1.3 Parámetros de diseño en intercambiadores de calor PDF

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1.3 PARÁMETROS DE DISEÑO EN INTERCAMBIADORES DE CALOR Existen muchos procesos de ingeniería que requieren de la transferencia de calor. Para este proceso se necesitan los intercambiadores de calor, los cuales se utilizan para enfriar o calentar fluidos. Por muchos años, el diseño de estos equipos ha sido un gran reto para los investigadores, debido a las exigencias del ahorro energético. Normatividad para el diseño de un intercambiador de calor Debido a la gran trayectoria e importancia que tienen los intercambiadores de calor en el desarrollo industrial y aprovechamiento de la energía, el constante estudio para mejorar su eficiencia y aplicaciones en las diferentes áreas del sector industrial, el diseño tanto térmico como mecánico se encuentra un poco estandarizado, dando unos lineamientos para la elaboración de un diseño óptimo. Es así como podemos encontrar algunas instituciones especializadas y fabricantes dan dichas recomendaciones estándares las podremos encontrar dentro de este marco (TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS, 2007): Diseño térmico y mecánico: 

Heat Exchanger Design Handbook (HEDH).

Diseño mecánico: 

Normas Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME). Sección VIII. (Recipientes a presión).



Recomendaciones Tubular Exchanger Manufacturer Asociation (TEMA)

MANUAL HEDH El manual HEDH establece métodos para el diseño de intercambiadores de calor que permiten realizar manualmente procesos para determinar todos los parámetros esenciales de construcción de un intercambiador, los cuales se diseñan para desempeñar una debida labor térmica. En estos métodos se cuenta con criterios especificados o implícitos, tales como la facilidad en la limpieza y el mantenimiento, velocidades de flujo máximas o mínimas, erosión, caídas de

presión, limitaciones de tamaño o peso, expansión térmica, etc., esencialmente buenas prácticas de diseño (TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS, 2007). NORMA ASME-SECCIÓN VIII En esta sección las normas ASME hace referencia a los recipientes a presión, menciona las reglas para el diseño, la fabricación, inspección y pruebas de los recipientes a presión, la cual se encuentra dividido por tres subsecciones la cuales son: 

Requerimientos Generales. Constituido por una serie de parágrafos UG-xx donde se establecen los requerimientos referentes a las condiciones generales del diseño tales como las cargas a tener en cuenta en él, las fórmulas que establecen la manera de calcular los espesores requeridos en cada una de las configuraciones, cómo se puede construir un recipiente cilíndrico tanto para presión interna como externa, los factores de seguridad, los procedimientos de prueba (UG-99) etc.



Procesos de Fabricación. Establece las consideraciones para la fabricación de recipientes a presión ya sea por soldadura o roblonado. Determina los tipos de junta que existen en un recipiente soldado y la categoría de dichas juntas (posición de la junta soldada dentro del recipiente) con el objeto de determinar la eficiencia de la junta como función de dichas características y del tipo de examen que se haga a la soldadura (radiográfico o solo visual).



Materiales. Suministra una completa información acerca de los esfuerzos admisibles de acuerdo con la designación de los diferentes materiales normalizados que se utilizan en la fabricación de recipientes a presión tanto para aceros al carbón, aleados o inoxidables como materiales no ferrosos.

RECOMENDACIONES TEMA Las recomendaciones TEMA, como su nombre lo indica no son de obligado cumplimiento, se refieren a una serie de consideraciones para el diseño y la fabricación de intercambiadores tubulares producto de la experiencia de los fabricantes a lo largo de los años. Considera aspectos como los tipos y la

designación más comúnmente utilizados en la construcción de intercambiadores de calor tubulares y la clase de aplicación que se da al intercambiador de acuerdo a la severidad del servicio, encontrándose tres clases denominadas: 

Clase R: Las normas mecánicas TEMA para intercambiadores de calor clase R, especifican el diseño, fabricación y materiales de intercambiadores de calor no sometido a llama, para requerimiento generalmente riguroso en la industria del petróleo y procesos relacionados.



