Diseño De Equipos

Diseñ o de equipos
Diseño de un cambiador de calor
Ejercicio 4

David Sánchez García 06755

2-7-2012

1. Introducción
Vamos a realizar la selección de los materiales de un cambiador de calor. Como especificaciones generales se nos pide: -Resistencia a las temperaturas de trabajo (18ºC a 115ºC). -Soportar la diferencia de presión (ΔP). -Resistencia a los fluidos de intercambio ( en estecaso agua dulce). -Optimizar el precio. Se nos piden dos trabajos distintos: Minimizar volumen. Minimizar peso. Para ello contamos con las libertades del espesor del tubo y del material.

2. Mínimo volumen
Para minimizar el volumen tenemos que maximizar el producto de la conductividad térmica por el límite elástico (M=λ*σ). Además tenemos que tener un bajo coeficiente de dilatación térmicapor lo que nos fijamos en el mapa de expansión y conductividad térmicas.

La zona que cumple las especificaciones anteriormente comentadas es la remarcada en azul. Materiales posibles:  Aleaciones de cobre  Aleaciones de aluminio  Aceros inoxidables  Aleaciones de magnesio  Aleaciones de Wolframio  Aceros al carbono  Si3N4  Aleaciones de plomo  Al2O3  Fundiciones  SiC  Aceros de bajaaleación  B4C  Aleaciones de titanio  AIN  Aleaciones de níquel  WC

 Silicon Ahora haremos una criba, eliminando los materiales más caros.          Aleaciones de cobre Aleaciones de aluminio Aleaciones de magnesio Aceros al carbono Aleaciones de plomo Fundiciones Aceros de baja aleación Aleaciones de titanio Aleaciones de níquel          Aceros inoxidables Aleaciones deWolframio Si3N4 Al2O3 SiC B4C AIN WC Silicona

Ahora eliminamos en función de la temperatura de servicio y resistencia. T=115ºC σf=10 (Mpa)

           

Aleaciones de cobre Aleaciones de aluminio Aleaciones de magnesio Aceros al carbono Aleaciones de plomo Fundiciones Aceros de baja aleación Aleaciones de níquel Aceros inoxidables Al2O3 SiC Silicona

Vamos a estudiar losvalores máximos y mínimos de límite elástico y conductividad térmica en los materiales que aún nos quedan.
Material Comportamiento λ Conductividad Térmica (W/(m*K)) σ Límite elástico (Mpa) en agua dulce A A A B B A B A A A A Mínima 160 76 50 47 29 22 34 67 11 30 115 Máxima 390 235 156 53 44 36 55 91 19 38,5 200 Mínima 30 30 70 400 215 8 400 70 170 690 1000 Máxima 500 500 400 1155 790 14 1100 11001000 5500 5250 4800 2280 3500 18800 6235 176 13600 4690 1870 20700 M Mínimo Máximo 195000 117500 62400 61215 34760 504 60500 100100 19000 211750

Aleaciones de cobre Aleaciones de aluminio Aleaciones de magnesio Aceros al carbono Fundiciones Aleaciones de plomo Aceros de baja aleación Aleaciones de níquel Aceros inoxidables Al2O3 SiC

115000 1050000

Los materiales remarcados en color verdeserían los que mejores valores presentan. Como sigue siendo un número elevado, vamos a buscar otra especificación que nos ayude a determinar el más adecuado, por ejemplo la tenacidad a la fractura.
Material Tenacidad(Mpa*(m^1/2)) Mínimo Máximo 30 90 22 35 110 80 4.8 3.3 5 2.5 M Mínimo 4800 2280 4690 20700 115000 Máximo 195000 117500 100100 211750 1050000

Aleaciones de cobre Aleaciones dealuminio Aleaciones de níquel Al2O3 SiC

Definitivamente elegimos como material una aleación de cobre, que aunque presenta un máximo hasta 5 veces menor que el SiC , ya que este último presenta unos valores de tenacidad muy bajos para un funcionamiento correcto, lo mismo que ocurre con el AL2O3.

Por último para terminar de elegir el material entramos en la página web: www.matweb.com e introducimoslos mejores valores de conductividad térmica y límite elástico, resultando Oxygen-free

electronic Copper, UNS

C10100
MATERIAL FAMILIA CLASE

como el que mejor se adecua para nuestro cambiador.

TIPO

M1

λ [W/ mK]

σy
MPa

α [μm/mºC]

t [mm]

Comportamiento frente a los fluidos

Comportamiento frente a las biopelículas

Metal

Aleacion de cobre

Oxygen-free...