Manual Intercambiadores de Calor

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Intercambiadores de calor de : Doble tubo Casco y tubos Placas Condensadores Evaporadores Hervidoresvaporizadores Chaqueta Serpentín.. Serpentín

Pedro Angeles Chero I nge ngeniero niero Quím Quí mi co D r C i encias Ambi Ambi ent ntal ale e s s

Noviembre 2015

Diseño de equipos de de Transferencia de calor calor

INTRODUCCION Los equipos intercambiadores de calor de calor se encuentran entre los principales equipos esencialmente usados en todas las industrias de proceso, y el ingeniero químico como ingeniero de planta debe estar familiarizado con el manejo de todos ello y de los diferentes tipos de equipo empleados en el proceso industrial. Aunque el ingeniero no esté involucrado en la fabricación de intercambiadores de calor, él está directamente comprometido con la especificación y adquisición de equipos de transferencia de calor, por lo tanto es de gran importancia las consideraciones consideraciones de diseño diseño de procesos, ya que deben decidir entre varios tipos de intercambiadores de calor, cuál unidad de equipo es mejor para un proceso dado. La mejora constante de la productividad obliga a que siempre se busque disminuir las cantidades de calor transferido mediante tecnologías como la de Pinch, o utilizar un aislante térmico para disminuir las pérdidas de calor, o un control térmico automatizado. Los procesos de transferencia de calor los encontramos en los reactores, enfriadores, calentadores, condensadores, hervidores-vaporizadores, evaporadores, calderos, torres de enfriamiento, entre otros. otros. Esto nos hace ver que que la transferencia transferencia de calor calor abarca una amplia gama de fenómenos físicos que se necesitan comprender para la toma de decisiones inmediata durante la supervisión de planta, de ahí que necesitamos conocer y desarrollar una metodología que conduzca al diseño térmico de los sistemas correspondientes. Los modernos equipos de transferencia de calor van desde los intercambiadores simples de doble tubo hasta los más complejos intercambiadores con cientos de metros cuadrados de área de transferencia. Entre estos dos extremos se encuentran el intercambiador de calor de mayor uso en la industria química; el de casco y tubos, así como los intercambiadores con tubos de superficie extendida, intercambiadores de placas, hornos y muchas otras variedades de equipo. Una correcta selección de equipos de transferencia de calor, requiere un entendimiento de las teorías básicas de la transferencia de calor y los métodos para cálculos de diseño, sumado a esto, los problemas relacionados relacionados al diseño mecánico, fabricación. fabricación. Este texto está orientado específicamente a los procedimientos de diseño de los principales intercambiadores de calor, ya sea de transferencia de calor sensible como de transferencia con cambio de fase, que incluyen calentadores, enfriadores, condensadores, hervidores – vaporizadores, evaporadores, constituidos principalmente por equipos de transferencia de calor de doble tubo, tu bo, casco y tubos, de placas, de chaqueta y serpentín. La determinación apropiada apropiada de coeficientes coeficientes de transferencia transferencia de calor calor es necesaria para cálculos de diseño en operaciones de transferencia de calor. Estos coeficientes muchas veces pueden estimarse sobre la base de experiencias, o a partir de ecuaciones teóricas o empíricas desarrolladas por ingenieros e investigadores en el área de ingeniería de los procesos químicos industriales. Muchas ecuaciones semi-empíricas para la evaluación de coeficientes de transferencia de calor han sido publicadas. Cada una de estas ecuaciones tienen sus limitaciones y el ingeniero debe reconocer de estas limitaciones. Aquí se muestran los diseños utilizando las ecuaciones de mayor uso.

Dr. Pedro Angeles Angeles Chero

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5.1 INTERCAMBIADORES DE CALOR ANTECEDENTES HISTÓRICOS El diseño y construcción de los primeros intercambiadores de carcasa y tubos se inicio en los primeros años del siglo cuando se construyeron las primeras plantas de producción de energía eléctrica y eran necesarios grandes intercambiadores como condensadores y calentadores de agua. Actualmente se siguen utilizando intercambiadores de carcasa y tubos para este servicio aunque su diseño se ha sofisticado. En la industria también se empezó a utilizar a principios de siglo con el desarrollo de la industria del petróleo que requería calentadores, reboilers y condensadores para servicios con productos orgánicos normalmente bastante sucios y a altas temperaturas y presión. Desde el principio los problemas que presentaban estos intercambiadores no eran problemas de transferencia de calor o pérdida de carga, que se fueron estimando con la práctica, sino más bien problemas con los materiales de construcción como los ocasionados por el stress térmico o problemas con las juntas entre los tubos y la placa de tubular. Hoy en día, aunque se ha avanzado mucho en este sentido estos problemas siguen ocasionado las averías en estos equipos. En los años 20 la tecnología de los intercambiadores de carcasa y tubos estaba bastante desarrollada y grandes unidades de hasta 500 m2 fueron construidas para la creciente industria del petróleo. Con la implantación de estos equipos surgió la necesidad de elaborar normas para el diseño mecánico tanto por cuestiones de seguridad, control de calidad y uniformidad de equipos. El primer de estos documentos fue TEMA del año 1941. Hoy en día con su sexta edición se sigue considerando estas normas en todo el mundo. Entre los años 40 y 50 se llevó a cabo una intensa labor de investigación que permitió establecer la bases de cálculo de estos intercambiadores para los diversos servicios y resolver la mayoría de los problemas mecánicos en la construcción. La construcción de los intercambiadores de carcasa y tubos se ha ido desarrollando a lo largo de los años y se han convertido en los intercambiadores más ampliamente utilizados por su construcción robusta y por la gran variedad de diseños y condiciones de operación.

5.2 INTRODUCCION Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES FUNDAMENTALES Un intercambiador de calor se puede describir como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra, o ambas cosas cosas a la vez. El intercambio de de calor ocurre como como se muestra en la figura 5.1: T2

t1 Fluido frío

Fluido caliente

T1

Figura 5.1 Intercambiador de calor de tubos

t2

T1 y T2 son las temperaturas de entrada y salida del fluido caliente. t1 y t2 son las temperaturas de entrada y salida del fluido frío.


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Diseño de equipos de Transferencia de calor

Cuando las corrientes circulan en sentido opuesto se dice que la circulación es en CONTRACORRIENTE, pero cuando es en el mismo sentido la circulación es en PARALELO, tal como se muestra en las figuras 5.2 y 5.3 respectivamente.

Fluido caliente

T2

T2

t1

t1

Fluido frío

Fluido frío

Fluido caliente

T1

T1 Figura 5.2 Circulación en contracorriente

t2

t2

Figura 5.3 Circulación en paralelo

En algunos casos las corrientes se cruzan perpendicularmente y se denominan corrientes CRUZADAS, y se dan con mayor frecuencia en intercambio de calor de gases con líquidos.

Cuando se realiza una transferencia de calor sin cambio de fase se dan dos situaciones típicas: En la primera, ambas temperaturas, t (Temperatura de fluido frío) y T (temperatura de fluido caliente) varían simultáneamente. t lo hace creciendo desde t1 hasta t2, y T lo hace disminuyendo desde T1 hasta T2. Al graficar estos cambios se presentan como se observa en las figuras 5.4 y 5.5:

En contracorriente

Fig.5.4 Comportamiento de las temperaturas en transferencias de calor sensible en contracorriente

En paralelo

Fig.5.5 Comportamiento de las temperaturas en transferencias de calor sensible en paralelo

La experiencia ha demostrado que el flujo en contracorriente es más efectivo que el flujo en paralelo. Veamos un ejemplo: Cuando la transferencia de calor es en contracorriente se puede dar una situación diferente donde uno de los fluidos experimenta cambio de fase y su temperatura permanece constante durante todo el proceso o en una porción del mismo. Por ejemplo, cuando el vapor se condensa intercambiando calor con agua que se calienta desde una temperatura t1 hasta t2, el vapor cede

Dr. Pedro Angeles Chero

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su calor latente y su temperatura permanece constante. El comportamiento de las temperaturas para este caso se muestra en la figura 5.6.

Figura 5.6 Comportamiento de las temperaturas en transferencia de calor con cambio de fase en contracorriente.

En cualquiera de los casos la variación de una o ambas temperaturas puede ser lineal, aunque lo habitual es que no lo sea. La temperatura media se denomina temperatura media logarítmica y se calcula de la siguiente manera: Según la disposición de flujos en los gráficos, para flujos en contracorriente: T2-t1 = ∆t 1 = ∆tA T1-t2 = ∆t 2 = ∆tB Para flujo en paralelo: T1-t1 = ∆t1 = ∆tA T2-t2 = ∆t2 = ∆tB La temperatura media logarítmica (MLTD) se calcula de la siguiente manera :

 MLTD

t 2 t 1 t ln 2 t 1

En un intercambiador de calor la temperatura de entrada del fluido caliente es T1=300°F, y la temperatura de salida es T2=200 °F. Asimismo la temperatura de entrada del fluido frío es t1=100°F y la de salida t2=150 °F. Calcular la MLTD en el intercambiador. SOLUCION: a. En contracorriente: ∆t2 = T1-t2 = 300-150 = 150 ∆t1 = T2-t1 = 200-100 = 100

 MLTD

t 2 t 1 15010 = =123.5°F t 2 150 ln ln 100 t 1

b. En paralelo:

 MLTD

∆t1 = 300-100 = 200 ∆t2 = 200-150 = 50

t 2 t 1 5020 = =108°F t 2 50 ln ln t 1 200

Al ser mayor la fuerza impulsora, se debe preferir el flujo en contracorriente.


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5.3 SELECCIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS TIPOS DE INTERCAMBIADORES Los intercambiadores de calor son unos de los equipos de mayor uso en la industria química y de alimentos, ya que siempre existen operaciones de enfriamiento o calentamiento dentro del proceso. Existe una gran variedad de equipos que realizan transferencia de calor. En ésta sección se estudiaran y diseñarán los de mayor uso. A continuación se presenta una breve clasificación de estos equipos según el tipo de superfic ie.

De doble tubo

Intercambiadores de tubos

De casco y tubos De serpentín sumergido Enfriador de cascada

Intercambiador de superficie plana

Intercambiadores de Calor

Intercambiador de placas Recipiente enchaquetado

Intercambiadores compactos

Intercambiadores de tubos: Son los mas abundantes, gracias a su mayor flexibilidad. Pueden ser de doble tubos o de haz de tubos y coraza. Intercambiadores de serpentín sumergido: Se usan en casos cuando no hay tiempo o dinero para adquirir un equipo comercial, ya que son fáciles de construir en un taller. Al ser fácilmente removibles o transportables se usan mucho para instalaciones provisorias. Tienen buen rendimiento y son fáciles de limpiar exteriormente. La limpieza exterior generalmente no es problema ya que se usa para calentamiento con vapor que circula por el interior de los tubos y este no ensucia, pero si es corrosivo.

Intercambiadores con superficie extendida: Permiten aumentar la superficie de tr ansferencia. Los mas usados son los de aletas que pueden ser transversales o longitudinales, según que el plano de las aletas sea normal al eje central del tubo o pase por el mismo. Intercambiadores de placas: Consiste en un conjunto de placas de metal armadas en un bastidor y dispuestas en forma paralela de manera que entre la primera y la segunda placa circule un fluido, entre la segunda y la tercera circule otro fluido, y así sucesivamente. Son equipos muy fáciles de desarmar para su limpieza. En la disposición mas simple hay solo dos corrientes circulando, y el cálculo de diseño es relativamente sencillo.


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Intercambiadores de chaqueta: chaqueta : Se denomina chaqueta al doble fondo o encamisado de un recipiente. Son bastante menos eficientes eficientes que los de serpentín, tienen mayor costo inicial y son difíciles de limpiar mecánicamente porque el acceso al interior de la chaqueta es complicado. En comparación con el serpentín, uno de chaqueta es mala elección. Un serpentín de la misma superficie permite un intercambio de calor bastante mayor, alrededor de un 125% calculado en base a la chaqueta. chaqueta.

Solo son recomendables recomendables para recipientes recipientes con con no mas de 3 pies de diámetro.

Cuanto menor sea el diámetro la eficiencia de intercambio es mayor.

Enfriadores de cascada: Estos equipos consisten en bancos de tubos ho rizontales dispuestos en un plano vertical, haciendo caer el agua en forma de cascada o resbalando en forma de cortina sobre los tubos horizontales formando una película. Se pueden construir con tubos de varios tamaños, aunque los mas frecuentes son de 2 a 4” de diámetro. diámetro. Son relativamente relativamente baratos y fáciles de improvisar pero con baja eficiencia de enfriamiento.

Clasificación por la distribución de flujo

Tenemos cuatro tipos de configuraciones más comunes en la trayectoria del flujo. En la distribución de flujo en paralelo, paralelo , los fluidos caliente y frío, entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro extremo. En la distribución en contracorriente, contracorriente , los fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas. En la distribución en flujo cruzado de un solo paso , un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro f luido. En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, múltiple , un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.

Para caracterizar los intercambiadores de calor basándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales. Los términos empleados para los principales tipos son: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo caliente en vez de los productos de la combustión a temperatura elevada. Los condensadores condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas nucleares para vehículos espaciales. Los


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tipos principales son los condensadores de superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos. El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que el condensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación. Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza. Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y también en algunos casos los intercambiadores gas-gas. Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que los correspondientes a los intercambiadores de calor líquido-líquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de calor. Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. La configuración mas común de flujo de intercambiadores líquido-líquido de coraza y tubos. Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el lado de los tubos es la caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores para producir de este modo una distribución uniforme del flujo a través de él. Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en la atmósfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano. Los tipos más comunes son las torres de enfriamiento por convección natural y por convección forzada. En la torre de enfriamiento por convección natural el agua se pulveriza directamente en la corriente de aire que se mueve a través de la torre de enfriamiento por convección térmica. Al caer, las gotas de agua se enfrían tanto por convección ordinaria como por evaporación. La plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la velocidad media de caída de las gotas y por lo tanto aumenta el tiempo de exposición de gotas a la corriente de aire en la torre. Se han construido grandes torres de enfriamiento del tipo de convección natural de más de 90 m de altura para desechar el calor proveniente de plantas de fuerza. En una torre de enfriamiento por convección forzada se pulveriza el agua en una corriente de aire producida por un ventilador, el cual lo hace circular a través de la torre. t orre. El ventilador puede estar montado en la parte superior de la torre aspirando así el aire hacia arriba, o puede estar en la base por fuerza de la torre obligando al aire a que fluya directamente hacia dentro.


