura - Flujo paralelo. Fuente (Çengel & Afshin, 2011).

Flujo a Contracorriente

Los fluidos entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones

opuestas (Çengel & Afshin, 2011).

fig. 5 Perfil de temperatura - Flujo Contracorriente. Fuente (Çengel & Afshin, 2011)

4.3.1.2 Materiales para la Fabricación

En la fabricación de intercambiadores de calor se pueden utilizar diferentes materiales, los

cuales pueden estar dentro de la familia de los metales e incluso algunos polímeros, para la


18

selección del material más apropiado es importante tener en cuenta las necesidades y las

condiciones de trabajos a las cuales va a estar sometido el sistema, entre las variables a

considerar están las presiones, temperaturas, horas de trabajo, tamaño del intercambiador,

entre otras. Los materiales que se pueden ver con mayor frecuencia son.:

- Acero al Carbono

- Acero Inoxidable

- Aluminio

- Cobre

5 ESTADO DEL ARTE

Los intercambiadores de calor tienen gran relevancia en sistemas mecánicos, químicos,

nucleares, entre otros, dado a que estos sistemas tienen la necesidad de transferir calor de

un lugar a otro o bien de un fluido a otro, y lo intercambiadores de calor son dispositivos

que pueden satisfacer dicha necesidad.

Un intercambiador de calor permite la transferencia de calor de un fluido sea gas o líquido,

a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de

calor se encuentran las siguientes:

1. Reducir la temperatura mediante un fluido frio a otro fluido de mayor temperatura. 2. Llevar al punto de ebullición un fluido y a su ver condensar un fluido gaseoso con

mayor temperatura.

3. Condensar mediante un fluido frio un fluido en estado gaseoso. 4. Calentar un fluido mediante un fluido de mayor temperatura. 5. Llevar a un fluido a su punto de ebullición mediante un fluido caliente.

FABRICANTES 5.1

En la actualidad, la conservación de los recursos naturales y la disminución de la

contaminación ambiental son temas que interesan cada vez más a la población mundial, en

esta iniciativa el sector industrial tiene un papel muy importante para reducir el impacto que

generan, para ello la investigación en el mejoramiento de ahorro energético y la

disminución en la contaminación que se pueda generar en sus procesos e instalaciones es

fundamental para el cumplimiento de esta iniciativa, desde este enfoque uno de los equipos


19

que más relevancia tiene a nivel industrial para el aprovechamiento de recursos energéticos

y reducción de emisiones contaminantes son los intercambiadores de calor, por esta razón

existes diferentes empresas que se dedican al diseño y fabricación de estos equipos como

los son:

Terinco: Es una empresa colombiana del sector industrial dedicada principalmente al

diseño, fabricación, reparación, mantenimiento y montaje de intercambiadores de calor y

recipientes a presión. (TERINCO, 2019).

Equisol: Es un proveedor de soluciones técnicas con capacidad de ofrecer valor agregado

en el suministro de equipos para los diferentes procesos y segmentos; por ello se convierte

en representante exclusivo para Colombia de diferentes marcas de gran reconocimiento y

trayectoria a nivel mundial. Cuenta con soporte técnico y comercial especializado de sus

representados para brindar asistencia técnica en la selección, instalación y puesta en marcha

de los equipos y/o maquinaria industrial. (EQUISOL, 2019).

Intercol: Es una empresa especializada en proveer, asesorar y ejecutar un servicio

completo de alta calidad en relación al diseño, fabricación, suministro, montaje, reparación

y mantenimiento de productos que satisfacen las diversas necesidades de la industria. Entre

sus principales productos se destacan: intercambiadores de calor, recipientes a presión y

tanques de almacenamiento, incluyendo plantas para la separación, producción y

tratamiento de hidrocarburos. (INTERCOL, 2019).

Webbusterz: Esta empresa ofrece un software para el diseño de intercambiadores de calor,

uno por cada tipo de intercambiador, maneja tres intercambiadores de calor que son: Tubos

concéntricos, carcaza y tubos e intercambiador de placas. (WEBBUSTERZ, 2019).

HTRI: Esta empresa cuenta con un software específico para el diseño de cada tipo de

intercambiador de calor que maneja, que son: placas con juntas, tubos y coraza, placas con

aletas y doble tubo. (HTRI, 2019).

Además, existen diferentes empresas dedicadas al diseño y fabricación de bancos de

intercambiadores de calor para fines académicos, un poco mas compactos y con mayor

tecnología lo cual en parte es un problema, ya que su valor aumenta considerablemente por

las razones mencionadas anteriormente. Dentro de estas podemos encontrar las siguientes

empresas:


20

ARMFIELD: En funcionamiento desde 1963, la División de Educación de Armfield

diseña y fabrica equipos para la enseñanza de la ingeniería y la investigación. Utilizado por

universidades, colegios, escuelas y centros de investigación de todo el mundo, equipos de

Armfield es conocida por diseños innovadores y un nivel de calidad igual en la

industria. La gama Armfield cubre todas las principales disciplinas de la ingeniería, y está

en constante evolución en línea con la creciente demanda de enseñanza de la ingeniería.

(ARMFIELD, 2019).

DELTALAB-SMT: Ofrece una amplia gama de máquinas y productos para la educación

general, la educación científica, profesional y técnica, la universidad y la investigación

industrial. Desde el equipo básico hasta la línea de producción piloto, nuestro equipo

multidisciplinario (mecánica, automatización, electrónica, ingeniería de procesos, sistemas

de comunicación ...) diseña, desarrolla y prueba productos de acuerdo con los estándares

educativos y sus especificaciones. cargas. (DELTALAB, 2019)

P-A HILTON: es responsable de la investigación, el desarrollo y la fabricación de

vanguardia de una cartera de productos que están a la vanguardia de la educación en

ingeniería. Un equipo de más de 20 personas ofrece esta cartera a universidades y colegios

en 160 países de todo el mundo a través de una red de agentes y representantes

locales. Muchos de los profesores que enseñan a los aprendices ingenieros de hoy

aprendieron su oficio con los productos de PA Hilton, y es esta longevidad, versatilidad y

valor la calidad que garantiza que la gama educativa de PA Hilton mantenga su posición

como líder en su campo. (HILTON, 2019)

APLICACIONES 5.2

Los intercambiadores de calor son equipos con la función de transferir calor desde un fluido

a otro a través de paredes metálicas sin tener contacto directo entre ellos, estos equipos

tienen extensa aplicación y se pueden encontrar en la industria, transporte, laboratorios,

entre otros.