Clase C: Las normas mecánicas TEMA para intercambiadores de calor clase C, especifican el diseño, fabricación y materiales de intercambiadores de calor no sometido a llama, para los requerimientos normalmente moderados de procesos comerciales y aplicaciones generales, buscando obtener el máximo de economía.



Clase B: Las normas mecánicas TEMA para intercambiadores de calor clase B, especifican el diseño, fabricación y materiales de intercambiadores de calor no sometido a llama, para el servicio de los procesos de la industria química.

ETAPAS PARA SEGUIR EN EL DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CASCO Y TUBO 

Comprobar el balance de energía, hemos de conocer las condiciones del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones Y propiedades físicas de los fluidos.



Asignar las corrientes al tubo y casco.



Dibujar los diagramas térmicos.



Determinar el número de intercambiadores en serie.



Calcular los valores corregidos de la diferencia media de temperaturas (MTD).



Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los tubos.



Calcular los coeficientes globales de transferencia de calor.



Calcular la superficie de intercambio estimada.



Seleccionar el tamaño del casco (utilizando dos pasos en tubo).



Seleccionar el material para construcción.

Calculo de variables para el diseño de un intercambiador de calor 

Caudal



Flujo másico



Régimen de flujo



Numero de Reynolds



Análisis de transferencia de calor



Coeficiente global de transferencia de calor



Diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)



Caída de presión

Cálculo del diámetro del tubo, espesor y longitud Estos tubos para intercambiador se encuentran disponibles en varios metales. Se pueden obtener en diferentes gruesos de pared, que en la práctica se refiere como el calibrador BWG del tubo. Generalmente están disponibles, de los cuales los de ¾ y 1plg de diámetro exterior son los más comunes en el diseño de intercambiadores de calor. El espaciado de los tubos (PT) es la distancia de centro a centro de los tubos, esta se puede considerar como el diámetro externo del tubo. Asignación de flujos Las reglas aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos son: 

El fluido a mayor presión va en los tubos.



El fluido más corrosivo va en los tubos.



Los fluidos más sucios van en los tubos.



El fluido con menor pérdida de presión va en el casco.



El fluido a condensar en el casco.

Parámetros para el posicionamiento de los fluidos



El fluido con El fluido con mayor presión va por los tubos. mayor presión va por los tubos.



El fluido más corrosivo va por los tubos.



El fluido con menor coeficiente de transferencia de calor va por la coraza.



Agua de enfriamiento va por los tubos.



El fluido menos viscoso va por los tubos.



Si hay vapores que se condensan estos van por la coraza a no ser a no ser que sean corrosivos



El fluido con mayor diferencia de temperatura va por la coraza. coraza.



El fluido más caliente usualmente caliente va por los tubos.

Dimensionamiento y diseño Son medidas del factor de seguridad incorporado en el diseño de un intercambiador de calor a través de factores de ensuciamiento y el uso de tamaños de equipo estándar. Dado que se ocupan directamente de la superficie y el diseño del intercambiador, es más usual calcula calcular con los con los factores de ensuciamiento y los coeficientes de transferencia de calor calculados versus los requeridos. Diferentes métodos para el diseño de Intercambiadores de Calor En todos los métodos siempre se parte del dato de la cantidad de calor a transferir o de la diferencia de temperaturas deseada, así como de las propiedades de los líquidos o gases que intervienen en el proceso. En la figura 1 se muestra el diagrama de cálculo de un Intercambiador de calor.