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La importancia relativa de criterios tales como potencia de bombeo, costo, peso y tamaño de un intercambiador de calor varía mucho de una instalación a otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar tales criterios con respecto a la clase de aplicación. Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación, en la marina o en vehículos aerospaciales, las consideraciones de peso y tamaño son muy importantes. Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se fijan aletas a la superficie de menor coeficiente de transferencia de calor. Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño y dimensiones apropiadas de las aletas varían con la aplicación específica. Se han diseñado varios tipos que se han utilizado en numerosas aplicaciones. La remoción del calor sobrante en el condensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para la propulsión, el comando y el equipo de comunicaciones de un vehículo espacial presenta problemas serios serios aún en plantas p lantas que generan sólo unos pocos kilovatios de electricidad. La única forma de disipar d isipar el calor sobrante de un vehículo espacial es mediante la radiación térmica aprovechando la relación de la cuarta potencia entre la temperatura absoluta de la superficie y el flujo de calor radiante. Por eso en la operación de algunas plantas de fuerza de vehículos espaciales el ciclo termodinámico se realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece al rojo. Aún así es difícil de mantener el tamaño del radiador para vehículos espaciales dentro de valores razonables. En los diversos tipos de intercambiadores que hemos discutido hasta el momento, los fluidos frío y caliente están separados por una pared sólida, en tanto que un regenerador es un intercambiador en el cual se aplica un tipo de flujo periódico. Es decir, el mismo espacio es ocupado alternativamente por los gases calientes y fríos entre los cuales se intercambia el calor. En general los regeneradores se emplean para recalentar el aire de las plantas de fuerza de vapor, de los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundición o de los altos hornos y además en muchas otras aplicaciones que incluyen la producción de oxígeno y la separación de gases a muy bajas temperaturas. Para los intercambiadores estacionarios convencionales basta con definir las temperaturas de entrada y salida, las tasas de flujo, los coeficientes de transferencia de calor de los dos fluidos y las áreas superficiales de los dos lados del intercambiador. Pero para los intercambiadores rotatorios es necesario relacionar la capacidad térmica del rotor con la de las corrientes de los fluidos, las tasas de flujo y la velocidad de rotación.

La efectividad de transferencia de calor se define d efine como la razón de la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor. A la mayor razón de capacidad se le designa mediante C y a la menor capacidad mediante c.


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En el caso del contraflujo, es aparente que conforme se aumenta el área del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en el limite conforme el área se aproxima al infinito. En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto. Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que expresan las transferencia de calor lograda por diferentes tipos de intercambiadores de calor.

La refrigeración tiene por objetivo lograr aminorar la temperatura de un cuerpo por debajo de temperatura que existe en su cercanía alrededor. Se utiliza para la conservación de alimentos, aire acondicionado, procesos industriales etc. Analizaremos dos de varios métodos de refrigeración:

Consta de cuatro partes fundamentales: compresor, condensador, válvula o capilar de expansión, evaporador. Se utilizan una sustancia refrigerante tal como el dióxido de carbono, amoniaco, freón o cloruro de metilo El vapor saturado seco se comprime. El vapor sobrecalentado se enfría y condensa, a presión constante, hasta que se convierte en líquido mediante enfriamiento por aire o agua, por ejemplo. El líquido se expande irreversiblemente a través de una válvula o capilar de expansión. El líquido (con algo de vapor) entra en el evaporador o cámara de refrigeración, donde se evapora, absorbiendo el calor de la cámara de refrigeración.

La diferencia fundamental entre el frigorífico de absorción de vapor y el de compresión de vapor es el método empleado para comprimir la sustancia refrigerante. Si el compresor se reemplaza por el absorbedor, generador y bomba se obtiene un frigorífico de absorción de vapor. El principio de funcionamiento de esta máquina es como sigue: 

La sustancia refrigerante (generalmente NH3) entra en el absorbedor en estado gaseoso y allí se

disuelve en el disolvente (generalmente agua) desprendiendo calor. Esto reduce el volumen del NH3, pero no altera su presión. Para elevar la presión, la disolución acuosa de amoniaco se hace pasar a través de una bomba, donde se realiza el trabajo W sobre el fluido. 

Este trabajo es considerablemente menor que el requerido para comprimir el NH3 gaseoso en una máquina de compresión de vapor, ya que al disolver el NH3 en agua se ha reducido considerablemente su volumen. 

Después de dejar la bomba, la disolución acuosa de amoniaco entra en el generador donde recibe calor Q y el amoniaco se desprende de la disolución. La disolución diluida de NH3 regresa al absorbedor para completar el ciclo. 


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5.4. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBO Es el intercambiador de calor mas simple que se conoce. Consiste en dos tubos concéntricos lisos o aleteados. Normalmente el fluido frío circula por el espacio anular y el fluido caliente circula por el interior del tubo interno. La disposición de los tubos es como se muestra en el siguiente gráfico:

Fig. 5.7 Intercambiador de calor de doble tubo.

Las partes principales de estos intercambiadores son: dos juegos de tubos concéntricos, dos tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las tes tienen boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del anulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor. Cuando se arregla en dos pasos como en la figura, la unidad se llama Los tubos interiores son de tres tipos: Lisos, corrugados y aleteados (transversal y longitudinal).

a. Tubos lisos

b. Tubos de aletas transversales

c. Tubos corrugados

Figura 5.8. a. Tubos lisos, b. Tubos de aletas transversales c. Tubos corrugados.


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En la tabla 5.1 (ANEXOS) se dan los tamaños estándar de tubos IPS. Los intercambiadores de doble tubo se ensamblan con tubos de longitudes efectivas de 6,, 8, 10, 12, 15 o 20 pies. La longitud efectiva es la distancia en el tubo sobre la que ocurre la transferencia de calor y excluye la prolongación del tubo interior después de la sección del intercambio. La desventaja de estos intercambiadores es la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple, por lo que tienen mayor uso cuando la superficie total de transferencia requerida es pequeña, 100 a 200 pies 2 o menos.

DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO Para el diseño de un intercambiador de doble tubo se siguen los siguientes pasos: 1. Balance térmico Q = m.cp.∆T. (intercambio de calor sensible) Donde: Q = calor total transferido, Btuhr m = masa del fluido, lb/hr. Cp = capacidad calorífica del fluido, (Btu/lb.°F) (Tabla 5.3) ∆T = Diferencia de temperatura del fluido, °F

2. Calcular MLTD.

Suponiendo un flujo en contracorriente

T t  T 2 t 1 t t 1 MLTD  1 2  2 LnT 1 t 2/T 2 t 1 lnt 2 / t 1 Suponiendo un flujo en paralelo

t t 1 T t  T 2 t 2  1 1  2 MLTD LnT 1 t 1/T 2 t 2 lnt 2 / t 1


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3. Propiedades físicas de los fluidos: (Anexos) a. Capacidad calorífica, cp ( Btu/lb.°F)

Tabla 5.6, 5.7, 5.8

b. Viscosidad, µ (lb/pie.hr)

Tabla 5.8, 5.9, Figura 5.65

c. Conductividad, k (Btu/hr.pie.°F)

Tabla 5.12 – 5.15

d. Densidad, ρ (lb/pie3)

Tabla 5.16

e. Coeficiente de resistencia a la incrustación, r (Btu/hr.pie2.°F)-1 Tabla 5.17-5.18 Determinar las propiedades físicas a la temperatura media cuando se trata de fluidos no viscosos, con rango de temperatura =<100°F.

0.14    En estas condiciones    w  1.0

Determinar las propiedades físicas a la temperatura calórica, cuando se trata de fluidos viscosos, o hidrocarburos haciendo uso de la Figura 5.74. Utilizar las siguientes ecuaciones:

T C T 2  F C T 1 T 2

Fluido caliente

t C  t 1  F C t 2 t 1

Fluido frío

4. Selección de los tubos IPS y sus características. (Usar tabla 5.4-5.5 de Anexos) a. Diámetro exterior del tubo exterior, (Do), pulg. b. Diámetro interior del tubo exterior, (Di), pulg. c. Diámetro exterior del tubo interior, (do), pulg. d. Diámetro interior (di) del tubo interior, (di), pulg. e. Espesor (x), pulg f.

Área de sección transversal del tubo (a t) y del anillo (a a), pie2.

g. Diámetro equivalente entre los tubos (De), pulg.

x

di

do

Di

Do

5. Determinación del curso de los fluidos. * El fluido de mayor masa irá por el tubo de mayor área de flujo. 6. Cálculo del coeficiente de película en el tubo interior, h t.


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      w 

k cp.  i J H       di  k 

0.14

1/ 3

k cp.  hi 1.8 J H       di  k 

(para flujo turbulento)

      w 

0.14

1/ 3

ht  hi

(para flujo laminar)

di do

Donde: hi Coeficiente de película en el interior del tubo interior, Btu/hr.pie 2.°F 

ht  Coeficiente de película en el interior del tubo interno corregido, Btu/hr.pie2.°F J h Factor térmico de Coldburn (leer en gráfico vs número de Reynolds, 5.77-5.78)  w Viscosidad a temperatura de la pared del tubo, lb/pie.hr 

Nre

d i .Gt 

Donde:

Gt es velocidad másica, lb/hr.pie2.

Gt 

mt at

mt  masa del fluido que circula por el tubo interior, lb/hr at  area de sección transversal del tubo, pies 2 (Tabla 1.2 Manual). 7. Calculo del coeficiente de película en el anulo, h a.

k cp.  ha  J H       de  k 

1/ 3

      w 

0.14


Donde: ha Coeficiente de película en el anulo, Btru/hr.pie2.°F

J H Factor térmico de Coldburn (leer en gráfico vs número de Reynolds, fig.5.78)  w Viscosidad a temperatura de la pared del tubo, lb/pie.hr 

D .G Nre e a 

Ga 

ma aa

Donde

Ga = velocidad másica en el anillo o anulo, lb/hr.pie2. De Diámetro equivalente, pulg ma masa del fluido que circula por el anulo, lb/hr 8. Cálculo del coeficiente total limpio, Uc.

U C 

ht .ha , Btu/hr.pie2.°F ht  ha


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9. Cálculo del coeficiente total de diseño, Ud.

1 1   R Ud Uc

Rd = t  a

r r

Rd = Factor de obstrucción, (Btu/hr.pie2.°F)-1 r t Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el tubo interno, (Btu/hr.pie2.°F)-1

r a  Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el anulo, (Btu/hr.pie2.°F)-1 10. Cálculo del área requerida (A), pie2.

A

Q .T Ud L

Donde:

T L Temperatura media logarítmica, °F

11. Cálculo de la longitud total del intercambiador, (L T), pies.

LT 

A alt

Donde:

alt  área lateral longitudinal del tubo, pies 2 /pie

12. Cálculo del número de horquillas, (Nh).

Nh

LT 2 L

Donde: L = Longitud del tubo, pies. El número de horquillas es valor que se redondea si este no resulta entero, con éste valor se recalcula la longitud total del intercambiador y luego el área verdadera. 13. Cálculo de la caída de presión en el lado del tubo interior, psia.

f .Gt 2. LT  P t  72. g  . .d i

f  0.0035

0.264  Nre0.42

Nre

d i .Gt 

g = 4.18x10 8 pie/hr2

N Re Numero de Reynolds en el tubo interior. 14. Cálculo de la caída de presión en el lado del tubo exterior o anulo, psia.

P a  Pe  P A   f .Ga2 L . T  P a  72. g  . D . e'

n.v2  Pes ' 2. g

0.264 f 0.0035 ( Nre.')0.42

d e' .Ga Nre.'  


v

Ga , pies/ s 3600 .

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d e'  Did = diámetro equivalente en el anillo, pulg.

g’ = 32.17 pie/s2

N Re' Numero de Reynolds en el anulo calculado con d e

’

n = número de horquillas. Di= diámetro interior del tubo exterior, pulg. do= diámetro exterior del tubo interior, pulg.

La caída de presión máxima permisible para los líquidos es 10 psia, y en los gases y vapores es 1 psia. En algunos casos excepcionales se puede aceptar hasta 3 psia para los gases. Si al término del diseño la caída de presión es mayor que la máxima permisible, se debe hacer un rediseño. Por lo general solo es necesario cambiar los tubos por otros de mayor diámetro, o cuando el caudal es muy grande se puede dividir la masa en dos o más corrientes y operar con equipos dispuestos en paralelo. En la figura 5.9 se muestra un diagrama de flujo de un intercambiador de calor de doble tubo con arreglo del flujo en paralelo. La corriente fría se divide en dos corrientes que circulan cada una por un intercambiador de doble tubos y las salidas se unen al final de la operación. En la figura 5.10 se muestra un diagrama de flujo donde el fluido frío circula por el interior del tubo de dos intercambiadores de calor dispuestos en serie.

Fluido caliente, T1

Fluido frío, t2

Fluido caliente, T2 Fluido frío, t1

Figura 5.9. Diagrama de un arreglo de flujo en paralelo


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Fluido frío, t2

Fluido caliente T1

Fluido caliente, T2 Fluido frío, t1’

Fluido caliente, T1

Fluido caliente, T2 Fluido frío, t1 Figura 5.10. Diagrama de flujo para arreglo de flujo en serie


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5.5 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

Son los intercambiadores de calor de mayor uso en la industria química. Consisten de una carcasa o recipiente cilíndrico y un haz de tubos en paralelo dentro de la coraza. Se usan cuando los flujos son grandes y continuos. Manejan grandes áreas de transferencia. Pueden ser de varios tipos: De Placa y tubos fijos. De cabezal flotante. Haz de tubos en U. De tubos aleteados. De simple paso. De múltiple paso.



CASCO



HAZ DE TUBOS



CABEZALES

√ PLACAS DE TUBOS O ESPEJOS. √ DEFLECTORES

Es un cilindro metálico que envuelve al haz de tubos cuyo diámetro sigue las codificaciones de tuberías siguientes: : Cuando el diámetro del casco (Ds) es: Ds ≤ 24” . Es un tamaño est ándar y el espesor es 3/8” y soporta una presión límite de 300 psig. : Cuando el diámetro del casco (Ds) ES: Ds>24”, y el espesor se calcula en base a códigos

para cálculo de espesor de tanques y recipientes. Existen varios tipos de casco :

a. De un solo paso (1-1): significa un paso en el casco y un paso en los tubos. b. De dos pasos (1-2): significa un paso en el casco y dos pasos en los tubos. c. De 2-4 pasos: Que significa 2 pasos en el casco y 4 pasos en los tubos. d. De 3-6 pasos: Que significa 3 pasos en el casco y 6 pasos en los tubos. e. Otros: 4-8, 5-10, 6-12. f.

Intercambiadores de flujo partido: Los circulación de los fluidos es transversal.


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Como el caso de los intercambiadores de doble tubo, aquí los tubos pueden ser: Tubos lisos Tubos con aletas transversales o longitudinales Tubos corrugados Las especificaciones de los tubos se encuentran en Tabla 5.20 Algunos intercambiadores de calor llevan tubos con diámetro típicos como por ejemplo: Para intercambiadores de transferencia de calor simple Para refrigeración Para evaporadores y calderos Hornos

: : : :

¾” OD y 1”OD 5/8” OD y ½” OD ¾”, 1¼”, 1½” , 2” y 3” OD. 3½” y 4” OD.