21

5.2.1 Intercambiadores de Calor en la Industria

Los intercambiadores de calor se pueden ver aplicados en todo tipo de industria que

requiera su aplicación, pueden verse en plantas petroquímicas procesadoras de gas,

refinadoras, en procesos criogénicos, industria petrolera, química, farmacéutica, entre otras.

En la industria alimentaria los intercambiadores de calor son usados para el procesamiento

de productos como mermelada, leche condensada, leche evaporada u otro tipo de alimentos

viscosos, ya que requieren de un enfriamiento o calentamiento para la elaboración de estos,

de igual manera se emplean bajo procesos criogénicos se emplean para la refrigeración de

los productos y conserva a temperaturas controladas. A demás en los procesos de

criogenización los intercambiadores de calor se pueden implementar para el licuado de

gases en la obtención de productos como el nitrógeno líquido, bióxido de carbón líquido,

helio líquido, entre otros.

Por otro lado, la industria petroquímica y las refinerías se han convertido en un sector

donde el uso de intercambiadores de calor se ven involucrados en sus procesos productivos,

los cuales toman un papel importante al momento de realizar procesos que incluyan

limpieza, licuefacción, condensación y regasificación.

5.2.2 Intercambiadores de Calor en Laboratorios

Los intercambiadores de calor, además de tener una alta aplicabilidad en la industria, a

nivel académico toma un papel sumamente importante, en las universidades y centros de

investigación estos equipos toman bastante interés no solo para la elaboración de un diseño,

también se pueden encontrar diferentes trabajos donde su interés se basa en analizar la

eficiencia de estos, la creación de software para simular el comportamiento de los

intercambiadores al momento de variar los datos, entre otros estudios.

Para validar lo dicho anteriormente se mencionarán algunos trabajos encontrados en la red,

los cuales fueron desarrollados por diferentes universidades a nivel nacional e

internacional, como lo es el “Diseño y construcción de un intercambiador de calor de

tubería aletada para el laboratorio de térmicas de la facultad de mecánica” elaborado por los

ingenieros Jairo Lenin Peñaloza Pérez y Fausto Marcelo Urgilés Remache, egresados de la

Escuela Superior Politécnica De Chimborazo (Ecuador). Otro ejemplo es el trabajo

elaborado por la Universidad de Santo Tomas (Colombia) quien a cargo del ingeniero


22

Edinson Ferley Guillén Cruz en modalidad de trabajo de grado realizaron el “Diseño y

fabricación de un intercambiador de calor de tubos concéntricos para los Laboratorios de

Termofluidos”. Estos trabajos tenían como objetivo el diseño de intercambiadores de calor

de tubos concéntricos para elaborar pruebas de laboratorio en sus respectivas universidades.

6 NORMATIVIDAD PARA EL DISEÑO DE UN

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Debido a la gran trayectoria e importancia que tienen los intercambiadores de calor en el

desarrollo industrial y aprovechamiento de la energía, el constante estudio para mejorar su

eficiencia y aplicaciones en las diferentes áreas del sector industrial, el diseño tanto térmico

como mecánico se encuentra un poco estandarizado, dando unos lineamientos para la

elaboración de un diseño óptimo. Es así como podemos encontrar algunas instituciones

especializadas y fabricantes dan dichas recomendaciones estándares las podremos encontrar

dentro de este marco(TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS, 2007):

Diseño térmico y mecánico:

- Heat Exchanger Design Handbook (HEDH).

Diseño mecánico:

- Normas Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME). Sección VIII.

(Recipientes a presión).

- Recomendaciones Tubular Exchanger Manufacturer Asociation (TEMA).

MANUAL HEDH 6.1

El manual HEDH establece métodos para el diseño de intercambiadores de calor que

permiten realizar manualmente procesos para determinar todos los parámetros esenciales de

construcción de un intercambiador, los cuales se diseñan para desempeñar una debida labor

térmica. En estos métodos se cuenta con criterios especificados o implícitos, tales como la

facilidad en la limpieza y el mantenimiento, velocidades de flujo máximas o mínimas,

erosión, caídas de presión, limitaciones de tamaño o peso, expansión térmica, etc.,


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esencialmente buenas prácticas de diseño(TUBULAR EXCHANGER

MANUFACTURERS, 2007).

DESCRIPCIÓN DE LA NORMA ASME-SECCIÓN VIII 6.2

En esta sección las normas ASME hace referencia a los recipientes a presión, hace mención

a las reglas para el diseño, la fabricación, inspección y pruebas de los recipientes a presión,

la cual se encuentra dividido por tres subsecciones la cuales son:

- Requerimientos Generales

- Procesos de Fabricación

- Materiales

6.2.1 REQUERIMIENTOS GENERALES

Constituido por una serie de parágrafos UG-xx donde se establecen los requerimientos

referentes a las condiciones generales del diseño tales como las cargas a tener en cuenta en él,

las fórmulas que establecen la manera de calcular los espesores requeridos en cada una de las

configuraciones, cómo se puede construir un recipiente cilíndrico tanto para presión interna

como externa, los factores de seguridad, los procedimientos de prueba (UG-99) etc.

6.2.2 PROCESOS DE FABRICACIÓN

Establece las consideraciones para la fabricación de recipientes a presión ya sea por soldadura o

roblonado. Determina los tipos de junta que existen en un recipiente soldado y la categoría de

dichas juntas (posición de la junta soldada dentro del recipiente) con el objeto de determinar la

eficiencia de la junta como función de dichas características y del tipo de examen que se haga a

la soldadura (radiográfico o solo visual).

6.2.3 MATERIALES

Suministra una completa información acerca de los esfuerzos admisibles de acuerdo a la

designación de los diferentes materiales normalizados que se utilizan en la fabricación de

recipientes a presión tanto para aceros al carbón, aleados o inoxidables como materiales no-

ferrosos.

RECOMENDACIONES TEMA 6.3

Las recomendaciones TEMA, como su nombre lo indica no son de obligado cumplimiento,

se refieren a una serie de consideraciones para el diseño y la fabricación de

intercambiadores tubulares producto de la experiencia de los fabricantes a lo largo de los


24

años. Considera aspectos como los tipos y la designación más comúnmente utilizados en la

construcción de intercambiadores de calor tubulares y la clase de aplicación que se da al

intercambiador de acuerdo a la severidad del servicio, encontrándose tres clases

denominadas:

Clase R: Las normas mecánicas TEMA para intercambiadores de calor clase R, especifican

el diseño, fabricación y materiales de intercambiadores de calor no sometido a llama, para

requerimiento generalmente riguroso en la industria del petróleo y procesos relacionados.

