Diseño de ic

Dise˜o de un Intercambiador de Calor n
Roberto Ebratt 2 de marzo de 2012
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Coraza y tubo
Se desea dise˜ar un intercambiador de calor de coraza y tubo para calentar n agua por medio de la recuperaci´n de gases calientes. Los requerimientos son o los siguientes: Flujo volum´trico de agua: 4 lt/s. e Temperatura de entrada del agua: 30◦ C. Temperatura de salida del agua: 30◦ C. Temperatura deentrada de los gases: 200◦ C. Antes de iniciar el dise˜o, se realizaron las siguientes suposiciones: n Temperatura de salida de los gases: 100◦ C. Velocidad del agua: 1.5 m/s. Primero se realizaron unos c´lculos previos para estimar las dimensiones del a intercambiador de calor. Se utiliz´ la Tabla D.1 1 , y se ingres´ a la tabla con o o Q = 9959W/K, y con ‘Treated cooling water’ se seleccion´ elmayor U o ∆Tlm F posible con tal de que el intercambiador no fuese tan grande. Se tom´ entonces o High-Pressure Gas, es decir, U = 600 W/m2 K. Lo anterior implica 9959 = 600
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Shah, pp. 953

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17 m2 de superficie. Es decir un perimetro en tuber´ total de 1 m!! y 17 ıas m de largo por lo menos. De esto ya podemos decir que el intercambiador que obtendremos o es muy grande, o requiere altapresi´n. Me ir´ por alta o e presi´n, y tambi´n presentar´ dimensiones obtenidas para un intercambiador o e e grande, que a pesar de no tener altas presiones si requiere una gran potencia de bombeo. De decidi´ que el agua es quien pasar´ por los tubos. Adem´s, se utilio ıa a zar´ el sub´ a ındice s para indicar el lado de la coraza y t para indicar el lado del tubo. De esta forma Cp,t implica elcalor espec´ ıfico del agua. ˙ mt = Vw ρw = 4 lt/s × ˙
1 m3 /s 1000 lt/s

× 985.7 kg/m3 = 3.94 kg/s.

Q = mw Cp,w (Tw,o − Tw,i ) = 3.94 kg/s × 4182 J/kg K(80 ◦ C − 30 ◦ C) = ˙ 824439 J/s = 824.44 kW/s. ms = ˙
Q Cp,w (Tw,o −Tw,i )

=

824439 J 4182 J/kg K×(80 ◦ C−30 ◦ C)

= 8.13 kg/s.

La informaci´n con la que se procede a dise˜ar la geometr´ se presenta o n ıa en la Tabla 1. Tabla 1.Propiedades importantes en el intercambiador de calor Propiedad Agua (Tube side) Coraza (Shell side) Flujo m´sico [kg/s] a 3.94 8.13 Velocidad [m/s] 1.5 15 Ahora bien, dado que supusimos las variables antes mencionadas, procedemos a realizar la selecci´n del intercambiador de calor. Se determina que o ser´ uno de dos fases (2-P). a

Procedimiento de dise˜ o n
Se proceder´ a dise˜ar seg´n elm´todo Kern. a n u e 1. Se determinan las propiedades de la tuber´ de acuerdo a dimensiones ıa 2 est´ndares : a
S. Kakac, H. Liu. Heat exchangers, selection, rating and thermal design. New York, CRC Press, 1997, pp. 289.
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OD of Tubing (in.) 1/2

Sq. Ft. Sq. Ft. Internal External Internal Flow Surface Surface ID BWG Thickness Area per Ft. per Ft. Tubing Gauge (in.) (in.3 ) Length Length(in.) 16 0.065 0.1075 0.1309 0.0969 0.370

2. Se calculan el n´mero de tubos necesarios, u Nt = = mw ˙ ρw vw Aint,w 3.94 kg/s
0.0254 m 2 1 in

985.7 kg/m3 × 1.5 m/s × 0.1075 in2 × = 38.44 tubos

3. Seg´n Red-Bag3 podemos calcular el n´mero de tubos si se conoce: u u Shell inside diameter Ds Tube outside diameter do Tube pitch pT Pitch pattern Number of passes Np Distance tube to shellDistance pitch from partition groove Distance impingement plate Sin embargo, los ultimos tres par´metros se dejar´n por defecto. Es ´ a a decir, Distance tube to shell = 6 mm. Distance pitch from partition groove = 21 mm. Distance impingement plate = 0 mm. El resto de par´metros corresponden a: a
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Red-Bag. [Online]. URL: “http://www.red-bag.com/engintools/calctubes.php’

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a) Shell insidediameter. Este se va a iterar de acuerdo al n´mero de u tubos que se desea. b) Tube outside diameter. 0.5 in = 12.7 mm. c) Tube pitch pT . De acuerdo a un par´metro de dise˜o4 que establece a n que pT pT = < 1.5 1.25 < Pitch ratio = do 12.7 mm Se escoge, un pitch ratio de 1.3, de donde pT = 16.51 mm, a su vez cumple el m´ ınimo de claro requerido para limpieza. d ) Pitch pattern. Seg´n Kakac3 el...