El espesor de los tubos depende del código BWG (10 a 20). Ver tabla 5.20 Longitud: Los tubos se encuentran con longitudes de 8’, 10’, 12’, 14’, 16’ , 20, 24’ y 26. Arreglo: Los tubos se pueden arreglar de dos formas. Arreglo TRIANGULAR y arreglo CUADRANGULAR. ARREGLO CUADRANGULAR:

Pt

C C

Pt

En línea

En rombo

Este arreglo permite mayor acceso a la limpieza pero acomoda menor número de tubos. Produce bajas caídas de presión en el lado del casco y las dimensiones recomendadas son: Para tubos de ¾”OD le corresponde Pt = 1” Para tubos de 1”OD le corresponde Pt= 1¼”

ARREGLO TRIANGULAR C Pt

Pt

De ápice vertical

De ápice horizontal

El arreglo triangular permite menor acceso a la limpieza y acomoda un número mayor de tubos en el haz. Se usa para fluidos limpios y que tengan baja resistencia a la incrustación. Produce altas caídas de presión. Las dimensiones recomendadas son: Para tubos de ¾”OD le corresponde Pt= 15/16” Para tubos de 1”OD le corresponde Pt= 1¼”


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El número de tubos en el haz se determina con ayuda de la tabla 5.21.

Pueden ser elípticos o Standard, y planos.

Figura 5.11 Tipos de cabezales y carcasas en intercambiadores de casco y tubos


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Se usa para  <93°C (200°F). Este tipo de construcción es probablemente la utilizada con mayor frecuencia. La construcción es simple y económica y el interior de los tubos puede limpiarse mecánica y químicamente. Sin embargo, la superficie exterior de los tubos solo se puede limpiar mediante limpieza química. Además, si hay diferencia de temperaturas entre los materiales del tubo y de la carcasa se presentan problemas de stress térmico. Si la presión en la carcasa es reducida este problema se puede solucionar con la colocación de fuelles de expansión en la carcasa. Se usa para T 93°F. Este tipo de construcción se utiliza en servicios sucios asociados a altas temperaturas y presiones. Económicamente resulta aproximadamente un 25 % más caro que la placa tubular fija. El haz tubular consiste en tubos rectos asegurados en cada extremo con una placa tubular. En la parte posterior se cierran los tubos mediante el cabezal flotante. El haz tubular se puede extraer con facilidad para limpieza y mantenimiento. Los tubos pueden ser limpiados mecánicamente tanto por la parte exterior como interior de los tubos. Se usa para T >>93°C (200°F). Este tipo de construcción resulta ligeramente más cara que la anterior. El haz de tubos se puede extraer de la carcasa para limpieza o mantenimiento. La limpieza mecánica del interior de los tubos no es muy efectiva por lo que se utiliza cuando el fluido interior es limpio. La expansión térmica de los tubos no presenta problemas pero presenta el inconveniente que resulta complicado reemplazar un tubo en caso de ruptura. Para llegar a los tubos centrales se debe desmontar todo el haz tubular.

Figura 5.12 Tipo de placas de tubos en intercambiadores de casco y tubos


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Las dimensiones de un intercambiador vienen definidas por números que representan el diámetro de la carcasa y la longitud de los tubos. Es el diámetro interior de la envolvente generalmente en pulgadas. En el caso de evaporadores tipo KETTLE deben aparecer dos diámetros (del haz y envolvente respectivamente). Es la longitud total de los tubos, generalmente en pulgadas. Para tubos en "U" solo se considerará la longitud recta de los mismos, excluyendo la zona curva.

CONSIDERACIONES PREVIAS AL DISEÑO Mientras menor sea el diámetro del tubo, menor será el coste del intercambiador ya que a menor diámetro de tubos, mayor número de ellos pueden ser acomodados en un diámetro determinado de carcasa para un paso entre tubos dado. El diámetro inferior de los tubos, está limitado generalmente por consideraciones de limpieza. Los tubos con diámetro interior inferior a 0,5 pulgadas (12,7 mm) no pueden ser limpiados mecánicamente ni con agua a presión. Esto quiere decir, que el mínimo diámetro externo de los tubos a emplear deben ser de 3/4". Para tubos en "U" el mínimo diámetro exterior permitido para limpieza mecánica es de 1" debido a la curvatura. A veces existen consideraciones de pérdidas de carga que obligan a utilizar tubos de mayor diámetro. La elección final depende de un compromiso entre el diseño térmico óptimo y la accesibilidad y estandarización de las dimensiones del tubo.

El espesor de pared del tubo, debe ser suficiente para soportar las presiones interiores y exterior en servicio, tensiones longitudinales, consideraciones mecánicas y corrosión. No obstante, el espesor requerido para soportar las presiones y tensiones longitudinales hasta 30 Kg/cm2 son pequeños comparados con el requerido por corrosión. El espesor de los tubos se suele especificar en función del calibre BWG y del material. (Tabla 5.20).

Para una superficie de transferencia de calor dada, un intercambiador de calor será tanto más económico cuanto mayor sea la longitud de tubos. Así por ejemplo un intercambiados de 8 ft de longitud de tubos podría costar aproximadamente el doble de otro con 16 ft con la misma superficie, quiere esto decir que el diseñador debe ir siempre a la misma longitud de tubos compatible con las pérdidas de carga permitidas y con los requisitos de implantación. Normalmente la relación entre la longitud de los tubos y el diámetro de la carcasa se sitúa entre 5 y10. Las dimensiones recomendadas de tubos son: 8, 10, 12, 16, 20, 24 ft. Lo normal es que existan tubos en stock de muchos materiales, hasta 20 ft. Sin embargo pueden emplearse otras longitudes aunque deben considerarse los posibles problemas de entrega. Lo normal es que un cliente exija una longitud fija de tubos para todos los intercambiadores de sus plantas o submúltiplos enteros de ello así como el mismo espesor y diámetro para el mismo material, esto le permite mantener un stock de repuestos para posibles reposiciones. Todo lo que hemos dicho anteriormente, se refiere a t ubos rectos. Para tubos en “U" el tratamiento es completamente diferente. Un intercambiador con tubos en “U" está formado por un

determinado número de horquillas con la misma longitud recta, pero la parte curva es diferente de unas a otras (aunque haya algunas iguales entre sí) esto unido a la dificultad (o imposibilidad) de reposición de las horquillas hace que en estos casos se empleen longitudes no estandarizadas.


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Tal como se mencionó arriba el mínimo paso entre tubos para intercambiadores tubulares es 1.25 veces el diámetro exterior de los tubos. Sin embargo para tubos de 3/ 4”, que según esta indicación correspondería un paso de 0.9375”, la distancia entre las paredes de dos tubos contiguos, sería de 0.1875”; esta distancia tan pequeña puede crear problemas en la unión de

tubos a placas. Cuando se requieren canales para limpieza mecánica deberá emplearse una separación mínima de 0.25" y el arreglo de los tubos es cuadrado.

Las cuatro disposiciones que se usan en intercambiadores de carcasa y tubos son: triangular (ápice vertical), triangular rotado (ápice horizontal), cuadrado y rombo (cuadrado rotado). La tabla siguiente, establece una comparación entre las diferentes disposiciones en términos de transferencia de calor, pérdida de carga y posibilidades de limpieza.

El diámetro más económico, será el menor que contenga en su interior el número de tubos fijado teniendo en cuenta las consideraciones de número de pasos, área libre de entrada y salida del fluido.

Estas chapas, tienen un doble propósito, como desviadoras de flujo en la carcasa y como soportes para mantener el paso correcto entre tubos evitando vibraciones inducidas. Existe un gran número de deflectores que se emplean comúnmente. El espaciado óptimo entre deflectores para procesos sin cambio de fase es aproximadamente el 40% del diámetro de la envolvente. El mínimo espaciado es el recomendado por TEMA, 20% del diámetro de la envolvente o 2 pulgadas, el mayor. La máxima distancia viene determinada por la máxima distancia sin soportar de tubos permitida por la norma TEMA; para tubos de 3/4" es 60”, lo cual quiere decir que para deflectores "segmentados” la máxima distancia entre ellos debe ser de 30”.

El corte del deflector, se especifica como un tanto por ciento del diámetro de la envolvente. El corte del deflector se determina como una combinación de efectos de pérdida de carga y transferencia de calor. Una buena aproximación, sería adecuar el corte del deflector, de forma que el área de paso del fluido a través de él sea aproximadamente la misma que la que corresponde al flujo transversal al haz. Los más comunes son los segmentados al 25%. Se llaman así porque alcanzan una altura del 75% del diámetro del casco, dejando un espacio del 25% para el paso del fluido en el lado del casco. También existen otros tipos como los de pantalla de disco y pantallas de orificios.


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Pantallas segmentadas al 25% de segmento simple vertical

Pantallas segmentadas al 25% de segmento simple horizontal

Estas pantallas se utilizan para transferencia de calor sensible, sin cambio de fase.

Estas pantallas se utilizan para vaporización y condensación. En transferencia sin cambio de fase con sólidos en suspensión.

Pantallas segmentadas al 25% de segmento simple vertical

Pantallas segmentadas al 25% de segmento simple horizontal

Estas pantallas se utilizan para transferencia de calor sensible, pero para requerimientos de baja pérdida de carga.

Estas pantallas se utilizan para transferencia de calor sensible, y para mínimas pérdidas de carga.

Pantallas de disco Se usa como alternativa del doble segmentado horizontal. Su costo es elevado.

El espaciado entre pantallas deflectoras se determina según la siguiente relación:

1 Ds e  D 5 El número de pantallas se calcula como:

Ds, es el diámetro interior del casco, pulgadas.

L n p  e

Son unas chapas alineadas con el haz tubular y soldadas a los deflectores que evitan el by-pass en la envolvente cuando la diferencia entre el diámetro de la envolvente y del haz sea a l menos de 30 mm. Estas llantas de sellado no son necesarias cuando se trate de servicios de condensación o evaporación.


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Estas chapas se colocan en el haz tubular, en coincidencia con la conexión de la envolvente; para prever que los sólidos suspendidos o las gotas de líquido en fase mixta produzcan corrosión o erosión en el haz tubular al efectuarse el choque. Las líneas generales para su uso son las que se indican a continuación. En una primera etapa del diseño debe decidirse si se requiere o no chapa de choque, ya que su colocación puede incidir en la determinación del diámetro de la envolvente. Su posición en el haz, viene en función del área de la conexión de entrada a la envolvente, de forma que dicha área sea la misma que la chapa de choque deja libre para penetrar en el haz.

Además de lo anterior, deberá preverse una adecuada área de escape del fluido en la conexión de salida; esta área, deberá preverse también a la entrada cuando el intercambiador no lleve chapa de choque. El área de escape en las conexiones de entrada y salida deberán ser al menos iguales a las de la correspondiente conexión. Además el valor de rV2 no debe exceder de 400 lb/ft2s. El diseño del haz tubular previendo este área de escape en la conexión de salida, se desprecia con frecuencia; las consecuencias son: mayores caídas de presión y peligros de vibración.

OTRAS CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA EN UN BUEN DISEÑO.

En ambos lados, carcasa y tubos de un intercambiador, el efecto del ensuciamiento, es doble. Por una parte disminuye el coeficiente global de transferencia de calor, y por otra incrementa la pérdida de carga. A pesar de que en el diseño del intercambiador se prevean las consecuencias, existen una serie de consideraciones que tratan de minimizar dicho efecto: a) Eliminando las posibles zonas de by-pass del fluido a través del haz. b) Minimizando en lo posible los espacios muertos del intercambiador, donde una baja velocidad repercute en un mayor ensuciamiento. c) Emplear velocidades de líquido adecuadas en los tubos 1 a 2 m/s. Cuando se emplee agua de refrigeración, la velocidad debe ser tan alta como sea posible es posible 1.5 m/s mínimo.

Un problema que puede presentarse en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos es el de la vibración del haz tubular como consecuencia de la velocidad del fluido de la envolvente. El diseñador deberá poner especial cuidado en la máxima longitud de tubos sin soportar de forma que la frecuencia de la vibración inducida en el haz sea inferior a la frecuencia natural del sistema con suficiente margen de seguridad.

El problema de la expansión se origina por la diferencia de temperaturas entre los tubos y la envolvente. Esto origina una diferencia en la dilatación de los materiales que se manifiesta

sobretodo en roturas de las juntas colocadas entre los tubos y la placa tubular que dan lugar a fugas. El stress térmico no solo se ha de calcular en las condiciones de operación sino que ha de


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considerarse también situaciones críticas durante la puesta en marcha o situaciones de emergencia. Este problema se puede solucionar mediante: o

o

o

Intercambiadores con cabezal flotante o tubos en "U" cuando la dilatación diferencial entre tubos y envolvente sea elevada. Aun en estos casos podría emplearse intercambiadores con placas fijas, previendo una junta de expansión en la envolvente. En muchos casos se recurre a construcciones de cabezal flotante. Así como el deflector longitudinal en intercambiadores de placas fijas, lo mismo sucede con los intercambiadores de haz extraíble, cabeza flotante o tubos en "U"

Desde el punto de vista de diseño, la corrosión influirá en la selección de los materiales de construcción y en los grosores de los materiales utilizados. Si el diseño no permite eliminar el problema de la corrosión se ha de optar por un diseño que permita cambiar los componentes atacados. Esto elimina la posibilidad de utilizar una construcción con la placa tubular f ija.

DISEÑO DE INTERCAMBIADOR E CALOR DE CASCO Y TUBOS (TEMA) 1. Balance térmico Q = m.cp.∆T. (Intercambio de calor sensible). Q = m.λ (Intercambio de calor con cambio de fase). Donde: Q = calor total transferido, Btu/hr m = masa del fluido, lb/hr. λ = Calor latente de vaporización, Btu/lb

Cp = capacidad calorífica del fluido, (Btu/lb.°F) ∆T = Diferencia de temperatura del fluido, °F

2. Propiedades físicas de los fluidos a temperatura media a. Capacidad calorífica, cp ( Btu/lb.°F)

Tabla 5.6-5.7

b. Viscosidad, µ (lb/pie.hr)

Tabla 5.8-5.10 Figura 5.61-5.65

c. Conductividad, k (Btu/hr.pie.°F)

Tabla 5.11-5.15 Figura 5.66

d. Densidad, ρ (lb/pie3)

Tabla 5.16

e. Coeficiente de resistencia a la incrustación, r (Btu/hr.pie2.°F)-1 Tabla 5.17-5.19 2. Características de los tubos (Tabla 5.20) a. Diámetro exterior del tubo, (Do), pulg. b. Diámetro interior del tubo, (Di), pulg. c. Espesor (x), pulg d. Área de sección transversal del tubo, at. e. Area lateral longitudinal, alt, pie2.


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f.

Diámetro equivalente (De), pulg.