Clase C: Las normas mecánicas TEMA para intercambiadores de calor clase C, especifican


los requerimientos normalmente moderados de procesos comerciales y aplicaciones

generales, buscando obtener el máximo de economía.

Clase B: Las normas mecánicas TEMA para intercambiadores de calor clase B, especifican


el servicio de los procesos de la industria química.

7 CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

CONCEPTOS BÁSICOS 7.1

Para realizar el diseño del intercambiador de calor es importantes tener claridad de

conceptos técnicos básicos, para un correcto diseño del equipo.

7.1.1 CAUDAL

El caudal Q es el volumen de fluido por unidad de tiempo que pasa a través de una sección

transversal a la corriente. Así, por ejemplo, en una tubería de agua los litros por hora que

circulan a través de un plano transversal a la tubería (Mataix, 1982).

La ecuación que relaciona estas variables, es la ecuación de continuidad de fluidos, la cual

es válida para una velocidad del flujo constante (Mataix, 1982):

Q = Caudal


25

A = Área

V = Velocidad

7.1.2 FLUJO MÁSICO

La cantidad de masa que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo se llama

flujo másico y se denota mediante ̇. (Çengel & Boles, n.d.). Para un flujo tanto

incompresible como compresible donde su densidad es uniforme en el área de la superficie,

la ecuación del flujo másico es: (Çengel & Boles, n.d.).

̇

Donde:

̇ = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑎𝑠𝑖𝑐𝑜

= 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑

= 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙

= Á𝑟𝑒𝑎

7.1.3 REGIMEN DE FLUJO

Cuando el agua sale de un grifo a velocidad muy baja, el flujo parece suave y estable. La

corriente tiene un diámetro casi uniforme y hay poca o ninguna evidencia de que sus

distintas partes se mezclan. A éste se le denomina flujo laminar, término derivado de la

palabra lámina, debido a que el fluido parece moverse en láminas continuas con poca o

ninguna mezcla de una capa con las adyacentes. Cuando el grifo está abierto casi por

completo, el agua tiene una velocidad mayor. Los elementos del fluido parecen mezclarse

en forma caótica dentro de la corriente. Ésta es la descripción general de un flujo

turbulento. Dichos comportamientos pueden observarse en la fig. 6 la cual muestra el

comportamiento de los flujos en las instancias mencionadas anteriormente. (Mott, 2006).


26

7.1.4 NUMERO DE REYNOLDS

La transición de flujo laminar a turbulento depende de la configuración geométrica de la

superficie, de la aspereza superficial, de la velocidad del flujo, de la temperatura de la

superficie y del tipo de fluido. El régimen de flujo depende principalmente de la razón de

las fuerzas de inercia a las fuerzas viscosas en el fluido. Esta razón se conoce como número

de Reynolds, el cual es una cantidad adimensional y se expresa para el flujo externo

como(Çengel & Afshin, 2011):

𝐺 𝐷

𝑅𝑒 = 𝑁𝑢 𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠

= 𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑

𝜇 = 𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛á 𝑖𝑐𝑎

𝜈 = 𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒 á𝑡𝑖𝑐𝑎

= 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑

fig. 6 Régimen de Flujo Turbulento y Laminar. Fuente: (Mott, 2006).


27

Para aplicaciones prácticas del flujo en tuberías, encontramos que, si el número de

Reynolds para el flujo es menor que 2000, éste será laminar. Si el número de Reynolds es

mayor que 4000, el flujo será turbulento. En el rango de números de Reynolds entre 2000 y

4000 es imposible predecir qué flujo existe; por tanto, le denominaremos región crítica

(Mott, 2006).

7.1.5 ANALISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor es aquella ciencia que busca predecir la transferencia de energía

que puede ocurrir entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de

temperatura (HOLMAN, 1999). La transferencia de calor en un intercambiador de calor, se

realiza un análisis mediante la primera ley de la termodinámica o también conocida como el

principio de la conservación de la energía, mediante la ecuación de balance energético de

flujo, donde todo tipo de energía que entra a un volumen de control, debe ser igual a la

energía que sale, bajo estado estacionario (Kern, 1999).

�̇� �̇� �̇�

Si se toma la totalidad del intercambiador como volumen de control como se puede

observar en pal fig.7, la ecuación se transforma en un balance de entalpías ya que no

recibe un trabajo externo y no hay transferencia de calor al sistema (Mills, 1995).

fig. 7 Volumen de Control para un intercambiador de calor con flujo paralelo. Fuente (Mills, 1995)


28

Considerando despreciables los cambios de energía potencial y cinética, debido a que estas

no interactúan en el volumen de control, además te tener valores generalmente

despreciables, se llega a la ecuación de balance de entalpias (Karlekar, 1985). Donde los

subíndices H 𝑦 C denotan el fluido caliente y el fluido frio respectivamente.

̇ ̇ ̇ ̇

̇ ̇ ̇

Donde:

̇ = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟

̇ = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑎𝑠𝑖𝑐𝑜

�̇� = 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎

Donde ̇ es el calor transferido de la corriente caliente a la corriente fría. Si se consideran

los calores específicos de los fluidos constantes debido a la poca variación que tienen en un

proceso, es posible determinar en la ecuación las temperaturas de entrada y salida,

quedando la siguiente expresión (Çengel & Afshin, 2011).

̇ ( ̇ 𝐶 )

̇ ̇ 𝐶

7.1.6 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Por lo general un intercambiador de calor funciona con dos fluidos que fluyen separados

por una pared sólida (Holman, 1999). En primer lugar, el calor se transfiere del fluido

caliente hacia la pared por convección, después el calor se propaga a través de la pared por

conducción y, por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección

(Karlekar, 1985).


29

7.1.7 DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA

(LMTD)

La diferencia de temperaturas entre los fluidos caliente y frio varía a lo largo del

intercambiador, debido a la transferencia de calor entre estos, ya sea en configuraciones de

flujo con entradas paralelas o a contracorriente, como se observa en los cuatro arreglos

básicos simples, indicados en la fig.8.

fig. 8 Cuatro arreglos básicos para los cuales la diferencia de temperatura media logarítmica se puede

determinar a partir de la ecuación (29): (a) Contraflujo; (b) flujo paralelo; (c) fuente con temperatura

constante y receptor con incremento de temperatura; (d) temperatura constante en el receptor y fuente

con temperatura en decremento. Fuente: (Jaramillo, 2007)

Para el intercambiador de contraflujo, donde los fluidos fluyen en sentidos contrarios a

través del intercambiador fig. (8.a).

