Especificaciones generales del proceso:
Flujo caliente: Propileno liquido 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 está a alta presión, se requiere una construcción de concha y tubo. El agua se colocará a ¾” en tubos rectos para limpieza.
Se va a utilizar el siguiente método:
Método LMTD para análisis de intercambiadores
Es de suma importancia calcular la relación total de transferencia de calor Q. Δtm puede determinarse aplicando un balance de energía a un elemento diferencial de superficie dA en los fluidos frío y caliente. La temperatura del fluido caliente caerá en dth y la del fluido frío en dTc en dA para contra flujo, pero dTc se incrementará para flujo paralelo si la dirección del flujo caliente es positiva.
Reducción del problema
Calor:
Sustancia: Polipropileno Líquido a 35 bar
Flujo masico: 50kg/s
Temperatura de entrada de la sustancia: 113 0C
Temperatura de salida: 38 0C
Calor especifico del Polipropileno: 0.48kcal/kg0C
Frió:
Temperaturas en la torre de enfriamiento:
Verano: 270C
Invierno: 170C
Temperatura de salida del refrigerante: 500C
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 Tubo
¾” en tubos rectos
1- Se aplicara el balance de energía en el intercambiador de calor
Se calcula la transferencia de calor que habrá en el intercambiador:
3-Ahora se calculara la LMTD que es Método de la Diferencia de Media Logarítmica de Temperatura ósea la Temperatura Logarítmica:
Flujo frió
4-Se calcula la velocidad media del frió:
Vmin=1.5m/s
Vmax=3m/s
Vm=(Vmin+Vmax)/2
Vm=(1.5+3)/2
Vm= 2.25m/s
5-Teniendo ya la velocidad media, el flujo masico del agua y la densidad del agua se obtendrá el Área total de la corriente externa:
Ao=0.02856m2
*Esto nos indica que el refrigerante ira por fuera de los tubos
6-Con las temperaturas se sacara un factor de corrección:
R=(Th1-Th2)/(Tc2-Tc1)
R=(113oC-38oC)/(50oC-22oC)
R=2.67
S=28/63=.444
7-Se calculara el número de tubos que va a tener el intercambiador:
A=nπd2/4
d=¾”=.019050m
0.02856m2=(nπ(.019050m)2)/2
n= .02856m2(4)/π(.01905m)2
n= 100 tubitos
8-Luego se calcula el área de los tubitos de ¾”
A=πd
A=π(.019050m)
A= .0598m2
Área de los tubitos
9-Se obtendrá con la siguiente ecuación el coeficiente de transferencia de calor externo:
Resistencia de contaminación = 0.00018(W/m2oK)-1
Uo=Coeficiente de transferencia de calor externo
Uo= 1/.00018= 5555W/m2oK
10-Con el coeficiente de transferencia de calor externo se calculara la resistencia térmica del intercambiador:
R=Resistencia Térmica
R= 1/(UoAo)
R= 1/(5555W/m2oK *0.02856m2) = 0.0063W/oC
11- El agua a 22oC
Kcr=Conductividad térmica del cromo
Kcr= 93.7 W/moK = 93.7 W/moC
Rfo=Factor de incrustacion
Rfo= 0.0001m2oC/W (Tabla 11-2)
Vm= 2.25m/s
12-Se calculara el diámetro exterior del tubo:
13-Agua a 22oC
μ= Viscosidad
μ= 1.002x10-3 kg/ms
ρ=Densidad
ρ=1000 kg/m3
Pr=numero de Prandtl
Pr=7.01
14- Con la densidad y la viscosidad del agua se calculara la velocidad dinámica:
ν= velocidad dinámica
ν= μ/ρ
ν= 1.0002x10-3 kg/ms / 1000kg/m3
ν= 1.0003x10-6 m2/s
15-Teniendo la velocidad media y el diámetro exterior del tubo y la velocidad dinámica se puede obtener el número de Reynolds:
Re= numero de Reynolds
Re= VmDo/ ν
Re= (2.25m/s)(.190693m)/ 1.0003x10-6 m2/s
Re= 476589.52
16- Con el numero de Reynolds se aplica la siguiente condición:
Pr= numero de Prandtl
Re>Pr
1.5
ho= 1115473.85 W/m2oC
18- Con el flujo masico del agua y el área total de la corriente externa se calculara la velocidad masica del frió:
Gfrio=Velocidad masica
Gfrio= m/Ao
Gfrio= 64.28 kg/s / 0.02856m2
Gfrio= 2250.70 kg/m2s
19- Con la velocidad masica , el diámetro exterior y con la viscosidad se podrá calcular el factor de fricción:
f= factor de fricción
f= 0.0035+0.264/(DoG/μ)0.42
f= 0.0035+0.264/(0.190693*2250.70/1.002x10-3)0.42
f= 0.004638
20- Con el factor de fricción, la densidad, la velocidad masica y el diámetro exterior se calcula la caída de presión del frió en el intercambiador:
ΛF= Caida de presion del frio
ΛF= (4fGfrio2L)/(2gρ2do)
ΛF= (4*0.0046382*10m)/(2(9.81)(1000)2(0.190693)
ΛF= 0.251184Pa
Flujo caliente
21-Se calculara el área interior de los tubos por donde circulara el flujo caliente:
di= ¾”=0.019m
Ai= área interna
Ai=πd2/4= π(0.019)2/4
Ai= 0.000284m2
22- Con el área interna y la resistencia térmica se calculara el coeficiente interno de transferencia de calor:
Ui= coeficiente interno de transferencia de calor
Ui= 1/RAi
Ui= 1/(0.0063)(0.000284m2)
Ui= 558909 W/m2oK
23- Se calculara la temperatura calorífica del flujo caliente:
Tc= temperatura calorífica del flujo caliente
Tc=Th2+.4(Th1-Th2)
Tc= 38oC+.4(75oC)
Tc= 68oC
El diámetro interior de los tubitos del intercambiador por donde circule el flujo caliente será de ¾” con un paso triangular de 15/16” y serán 100 tubitos los que este tenga será de doble paso ósea contra flujo:
Separación de tubo= 15/16-3/4= 3/16” = 0.0047m
25-Con el flujo y el área interior se calculara la masa de velocidad del flujo caliente:
Gcaliente=Masa de velocidad
Gcaliente= m/Ai
Gcaliente= (50kg/s)/(0.000284m2)
Gcaliente= 176056.33 kg/m2s
26- Con la velocidad dinámica ya calculada y la densidad del polipropileno se podrá calcular la viscosidad del polipropileno:
μ= Vdin(ρ)
μ= (1.0003x10-6m2/s)(1657kg/m3)
μ= 0.001657 kg/ms
27-El número de Reynolds se podrá calcular con el diámetro interior, la masa de velocidad del flujo caliente y la viscosidad del polipropileno:
Re= DiGcaliente/μ
Re= (0.019m)(176056.33)/0.001657kg/ms
Re= 2018750.91
*El flujo en el intercambiador será turbulento
28- Con los datos anteriores también se puede calcular el factor de fricción:
f= .00140+.125/(diGcaliente/μ)0.32
f= 0.00140+.125/((0.019*176056.33)/0.001657)0.32
f= 0.0026
29- Se calculara la caída de presión en el flujo caliente con la viscosidad del polipropileno, su masa de velocidad, su densidad y su diámetro interior:
ΛF= Caida de presion del flujo caliente
ΛF= 32(0.001657)(176056.33)/9.8(1657)2(0.019)2
ΛF= 0.012286
30- El coeficiente de transferencia de calor interno se calculara con la transferencia de calor que hay en el intercambiador el área interna de los tubitos y la diferencia de temperaturas en su interior (en el flujo caliente):
hi= coeficiente de transferencia de calor interno
hi= q/AiΛi
hi= 1800/(0.000284m)(75oC)
hi= 84507042.25
31-Se calculara el coeficiente de transferencia de calor interno en el intercambiador con los coeficientes de transferencia tanto interno como externo:
Utotal= coeficiente de transferenca de calor para el intercambiador
Utotal= 1/((1/hi)+(1/ho))
Utotal=1/((1/84507.04)+(1/1115473.85))
Utotal= 78555.74W/m2oC
32- Con la transferencia de calor, el coeficiente total de transferencia de calor y la temperatura media logarítmica se calculara el área total del intercambiador:
Atotal=área total del intercambiador
Atotal= q/Utotal*ΛTm
Atotal=(1800kcal/s)/78555.74W/m2oC*47.70oC
Atotal= 4.80m2
Intercambiador de calor de coraza y tubos
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