4. Suponiendo un flujo en contracorriente

T .F t L  MLTD

MLTD  T 1 t 2  T 2 t 1  t 2 t 1 LnT 1 t 2/T 2 t 1 ln t 2 / t 1





F t Se lee en figuras 18 a 23 de Manual. R 

T 1 T 2 t 2 t 1

S 

y

Para ello se calcula:

t 2 t 1 T 1 t 1

5. Determinar el curso de los fluidos Fluido con mayor ri

Fluido con menor ri

Fluido líquido

Fluido gas o vapor

Fluido a presión

Fluido a baja presión

6. Calcular coeficiente de película en el lado de los tubos, ht

k cp.  hi J H       Di  k 

1/ 3

      w 

0.14


ht  hi Di Do

Di.Gt Nre 

m Gt  t at

N t .at ' at  144.n

JH = Factor térmico de Coldburn. Se determina en función al Nre. Di = Diámetro interior de los tubos interiores, pies Gt = velocidad másica en los tubos, lb/hr.pie2 mt = masa que circula por los tubos, lb/hr at = área de sección transversal en el haz de tubos, pie2

at '  área de sección transversal de cada tubo, pie2 Nt = Numero de tubos en el haz, (estimado con ayuda de la tabla 5.21) n= Número de pasos en los tubos. NOTA: Cuando circula agua por los tubos, el caso es especial. Se hace uso de la figura 5.75, y se determina ht ploteando (pie/s) con temperatura media del agua, en °F

Si la transferencia ocurre sin cambio de fase, entonces se estima (  )0.14 1.0

 w

7. Calcular coeficiente de película en el lado del casco, hs


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k cp.  hs J H       de  k 

1/ 3

Nre

de.G 

0.14        w 

Gs


m s a s

Ds.C .e a s  144 P . t

Donde: JH = Factor térmico de Coldburn. Se determina en función al Nre. de = Diámetro equivalente, pies Gs = velocidad másica en el casco, lb/hr.pie2 ms = masa que circula por el casco, lb/hr as = área de sección transversal en el casco, pie2 Ds = Diámetro interior del casco, pulg. C = espaciado de los tubos, pulg. e = espaciado entre pantallas, pies. Pt = distancia entre los centros de los tubos, pulg. 8. Calcular Coeficiente Total Limpio, Uc

U C  9.

ht .h s , Btu/hr.pie2.°F ht  h s

Cálculo del coeficiente total de diseño, Ud.

1 1   R Ud Uc

Rd = t  a

r r

Donde: Rd = Factor de obstrucción, (Btu/hr.pie2.°F)-1 r t Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en los tubos, (Btu/hr.pie 2.°F)-1

r s Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el casco, (Btu/hr.pie2.°F)-1 

Calculo utilizando diseño riguroso

1 1 x .  o + r i o  w o r  Ud ht .d i d i K w. Dm s h s Donde: xw espesor de los tubos, pulg.

k w  Conductividad del metal, Dm Diámetro medio, pulg Donde:

Btu/hr.pie

Dm (di + do) / 2


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10. Comprobación del área (A), pie 2. Área disponible: Ad = Nt.alt.L

A

Área de requerida: Debe cumplirse que :

Q Ud .T L. F t

Ad > A

T L Temperatura media logarítmica, °F Se calcula el factor térmico: Ft

(se lee en la fig. 5.67-5.72)

Se determinan en función a P y R, siendo:

P 

t 2 t 1 T 1 t t

La estrategia es que

T 1 T 2 t 2 t 1 F t  0.7 R 

Si no se cumple, se debe modificar el número de pasos. Se comprueba el factor de obstrucción: Rd = UcU (de diseño)

Uc.Ud

Rd (diseño) > Rd (calculado)

11. Cálculo de la caída de presión en el lado de los tubos, psia.

 P P t P r T  

(Caída de presión en los tubos y en los retornos)

En los tubos:

f .Gt 2. L .n  P t  5.22 x1010.di s . . t

ubicar en la figura 5.76 en función a Nre.

En los retornos

4.n.v2  P r  2 s . . g '

g ' 32.17 pie2/s

12. Cálculo de la caída de presión en el lado del casco, psia.

f .G s2. D s.( N 1)  P s  5.22 X 1010. De s . . s

L N 112 e

f = leer en figura 5.80. Gs = velocidad másica en el casco, lb/hr.pie2


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Ds = Diámetro interior del casco, pies. De = Diámetro equivalente, pies g’ = 32.17 pie/s 2

L = Longitud del tubo, pies e = espaciado entre pantallas, pulgadas s = Gravedad específica Φs = relación de viscosidades. Si la caída de presión no cumple con lo recomendado, modificar características de los tubos, o del casco, o tipo de intercambiador.

INTERCAMBIADORES DE CALOR INDUSTRIALES

Fig. 5.13 Intercambiador de calor de doble tubo


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Fig. 5.14 Intercambiador de calor de carcasa y tubos

Fig. 5.15 Grupo mixto de eyector, termocompresor y condensador


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Fig. 5.16 Intercambiador Condensador de superficie

Fig. 5.17 Reboiler ( hervidor-vaporizador)


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Fig. 5.18 Intercambiador de calor de placas

MOTO R

Vapor

Condensado

Jugo pre calentado clarificado

Fig. 5.19 Intercambiador de calor de serpentín


Fig. 5.20 Intercambiador de calor de chaqueta (marmita)

31


Fig. 5.21 Calentador a vapor


Fig. 5.22

I. de Calor de Casco y tubos de 4 pasos.

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USOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CASCO Y TUBOS A. Para operaciones de transferencia de calor sensible: Calentamiento y enfriamiento. Las unidades son horizontales de simple y múltiple paso. Pueden ser: 1-14, 1-2, 1-4, 2-4, 1-8, entre otros. B. Como reactores: son intercambiadores de calor de casco y tubos 1 -1, verticales que funcionan como reactor manteniendo lecho fijo de catalizador o reactante en los tubos verticales donde se realiza la reacción. Por la carcasa circula el fluido que permite mantener la temperatura de reacción. C. Como HERBIDORES-VAPORIZADORES: Uno de los mas utilizados en la industria química, principalmente en los sistemas de destilación es el REBOILER o también llamado CALDERÍN, utilizado como elemento para entregar calor a la columna de destilación realizando el rehervido de los líquidos de fondo. Otro es el TERMOSIFON que puede ser vertical u horizontal, con una función similar al del calderón.. D. Como CONDENSADORES de gases o vapores. Pueden ser verticales u horizontales según sea el caso. La posición del condensador afecta significativamente el valor del coeficiente de película de condensación. Los verticales se usan para condensación con o sin sub enfriamiento. Se aplica el subenfriamiento a productos volátiles para evitar uso de un enfriador, en algunos casos para evitar pérdidas por evaporación cuando los productos son muy volátiles. Los horizontales condensan vapores con descarga al vacío (escape de turbinas). Operan con grandes superficies por coraza (10 000 a 60 000 pie2), y emplean tubos de hasta 26 pies de longitud, y coeficiente total de transferencia de hasta 800 btu/hr.pie2.°F. Facilitan la distribución de vapor y eliminación de condensado.

TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASE Para transferencia de calor con cambio de fase se usan los siguientes equipos: Calderones, Vaporizadores, Hervidores, Evaporadores, Condensadores y calderas. : Es un intercambiador vaporizador usado para evaporar agua o solución acuosa. Es un intercambiador vaporizador usado para suministrar calor en el fondo de una columna de destilación ya sea que el vapor formado sea agua o no. : Usado para producción de agua pura o para cualquier proceso asociado a la generación de potencia. : Usado para concentrar una solución química mediante la evaporación del solvente agua. : Cuando se usa para formación de vapores de sustancias que no son agua y no forma parte de un proceso de destilación. : Usado en la planta para generar vapor como fuente de energía.


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Es la recompresión del vapor para aumentar su temperatura y permitir nuevamente su uso. Los hervidores – vaporizadores pueden ser de circulación forzada o circulación natural. Una clasificación es la siguiente:

a. Calderín con ebullición isotérmica b. Calderín con rango de ebullición c. Calderín para solución acuosa o evaporador de circulación forzada. a. Calderín con o sin rango de ebullición. b. Calderín para solución acuosa o evaporador de circulación forzada.

a. Calderín de marmita b. Calderín con haz de tubos en la columna. d. Calderín horizontal de termosifón. B.

a. Calderín vertical de termosifón b. Evaporador vertical de tubos largos.

Son intercambiadores de calor de casco y tubos 1-2. Si se calientan con vapor de agua, éste circula por los tubos. El líquido hierve a punto de ebullición constante. Se aplica a líquidos del fondo de una columna de destilación. Si se alimenta líquido frío, será necesario calentarlo hasta el punto de ebullición, se divide la superficie del casco en dos zonas: calentamiento y vaporización.

QTotal = QCalent. + Qvaporiz.

QTotal q/ t ) q q q  t   t c  t v     c  v t c  MLT c t v  MLT v T bal 



h s  hsc hsv ht  hh 150 btu/hr.pie2.°F (para vapor de agua) Ucc 

ht .hsc ht hsc


34


Ucv 

ht .hsv ht hsv

Acc 

qc Ucc t c

qv Ucv t v Acbal  Acc  Acv Acv 

(Ucc xAcc )  Ucv xAcv Acbal Qtotal U d  Ad .t ba l Ad  N t L . .alt Uc U Rd  ba l d Ucba xU l d

Ucbal 

Comprobar:

Q 12000 Btu/ hr .pie2 A En las caídas de presión:

 Ps  Psc Psv

sc  sv 2

 P con sm 

Se usa un intercambiador de calor de casco y tubos con un mayor número de tubos en el segundo paso para facilitar la evaporación y obtener menor caída de presión. Para efectos del diseño se procede similar al caso anterior (calderín con ebullición isotérmica), teniendo en cuenta el rango de ebullición. En muchos casos se vaporiza una mezcla de sustancias con diferente punto de ebullición. El punto de ebullición inicial es el punto de burbuja. El punto de ebullición final es el punto de rocío. Las caídas de presión se calculan igual que en el caso anterior pero con el número de Reynolds calculado a condiciones de entrada y media).


s  s sm  c v (gravedad específica 2

35


Se prueba

Q Btu/ hr .pie2  20000 A

Si los fluidos ingresan a temperatura menor a su punto de burbuja, entonces se divide en etapa de calentamiento y etapa de vaporización y para los cálculos de diseño se procede como en el caso anterior.

Incluye al evaporador vertical de tubos largos 1-1. Se diseña de manera similar al calderín con o sin rango de ebullición. Este equipo puede evaporar soluciones como agua – acetona, agua – etanol, etc. 12 – 17¼

19¼ - 29

31 a >

8’

12’

16’

Son intercambiadores de calor verticales con grandes cargas hidrostáticas y bajas caídas de presión. Son de tres tipos: Evaporadores verticales de tubos largos. Calderín vertical de termosifón Generador de vapor de calentamiento directo.

Son intercambiadores de calor 1-1 con circulación de vapor por el casco. Se caracterizan por tener un coeficiente de película de ebullición equivalente a 1.25 veces el coeficiente de película de calentamiento. La evaporación se lleva a cabo en el interior de los tubos, en la mayoría de los casos en el 80% de los tubos. Se puede considerar que el líquido se mantiene en los tubos hasta el final de la vaporización. Si se alimenta a temperatura menor que la temperatura de burbuja, la ebullición es isotérmica, de lo contrario existirán dos zonas: calentamiento y vaporización.

Es un intercambiador de calor de casco y tubos 1-2. La vaporización se realiza en el casco en cerca del 80% de lo que se alimenta. Para que funcione correctamente se debe probar que Q/A<12 000 btu/hr.pie2. También se debe considerar dos zonas: calentamiento y vaporización. . Para el diseño se aplica

hbalanceado 


Q qc qv  hc hv

36


Fig. 5.24 Reherbidor con circulación forzada

Fig.. 5.25 Reherbidor termosifón horizontal horizontal

Fig. 5.26 Reherbidor tipo calderín calderín


37


Fig. 5.27 Reherbidor interno o de tubos horizontales

Fig. 5.28 Reherbidor de termosifón termosifón vertical vertical


38


Son intercambiadores de calor de casco y tubos 1-2 que operan evaporando el 80% de la solución en proceso. El máximo flujo másico que manejan los vaporizadores de circulación forzada y calderetas para sustancias orgánicas es 20 000 Btu/hr.pie 2, y para circulación natural es 12 000 Btu/hr.pie2. El máximo flujo másico que manejan los vaporizadores y calderetas de circulación natural o forzada para soluciones acuosas de baja concentración o de agua es de 30 000 Btu/hr.pie2. El máximo coeficiente de película para vaporización en circulación forzada o natural de sustancias orgánicas es 3 000 Btu/hr.pie 2 °F . El máximo coeficiente de película para vaporización en circulación forzada o natural en agua o soluciones acuosas de baja concentración es 1000 Btu/hr.pie 2 °F, siempre que

Q 1200. Btu/hr.pie2. A PROPIEDADES FISICAS DE SOLUCIONES Los tipos más comunes de intercambio de calor son enfriamiento y calentamiento de

para las que hay escasez de datos físicos. Algunos de los datos disponibles di sponibles en la literatura y otros estudios permiten la formulación de reglas para aplicarlas en las siguientes propiedades fisicas:

Soluciones de líquidos orgánicos: usar conductividad por peso. Soluciones de líquidos orgánicos y agua: usar 0.9 veces la conductividad por peso. Soluciones de sales y agua que circulan por la coraza: usar 0.9 veces la conductividad del agua, hasta concentraciones del 30%. Soluciones de sales y agua circuladas por los tubos y no > de 30%. Usar figura 24 con conductividad de 0.9 veces la del agua. Dispersiones coloidales: usar 0.9 veces la conductividad del líquido dispersor. Emulsiones: Usar 0.9 veces la conductividad del líquido que rodea las gotitas.

Soluciones orgánicas: usar calor específico por peso, % parcial. Soluciones orgánicas del agua: usar calor específico por % peso parcial. Sales fusibles en agua: Usar calor específico por % peso parcial. Ejemplo: PO4K3 al 30% = 0.30 * 0.19 + 0.70 * 1.0 = 0.757


39


Sustancias orgánicas en líquidos orgánicos: usar el recíproco de l a suma de los términos (fracción peso / viscosidad) para cada componente. Líquidos orgánicos en agua: usar el recíproco de la suma de los términos (fracción peso / viscosidad) para cada componente. Sales en agua donde la concentración no exceda al 30% y donde se conoce que no resulta una solución siruposa. Usar el doble de la viscosidad del agua. Ejemplo: La viscosidad del Hidróxido de sodio al 20% en agua, equivale a 2 la viscosidad del agua.

EL VAPOR COMO MEDIO DE CALENTAMIENTO Es el medio de calentamiento mas usado en la industria. Presenta la desventaja de ser corrosivo como condensado. En los servicios de calentamiento en los equipos de transferencia de calor, se puede considerar un coeficiente total de transferencia de calor de 1500 btu/pie2.°F, sin tener en cuenta su localización, esto es ya sea que circule por los tubos o por el casco. En un proceso de calentamiento se recomienda que el vapor circule por los tubos. La caída de presión permitida para el vapor es <= 1.0 psia. La gravedad específica, s es:

s 

 vapo  agua

Para calentar líquidos hasta 250 o 275°F se usa vapor de proceso de 100 a 200 psia. Para calentar líquidos de 150 a 200°F se puede usar vapor de escape de 5 a 25 psig.

DISPOSICION DE FLUJOS PARA AUMENTAR LA RECUPERACION DE CALOR Con deflector movible longitudinal. Ejemplo: Intercambiador de calor 2-4

Fig. 5.29 Intercambiador de calor de casco y tubos 2-4 con placa fija


40


Los deflectores longitudinales son segmentados verticales y se diseñan de varias formas.