𝐷

𝑡 𝑡

𝑛 𝑡 𝑡


30

Para el intercambiador de flujo paralelo, donde los fluidos fluyen en el mismo sentido a

través del intercambiador fig. (8.b)

𝐷

𝑡 𝑡

𝑛 𝑡 𝑡

Para el intercambiador que tiene temperatura constante, Ts = t1 = t2, y la temperatura del

receptor se incrementa fig. (8.c).

𝐷

𝑡 𝑡

𝑛 𝑡 𝑡

Para el intercambiador que tiene temperatura del receptor es constante, ts = T1 = T2, y la

temperatura fuente disminuye fig. (8.d).

𝐷

𝑛 𝑡 𝑡

7.1.8 CAIDA DE PRESIÓN

Para analizar el flujo que recorre en un tubo, puede determinar la caída de presión

relacionada con las necesidades de potencia de bombeo con el fin de mantener el flujo

constante y a una presión determinada, venciendo el rozamiento interno de los fluidos con

la tubería debido a su rugosidad, para esto se utiliza la siguiente ecuación (Kern, 1999):

𝑓 𝐺

𝑔 𝐷

Donde:

Δ = 𝐶𝑎𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛

𝑓 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐷𝑎𝑟𝑐𝑦

= 𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑢𝑏𝑜

𝐷 = 𝐷𝑖𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜

= 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑡𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎


31

G = 𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 masa

8 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Debido a la importancia que tiene en la industria la implementación y manejo de

intercambiadores de calor, la Universidad de Ibagué se ha propuesto la construcción de un

banco de intercambiadores de calor para ampliar el conocimiento de sus estudiantes de

Ingeniería en esta área, dicho banco contara con tres intercambiadores de calor (Placas,

Tubos Concéntricos y Coraza y Tubos) los cuales se tendrán que diseñar. Para el diseño de

ellos, se deben tener en cuenta ciertas condiciones, las cuales entregaran la información y

ciertos parámetros. Estas condiciones arrojan preguntas como: ¿los intercambiadores

trabajaran en conjunto o individualmente? ¿Qué uso tendrá el intercambiador? ¿Cuál será la

fuente de calor o de refrigeración? ¿Qué fluido se calentará? ¿Qué uso tendrá el fluido que

se caliente o enfrié? ¿contamos con instrumentos o maquinas que se puedan usar para

trabajar en conjunto con el banco de intercambiadores?

Como respuesta a estas interrogantes, los intercambiadores trabajarán en conjunto

presentando una recirculación en el sistema, dos de los intercambiadores se instalarán con

el fin de calentar el fluido y tan solo uno de ellos hará el trabajo de enfriarlo, para este

sistema se usará como fuente de calor vapor saturado proveniente de la caldera que se

encuentra en el laboratorio de combustión, al trabajar un sistema con recirculación el fluido

de estudio, en este caso el agua se reutilizara dado que el banco de intercambiadores se

usara para fines académicos, de los equipos instalados en el laboratorio solo se utilizara la

caldera quien es la que nos generara el vapor para funcionamiento de los intercambiadores.

Teniendo claro lo anterior es imperativo definir los parámetros de trabajo a los cuales

estarán sometidos los intercambiadores, para así identificar los datos necesarios para la

elaboración del diseño.


32

9 SOLUCIÓN DEL PROBLEMA

fig. 9 Diagrama de Flujo del Banco de Intercambiadores de Calor

Al conocer las condiciones iniciales de trabajo a las cuales va estar sometido el equipo, se

procederá a conocer todos los datos requeridos para el diseño del intercambiador de tubos

concéntricos, el cual es el intercambiador de interés para este trabajo.

Como parámetros de diseño tenemos que:

- La fuente de calor para el intercambiador será vapor saturado con una presión

94.71 Psia, y se calentará agua a temperatura ambiente, la presión de trabajo sale

de la sumatoria de la presión a la cual trabaja la caldera (80psig) y la presión

atmosférica de Ibagué (14.71 psi).

- El caudal del agua a utilizar es

este se define como un parámetro de

diseño, esto, con el finde mantener un flujo másico constante en el proceso, y así

conocer la cantidad de vapor necesario para calentar dicho flujo.

- La caída de presión permitida para la construcción para cada intercambiador es

de 5 a 10 psi (KERN, 1999).

- Como otro parámetro de diseño, el intercambiador de calor tiene como finalidad

calentar el agua de una temperatura ambiente(25°C) a una temperatura de 40°C.


33

DISEÑO TERMICO 9.1

Como primer paso se requiere conocer la temperatura de ambos fluidos y así determinar los valores

de las propiedades físicas, ya que las temperaturas del agua están definidas como parámetros

iniciales. Solo falta definir la temperatura de operación del vapor, esta se puede conocer haciendo

uso de la tabla 7. Propiedades Termodinámicas del Vapor de Agua (Ver Anexo1).

P(Psia) T(°F)

89.66 320

103.06 330

94.71 323.29

Tabla 1 Calculo de la temperatura del vapor. Fuente: (Kern, 1999).

Como se puede evidenciar en la tabla 1 la temperatura de operación del vapor es de 323.29 °F, con

esta temperatura hallamos las propiedades físicas de este fluido. Para calcular las propiedades

físicas del agua, es necesario hallar la temperatura media del fluido T1/2 = (To+Ti)/2, donde To es la

temperatura de entrada y Ti es la temperatura de salida del fluido.

𝐹 𝐹

𝐹

Conociendo las temperaturas de los fluidos podemos hallas las propiedades físicas

necesarias para realizar el diseño térmico del intercambiado, estos valores podrán

evidenciarse en la tabla 2.


34

DETALLE FLUIDO

CALIENTE

FLUIDO

FRIO UNIDADES Referencia

Fluido Vapor 𝑔𝑢𝑎

Caudal -- 5 Gal/min Parámetro de Diseño

Flujo Másico ( ̇) -- 2495.52 lbm/h

Temperatura Entrada (To) 323.29 77 °F (Kern,1999) – Tabla 7

Temperatura Salida (Ti) 323.29 104 °F (Kern,1999) – Tabla 7

Caída máxima de Presión (∆P) 5 - 10 5 - 10 Psi (Kern,1999) – Tabla 8

Factor de ensuciamiento (Rf) 0.001 0.002 h*ft2*°F/Btu (TEMA,2009), (Kern,1999)

Calor especifico ( ) 0.9983 Btu/lbm*°F

(Karlekar, 1985)

Apéndice G-1 y E-1

Viscosidad Dinámica (µ) 0.0.485 1.83323 lbm/ft*h

Conductividad térmica ( ) 0.01928 0.35825 Btu/lbm*ft*°F

Densidad ( ) 0.0319 62.23 lbm/ft3

Entalpia de evaporación (hfg) 892.345 -- Btu/lbm (Çengel, 2009) - TABLA A-4E Tabla 2 Propiedades físicas de los fluidos

Realizando el balance de masa y energía, hallamos el flujo de calor ( ̇) haciendo uso de la

ecuación (1):

̇ ̇ 𝐶𝑝

̇ ̇ 𝐶𝑝

̇ (

) (

) 𝐹 𝐹

̇

̇ 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝐶𝑝 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎

̇ 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟

𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

Como ̇ ̇ entonces

𝑄𝐻 ̇ 𝑚�̇� λ𝐻 𝑚�̇�

𝑓𝑔


35

Se despeja ̇ ya que es la incógnita, teniendo como ecuación:

̇ ̇

𝑏

̇ 𝑙𝑏

̇ 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝐶𝑝 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖 𝑛

A continuación, se procede a calcular la diferencia de temperatura media logarítmica:

fig. 10 perfil de temperatura para intercambiador vapor-agua (FRANK KREITH; & RAJ, n.d.).

