PROYECTO PRSONAL

Proyecto del intercambiador de calor

Flujo caliente: Mercurio a 35 bar. De presión, flujo de 50 kg/s, que será enfriado desde una temperatura de entrada de 113 ªC hasta 38 ªC a un tanque de almacenamiento. No hay contaminación.
Refrigerante: Agua bien tratada desde una torre de enfriamiento a 27 ªC en verano y 17 ªC en invierno. La temperatura de salida no excederá 50 ªC. emplear una resistencia a la contaminación de 0.00018 (W/m2 K)-1. Sobre diseñar un 25% de superficie. Mantener una velocidad del flujo de 1.5 m/s como mínimo y 3 m/s como máximo para prevenir erosión. Para una caída de presión de 100 kPa existe una tolerancia de 10%.
Especificaciones de la construcción: Se requiere una longitud máxima de los tubos de 10m, los cuales serán de una aleación 0.5 de Cr en posición horizontal con arreglo multi tubular simple.
Tipo de intercambiador de calor y localización del fluido: debido a que el butano esta a alta presión, se requiere una construcción de concha y tubo. El agua se colocará a ¾” en tubos rectos para limpieza.

Se utilizara el método de:

Método LMTD para análisis de intercambiadores .

Es de suma importancia calcular la relación total de transferencia de calor, puede determinarse aplicando un balance de energía a un elemento diferencial de superficie dA en los fluidos frío y caliente.

Datos del problema

Sustancia:

Densidad del mercurio: 13560 Kg/m3

Mercurio a 35 bar

Flujo másico: 50kg/s

Temperatura de entrada de la sustancia: 113 ºC Temperatura de salida: 38 0C

Calor especifico del mercurio: 0.139 kJ/kgºC

Temperaturas en la torre de enfriamiento:Verano: 27ºC Invierno: 17ºC

Temperatura de salida del refrigerante: 50 ºC

Resistencia a la contaminación: .00018 (W/m2k)-1

Sobre diseñar a un 25% de superficie

Velocidad: min.= 1.5m/s y máx.= 3m/s

P: 100kPa

Tolerancia: 10%

Longitud máxima: 10m

0.5 cromo

Tubos simples

Carcaza y Tubo¾” en tubos rectos

Solución del problema

Transferencia de calor que existirá:

Q= mhCh∆Th

Q= (50Kg/s) (.139kJ/kg ºk) (113-38) ºk

Q = 521.25 kW

Flujo Masico:

Tprom = (17 + 27) ºC / 2

Tprom = 22ºC

Mc= (Q / Ch * Th)

Mc= (521.25Kw / (1) (22-50) ºC

Mc= -18.616 Kg/seg

Ahora se utilizara el método LMTD:

∆Tm= temperatura logarítmica

LMTD = ∆Tm= ((Th1 – Tc4) – (Th2 – Tc3) / ln [(Th1-Tc4)/( Th2-Tc3)]

LMTD= ((113–17) – (38-27) / ln [(113 - 17)/(38 - 27)]

LMTD= ∆Tm= 39.2346

Velocidad media de flujo frio:

Vm= (Vmin + Vmax) / 2

Vm= (1.5+3)m/seg / 2

Vm= 2.25 m/seg

Teniendo la velocidad media, el flujo Masico del agua y la densidad del agua se obtendrá el Área total de la corriente externa:

Ao= m / ρ* Vm

Ao= 18.616 Kg/seg / (1000Kg/m) (2.25m/s)

Ao= 0.08274m2

Temperaturas se sacara un factor de corrección:

R= (Th1 – Th2) / (Tc2 – Tc1)

R= (113 – 38) ºC / (50 – 20) ºC

R= 2.5

P= t2 - t1/T1 - t1

P= 28/63

P=0.44

Calcular el número de tubos que va a tener el intercambiador:

A= nπd2 / 4

0.08274m2= n π (.01905m) 2 / 4

n= 290 tubos

Para saber el área de los tubos:

A= πd

A= π (.01905m2)

A= .0598m2

D0= La raiz cuadrada de 4 (.02856)/π

D0= .19069 m

El coeficiente de transferencia de calor externo:

U0=1/.0018

U0=5555W/m2*ºC

Se calculara la resistencia térmica del intercambiador:

R= Resistencia Térmica

R= 1/(UoAo)

R= 1/(5555W/m2 ºK*0.02856m2)

R=.0063 W/ºc

El agua a 22ºC

Kcr=Conductividad térmica del cromo

Kcr= 93.7 W/m ºK = 93.7 W/m ºC

Rfo=Factor de incrustación

Rfo= 0.0001m2ºC / W Vm= 2.25m/s


El diámetro exterior del tubo:

Agua a 22ºC

μ= Viscosidad

μ= 1.002x10-3 kg/ms

ρ=Densidad

ρ=1000 kg/m3

Pr=numero de Prandtl

Pr=7.01

Teniendo la densidad y la viscosidad del agua se calcula la velocidad dinámica:
ν= viscosidad dinámica
V= μ/ρ

V= 1.0002x10-3 Kg/m*seg / 1000 Kg/m3

V= 1.0003x10-6 m2/seg


Si tenemos la velocidad media y el diámetro exterior del tubo y la velocidad dinámica se obtiene el numero de Reynolds:

Re= numero de Reynolds

Re= VmDo/V

Re= (2.25m/s) (.190693m)/ 1.0003x10-6 m2/seg

Re= 428931

Con el número de Reynolds se aplica la siguiente condición.