Fig. 5.30 Deflectores segmentados de corte

Fig. 5.31 Deflectores segmentados de corte

Cuando dos intercambiadores de calor 1-2 se conectan en serie tanto la coraza como los tubos, operan idéntico a un intercambiador de calor 2-4. Los intercambiadores de calor 2-*4, 3-6, 4-8 se basan en conexiones en serie entre tubos y corazas. Cualquier arreglo de numero par múltiple de dos pasos en la coraza tal como 2-4, 4-8, etc, se puede lograr con un numero dado de intercambiadores de calor 1-2.

La viscosidad varía de 0.015 a 0.025 cp. La viscosidad aumenta con la temperatura en contraste al de los liquidos. La conductividad, excepto del hidrógeno, es 1/5 de los valores de líquidos orgánicos y cerca de 1/15 de los valores del agua y soluciones acuosas. Las capacidades caloríficas para gases orgánicos y vapores son ligeramente menor que de los líquidos orgánicos. Las capacidades caloríficas para gases orgánicos y vapores hidrocarburos ligeros varían entre 0.2 y 0.5. La capacidad calorífica, viscosidad y conductividad de los gases aumentan con la temperatura. El calentamiento de los gases generalmente es con vapor de agua.

Los gases se calientan o enfrían a presiones moderadas. Generalmente circulan por el casco para controlar la corrosión. A presiones altas se prefiere que los gases circulen por los tubos. Cuando se enfría un gas que sale del compresor el coeficiente de película es el del gas seco. En los inter-enfriadores de compresores para gases saturados a presión atmosférica, si se usa agua a ≤ 100°F, entonces: o

Calcular Q total de enfriamiento y condensación como si se transfiriera a gas seco.

o

Usar

T  MLTDt


41


5.6 DISEÑO DE CONDENSADORES Los condensadores se clasifican condensadores de superficie de película y de superficie de gota. La primera es la que se en el proceso de condensación en la industria. La segunda se da en la naturaleza. Son equipos de transferencia de calor de casco y tubos 1-n. Horizontales y Verticales.

Se pueden clasificar en

Los condensadores HORIZONTALES pueden ser de dos tipos: los de condensación en el interior de los tubos y los de condensación en el exterior de los tubos (carcasa). Los condensadores VERTICALES también pueden ser de dos tipos: de condensación en el interior de los tubos y de condensación en el exterior de los tubos. Para el diseño de condensadores es recomendable primero seleccionar el equipo adecuado y configurar la disposición del equipo y el curso de los fluidos. De acuerdo a las características del fluido que se debe condensar, seleccionamos el equipo. Los procesos de condensación se aplican de la siguiente forma:

Se usan para condensación sin subenfriamiento, así como

y Los coeficientes totales de transferencia alcanzan los 800 Btu/hr.pie2.°F. Utilizan agua fría. Para efectos del diseño se procede como con cualquier intercambiador de calor de casco y tubos, excepto en el lado de condensación.

Se usan cuando el condensado es corrosivo, o se quiere recuperar el calor latente del vapor para calentar la alimentación.

Usados para condensación con sub enfriamiento, para condensar sustancias corrosivas, para aprovechar calor latente de condensación, para condensación enfriado con aire y para condensar mezclas de multicomponentes. Se diseñan de modo que las corrientes V y L fluyen a favor de la corriente, y hacia abajo. Se usa intercambiadores de calor de casco y tubos 1-n. g = aceleración de la gravedad, 4.18 x 10 8 Esta ecuación es aplicable tanto para el interior como para el exterior de los tubos.


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Se diseñan como cualquier intercambiador de clor de casco y tubos a excepción del cálculo del coeficiente de película en el lado por donde circula el fluido que se condensa. En este caso el cálculo del calor y los coeficientes de película de condensación son como sigue:

Cálculo del Calor de condensación:

 = . ∗ ℎ∗ = ℎ + 0.68 ( − ) +( − )

Las propiedades físicas de los líquidos se determinan a la temperatura de película de la pared del tubo,  calculada como:

,

 = ( + )/2

Donde m = masa de fluido a condensar, lb/hr.  Temperatura de saturación o de condensación, °F  Temperatura en la pared del tubo ( = tw), °F  Temperatura del vapor, °F  Capacidad calorífica del líquido, Btu/lb.°F  Capacidad calorífica del vapor, Btu/lb.°F ∗ = Calor latente de vaporización, Btu/lb.  = Calor latente de vaporización modificado, Btu/lb.

 = =  = = ℎ = ℎ

Para aplicar las ecuaciones para el coeficiente de película, estimamos que las temperaturas Tsat y Ts son constantes. El calor latente de vaporización  se determina a la temperatura de saturación, Tsat.

ℎ

ℎ

/4  ( ) . .  −  . 3     ℎ = 0.555[ ( − ) .(ℎ + 8 ( − ))]

=Coeficiente de película de condensación en el interior de tubos horizontales, Btu/hr.pie2.°F  Densidad del líquido, lb/pie3.  Densidad del vapor a temperatura de saturación, lb/pie3. Btu/hr.pie.°F  Conductividad del condensado (liquido), 8 g = aceleración de la gravedad, 4.18x10  Viscosidad del líquido, cp

 ==  =  =

ℎ = ℎ.1.29( )/4

Di = Diámetro interior del tubo horizontal, pulg

L = Longitud del tubo vertical, pies  = Coeficiente de película de condensación en el interior de tubos verticales, Btu/hr.pie2.°F

ℎ


43


∗ . /4 ( ) . .  −  .ℎ     ℎ = 0.729[ ( − ). ]

ℎBtu/hr.pie  = Coeficiente de película de condensación en el exterior de tubos horizontales, .°F 2

ℎ = ℎ.1.29( )/4

ℎ = Coeficiente de película de condensación en el exterior de tubos verticales El cálculo de la caída de presión varía solamente en el lado de condensación:

1. f .G s2. D s .( N 1)  Pc 2 x5.22 x1010. De s . donde:

 P = Caída de presión en el lado de condensación, psi Se recomienda el máximo espaciado, es decir e=Ds

Agua dulce (blanda) : Uso de torre de enfriamiento para enfriar y recircular. El agua debe circular a v 3 pie/s. Agua de mar: Se usa en sistemas de circulación abierta. Agua helada: Se usa CHILLER o BUSTER, para enfriamiento del agua hasta 1°C. Salmueras: KCl, CaCl2, ClNa, Lic. (<32°F). Refrigerantes : Solución de Etilenglicol, NH3, freones.


44


Fig. 5.32 Condensación en exterior de tubos verticales

Fig. 5.34 Condensación en interior de tubos verticales


Fig. 5.33 Condensación en exterior de tubos horizontales

Fig. 5.35 Condensación en interior de tubos horizontales

45


5.7 DISEÑO DE EVAPORADORES La evaporación es el proceso del calentamiento del líquido para llevarlo hasta el punto de ebullición para remover parte del agua contenida como vapor. Los componentes básicos de un sistema de evaporación son: Intercambiador de calor, sistema de vacío, separador de vapor y condensador. El intercambiador de calor se encuentra dentro del cuerpo del evaporador y transfiere calor hacia el líquido, mediante contacto indirecto con vapor de servicio. El vacío hecho en el cuerpo del evaporador mantiene relativamente baja la temperatura de ebullición del producto y mantiene la diferencia de temperaturas entre el vapor de servicio y el producto. El separador de vapor remueve sólidos atrapados en la espuma formada durante la ebullición, enviando a los sólidos nuevamente a la zona de intercambio de calor y al vapor eliminado del producto hacia el condensador, que generalmente es una unidad separada del equipo. El vapor eliminado del producto es condensado y sacado del sistema en forma de agua caliente, que bien podría utilizarse para otro proceso dentro de la planta. En un evaporador de efectos múltiples utilizando el vapor de un efecto como medio de calentamiento para otro en el que se produce ebullición a una presión y temperatura mas baja. La alimentación de un evaporador de efecto múltiple se transfiere por lo común de un efecto a otro en serie de modo que sólo se alcanza la concentración final del producto en un efecto del evaporador . En el funcionamiento con alimentación hacia adelante se introduce material bruto de alimentación en el primer efecto y se hace pasar de efecto a efecto en paralelo al flujo de vapor. El producto se retira del último efecto. Este método de funcionamiento es provechoso cuando el material de alimentación está caliente o cuando el producto concentrado sufrirá dañoso depositaría escamas a temperaturas altas. La alimentación hacia adelante simplifica el funcionamiento cuando el líquido se puede transferir tan sólo por diferencia de presiones, eliminando todas las bombas intermedias para el líquido. Cuando el material de alimentación está frío la alimentación hacia adelante proporciona una economía baja de vapor, puede que una parte apreciable del vapor primario se necesita para calentar el material de alimentación hasta el punto de ebullición y en esa forma se logra la no evaporación. Si se necesita la alimentación directa y el material de alimentación está frío, se puede mejorar la economía de vapor considerablemente, mediante el precalentamiento del material en etapas con vapor tomado de efectos intermedios del evaporador. Esto suele representar un aumento pequeño de la superficie total de calentamiento o el costo, puesto que el material de alimentación se tiene que calentar de todos modos y los intercambiadores de calor de casco y tubo suelen ser menos costosos por pie cuadrado que la superficie de calentamiento del evaporador. En un evaporador de alimentación directa o hacia adelante el medio principal de recuperación de calor puede ser el uso de precalentadores del material de alimentación calentados por vapor tomado de cada efecto del evaporador. En este caso el condensado se debe vaporizar como antes o utilizarse en un conjunto separado de intercambiadores para lograr el precalentamiento del material. Un material de alimentación precalentado por el vapor del último efecto puede reducir también materialmente las necesidades del agua del condensado.


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PRINCIPIO DE OPERACION

La fuerza motriz para la transferencia de calor es la diferencia de temperaturas entre el vapor de servicio (que circula enchaquetado en un serpentín) y el producto. Por lo general, el vapor de servicio se genera en calderas de tubo y coraza. La temperatura del vapor de servicio es función de la presión del vapor; a 1 atm, la temperatura de ebullición es de 100 °C, pero el punto de ebullición varía de acuerdo a la presión manejada. Se prefiere el empleo de vapor saturado, ya que si la temperatura del vapor de servicio es muy alta podrían presentarse costras (fouling) en los tubos de la caldera, debido a la quema de materia orgánica presente en el agua.

TIPOS DE EVAPORADORES 1. EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTALES

Fig. 5.36 Evaporador de tubos cortos horizontales


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2. EVAPORADOR DE TUBOS CORTOS VERTICALES (CALANDRIAS)

Fig.

5.37 Evaporador de tubos cortos verticales

3. EVAPORADOR DE CANASTA DE TUBOS VERTICALES

Fig. 5.38


Evaporador de tubos verticales cortos

48


4. EVAPORADOR DE TUBOS VERTICALES LARGOS

Fig. 5.39 Evaporador de tubos largos

Fig. 5.40 Evaporador de circulación forzada


49


Fig. 5.41 Evaporador de circulación forzada con intercambio de calor externo

Fig. 5.42 Evaporador de película descendente de simple efecto.


50


Fig. 5.43 Evaporador de película ascendente de simple efecto.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE EVAPORADORES 1. DE CALANDRIAS: L= 6 a 24”, OD = 2 a 3”, Área de haz de tubos= tubos = (0.5 a 1.0) a 1.0) Área de conducto central. central. El vapor circula por el exterior de los tubos. Maneja U altos. 2. DE TUBOS LARGOS VERTICALES: VERTICALES: L= 12 a 14’, OD = 1¼ a 2”. El vapor circula por el exterior de los tubos. Ocupa poco espacio. Maneja altos coeficientes coeficientes de película. No adecuado para líquidos que dejan dejan sales. 3. DE TUBOS HORIZONTALES INTERNOS: OD = 3/4 a 1¼”, Área grande de evaporación, costo bajo, altos U. Mayor uso para calentamiento calentamiento de agua. Vapor por los tubos. 4. DE CIRCULACION CIRCULACION FORZADA: FORZADA: Adecuados para cristalización, liquido hierve en los tubos, maneja coeficientes de película altos, aplicable para cuando se forman precipitados en la evaporación. Usan bomba para recirculación. El sistema de evaporación comprende un intercambiador de calor, un separador y un condensador. El diseño del intercambiador se comporta como un hervidor-evaporador. Habrá en muchos casos una zona de calentamiento y una zona de evaporación.


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That orange juice that you had this morning sure tasted good didn't it? Did you ever wonder wonder how they get it concentrated into that little can? can? Chances are the manufacturers used a falling film film evaporator. Falling film evaporators are especially popular popular in the food industry where many substances are are heat sensitive. A thin film of the product to be concentrated trickles down inside of heat exchanging tubes.

Steam

condenses on the outside of the tubes supplying the required energy to the inside of the tubes.

Figura 5.45 Evaporador de película descendente


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Comprendiendo Comprendiendo la transferencia de calor El Balance de transferencia de calor sensible para evaporador de película descendente es:

El coeficiente total de transferencia de calor consiste del coeficiente de condensación del lado del vapor (generalmente cerca de 5700 W/m2 K, (1000 Btu/hr.pie2.°F)), la pared del metal con pequeña resistencia (depende de la presión del vapor y del espesor de la pared), la resistencia dela incrustación en el lado del proceso, y el coeficiente de película del líquido en el lado del proceso. El coeficiente en el lado del vapor puede ser estimado o puede ser calculado por la siguiente ecuación para flujo laminar y para flujo turbulento respectivamente:

Para la ecuación de arriba

All physical properties should be evaluated at the film temperature, T f = (Tsat - Twall)/2 except for the latent heat which is evaluated evaluated at the saturation temperature. temperature. The resistance due to scale formation cannot be predicted and will probably have to be estimated or compensated for by added a fouling coefficient or by added 5-10% to the calculated heat transfer area (or you could determine it experimentally although it's probably not a good use of your time!).


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For the process fluid, the heat transfer coefficient can be calculated with the following expression:

El calculo de la caida de presión en evaporadores de película descendente ha sido investigada desde 1940. Una ecuación universal ha sido realmente olvidada. Typically, a constant dependent on the percentage of vapor exiting the evaporator is used in a pressure drop relationship. If your process fluid shares physical properties close to water, you may be able to accurately predict the pressure drop by using graphs and relations found in Perry's Chemical Engineers' Handbook.