Teniendo en cuenta el perfil de temperatura mostrado en la fig.10 el cálculo para la LMTD

se define por la ecuación (11):

𝐷

𝑙𝑛 (

)

𝑙𝑛 ( )

𝐷 𝐹

𝐷 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑙𝑜𝑔𝑎𝑟𝑖𝑡 𝑖𝑐𝑎

𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎


36

Una vez terminado el balance de energía y masa, se procederá a determinar el área de flujo.

Las dimensiones del intercambiador serán seleccionadas de las posibles conexiones que se

encuentran en la fig.11.

fig. 11 Conexiones para intercambiadores doble tubo. Fuente: (Kern, 1999)

ANULO:

Diámetro Nominal Cedula Diámetro Interno (Ft) Diámetro Externo (Ft)

in 0.1851

Tabla 3. Dimensiones del Anulo (TEMA, 2009)

TUBO:

Diámetro Nominal Cedula Diámetro Interno (Ft) Diámetro Externo (Ft)

0.1266 0.13833

Tabla 4. Dimensiones de la Tubería (TEMA, 2009)

𝐷

𝐷

(14)

𝐹𝑡

𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑛𝑢𝑙𝑜

𝐷 𝐷𝑖𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟

𝐷 𝐷 𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜


37

( )

𝐷

𝐹𝑡 (25)

𝐹𝑡

𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜

𝐷 𝐷 𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜

El área del tubo es la mayor, por consiguiente, el flujo del agua es el fluido que viajara a

través del tubo. Ya obtenidas las áreas de los flujos se calcula la velocidad de masa (G) que

generaran los fluidos en las tuberías y así obtener el número de Reynolds (Re) para saber si

los fluidos presentan una corriente laminar o turbulenta.

Anulo:

𝐺 ̇

𝑙𝑏

𝐹𝑡

𝐺 𝑙𝑏

𝐹𝑡

𝐺 𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑛𝑢𝑙𝑜

𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑛𝑢𝑙𝑜

̇ 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

Tubo:

𝐺 ̇

𝑙𝑏

𝐹𝑡

𝐺 𝑙𝑏

𝐹𝑡

𝐺 𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜

𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜

̇ 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜


38

NÚMERO DE REYNOLDS

De la ecuación (3):

Tubo:

𝑅 𝐷 𝐺

𝜇

𝑓𝑡 ( 𝑙𝑏

𝐹𝑡 )

𝑏

𝐹𝑡

𝑅 𝑎𝑑𝑖 𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙

𝑅 𝑁𝑢 𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑜

𝐺 𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜

𝐷 𝐷𝑖𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜

𝜇 𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛 𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎

Anulo:

Para el cálculo del Número de Reynolds es necesario calcular un diámetro equivalente

(DE)…

𝐷 𝐷

𝐷

𝐷

𝑓𝑡 𝑓𝑡

𝑓𝑡

𝐷 𝑓𝑡 𝑎𝑑𝑖 𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙

𝐷 𝐷𝑖𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒

𝐷 𝐷𝑖𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜

𝐷 𝐷𝑖𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜

𝑅 𝐷 𝐺 𝜇

𝑓𝑡 (

𝑙𝑏𝐹𝑡

)

𝑙𝑏 𝑓𝑡

𝑅 𝑎𝑑𝑖 𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙

𝑅 𝑁𝑢 𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑙𝑜


𝐺 𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑛𝑢𝑙𝑜

𝜇 𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛 𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟


39

Cálculo del Factor de transferencia de calor, adimensional (Jh):

Para el cálculo de este parámetro es pertinente el uso de la fig.12, haciendo uso de los

valores de Reynolds encontrados en el paso anterior.

fig. 12. Curva de transferencia de calor lado tubos. Fuente (Kern, 1999).

ANULO

TUBOS

Cálculo de Coeficiente de Transferencia de Calor Interna

Tubo:

𝐷 (

𝐶𝑝 𝜇

*

(𝜇

𝜇 *

𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝜇 𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎 𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝐶𝑝 𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜


40

𝐷 𝐷𝑖𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜

(

)

Por tanto:

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 (

𝑙𝑏 𝐹

𝑏 𝐹𝑡

𝑓𝑡 𝐹

)

𝑓𝑡 𝐹

Cálculo de Coeficiente de Transferencia de Calor Externa

Anulo:

𝐷 (

𝐶𝑝 𝜇

*

(𝜇

𝜇 *

𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝜇 𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎 𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝐶𝑝 𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜


(

)

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 (

𝑙𝑏 𝐹

𝑏 𝐹𝑡

𝑓𝑡 𝐹

)

𝑓𝑡 𝐹


41

Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Calor Respecto al Diámetro Exterior

𝐷 𝐷

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡

𝑓𝑡

.75

𝐷

𝐷

Coeficiente Global de Transferencia de Calor limpio

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 𝐹

Calcular Factores de Obstrucción (Rd)

El coeficiente de obstrucción para el vapor es de 0.001

y para el agua es de 0.002

(Kern, 1999), (TEMA, 2009).

𝑅 𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 𝐹


42

𝑅 𝑓𝑡 𝐹

Coeficiente Global de Transferencia de calor

𝑅

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 𝐹

𝑅

Calcular el área o superficie de transferencia de calor

̇ 𝐷 ̇

𝐷

𝐹

𝑓𝑡 𝐹

𝐹𝑡

̇ 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟

𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟

𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑠𝑢𝑐𝑖𝑜

𝐷 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑎𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑙𝑜𝑔𝑎𝑟𝑖𝑡 𝑖𝑐𝑎

Longitud requerida

𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑖𝑒 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙

Superficie por pie lineal equivale a 0.435 ft (Kern, 1999).

