Intercambiadores de calor

OPERACIONES UNITARIASII

Diseño de intercambiadores de calor


INTRODUCCIÓN
El siguiente práctico tiene como objetivo el diseño de un intercambiador de calor frente a una situación problema planteada. En dicho procedimiento se siguió el método propuesto en el libro: “Procesos de Transferencia de Calor de Donald Q. Kern”. Consecuentemente con lo que allí se indica se plantean acontinuación los resultados a los cuales arribamos luego del un proceso iterativo en busca de las condiciones óptimas de diseño.
SITUACIÓN PROBLEMA
Se requiere calentar una corriente de agua de 120 kg/s desde los 20ºC a los 50ºC con una
corriente de salmuera de 105 kg/s a 75ºC.
La resistencia por suciedad estimada es de 0,005 hr pie2 ºF/Btu y la pérdida de presión
permitida es de 25 psi.Datos:
mc = 105 Kg/s
mf = 120 Kg/s
Tfe= 20ºC =293 K
Tfs=50ºC = 323 K
Tce=75ºC = 348 K
DISEÑO RÁPIDO
Para corriente fría (corriente de agua):
Qf= m Cpf ∆T
Para buscar las propiedades del fluido en tabla suponemos una temperatura media entre las temperaturas de entrada y salida:
Tm= (20ºC +50ºC)/2= 35 ºC = 308.5K
Por tabla (pág. 59): Cpf=4177.2 J/Kg K
Qf= m Cpf ∆T = 120 Kg/s * 4177.2 J/KgK * (323K - 293K)
Qf= 15037920 J/s
Para corriente caliente (salmuera):
Estimamos una temperatura media entre Tfs y Tce para el cálculo del Cp:
Tm= (50ºC + 75ºC)/2 = 62.5 ºC = 336 K
Como a esta temperatura no contamos con datos en tabla, la aproximaremos a 300 K y suponemos además, un fluido con una concentración del 25%.
Así obtenemos un Cpc= 3310 J/Kg K
Igualando calores, Qf = Qc =15037920 J/s
15037920 J/s = m Cpc ∆T = 105 Kg/s * 3310 J/Kg K * (348K - Tcs)
Obtenemos una Tcs= 304.73 K.
Cálculo de ∆Tml
ΔTml =[(Tce-Tfe)-(Tcs-Tfs) ]/ ln [(Tce-Tfe)/(Tcs-Tfs)]
∆Tml = 57.180526 K
El resultado obtenido se corresponde con un intercambiador de calor a contracorriente, será necesario realizar un ajuste a través de un factor de corrección F
Cálculo del factor de corrección (F) del∆Tml
Con las temperaturas obtenidas calculamos R y S
R= 1.44
S= 0.54
Suponemos dos pasos en coraza 4 pasos en tubos y por tabla de pág. 146 calculamos F
F= 0.82
Cálculo de U diseño
Suponemos U diseño ( por tabla pág.136) para solución acuosa y agua un valor intermedio de 350 Btu/h ft2 F (1987.3 W/m2 K)
Dimensiones del intercambiador
DISEÑO RÁPIDO
En consideración a los caudales de trabajoque plantea el problema fue necesario re diseñar el intercambiador de calor planteado inicialmente mediante un cálculo rápido. Para continuar se decidió trabajar con dos intercambiadores similares en paralelo cuyas caudales de operación será un medio de los iníciales. Se seleccionó un nuevo diseño donde ambos intercambiadores de calor serán de coraza y tubos de 4 m de longitud; con tubos de 1pulgada de diámetro externo. Los tubos se dispondrán en arreglo triangular de 1 ¼ plg, de 4 pasos y 2 por coraza. El número de tubos necesarios calculado fue 735.22 cada uno con un área de intercambio de 3.43 pie2. El número de tubos calculado fue aproximado a 736, valor figura en la tabla proporcionada por la cátedra.
Los caudales a tratar por cada intercambiador serán:
mc = 52.5 Kg/s = 416673.6lb/h
mf = 60 Kg/s = 476198.4 lb/h
Las temperaturas de entrada y salida se mantienen:
Tfe= 20ºC =293 K = 68 F
Tfs=50ºC = 323 K = 122 F
Tce=75ºC = 348 K = 167 F
Para corriente fría (corriente de agua):
Qf= m Cpf ∆T
Qf= 476198.4 lb/h * 0.7906 btu/lb F * 77.89 F
Qf= 25655752.49 Btu/h
El valor Cpf fue calculado a una T media entre Tf entrada y Tf salida, por tabla pág.69
Para corrientecaliente (salmuera):
Igualando calores, Qf = Qc = 25655752.49 Btu/h

25655752.49 Btu/h= m Cpc ∆T = 476198.4 lb/h * 0.99 btu/lb F * (167 F - Tcs)
Obtenemos una Tcs= 89.11K.
Cálculo de ∆Tml
ΔTml =[(Tcs-Tfe)-(Tce-Tfs) ]/ ln [(Tcs-Tfe)/(Tce-Tfs)]
∆Tml = 31.56 F
El resultado obtenido se corresponde con un intercambiador de calor a contracorriente, por lo tanto será necesario realizar un ajuste...