Evaporating fruit and vegetable juices presents a special challenge for chemical engineers. Juices are heat sensitive and their viscosities increase significantly as they are concentrated. Small solids in the juices tend to cling to the heat transfer surface thus causing spoilage and burning. Juice evaporations are usually performed in a vacuum to reduce boiling temperatures (due to heat sensitivity). High flow circulation rates help avoid build-ups on the tube walls. For some juices (Ex/ orange), it is unavoidalbe that the flavor changes as concentration increases. Some of the volatile, flavor-containing components are lost during evaporation. In this case, some of the raw juice is mixed with the concentrate to replace the lost flavors. Considering that the components of juices have close boiling points, a standard, single evaporator is seldom sufficient. Either a multi-effect evaporation system must be used (lower capital cost, higher energy costs) or a vapor recompression evaporator (higher capital cost, lower energy costs) is employed. In a multi-effect system, the pressure is incrementally lowered in each stage, thus pushing the boiling point lower gradually. This permits more control over the vapor products to be discarded from the system (mainly water) and the vapors to be condensed back into the system (volatile juice components). The vapor recompression evaporator was designed for maximum efficiency. These units generally operate at low optimum temperature differences of 5-10 0C. This requires a larger heat transfer area than multi-effect evaporators, thus the larger capital costs. However, the energy savings, generally make vapor recompression the evaporator of choice in the food industry.


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Figura 5.46 Evaporador típico con arreglo de recompresión de vapor

Referencia bibliográfica 1. Geankoplis, Christie J., Transport Processes and Unit Operations, 3rd Ed., Prentice Hall, 1993, ISBN 0139304398, pages 263-267 2. Perry, Robert H., et al, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Ed., McGrawHill, 1984, ISBN 0070494797, pages 10-34 through 10-38


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5.7. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS El intercambiador de placas consiste de un conjunto de placas corrugadas o ranuradas de metal sostenidas por un armazón, el cual consiste de una placa fija, una placa de presión y partes de conexión. Las placas se acomodan verticalmente y paralelas una tras otra y son presionadas sobre el armazón. Las placas extremas no intervienen en la transferencia de calor. En la figuras 5.38 y 5.39 se muestran el acomodo de las placas y la dirección de los fluidos.

Figura 5.47. Partes de un intercambiador de calor de placas

Figura 5.48. Flujos en intercambiador de placas


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DISPOSICIÓN DE LAS PLACAS

Figura 5.49 Disposición de las placas

Al juntar las placas a presión unas a otras, las corrugaciones forman estrechos canales para el flujo de los fluidos, lo cual siempre produce turbulencia aún a velocidades muy bajas. Las corrugaciones también aumentan la rigidez de las delgadas placas, haciéndolas capaces de resistir deformaciones debido a las altas presiones.

Figura 5.50. Disposición de las empaquetaduras

El arreglo de las empaquetaduras en las placas según convenga, permiten arreglar el flujo en contracorriente y los flujos individuales, los flujos pueden ser divididos en corrientes paralelas, así mismo las empaquetaduras sellan a las placas en sus bordes en todo su alrededor, haciendo el diseño respectivo para dar lugar a las entradas y salidas que pueden ser en el tope o en el fondo. Las empaquetaduras también proveen


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un doble sello

entre las corrientes de los fluidos haciendo imposible la mezcla,

también se pueden hacer una gran combinación de canales, de tal manera que el conjunto de placas se puede ajustar para diferentes servicios. Existen diferentes tipos de placas y una buena selección permite optimizar la transferencia de calor y las caídas de presión. El tamaño y espesor de las placas están relacionados al tipo particular de placas (corrugadas o ranuradas). En la actualidad aún no existe un diseño estándar común para el intercambiador de placas tal como el de la TEMA o la BSS para intercambiadores tubulares. Las placas pueden ser construidas de materiales que pueden ser trabajados en frío, sin someterlos a un proceso de soldadura. Los materiales comunes de intercambiadores de placas son acero inoxidable, titanio, níquel, monel, incoloy 825, hastelloy C, bronce al fósforo y cobre-niquel. Los materiales que poseen titanio proveen una gran resistencia a la corrosión. El de las placas varía entre

.

promedio entre placas

(ancho de los canales) está entre . Los de las placas varían entre m2. Las se extienden desde . Los grandes intercambiadores de placas manejan flujos de hasta 2500 m 3 /h.

Los principales modelos de flujo en intercambiadores de placas son: a) cuando una corriente continua cambia de dirección después de cada recorrido vertical. b) la corriente principal se divide en subcorrientes para converger posteriormente en una sola. Los arreglos posibles en un intercambiador de placas son: a) b)

Arreglo en paralelo Arreglo en

c) Arreglo en El número de canales paralelos está dado por el rendimiento del intercambiador y la caída de presión permisible. El mayor número de canales disminuye la caída de presión. El número de canales en serie es determinado por la eficiencia y los requerimientos de intercambio de calor. Si un líquido es enfriado en flujo viscoso, el número de canales puede ser reducido para incrementar la velocidad y por lo consiguiente aumentar el coeficiente de transferencia de calor. En la figura 4 se muestra los modelos de flujo y arreglos para los intercambiadores de placas.


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DISTRIBUCIÓN DE FLUJO La distribución de flujo a través de los canales en un paso, usualmente se asume como uniforme. Este no puede ser el caso para fluidos viscosos, cuando los canales son anchos y el número de placas es grande. El cálculo de la distribución actual de flujo no es fácil. La distribución de flujo a través de las placas en conjunto, es determinada por los perfiles de presión en las dos diversificaciones (las diversificaciones de entrada y salida para cada corriente). En el arreglo en

los canales de entrada y salida para cada

corriente están en la misma placa final, pero ellos están en las placas finales opuestas en el arreglo en . Los perfiles de presión en las distribuciones son determinadas por dos factores: 1) La fricción del fluido 2) Los cambios de velocidad del fluido (la velocidad del fluido disminuye a medida que se diversifica el flujo de entrada, y aumenta a medida que se diversifica el flujo de salida). Las variaciones en la presión debido a estos dos factores pueden ser en la misma dirección o en la dirección opuesta dependiendo de la diversificación de flujo de entrada y salida (figura 5.51-5.52).

Figura 5.51.


Modelos de flujos y arreglos

59


Figura 5.52. Variación de la presión y distribución de flujo en los canales

MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Si observamos la figura 5.44, el flujo en un canal puede recibir simultáneamente calor de dos corrientes adyacentes que fluyen en direcciones opuestas. Para aumentar la transferencia de calor se adicionan mas placas, así se pueden obtener otros modelos de flujo más complejos y muchas configuraciones. Según el modelo de flujo, en los intercambiadores de placas, la diferencia de temperaturas media logarítmica, se puede ajustar usando un factor de corrección.

Figura 5.53. Mecanismo de transferencia de calor

Las placas según su construcción generalmente se denominan “suaves” o “duras”. Las suaves se caracterizan por sus bajos coeficientes de transferencia y pequeñas caídas de presión por paso. Las placas duras son mas complejas, son largas y angostas, y tienen profundas corrugaciones y pequeños espacios entre placas. Las placas suaves son anchas y cortas. Para


60


decidir el tipo de placa para un servicio particular, se hace uso del número de unidades de transferencia (HTU ):

HTU 

t 1 t 2 (2 Ap.U )  t m ( M .Cp)

(Ec.1)

HTU , también es conocido como el factor de performance, longitud térmica o razón de

temperaturas, y puede definirse como el cambio total de temperatura para cada fluido, dividido por la diferencia media aritmética de temperaturas en el intercambiador. Se toma el mayor valor resultante. También se puede calcular con el método de la carga mínima. Se calcula el m.Cp para cada fluido, el de mínimo valor se remplaza en la ecuación siguiente:

HTU 

(U . Ad ) (m.Cp)min

(Ec. 2)

Las placas duras son mas convenientes para operaciones dificultosas que requieran altos valores de HTU (cuando las diferencias de temperatura son pequeñas), con este tipo de placas se consigue altas recuperaciones de calor. Las placas suaves son aconsejables para operaciones fáciles, en las que se requieran bajos valores de HTU (menores que 1). Cuando se tiene alto HTU , la operación se lleva acabo con una caída de presión relativamente alta, tal que puede

hacerse tan grande que no sea permisible por el alto costo de bombeo; y a bajo HTU sucede lo contrario. El número de unidades de transferencia depende de la configuración de las placas como también de la longitud. Un intercambiador de placas típico (operación agua – agua), debe tener 2 a 2,5 HTU por paso. Para cargas muy altas (HTU = 9), el intercambiador puede diseñarse con tres pasos en serie (cada paso con HTU = 3). Usualmente se adopta un desigual número de pasos cuando las velocidades de flujo y las caídas de presión permisibles para cada fluido son diferentes. La selección de un determinado tipo de intercambiador (tamaño, cantidad de placas y modelos de flujo) es complicado. Sin embargo, un determinado tamaño de placas puede seleccionarse para operaciones líquido–liquido mediante el uso de correlaciones generalizadas.

La diferencia de temperaturas media logarítmica (MLTD) ó T L para un intercambiador de placas se determina por:

(Ec.3) El factor térmico se determina con ayuda del gráfico que se muestra abajo.


61


Figura 5.54. Factor térmico vs HTU 1.0

5/5

0.9

4/4 2/2

0.8

Ft

1/1 y 3/3

2/1

0.7

3/1

0.6

4/1

0.5 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

HTU

El factor térmico (o factor de corrección) para la T L en un intercambiador de placas depende del número de fluidos. Cuando la relación de flujos entre los fluidos cae entre 0,66 y 1,5 es posible tener un arreglo con igual número de pasos en ambos lados del intercambiador. Cuando hay un igual número de pasos para los fluidos, el factor térmico es alto. Cuando las relaciones de flujo cambian mucho, se usa un sistema de múltiple paso con diferente número de pasos para cada fluido. Generalmente los valores del factor térmico en intercambiadores de placas son mas altos que los obtenidos en intercambiadores de casco y tubo. La Figura 5.54, proporciona valores aproximados del factor térmico para diferentes sistemas de pasos a HTU menores que 11.

INCRUSTACIONES EN LAS PLACAS La tendencia a formar incrustaciones en un intercambiador de placas es disminuida debido a las altas turbulencias en el flujo (lo cual mantiene los sólidos en suspensión), las áreas lisas de las placas y la ausencia de zonas de baja velocidad (tal como las presentes en el lado del casco en intercambiadores tubulares). El material de las placas resistente a la corrosión también reduce la tendencia a formar incrustaciones en intercambiadores de placas, debido a que los productos de corrosión, los cuales pueden formar incrustaciones están ausentes. Los factores de incrustación para diseño de intercambiadores de placas están entre el 10 y 20 % de los factores dados para los intercambiadores tubulares. La fácil accesibilidad a la limpieza, ya sea química o mecánica también permite un bajo factor de incrustación para diseño.


62


Fig. 5.55 Intercambiador de calor de placas.

Fig.5.56 Modelos de placas (Alto y bajo NTU)


63


Si comparamos un intercambiador de placas con uno de casco y tubos, t enemos:


64


DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS

Para aplicar el siguiente método de diseño se asume lo siguiente: Las pérdidas de calor son despreciables No hay espacios con aire en los intercambiadores El coeficiente total de transferencia es constante a través de todo el intercambiador La temperatura de los canales varía solamente en la dirección del flujo Las corrientes se dividen en partes iguales entre los canales en el caso de un flujo en paralelo.

1. Calcular la carga de calor transferido: Q (Btu/hr)

Q m.Cp.T Calcular para ambos fluidos. La ecuación permite calcular las variables masa o temperatura para cualquiera de los fluidos, igualando el calor transferido entre ambos fluidos.

2. Determinar las propiedades físicas de los fluidos (cp, µ, k) a su temperatura media. 3. Determinar las resistencias a la incrustación (uso de tablas) 4. Calcular la temperatura media logarítmica, T L 5. Configurar las características del intercambiador de placas. Área de la placa térmica

: A p

Ancho de la placa

: L

Altura de la placa

: h

Espacio entre placas

: b

6. Calcular el número de unidades de transferencia para cada fluido: HTU Método HTU:

Flu ido .caliente : HT U 

T 1 T 2 T L

Fluido . frio: HTU 

t 2 t 1 T L

Se toma la suma de los dos, o el mayor según sea el método a usar. Método (w.cp) min

se calcula

(wxCp)c y (wxCp)f , y se escoge el menor.

Luego se calcula: (Ud*Ad)/(w*Cp) min , este debe coincidir con el mayor valor del método anterior.

7. Estimar un valor de

U D .

7.1 Calcular el área total de transferencia de calor:

A

q U D.T L. F

7.2 Calcular el número total de placas térmicas, Np, y Número total de canales, Nc.

A Np A p

 = + 

7.3 Calcular el número de canales paralelos por paso N cp (número de canales en que debe dividirse el flujo).


65


n cp = V / v

Según el método determinamos V/v, que es la relación de flujos volumétricos V = Caudal mayor entre los fluidos o mayor flujo volumétrico, m3/hr v = Caudal por canal (flujo/canal) en m3/hr, para la placa seleccionada. (ver Tabla)

7.4 Determinar el arreglo del intercambiador; número de canales paralelos por paso, N cp , y número de pasos, N pasos Número de canales por paso, Ncp =V/v (redondear valor)

Numero de pasos, Npasos

 = 

7.5 Recalcular el Np (Número de placas térmicas). Número de placas térmicas, Np = (N pasos * Ncp + Npasos * Ncp) – 1 Suponer la unidad seleccionada con el número de pasos para cada fluido y el número de canales por paso. Por ejemplo: Intercambiador de placas A lfa Laval P 2 con 11 placas, 3 pasos para cada fluido y 2 canales por paso. 7.6 Determinar el factor de corrección Ft en función del HTU y tipo de arreglo, Figura 7.

Para un intercambiador con igual número de pasos para ambos fluidos, se toma NTU total Con el valor del NTU y el tipo de arreglo del intercambiador por pasos, en la figura 5 se lee Ft. 7.7 Determinar canales para fluido frio y caliente. Número de canales del Fluido caliente, Ncc=Np/2 Número de canales del Fluido frío, Ncf= (Np/2) + 1 7.8 Calcular los coeficientes de película para cada fluido en función del Número de Reynolds (Re ) Una expresión muy conocida adoptada para estimar el coeficiente de película para en intercambiadores de placas es: El diámetro equivalente D e es definido como 4 veces el área de sección transversal del canal dividido por el perímetro húmedo del canal. De = (4 W b) / (2 W + 2 b) Si la distancia entre placas (b ) es muy pequeña comparado con el ancho de las placas ( W ), se puede aproximar:

De = 2 b , para el coeficiente de película se puede usar la ecuación propuesta por Jackson. El flujo es normalmente laminar en intercambiadores de placas para fluidos altamente viscosos.


66


Para calcular las variables de la fórmula anterior, determinamos: Para fluido caliente;

Área de flujo (Af) = Af=w*b Velocidad de flujo de masa = Gc=wc/(Af*Nc)

Numero Reynolds = Nre=(Gc*De)/(µ *2.42) Diámetro equivalente, De=2*b

Numero de Prant = Npr=(Cp*µ*2.42)/k Para fluido fri o;

Área de flujo (Af) = Af=w*b Velocidad de flujo de masa = Gf=wf/(Af*Nf)

Numero Reynolds = Nre=(Gf*De)/(µ *2.42) Diámetro equivalente, De=2*b

Numero de Prant = Npr=(Cp*µ*2.42)/k 7.9 Calcular el coeficiente total Limpio de transferencia de calor, Uc

Uc

h1 xh2 , h1  h2

donde 1 y 2 corresponden a cada uno de los fluidos.