𝐹𝑡

𝑓𝑡 𝐹𝑡

Asumiendo una tubería de 40 ft se corrigen los valores de Ud y de Rd.

A = L* Sup. Por pie lineal


43

A= (40 ft) * (0.435)

A= 17.4 ft2

Coeficiente Global de Transferencia de calor corregido

𝑑

𝐷 𝑑

𝑡𝑢

𝐹

𝑑

𝑓𝑡 𝐹

Factor de Obstrucción Corregido (Rd)

𝑅𝑑 𝑐 𝑑

𝑐 𝑑 𝑅𝑑

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 𝐹

𝑓𝑡 𝐹

𝑅𝑑 𝑓𝑡 𝐹

Caída de presión espacio anular

𝐷 𝐷 𝐷 𝐷 𝑓𝑡 𝑓𝑡

𝐷 𝑓𝑡

𝑅 𝐷

𝐺 𝜇

𝑓𝑡 (

𝑙𝑏𝐹𝑡

)

𝑏

𝐹𝑡

𝑅

𝑅

𝑓 𝐺

𝑔 𝐷


44

𝑓 (

𝑏 𝑓𝑡

*

𝑓𝑡

( 𝑓𝑡

* ( 𝑙𝑏𝑓𝑡

*

𝑓𝑡

𝑓 𝑓𝑡

𝑓𝑡 ( 𝑙𝑏

𝑓𝑡 *

𝑓𝑡

𝑖𝑛

Caída de presión en el tubo interno

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛

𝐺 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑠𝑖𝑐𝑜

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛

𝑔 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑

𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝐷 𝐷𝑖𝑎 𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜

𝐹

𝑓 𝐺

𝑔 𝐷

𝑅

𝑓 (

𝑏 𝑓𝑡

*

𝑓𝑡

( 𝑓𝑡

* ( 𝑙𝑏𝑓𝑡

*

𝑓𝑡

𝑓𝑡


45

Se usarán 6 horquillas

Caída de presión en cada vuelta por las horquillas

𝑔

𝐺

𝑏

𝑓𝑡

𝑠 ( 𝑙𝑏𝑓𝑡

*

𝑓𝑡 𝑠

(

𝑔) (

𝑓𝑡 𝑠

)

𝑓𝑡

𝑓 𝑓𝑡

𝑖𝑛

𝑓𝑡 𝑓𝑡 ( 𝑙𝑏

𝑓𝑡 *

𝑓𝑡

𝑖𝑛


46

Tabla 5 Resultados del Diseño Térmico

DETALLE FLUIDO CALIENTE

Carcasa

FLUIDO FRIO

Tubo UNIDADES


47

DISEÑO MECÁNICO 9.2

Para el diseño mecánico del intercambiador de calor de tubos concéntricos se utiliza

como referencia el código ASME y de los estándares de la Tubular Exchanger

Manufactures Association (TEMA).

Temperatura De Operación (TO)

Es el valor normal de temperatura en las condiciones de operación del


Flujo de calor ( ̇ 67264.50 Btu/h

Flujo Másico ( ̇) 75.38 2495.52 lbm/h

Diferencia Media Logarítmica De

Temperaturas (LMTD) °F

Diámetros Externos (Dext) 0.1979 0.138 ft

Diámetros Internos (Dint) 0.172 0.115 ft

Áreas de Flujo (A) 0.008213 0.01039 Ft2

Velocidad de Masa (G) 9178.05 240256.13 Lbm/ft2 *h

Reynolds (Re) 16011.46 15071.46 --

Coeficiente de transferencia de calor (h) ho = 18.687 hi = 311.181 Btu/h*ft2*°F

Factor de transferencia de Calor (Jh) 62 58 --

Cálculo del Coeficiente de Transferencia de

Calor Respecto al Diámetro Exterior -- 258.75 Btu/h*ft2*°F

Coeficiente global de transferencia de calor

limpio (Uc) 17.429 Btu/h*ft2*°F

Coeficiente Global de Transferencia de

calor 16.895 Btu/h*ft2*°F

Longitud (m) 40 ft

Área superficial (As) 17.4 Ft2

Reynolds para caída de presión (Re’) 8875.19 --

Factor de fricción ( ) --

Caída de Presión 0.606 0.6956 psi


48

proceso, a la cual el cambiador de calor será expuesto.

Tubo comercial 11/4

in. Ced.40

Fluido: Agua

Datos de Tubería

Dint = 0.115 ft T1 = 77 °F

Dext = 0.138 ft T2 = 104 °F

Tubo comercial 2 in. Ced.40

Fluido: Vapor

Datos de Tubería

Dint = 0.17225 ft Ts = 323.29 °F

Dext =0.1979 ft

Temperatura De Diseño (TD)

Se define como la temperatura que será utilizada en el diseño del cambiador

de calor, esta temperatura se selecciona como sigue:

Para fluidos que operan con una temperatura superior a 32 F, la temperatura de diseño será la

que resulte mayor de las siguientes:

{

Fluido: Agua

T1 = 77 °F

T2 = 104 °F

TD = 150 °F

Fluido: Vapor

To = 323.29 °F

TD = To + 25°F ==> TD = 323.29°F + 25°F

TD = 348.29°F

Consideraciones de la temperatura del material (TEMA RCB-1.41 Y RCB-1.42), (ASME UG20

TEMPERATURA DE DISEÑO). La temperatura de diseño no debe superar los 650°F ni estar

por debajo de los -20°F. Por tanto, los valores de temperaturas de diseño están dentro del rango

permitido.

PRESION DE DISEÑO (PD) (ASME UG – 21)

Se define como la presión que será utilizada en el diseño del cambiador de calor. Para servicios

a “vacío” se debe especificar una presión externa de diseño de 15 Lb / Pu lg2 (vacío total). Para

una presión de operación arriba de la atmosférica, la presión de diseño será:

𝑙𝑏

𝑖𝑛 𝑠𝑖

𝑙𝑏

𝑖𝑛

𝑠𝑖 𝑙𝑏

𝑖𝑛


49

PRESIÓN DE OPERACIÓN (Po)

También conocida como presión de trabajo. Se define como la presión manométrica a la cual

está sometido un equipo en condiciones normales de operación. Debemos tener presente que, en

el caso de los cambiadores de calor, se manejan dos presiones de operación, una por el lado de

tubos y la otra por el lado de la coraza.

Fluido: Agua

Po = 30 psi

𝑝𝑠𝑖

Fluido: Vapor

Po = 80 psi

𝑝𝑠𝑖

Cálculo del Espesor del Tubo(t) (ASME UG-27)

El espesor mínimo requerido por presión interna para un elemento cilíndrico, podrá

determinarse por medio de las siguientes ecuaciones:

a) En función del radio interior.