Nu=0.012 {(No Re a la 0.87 - 280)}Pr a la 0.4

Nu=0.012{(42893)a la 0.89 - 280)}(7.01) a la 0.4

Nu=269.77

NUMERO DE NUSSELT

El número de Nusselt es aceptable para un flujo turbulento.

De aqui obtendremos el coeficiente de transferencia de calor exterior

En el cual se utilizaran los valores de conductividad térmica del cobre, el diámetro exterior y el número de Nusselt.

ho=(K/Do)Nu

ho=(93.7/0.19069)(2699.67)

ho=1326550.34 W/m2ºC

Despues de este paso obtendremos la velocidad masica del agua.

Gfrio= m/Ao

Gfrio=(155 Kg/s) / 0.08274 m2

Gfrio=1873.34 Kg/m2*seg

A continuacion seguiremos con los calculos para el flujo caliente:

Obtendremos el area y el diametro interior:

Di= 3/4 ¨ = 0.019m

A1= (pi)(0.019)2 / 4

A1=0.000284 m2

Ya teniendo el conocimiento del area y del diametro obtendremos el coeficiente de transferencia de calor interno:

R= 1/ U1A1

U1=1/RA1

U1= 1/(0.0063 W/ºC)(0.000284 m2)

U1=558909 W/m2ºC

Y tanbien se requiere la temperatura calorifica del flujo caliente.

Tprom=(38ºC + 113ºC)/2

Tprom=75ºC

Tc=38ºC + 0.4(75ºC)

Tc=68ºC

Para obtener el valor de la velocidad masico del flujo caliente:

Gcaliente=(50Kg/seg)/(10m)(290tubos)a la 2/3

Gcaliente=0.000178 Kg/m2*seg

El reultado anterior nos servira para obtener la carga de condensacion para tubos horizontales

Luego obtendremos la caida de presion :

Gcaliente=(50 Kg/seg) / (0.000284m2)

Gcaliente=176056.33 Kg/m2*seg

Al obtener lo anterior podremos tener la caida de presion del refrigerante y obtendremos el valor de la caida de presion:

Af= 4fG2L/2gDeDo

Nos falta calcular el factor friccion para completar los datos anteriores, entonces obtenemos que:

f=0.0035 + 0.264/(DG/viscosidad dinamica)a la 0.42

f=0.0035 + 0.264/{(.19069m)(1879.34Kg/mseg)/1.002 x 10-3 Kg/mseg)}a la 0.42

f=0.0035 + 0.264/215.008

f=4.728 x 10-3

Ya teniendo el dao anterior podremos obtener la caida de presio:

Af= 4(4.728x10-3)(1873.34 Kg/m2seg)2(10)/2(9.81m/seg2)(1000Kg/m2)2(.19069m)

Af=0.177 Kpa

Para obtener la caida de presion al flujio caliente (mercurio).

Vdinamica=μ/ρ ; μ = Vdinamica * ρ

μ=(1.0003x10-6 m2/seg)(13560 Kg/m3)

μ=13.564x10-3 Kg/m*seg

No de Reynolds =(0.019m)(176056.33 Kg/m2*seg)/13.564x10-3 Kg/m2*seg

No de Reynolds=246614

Despues tendremos que obtener el valor del factor de friccion para el fluido caliente:

f= 0.0014 + 0.125/(DG/μ)a la 0.32

f=0.0014+ 0.125/(0.019m)(176056.33 Kg/m2*seg)/13.564x10-3 Kg/m*seg)a la 0.32

f=00014+0.125/53.1425

f=3.752x10-3

Para seguir calculando la caida de presion se tiene que:

Af=32μG1/2gρ2D2

Af=32(13.564x10-3 Kg/m2*seg)(176056.33 Kg/m2*seg)/

2(9.81m/seg)2(13560 Kg/m3)2(0.019m)2

Af=0.0509 Kpa

Coeficiente de transferencia de calor interna:

h1= Q/A1∆T

h1=(521.25 cal/seg)/(0.000284m2)(75ºC)

h1=24471.8 Wm2/ºC

Coeficiente de transferencia de calor total.

Uo= 1/1/h1 + 1/ho

Uo=1/(1/24471.8 + 1/1326550.34)

Utotal=24028.5 W/m2ºC

UN INTERCAMBIADOR QUE SE PARECE AL PROYECTO

Carcaza y tubo

La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo y carcaza que se muestra en la figura (1).

Figure 1: Intercambiador de calor de carcasa y tubos.

Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la carcaza por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de la cáscara. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de soporte (support plates) mostradas en figura (1) también actúan como bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.

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