7.10 Calcular el coeficiente total de diseño, Ud.

1  1  R , donde Rd es el factor de obstrucción, r 1  r 2 Ud Uc 7.11 Calcular el área total necesaria para la transferencia de calor: A

A

Q Ud .T L F . T

7.12 Calcular área disponible y comparar con el área necesaria

Ad = Np x Ap Ad debe ser mayor que A ( el exceso no debe ser mayor del 15 %) Si esto se cumple, el número de placas calculado es correcto, de lo contrario hacer otra iteración retornando al paso 7. 8. Calcular las caídas de presión P para cada fluido. La ecuación que permite el cálculo de la pérdida por fricción es la ecuación de Fanning:

f = 2,5 / (Re) 0,3

El promedio de velocidades en intercambiadores de placas es mas bajo que las de los intercambiadores tubulares. El rango típico de velocidades va de 0,5 a 0,8 m/s. Sin embargo,


67


debido a la alta turbulencia del flujo en los intercambiadores de placas, los coeficientes de transferencia son mucho mas altos que en los intercambiadores tubulares (así para agua es 2900 a 4100 W/m 2 C en intercambiadores de placas, comparado con 1150 a 1750 W/m 2 C en intercambiadores tubulares). 9. Calcular diámetro de acoplamientos.

Di3.9.Q0.45. 0.13 Di3.0.Q0.36. 0.18

Para régimen turbulento

Para régimen laminar

Di = Diámetro interior , pulg Q = Caudal, pie3 /s ρ = densidad, lb/pie3

µ = Viscosidad, lb/pie.hr ……………………………………………


68


5.8 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CHAQUETA SIN AGITACION El coeficiente total de transferencia para el cálculo del área, viene dado de acuerdo al material y al fluido que circula por la chaqueta. Tabla 5.1 Coeficientes de película para intercambiadores de chaqueta Fluido en la chaqueta Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor

Fluido en el recipiente

Agua Solución acuosa Sustancias orgánicas Hidroc. No viscosos Comp. Organic.medios

Material de la pared del recipiente

Coeficiente Total de Transferencia 2 Btu/hr.pie .°F

Cobre Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable

200 – 300 75 – 80 50 – 150 30 – 70 10 - 20

CON AGITACION El diseño depende de las variables de diseño del recipiente:

Fluido de proceso (t1)

Vapor (T1) DJ Z Y B

D

Condensado (tT2) Xj

Fluido de proceso (t2)

Fig. 5.57 Recipiente enchaquetado


69


Xj debe ser 10 – 20 % del diámetro del recipiente Cálculo de U: 1/U = 1/hj + rj + 1/hf + rf hf = Coeficiente de película del fluido en la chaqueta Hj = Coeficiente de película del fluido en el tanque R = resistencia a la incrustación Coeficiente de película en el lado de la chaqueta, hf

Hf es un valor típico que depende de la naturaleza del lado. Coeficiente de película para el lado del tanque, hj

hj = Jj ( k/Dj )(Cp.

 / k)1/3 (μ/μw)0.14

Jj se ubica en la Fig. 23 en función a Nre. Nre = ( L2.N.ρ) / μ Donde : L = Longitud de la paleta de agitación N = Revoluciones por hora ρ = densidad promedio de la mezcla o del liquido, lb/pie3 μ = Viscosidad del líquido, lb/pie.hr

Dj = Diámetro interior del recipiente, pies. Pot = 1.29x10-4 . Dj1.1 .D2.72 . N’ 2.86 . y0.3 . Z0.6 . μ’ 0.14 . ρ0.86 N’ = Velocidad del agitador en RPS μ’ = viscosidad en lb/pie.s

y = ancho del agitador en pies. Esto es aplicable para agitadores con aspas de L > 0.3 Dj

Los coeficientes de película pueden variar dependiendo del tipo de agitador que se use. En tal caso se puede usar la siguiente ecuación: hj = a (k/Dj) (L 2 . N. ρ /μ)b (Cp.μ /k)1/3 (μ /μw)m Donde : a, b,m son constantes para cada tipo de agitador en función al Nre, Tabla 5.2 Constantes a, b, m para diseño de agitadores de paletas TIPO DE AGITADOR Paletas curvas sin deflectores Paletas planas sin deflectores Paletas planas con deflectores Marco sin deflectores o Ancla Listones helicoidales sin deflect


a 0.36 0.54 0.74 1.0 0.36 0.633

b 2/3 2/3 2/3 ½ 2/3 1/2

m 0.21 0.14 0.14 0.18 0.18 0.18

Nre 300 a 3x10 30 a 3x105 500 a 3x10 5 10 a 300 300 a 4x10 4 8 a 10 5

70


Pueden ser de dos tipos: De espiral simple y de espiral plano

DH

DH

Dj

Dj

Recipiente con espiral simple

Recipiente con espiral plano

Calculo de U: 1/U = 1/hc + rc + 1/hj + rt hc = coeficiente de película en el tubo hj = coeficiente de película en el recipiente Calculo de hc: hc.Di/k = 0.0027 (Nre) 0.8 (Npr)1/3 (/w)0.14

Para Nre >2100 Se corrige con F :

F = 1 + 3.5 (Di / D H)

Donde : Di = Diámetro interior del tubo Si por el tubo circula agua, entonces usar Fig. 25 para determinar coeficiente de película en el tubo. Calculo de hj:

hj = Jc (k/Dj) (Npr)1/3 (/w)0.14

Donde Jc se ubica en la Fig. 23 Calculo de Uc: Uc = hc . hj / (hc + hj)


71


Calculo de Ud Ud = Uc . hf /(Uc + hf)

donde hf = 1/r

Calculo del área requerida A = Q / Ud. T Area de cada vuelta del serpentín: a =  . DH .alt, pie2 / vuelta Calculo del N° de vueltas = Nv = A /a

Para agitadores de paletas sin deflectores: 2

ht = 0.87 (k/dj)(L .N/) Para

0.62

1/3

(cp./k) (/w)

0.14

Nre = 300 a 4x105

Para agitadores de turbina con paletas planas con deflectores (cuando el serpentín toma la forma de deflector): 2

0.65

ht = 0.09 (k/do)(L .N/)

1/3

1/3

0.14

(cp./k) (2/n b)(L/Dj) (/f )

Donde: do = diámetro exterior del tubo del serpentín n b = numero de tubos deflectores verticales f = viscosidad a temperatura media de la película N = velocidad rotacional en RPS


72


Figura 5.58 Intercambiador de calor de chaqueta (marmita)

Figura 5.59 Intercambiador de calor de serpentín


73


PRACTICA : DISEÑO DE SERPENTIN SUMERGIDO PARA CALENTAMIENTO Se quiere suministrar 32600 BTU/hr a un líquido isotérmico a 150°F usando vapor de agua a 220°F. El serpentín es de cobre de ½” OD, y el diámetro de transferencia del serpentín es 9.6”. La longitud de la paleta es 7.2”,con una

velocidad de agitación de 125 RPM. Las propiedades del fluido a calentar son: K = 0.38 M = 1.06 lb/pie.hr R = 62.5 lb/pie3 Cp = 1 Btu/lb.°F Rd = 0.005 Dj = 12”

¿Cuántas vueltas se requerirán para el serpentín? SOLUCION

Vapor de agua

condensado 7.2” 9.6” 12”

En tabla de caracteristicas de tubos para intercambiadores de calor: Para tubo de ½”OD, alt = 0.1309 pie2/pie

Calculo de Coeficiente de Pelicula en el tanque Nre = L2.N.r / m L = 7.2/12 = 0.6 pies Nre = (0.26)2(7500)(62.5) / 1.06 = 159200 En Fig.36 Jc = 1700 1/3 0.14 w) 1/3 = 1700 (0.38/1.0)(1.0 x 1.06/0.38) (1.0) hc = 900 Btu / hr.pie2.°F Calculo de coeficiente de película en el serpentín ht = 1500 Btu/hr.pie2.°F Calculo del coeficiente total limpio, Uc Uc = ( hc x ht )/ (hc + ht) = (900 x 1500) / (1500 + 900) = 562 Si r = 0.005 Entonces 1/r = 1/0.005 = 200 = hf Ud = (Uc x hf)/(Uc + hf) = (562 x 200) / (562 + 200) = 147.5 Área requerida :


74


-150)) = 3.16 pie2 Área de cada vuelta del serpentín: H x alt = 3.1416 x (9.6/12) x 0.1309 = 0.328 pie2 / vuelta Calculo del numero de vueltas del serpentín: Nv = 3.16 / 0.328 = 9.6 vueltas ( 10 vueltas)

5.10 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE SUPERFICIE RASCADA Calculo de coeficiente de película en el tubo interior, ht ht =  (k/Di)(cp./k) ((Di-Ds).v./)(Di.N/v)0.62.(Ds/Di)0.55.(nb)0.53 Donde:  = 0.014

 = 0.96 para líquidos viscosos

 = 0.039  = 0.70 para líquidos no viscosos Di = Diámetro interior del tubo interior Ds = Diámetro del eje giratorio v = velocidad de flujo del liquido N = velocidad del agitador, RPM NB= Numero de raspadores en el eje. Estos valores se cumplen para :

v = 0.076 a 0.38 m/min N = 100 a 750 RPM

……………………………..


75


Tabla 5.3 GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

Fluidos de baja viscosidad ( < 10 cp)

El requiere pequeñas áreas de transferencia.Para fluidos no corrosivos a altas temperaturas o altas presiones, usar intercambiadores tubulares Para fluidos no corrosivos, usar

Líquidos de baja viscosidad o vapores

Fluidos de viscosidad media (109 – 100 cp)

Fluidos con alta viscosidad ( > 100 cp)

Fluidos sucios (con alta tendencia a formar incrustaciones)

de

acero al carbono.Para cargas corrosivas, para mantener la higiene de los fluidos y para vapor a baja presión; usar intercambiadores de placas. Para grandes cantidades de vapor, usar intercambiadores de espiral Con iguales fluidos en ambos lados, usar el . Si las empaquetaduras causan problemas o la cantidad de sólidos es elevada, usar un intercambiador de espiral. Se aprovecha la para proporcionar un flujo turbulento. En algunos casos se han usado placas para viscosidades sobre los 5 000 cp. Para viscosidades extremas es preferido el intercambiador de espiral. Puede usarse el o el de espiral.

Suspensiones y pulpas

Por su fácil acceso a la limpieza es preferible el intercambiador de placas. Recomendable el (usado en algunos casos para corrientes con mas de 50% de sólidos) y en ciertos casos el

Líquidos sensibles al calor

El intercambiador .

Enfriamiento o calentamiento de aire

Intercambiador de

Gases o aire a presión

Condensación

es el mejor y en ciertos casos el de

Con ciertas limitaciones puede usarse el , de otro modo debe seleccionarse un intercambiador tubular (con superficie extendida en el lado del gas) Para cargas no corrosivas, seleccionar un de acero al carbono. Para cargas corrosivas un intercambiador de espiral. Para ciertos casos como el requerimiento de condiciones higiénicas, puede considerarse el intercambiador de placas.

Alta presión (sobre 35 atm.) o altas temperaturas (sobre 500 C) Fluidos extremadamente corrosivos

Usar intercambiador t Usar intercambiador de grafito

.


76


Tabla 5.4 Tubos IPS para intercambiadores de calor de doble tubo

TUBO EXTERIOR IPS

TUBO INTERIOR IPS

2

1¼

2½

1¼

3

2

4

3

Tabla 5.5 Características de tubos IPS, para intercambiadores de calor de doble tubo, pulg Tubos, pulg

Diametro Diametro interior exterior Cedula tubo tubo interior interior

Espesor tubo interior

Area Diametro Diametro Espesor transv. interior exterior tubo tubo tubo tubo exterior interior exterior exterior

Area transv. del anillo, pulg2

Area lateral Diámetro Diámetro longit., equival. medio pie2/pie

2 x 1 1/4

40

1.380

1.660

0.1400 1.500

2.067

2.380

0.157

1.190

0.435

0.915

1.520

2 1/2 x 1 1/4

40

1.380

1.660

0.1400 1.500

2.469

2.880

0.206

2.630

0.435

2.020

1.520

3x2

40

2.067

2.380

0.1565 3.350

3.068

3.500

0.216

2.944

0.622

1.575

2.224

4x3

40

3.068

3.500

0.2160 7.380

4.026

4.500

0.237

3.140

0.917

1.140

3.284


77


Tabla 5.6 Capacidad Calorífica de líquidos, Cp


78


Continuación… Tabla


5.6 Capacidad Calorífica de líquidos, Cp

79


Tabla 5.7 Capacidad Calorífica de gases, Cp


80


Continuación… Tabla 5.7 Capacidad Calorífica de gases, Cp


81


Figura 5.61. Calores específicos de hidrocarburos líquidos


82


Figura 5.62. Calores específicos de vapores de hidrocarburos a 1 atm.