𝑡 𝑅

𝐸

b) En función del radio exterior.

𝑡 𝑅𝑜

𝐸

Siendo:

t = Espesor mínimo requerido por presión, sin corrosión pulg.

P = Presión interna de diseño, Lb/pulg2.

R = Radio interior de la coraza en condiciones corroídas pulg.

Ro = Radio exterior de la coraza, pulg.

S = Esfuerzo máximo permisible del material a la temperatura de diseño, Lb/pulg2.

E = Eficiencia de la junta soldada, %

Fluido: Agua

Se selecciona material AISI 304 (Tabla A1)

TD = 129°F

𝑝𝑠𝑖

Ro = 0.83 in

S = 19043 psi

Fluido: Vapor

Se selecciona material AISI 304 (Tabla A1)

TD = 348.29°F

𝑝𝑠𝑖

Ro = 1.1875 in

S = 13365.39


50

E = 1 Tubos sin costura

𝑡

𝑡

𝑡 𝑖𝑛

E = 1 Tubos sin costura

𝑡

𝑡

𝑡 𝑖𝑛

Cálculo de Corrosión (co) (ASME UG-16)

Un desgaste de 5 milésimas de pulgada por año, con una vida útil de 12 años (1/16) de pulgada.

tc = t + co

tc = Espesor mínimo requerido por presión, con corrosión.

t = Espesor mínimo requerido por presión, sin corrosión.

co = Corrosión

Fluido: Agua

tc = t + co tc = 0.0026 in + 0.0625 in

tc = 0.0651 in

A este espesor se le suma un 12.5% equivalente

a la tolerancia por fabricación, obteniendo el

siguiente espesor:

tc% = tc + 12.5%

tc% = 0.0651 in + (0.125*0.0651 in)

tc% = 0.073 in

Para comprobar que la tubería seleccionada

tiene el espesor requerido:

𝑡 𝐷 𝐷

𝑡

𝑖𝑛 𝑖𝑛

𝑡 𝑖𝑛

t = tt – tco t = (0.14in – 0.0625in)

t = 0.078 in

Dado a lo anterior se puede observar que el

espesor mínimo requerido para soportar la

presión de diseño es pequeño en comparación al

espesor del tubo seleccionado, el cual puede

soportar presiones mucho mayores.

Fluido: Vapor

tc = t + co tc = 0.0097 in + 0.0625 in

tc = 0.0722 in

A este espesor se le suma un 12.5%

equivalente a la tolerancia por fabricación,

obteniendo el siguiente espesor:

tc% = tc + 12.5%

tc% = 0.0722 in + (0.125*0.0722 in)

tc% = 0.081 in

Para comprobar que la tubería seleccionada

tiene el espesor requerido:

𝑡 𝐷 𝐷

𝑡

𝑖𝑛 𝑖𝑛

𝑡

t = tt – tco t = (0.16in – 0.0625in)

t = 0.097 in

Dado a lo anterior se puede observar que el

espesor mínimo requerido para soportar la

presión de diseño es pequeño en comparación

al espesor del tubo seleccionado, el cual

puede soportar presiones mucho mayores.

Presión Máxima de Trabajo Permitida (MAWP “Maximum Allowable Working


51

Pressure”)

𝑅 𝑅 𝑡

Fluido: Agua

MAWP = 1879.34 psi

Fluido: Vapor

MAWP = 11389.30 psi

Calculo por Presión Exterior (Pa) (ASME UG-28)

Este cálculo se realiza en condición de vacío para un estado crítico en que la bomba del fluido

fallara, generando una fuerza de aplastamiento en el tubo.

tt = 0.14 in – 1/16 in

tt = 0.078 in

L = 118.11

Se obtienen las siguientes relaciones:

𝐷

𝑖𝑛

𝑖𝑛

𝐷

𝐷 𝑡

𝑖𝑛

𝑖𝑛

𝐷 𝑡

Para la condición

> 10 ver ASME UG-28 (c) la presión se obtiene con las siguientes

ecuaciones:

(𝐷 𝑡 )

Con las relaciones

𝑦

se procede a la fig. AMSE UGO-28 para obtener el factor A.

A = 0.025

Para hallar el factor B se procede a la fig. ASME USC-28.2

B = 16800 psi

𝑝𝑠𝑖

( 𝑖𝑛 𝑖𝑛)

𝑝𝑠𝑖


52

Esfuerzo tangencial ( )

𝑟

𝑟 𝑟

𝑟 𝑟

𝑝𝑠𝑖 𝑖𝑛

𝑝𝑠𝑖 𝑖𝑛 𝑖𝑛

𝑝𝑠𝑖 𝑝𝑠𝑖

𝑖𝑛 𝑖𝑛

𝑝𝑠𝑖

Esfuerzo radial ( )

𝑟

𝑟 𝑟

𝑟 𝑟

𝑝𝑠𝑖 𝑖𝑛

𝑝𝑠𝑖 𝑖𝑛 𝑖𝑛

𝑝𝑠𝑖 𝑝𝑠𝑖

𝑖𝑛 𝑖𝑛

𝑝𝑠𝑖

Esfuerzo Equivalente de Von Misses ( )

√

√ 𝑝𝑠𝑖 𝑝𝑠𝑖

𝑝𝑠𝑖

Factor de Seguridad (n)

𝑛 𝑦

𝑛

𝑛

El material tiene un factor de seguridad óptimo para los esfuerzos a los que está sometido.


53

TABLA DE RESULTADOS

DETALLE CARCASA TUBO UNIDADES

tD 348.29 150 °F

PD 110 60 psi

tc 0.0722 0.0651 in

tc% 0.081 0.073 in

MAWP 1879.34 11389.30 psi

L/Dext ---- 57.83 ----

Dext/t ---- 21.28 ----

Factor A ---- 0.03 ----

Factor B ---- 17600 Psi

Pa ----

110265 psi

339.72 psi

n 39.34

Tabla 6 Resultados del Diseño Mecánico


54

ESPESOR DE AISLAMIENTO 9.3

Para la selección del aislamiento se utilizo la herramienta de calculo de la empresa

colombiana Calorcol S.A, la cual maneja 5 tipos de aislamientos para tuberías (Mantas para

Tuberías, Rollo Flex, Ducto Flex, Termo Flex y Cañuelas). Para el análisis de aislamiento

requerido para los parámetros de nuestro diseño se seleccionó el aislamiento tipo cañuelas,

el software pie como parámetros de entrada la temperatura del fluido que transita por la

carcasa, la temperatura superficial del aislamiento, la temperatura ambiente, la velocidad

del aire, el diámetro de la tubería y la superficie exterior del aislamiento. En la figura 13 se

puede aprecias con claridad lo mencionado anteriormente.

fig. 13 Parámetros de entrada del software Calorcol


55

Con los parámetros de entrada el software calcula el espesor de aislamiento recomendado,

las pérdidas de calor para la tubería desnuda y las perdidas con aislamiento, además calcula

la eficiencia del aislamiento. En la tabla 7 se encuentran los valores arrojados por el cálculo

del software, en el cual el espesor recomendado para las condiciones de trabajo de nuestro

caso, es de 2.5 in. A demás en la figura 14 se muestra la gráfica de perdida de calor vs

espesor de aislamiento.

