Diseño Intercambiador De Calor

Enfriar 2000 kg/h de Fuel-oil desde 94ºc a 76ºc con 36m3/h de agua de planta la cual se toma a 23ºc. La máxima caida de presión para el fuel-oil no puede superar los 50kpa y para el agua 100 kpa.
Fuel-oil Agua
Cp= 4,6 Kj/kgºc Cp= 4,18 Kj/kgºc
ρ= 700 kg/m3 ρ= 1000 kg/m3
K=0,114 w/mºc K=0,615 w/mºc
µ= 0.0007 kg/m.s µ= 0.00048 kg/m.s
ΔT=18ºc ΔT=?
Ti=94ºc Ti=23ºc
Tf=76ºcTf=?

Diseño térmico del intercambiador de calor

Cálculo del Calor(Q) necesario y de la Temperatura final(Tf) del agua.
El calor que se va a transferir del Fuel oil al agua será:

Q=Cpf .Mf..ΔT

Siendo Cp el calor específico del Fuel oil.

Q=Cpf .Mf..ΔT = 460Kw
460Kw=CpH2O .MH2O..(Ti-Tf)→ Tf=34ºC

Cálculo de DMLT
Equipo en contracorriente → DMLT=56.427ºC
DiferenciaMedia de Temperatura Logarítmica:

Se opta por un diseño de flujo en contra corriente y se calcula la diferencia media logarítmica de temperaturas (DMLT) a partir de las temperaturas iniciales y finales de los fluidos. La variación de temperaturas se muestra en la Figura 1

Figura 1

DMLT=56.427ºC
Donde las Ti son las correspondientes al fluido que se enfría y las ti las del fluido que secalienta.

Elección de los tubos
Usaremos según norma ASTM A53 un caño de ¾” BWG→ ᶲint=0.0142m
Debido a que resulta más sencillo limpiar los tubos por dentro que por fuera, se hace pasar el fluido más corrosivo y/o ensuciante por dentro de los tubos, en nuestro caso este fluido es el agua. También resulta ventajoso hacer circular el fluido más corrosivo por dentro de los tubos, ya que de estemodo es posible construir la carcasa de un material de menor resistencia, mientras que el material de los tubos debe ser resistente a ambos fluidos.
Cálculo de número de tubos
Elegimos una velocidad del agua que se encuentre dentro de los valores recomendados.
Vint=1.60m/s
El área de la sección interior del tubo es:
A=π4. ᶲint2=0.0001584m2
Nº de tubos=Caudal VolumétricoV.A=39.55≈40tubosEstimación del área:
Estimamos un valor de U de tablas→ U≈250 Wm2ºc
Podemos calcular el área de la siguiente ecuación→ Q= U.A.ΔT
Donde ΔT= DMLT. Ft=56.427ºC
Consideramos el factor de corrección de la diferencia de temperatura Ft=1
Resultando A=32.61m2
Cálculo del coeficiente general de transmisión de calor (U):
El calor transmitido del fuel oil al agua está relacionado con la DMLT mediantela siguiente expresión:
Q=A.U.DMLT.ft

Donde “A” es el área de intercambio externa y “U” el coeficiente general de trasmisión de calor. Este coeficiente tiene en cuenta todas las resistencias térmicas que hay en el sistema. Para este caso particular, no se considerará la resistencia por conducción que presenta el tubo de acero, ya que como es metálico, su influencia es despreciable. Se tendráen cuenta además un término (Rf) que considera la resistencia térmica ofrecida por las capas de suciedad que se depositen dentro de los tubos.
De este modo
U=(1hi+1he+Rf)-1
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección en el interior de los tubos (hi):
Se adopta un diámetro de tubo de ¾” (19,05mm).
El rango de velocidades normales para un fluido dentro de un tubo oscilaentre 1 y 2,5 m/s, para garantizar que no haya excesiva pérdida de carga y erosión del tubo y por otro lado que el rendimiento térmico del intercambiador sea aceptable. Se toma una velocidad de 1,6 m/s.
Calculamos hinterno
Re=V.p.Dµ=47333.3
Pr=Cp. µK=3.2624
Nu=0.023Re0.8.Pr0.33=186.78=hi.Dik
hi=8089.38Wm2ºc
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección en el exterior de lostubos (he):
El rango razonable de velocidades del fluido que circula por el exterior de los tubos es de 0,25 a 1 [m/s]. Para este caso se elige la velocidad de 0,8[m/s].
Calculamos hexterno:
Arreglo espacial de los tubos:
Se adopta un arreglo espacial en triángulo, cruzado o tresbolillo. La separación mínima (c), entre caños se toma de 4[mm] debido a que los mismos irán mandrilados. El...