Imagen 1. Diagrama de bloque para el diseño de un intercambiador de calor

Método Donohue El cálculo del coeficiente de transferencia de calor se basaba por primera vez en el área de flujo disponible que se calculaba como una media geométrica entre el área mínima de paso entre deflectores (área transversal) y el área de paso disponible en el deflector (área longitudinal). Sin embargo, no tenía en cuenta el efecto de las diferentes configuraciones de los tubos. Para el cálculo de la pérdida de carga se proponía la utilización de las curvas de factor de fricción obtenidas por Colburn con un factor de seguridad elevado. Por primera vez se consideró el efecto de la ventana del deflector, considerando esta ventana como un orificio con un coeficiente de descarga de 0.7. Este método, aunque muy simple de utilizar, proporciona unos resultados poco precisos, debido básicamente a que las correlaciones se obtuvieron con intercambiadores pequeños con geometrías nada estándares. Método Tinker Al final de los años 40, al mismo tiempo que aparecían los métodos integrales, se hacía evidente que el flujo que se establecía en carcasa era complejo y con una gran dependencia de la geometría de construcción del intercambiador. A ello contribuyeron las primeras visualizaciones del flujo que se obtuvieron a finales de los años 40 y principios de los 50. Se observó que solo una parte del fluido seguía el camino "correcto" a través del haz de tubos, el resto pasaba a través de áreas de fuga (entre tubo y deflector, entre deflector y carcasa y entre el haz de tubos y la carcasa). Estas áreas de flujo son inevitables en la construcción y montaje del intercambiador y determinan los flujos que se establecen en carcasa. Un método basado en correlaciones de flujo a través de un banco de tubos ideal o un método integral difícilmente puede incorporar toda la información de los diferentes flujos que se establecen en carcasa y como consecuencia de ello, dependiendo del tipo de construcción, los errores al aplicar los métodos pueden variar considerablemente.

El método analítico recibe este nombre porque en cada intercambiador se lleva a cabo un análisis del flujo establecido en la carcasa. El primer análisis del flujo establecido en la carcasa fue realizado por Tinker (1951) que propuso el siguiente modelo de flujo.

Imagen 2. Distribución de Corrientes Tinker

Método de Bell-Delaware El método Bell-Delaware propone calcular el coeficiente de transferencia de calor del lado carcasa utilizando las correlaciones obtenidas para flujo en un banco de tubos considerando que todo el caudal que circula por la carcasa atraviesa el banco de tubos. Posteriormente este coeficiente ideal de flujo cruzado se corrige por una serie de factores para tener en cuenta las fugas que se producen. La perdida de carga en el lado carcasa se calcula como suma de las pérdidas de carga para flujo cruzado ideal y de la pérdida de carga en la zona de la ventana. Los errores de este método pueden ser del 40 % en pérdida de carga y normalmente predicen pérdidas de carga mayores a las reales. El error en el coeficiente de transferencia de calor es alrededor del 25%. La diferencia con respecto al método analítico propuesto por Tinker reside en que no establece interacción entre los efectos de las corrientes de fuga. Con el desarrollo y la extensión de las computadoras se desarrollaron los primeros programas de cálculo de intercambiadores que se basaron en el método analítico propuesto por Tinker conocido como "análisis de corrientes". En los cálculos realizados a mano se continuó y continúa utilizando el método de Bell-Delaware.

No obstante Willis y Johnston (1984) propusieron una vía alternativa, intermedia entre los dos métodos, presentando una versión simplificada del método de análisis de corrientes. Este método, adoptado por Engineering Sciences Data Unit (1983), propone que ciertos coeficientes característicos del método relacionados con la resistencia al flujo son constantes e independientes del caudal, es decir, solo dependen de la geometría del sistema. Este último método con respecto al método de Bell-Delaware presenta una mayor aproximación a la realidad respecto a la interacción entre las corrientes. Aunque el proceso de cálculo es más laborioso por las necesarias iteraciones, por un lado, esto se ve compensado por la presentación de los coeficientes mediante ecuaciones, lo cual permite la completa programación del método, y por otro lado el proceso de iteración no presenta ninguna dificultad si se utiliza un programa de cálculo. Método de la temperatura media logarítmica o media logarítmica de diferencia de temperatura La diferencia de temperatura media logarítmica (también conocido como LMTD) se utiliza para determinar la temperatura del motor de la transferencia de calor en sistemas de flujo, especialmente en los intercambiadores de calor. LMTD es la media logarítmica de la diferencia de temperatura entre los arroyos calientes y fríos en cada extremo del intercambiador. Cuanto mayor sea el LMTD, más calor se transfiere. El uso de la LMTD directa surge del análisis de un intercambiador de calor con el constante flujo de fluidos y propiedades térmicas. la LMTD se define por la ecuación siguiente:

Para aplicar este método se realizan las siguientes suposiciones: 

Las propiedades de las corrientes son constantes



El intercambio de calor se realiza en estado estacionario



Cada corriente tiene un calor especifico constante



El coeficiente global de transferencia de calor es constante



La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante



No hay pérdida de calor



El flujo es en contra- o co-corriente

CRITERIO DE SELECCIÓN DE EQUIPOS A DISEÑAR Los intercambiadores de calor han adquirido una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y de disponer equipos óptimos, por esta razón es necesario que el diseño del equipo se desarrolle de la manera más precisa posible, entregar una exactitud en el diseño, ya sea térmico o mecánico, de modo que pueda satisfacer los requerimientos específicos de los procesos de una planta de producción. Al momento de realizar el diseño preliminar de un intercambiador de calor, para obtener una efectividad dada se debe considerar ciertas restricciones: 

Costo de inversión del equipo: Consiste en el costo inicial que se requiere para la adquisición de dicho equipo, esto incluye todos los gastos necesarios para dejarlos operativos en la planta. Este costo depende de factores como: el tamaño y el peso del equipo. Por esta razón es importante que al realizar diseño final del equipo se obtenga un bajo costo de inversión.



Costo de operación: Consiste en todos los gastos asociados para el funcionamiento del equipo, ya sea materias primas y servicios (electricidad, combustibles, etc.). en este trabajo se tomará el costo de operación solamente como el gasto de servicios asociado al costo por bombeo de los fluidos.

Costos de Inversión de Intercambiadores de Tubos y Carcasa Para estimar el costo de un intercambiador de calor de tubos y carcasa existen diversos métodos, algunos entregan mayor precisión que otros. Mientras más datos de la construcción del intercambiador se tengan, mayor será la precisión de

la estimación del costo. El método de estimación a utilizar determina el costo de inversión en base al año 2003 por lo cual se debe realizar una corrección por año de ejecución del diseño, todo esto por motivos de inflación durante los períodos. Para obtener la corrección mencionada se utilizan los índices de costo de equipos Marshall y Swift. El costo de equipo está dado por la siguiente relación:

Costos de operación de Intercambiadores de Tubos y Carcasa El costo de operación se determina de acuerdo con los costos asociados al bombeo de los fluidos. La potencia requerida para las bombas a utilizar está determinada por la siguiente ecuación:

Enlace de un video https://www.youtube.com/watch?v=xW-5Mo5QpQQ Referencias Diseño De Un Intercambiador De Calor De Tubos Concéntricos. (2019). https://repositorio.unibague.edu.co/bitstream/20.500.12313/1666/1/Trabajo%20de %20grado.pdf Toledo, G. D. R. (2018). Determinación de parámetros térmicos de un intercambiador de calor de tubos concéntricos con fluidos orgánico-vapor. Revista Ciencias

Técnicas

Agropecuarias.

script=sci_arttext&pid=S2071-00542018000100008

http://scielo.sld.cu/scielo.php?

Trabajo Fin de Grado DISEÑO Y CÁLCULO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

(Design

and

Analysis

of

a

Heat

Exchanger).

(2018).

https://repositorio.unican.es/xmlui/bitstream/handle/10902/13702/407960.pdf? sequence=1&isAllowed=y K. (2013). exposición parámetros de diseño en un intercambiador de calor. Scribd. https://es.scribd.com/presentation/422832138/exposicion-parametros-de-disenoen-un-intercambiador-de-calor Next, A.

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INTERCAMBIADOR.

P.

(2016). prezi.com.

PARÃMETROS

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https://prezi.com/yqyrniuuiunt/parametros-de-

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