Tabla 7 Resultados del software Calorcol

fig. 24 Grafica de perdida de calor vs Espesor. Fuente: Calorcol.


56

10 RESULTADOS Y ANALISIS

Para el diseño del intercambiador de calor, fue necesario conocer los parámetros de

trabajo de entrada y salida de los fluidos involucrados en el proceso de intercambio

de calor, para el fluido frio (vapor) sus propiedades físicas y temperatura se hallaron

después de conocer que la caldera ubicada en el laboratorio de combustión,

trabajaba a una presión de 80 psi, para el fluido frio (agua), la temperatura de

entrada era igual a la temperatura ambiente de la ciudad de Ibagué, la cual para el

momento de realizar el diseño era de 77°F, la temperatura de salida, equivalente a

104°F . ya con las temperaturas definida se hallaron las propiedades físicas, las

cuales pueden apreciase en la siguiente tabla:

DETALLE FLUIDO

CALIENTE

FLUIDO

FRIO UNIDADES Referencia

Fluido Vapor 𝑔𝑢𝑎 Caudal -- 5 Gal/min Parámetro de Diseño

Flujo Másico ( ̇) -- 2495.52 lbm/h Temperatura Entrada (To) 323.29 77 °F (Kern,1999) – Tabla 7

Temperatura Salida (Ti) 323.29 104 °F (Kern,1999) – Tabla 7 Caída máxima de Presión

(∆P) 5 - 10 5 - 10 Psi (Kern,1999) – Tabla 8

Factor de ensuciamiento (Rf) 0.001 0.002 h*ft2*°F/Btu (TEMA,2009), (Kern,1999)

Calor especifico ( ) 0.9983 Btu/lbm*°F

(Karlekar, 1985)

Apéndice G-1 y E-1

Viscosidad Dinámica (µ) 0.0.485 1.83323 lbm/ft*h

Conductividad térmica ( ) 0.01928 0.35825 Btu/lbm*ft*°F

Densidad ( ) 0.0319 62.23 lbm/ft3

Entalpia de evaporación (hfg) 892.345 -- Btu/lbm (Çengel, 2009) - TABLA A-

4E


57

El diseño térmico se abordó después de tener claridad de las propiedades físicas de

los fluidos, siguiente a eso se conoció el flujo de calor que posee el sistema, el cual

equivale a 67264.50 Btu/h, este valor permitió conocer el flujo masico de vapor

necesario para calentar un caudal de agua de 5 gal/min, dicho caudal fue un

parámetro de diseño, para este intercambiador se seleccionó una tubería de 2 in para

la carcasa y 11/4

para el tubo, el intercambiador de calor presento un coeficiente

global de transferencia de calor de 16.895 Btu/h*ft2*°F, este calor esta fuera del rango

estipulado por la literatura el cual esta entre (200-500) por este motivo se hicieron

diferentes iteraciones entre los diámetros y flujos para así obtener un coeficiente que

estuviera dentro de los rangos establecidos, para esto se creo una tabla en la

herramienta Excel, la cual estará anexa a este trabajo, aunque se realizaron estas

iteraciones el coeficiente no mejoraba sin afectar las caídas de presión, las cuales se

salían de los rangos permisibles, los cuales van de 5 a 10 psi. Por tal motivo se

seleccionaron los diámetros mencionados al inicio, los cuales generaron los mejores

resultados. Los cuales se pueden evidenciar en la siguiente tabla:

DETALLE FLUIDO CALIENTE

Carcasa

FLUIDO FRIO

Tubo UNIDADES


Flujo de calor ( ̇ 67264.50 Btu/h

Flujo Másico ( ̇) 75.38 2495.52 lbm/h

Diferencia Media Logarítmica De Temperaturas

(LMTD) °F

Diámetros Externos (Dext) 0.1979 0.138 ft

Diámetros Internos (Dint) 0.172 0.115 ft

Áreas de Flujo (A) 0.008213 0.01039 Ft2

Velocidad de Masa (G) 9178.05 240256.13 Lbm/ft2 *h

Reynolds (Re) 16011.46 15071.46 --

Coeficiente de transferencia de calor (h) ho = 18.687 hi = 311.181 Btu/h*ft2*°F

Factor de transferencia de Calor (Jh) 62 58 --

Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Calor

Respecto al Diámetro Exterior -- 258.75 Btu/h*ft2*°F

Coeficiente global de transferencia de calor limpio

(Uc) 17.429 Btu/h*ft2*°F

Coeficiente Global de Transferencia de calor 16.895 Btu/h*ft2*°F

Longitud (m) 40 ft

Área superficial (As) 17.4 Ft2

Reynolds para caída de presión (Re’) 8875.19 --

Factor de fricción ( ) --

Caída de Presión 0.606 0.6956 psi


58

En el diseño mecánico, el intercambiador de calor cumplió con todos los estándares

de seguridad y rangos permitidos por las normas internacionales (ASME, TEMA),

los cuales se pueden evidenciar en el desarrollo del documento.

TABLA DE RESULTADOS

DETALLE CARCASA TUBO UNIDADES

tD 348.29 150 °F

PD 110 60 psi

tc 0.0722 0.0651 in

tc% 0.081 0.073 in

MAWP 1879.34 11389.30 psi

L/Dext ---- 57.83 ----

Dext/t ---- 21.28 ----

Factor A ---- 0.03 ----

Factor B ---- 17600 Psi

Pa ----

110265 psi

339.72 psi

n 39.34


59

11 CONCLUSIONES

Para el diseño del intercambiador de calor, se identificaron las variables iniciales y

propiedades físicas de los fluidos, para este caso de estudio van a ser vapor de agua

saturada como fuente de calor y agua como fluido frio. El vapor saturado trabaja a

una presión de 80 psi, esta variable perm

Diseño De Un Intercambiador De Calor De Tubos Concéntricos...intercambiadores de calor, incluido...

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