83


Figura 5.63 Conversión de unidades de viscosidad cinemática a centistocks (Cortesía de Fisher & P orter)

Figura 5.64 Carta de estimación de viscosidad para líquidos (Chemical Engineering Handbook)


84


Figura 5.65 Viscosidad cinemática de hidrocarburos, Centistock


85


Tabla 5.8 Viscosidad de Líquidos, Centipoise


86


Continuación… Tabla 5.8 Viscosidad de Líquidos, Centipoise


87


Tabla 5.9 Viscosidad de líquidos


88


Continuación…Tabla 5.9


Viscosidad de líquidos

89


Tabla 5.10 Viscosidad de gases


90


Continuación… Tabla 5.10, Viscosidad de gases


91


Tabla 5.11 Conductividad térmica de líquidos


92


Continua… Tabla 5. 11 Conductividad térmica de líquidos


93


Tabla 5.12 Conductividad térmica de gases


94


Continua… Tabla 5.12 Conductividad térmica de gases


95

Diseño de equipos de Transferencia de calor -1

Tabla5.13.Conductividadestérmicasdelíquidos(k=BTU/hr.pie.°F)

Puede suponerse una variación lineal con la temperatura. Los valores extremos constituyen límites de temperaturas en los que se recomienda los datos. LIQUIDO

Aceites Ricino

°F

k

68 212 68 212 68 68 68 68 68 68 122 68 140 68 68 167 104 167 60 86 212 68 167 77 – 80 86 167 66 68 167 68 68 212 212 212 212 86 86 86 32 86 140 176 77 – 86 86 167 86 167 68 68 68 68 68 122 5 86 86 167 86 68 140 32 – 610 86

0.104 0.100 0.097 0.095 0.101 0.105 0.137 0.176 0.224 0.281 0.087 0.086 0.082 0.070 0.080 0.078 0.064 0.063 0.083 0.094 0.089 0.088 0.087| 0.085 0.097 0.095 0.091 0.102 0.095 0.099 0.20 0.786 0.102 0.0825 0.0835 0.21 0.25 0.30 0.336 0.356 0.381 0.398 0.104 0.094 0.091 0.092 0.092 0.124 0.154 0.190 0.234 0.234 0.114 0.121 0.090 0.099 0.096 0.091 0.090 0.29 0.100 0.092

LIQUIDO

Bromobenceno

Oliva Acetato de etilo Alcohol 100% 80% 60% 40% 20% 100% Benceno Bromuro Eter Yoduro Acetato de amilo Alcohol - n iso Acetato butílico –n Alcohol -n -iso Acetona Acido acético 100% 50% Acido esteárico Acido laúrico Acido oleico Acido palmítico Acido sulfúrico 90% 60% 30% Agua

Alcohol oleico Alcohol heptílico (n) Alcohol hexílico Alcohol metílico, 100% 80% 60% 40% 20% 100% Cloruro Alcohol propílico (n) (iso) Amoniaco Amoniaco acuoso , 26% Anilina Benceno


Dióxido de azufre Bisulfuro de carbono Tetracloruro Cloruro de Calcio, Salmuera 30% 15% Cloruro de sodio, Salmuera 25% 12.5% Clorobenceno Cloroformo Cymene (para) Decano ( n ) Diclorodifluormetano

Dicloroetano Diclorometano Eter de petróleo Etilenglicol Gasolina Glicerina 100% 80% 60% 40% 20% 100% Heptano (n) Hexano (n) Kerosene Mercurio Nitrobenceno Nitrometano Nonano (n) Octano (n) Formaldehido Pentano (n) Sodio Tolueno Tricloro etileno Trementina Vaselina Xileno (orto), (meta)

°F

k

86 212 8 86 86 167 32 154 86 86 86 86 60 86 86 140 86 140 20 80 100 140 180 122 5 86 86 167 32 86 68 68 68 68 68 212 86 140 86 140 68 167 82 86 212 86 140 86 140 86 140 86 212 86 167 212 410 86 167 122 59 59 68

0.074 0.070 0.104 0.111 0.093 0.088 0.107 0.094 0.32 0.34 0.33 0.34 0.083 0.080 0.078 0.079 0.085 0.083 0.067 0.053 0.048 0.052 0.038 0.082 0.111 0.096 0.07 0.073 0.153 0.078 0.164 0.189 0.220 0.259 0.278 0.164 0.081 0.079 0.080 0.078 0.086 0.081 4.83 0.095 0.088 0.125 0.120 0.084 0.082 0.083 0.081 0.084 0.078 0.078 0.074 49 46 0.086 0.084 0.080 0.074 0.106 0.090

96

Diseño de equipos de Transferencia de calor -1

Tabla5.14.Conductividadestérmicasdegasesyvapores,(k=BTU/hr.pie.°F)

Los valores extremos de temperatura constituyen el rango experimental. Para extrapolar otras temperaturas se sugiere graficar los datos como log k vs log T. SUSTANCIA

Acetato de etilo

Alcohol Cloruro

Eter

Acetona

Acetileno

Aire

Alcohol metílico Acetato Amoniaco

Benceno

Bioxido de azufre Bioxido de carbono

Bisulfuro Monoxido

Tetracloruro

Butano (n) Butano (iso) Ciclohexano Cloro Cloroformo

Cloruro de metileno

Cloruro de metilo


°F

k

115 212 363 68 212 32 212 363 413 32 115 212 363 413 32 115 212 363 103 32 122 212 148 32 212 392 572 32 212 32 68 76 32 122 212 32 115 212 363 413 65 212 -58 32 212 392 572 32 45 -312 -294 32 115 212 363 32 212 32 212 216 32 32 115 212 363 32 100 212 412 32 212 413

0.0072 0.0096 0.0141 0.0059 0.0124 0.0099 0.0095 0.0135 0.0152 0.0077 0.0099 0.0131 0.0189 0.0209 0.0053 0.0074 0.0099 0.0147 0.0068 0.0123 0.0140 0.0172 0.0096 0.0140 0.0183 0.0226 0.0265 0.0083 0.0128 0.0069 0.0068 0.0095 0.0126 0.0157 0.0185 0.0052 0.0073 0.0103 0.0152 0.0176 0.0052 0.0069 0.0068 0.0085 0.0133 0.0182 0.0228 0.0040 0.0042 0.0041 0.0046 0.0135 0.0041 0.0052 0.0065 0.0076 0.0131 0.0086 0.0138 0.0025 0.0043 0.0038 0.0046 0.0058 0.0077 0.0039 0.0049 0.0083 0.0095 0.0053 0.0094 0.0148

SUSTANCIA

Diclorodifluormetano

Etano

Etileno

Heptano (n) Hexano (n) Hexeno Hidrógeno

Hidrógeno y bióxido de carbono 0 % H2 20% 40% 60% 80% 100% Hidrógeno y nitrógeno 0 % H2 20% 40% 60% 80% Hidrógeno y oxido nitroso 0 % H2 20% 40% 60% 80% Mercurio Metano

Nitrógeno

Oxido nítrico Oxido nitroso

Oxigeno

Pentano (n) (iso) Propano Sulfuro de hidrógeno Vapor de agua

°F

k

32 212 302 -94 -29 32 212 -96 32 122 212 392 212 32 68 32 212 -148 -58 32 122 212 572 32

0.0048 0.0080 0.0097 0.0066 0.0086 0.0108 0.0175 0.0064 0.0101 0.0131 0.0161 0.0112 0.0103 0.0072 0.0080 0.0061 0.0109 0.065 0.083 0.100 0.115 0.129 0.173

….. ….. ….. ….. ….. …..

0.0083 0.0165 0.0270 0.0410 0.0620 0.10

32 ….. ….. ….. ….. …..

0.0133 0.0212 0.0313 0.0438 0.0635

32 ….. …. ….. ….. …..

292 -148 -58 32 122 -248 32 212 -94 32 -96 32 212 -248 -58 32 122 212 32 68 32 212 32 212 32 115 212 392 672 752

0.0112 0.0170 0.0270 0.0410 0.0550 0.0197 0.0100 0.0145 0.0175 0.0215 0.0095 0.0140 0.0180 0.0103 0.0138 0.0087 0.0087 0.0128 0.0095 0.0119 0.0142 0.0164 0.0185 0.0074 0.0083 0.0072 0.0127 0.0087 0.0181 0.0078 0.0120 0.0137 0.0187 0.0248 0.0315

97


Tabla 5.15 Conductividad térmica de líquidos y sólidos (inorgánico )


98


Fig.5.66 Conductividad de hidrocarburos líquidos

((.)/ )^(1/3)


99


Tabla 5.16 Densidad de líquidos


100


Continuación… Tabla 5.16 Densidad de líquidos


101


Tabla 5.17


102


Continuación… Tabla 5.17


103


Continuación… Tabla 5.17


104


Continuación …Tabla 5.17


105


Tabla 5.18 Resistencias a la incrustación, valores típicos

Fluido

Resistencia, r = (W/m2. C)-1 v>1,2 m/s

v<1,2 m/s

Agua de río

0,00008 ---- 0,00033

Agua de mar

0,00033 -----0,00100

Agua de enfriamiento (torres)

0,00020 ---- 0,00033

Agua potable (blanda)

0,0002 ---- 0,00033

Agua potable (dura)

0,0005 ---- 0,00100

Condensado

0,0002 --- 0, 00067

Vapor (libre de aceite)

0,0001 ---- 0,00025

Vapor (con trazas de aceite)

0,0002 ---- 0,00050

Salmuera

0,0002 ---- 0,00033

Aire y gases industriales

0,00067 ----0,00020

Gases de chimenea

0,0002 ---- 0,00050

Vapores orgánicos

0,00020

Líquidos orgánicos

0,00020

Hidrocarburos ligeros

0,00020

Hidrocarburos pesados

0,00050

Orgánicos en ebullición

0,00040

Orgánicos condensando

0,00020

Fluidos de transferencia de calor

0,00020

Soluciones acuosas de sales

0,00020 -- 0,00033

Nota: Las valores más bajos de las resistencias a la incrustación para agua y soluciones acuosas o son para altas velocidades (> 1,2 m/s) y bajas temperaturas(<40 C). Los valores más altos son o para bajas velocidades (<1,2 m/s) y temperaturas altas (>40 C).


106


Tabla 5.19. Resistencias a la incrustación para diseño de intercambiador de placas


107


Tabla 5.20 CARACTERISTICAS DE TUBOS BWG PARA INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBOS BW G

Diámetro nominal, pulg

Diametro externo, pulg

Diametro Interior, pulg

Espesor de pared, pulg

Area transversal, pulg2

Area lateral longitudinal, pie2/pie

Diametro equivalente, pulg

Diam. externo/diam. interno

10

1

1.000

0.732

0.134

0.42084

0.2618

1.25

1.36612

10

1 1/4

1.250

0.982

0.134

0.75738

0.32725

1.5625

1.27291

10

1 1/2

1.500

1.232

0.134

1.1921

0.3927

1.875

1.21753

10

3/4

0.750

0.482

0.134

0.18247

0.19635

0.9375

1.55602

11

1

1.000

0.760

0.120

0.45365

0.2618

1.25

1.31579

11

1 1/4

1.250

1.010

0.120

0.80119

0.32725

1.5625

1.23762

11

2

2.000

1.760

0.120

2.43286

0.5236

2.5

1.13636

11

3/4

0.750

0.510

0.120

0.20428

0.19635

0.9375

1.47059

12

1

1.000

0.782

0.109

0.48029

0.2618

1.25

1.27877

12

1 1/4

1.250

1.012

0.109

0.80436

0.32725

1.5625

1.23518

12

1 1/2

1.500

1.282

0.109

1.29082

0.3927

1.875

1.17005

12

3/4

0.750

0.532

0.109

0.22229

0.19635

0.9375

1.40977

12

5/8

0.625

0.407

0.109

0.1301

0.16363

0.78125

1.53563

13

1

1.000

0.810

0.095

0.5153

0.26180

1.25000

1.23457

13

1 1/4

1.250

1.060

0.095

0.88248

0.32725

1.56250

1.17925

13

2

2.000

1.810

0.095

2.57305

0.52360

2.50000

1.10497

13

3/4

0.750

0.560

0.095

0.2463

0.19635

0.93750

1.33929

13

5/8

0.625

0.435

0.095

0.14862

0.16363

0.78125

1.43678

14

1

1.000

0.834

0.083

0.54629

0.26180

1.25000

1.19904

14

1 1/4

1.250

1.064

0.083

0.88915

0.32725

1.56250

1.17481

14

1 1/2

1.500

1.334

0.083

1.39766

0.39270

1.87500

1.12444

14

3/4

1.750

0.584

0.083

0.26787

0.19635

0.93750

1.28425

14

5/8

0.625

0.459

0.083

0.16547

0.16363

0.78125

1.36166

15

1

1.000

0.856

0.072

0.57549

0.26180

1.25000

1.16822

15

3/4

0.750

0.606

0.072

0.28843

0.19635

0.93750

1.23762

15

5/8

0.625

0.481

0.072

0.18171

0.16363

0.78125

1.29938

16

1

1.000

0.870

0.065

0.59447

0.26180

1.25000

1.14943

16

1 1/4

1.250

1.120

0.065

0.98521

0.32725

1.56250

1.11607

16

1 1/2

1.500

1.370

0.065

1.47412

0.39270

1.87500

1.09489

16

3/4

0.750

0.620

0.065

0.30191

0.19635

0.93750

1.20968

16

0.625

0.495

0.065

0.19244

0.16363

0.78125

1.26263

16

5/8 1/2

17

5/8

18

1

1.000

18

1 1/4

18

3/4

18

3/8

18

5/8

18

1/2

19

5/8

20

1

20

1 1/4

1.250 0.750 0.375 0.625 0.500 0.625 1.000 1.250

0.049 0.049 0.049 0.049 0.049 0.042 0.035 0.035

0.10752 0.3157 0.20348 0.639 0.04231 0.33388 0.06026 0.21813 0.12692 0.22987 0.67929 1.09359

0.13090 0.19635 0.16363 0.26180 0.32725 0.19635 0.09818 0.16363 0.13090 0.16363 0.26180 0.32725

0.62500

3/4

0.370 0.634 0.509 0.902 1.152 0.652 0.277 0.527 0.402 0.541 0.930 1.180

0.065

17

0.500 0.750 0.625

1.56250

1.35135 1.18297 1.2279 1.10865 1.08507 1.15031 1.35379 1.18596 1.24378 1.15527 1.07527 1.05932

20

3/4

20

3/8

20

5/8

0.750 0.375 0.625

0.680 0.305 0.555

0.035 0.035 0.035

0.36317 0.07306 0.24192

0.19635 0.09818 0.16363

0.93750 0.46875 0.78125

1.10294 1.22951 1.12613


0.058 0.058 0.049

0.93750 0.78125 1.25000

1.56250 0.93750 0.46875 0.78125 0.62500 0.78125 1.25000

108


20

1/2

22

3/8

22

1/4

22

1/2

24

3/8

24

1/4

26

1/4

7

1 1/4

8

1

8

1 1/4

0.500 0.375 1.000 0.500 0.375 0.250 0.250 1.250 1.000 1.250


0.430 0.319 0.194 0.444 0.331 0.206 0.214 0.890 0.670 0.920

0.035 0.028 0.028 0.028 0.022 0.022 0.018 0.180 0.165 0.165

0.14522 0.07992 0.02956 0.15483 0.08605 0.03333 0.03597 0.62212 0.35257 0.66476

0.13090 0.09818 0.26180 0.13090 0.09818 0.06545 0.06545 0.32725 0.26180 0.32725

0.62500 0.46875 0.31250 0.62500 0.46875 0.31250 0.31250 1.58250 1.25000 1.56250

1.16279 1.17555 1.15464 1.12613 1.13293 1.21359 1.16822 1.40449 1.49254 1.3587

109


39

37

35

33

31

29

27

25

23 1/4

21 1/4

19 1/4

17 1/4

15 1/4

13 1/4

12

10

8

Diámetro interior del casco, pulg

1426 1286

1118

993 875 763 658 565

483

387

330

254

193

134

105 69 33

1234 1109

985

875 771 674 576 491

426

350

283

229

157

117

91

51 33

3/4" on 1" ∆ P

1086

870

767 670 592 508 426

368

300

251

203

139

101

85

53 33

3/4" on 1" □

ca

783 688

972 695 614

611 546

565 483 422 359 304 486 416 373 319 263

254 228

208 186

177 151

143 124

103 83

73 65

57 45

33 15 33 17

3/4" on 15/16" ∆ la fi ja

1" on 1 1/4" ∆

O

1" on 1 1/4" □

N E P

1351 1221

1064

942 827 719 612 522

450

358

301

229

180

144

110 XX XX

3/4" on 15/16" ∆

1179 1052

934

827 727 633 537 450

394

322

260

204

166

112

74

XX XX

3/4" on 1" ∆

1036

816

719 624 550 468 398

340

276

226

180

136

98

64

XX XX

3/4" on 1" □

927

A S C

S a b e za l fl o ta

748

658

588

526 455 396 341 285

241

192

159

130

114

84

49

XX XX

652

584

518

459 390 345 296 242

216

174

136

109

69

48

35

XX XX

1" on 1 1/4" □

1396 1248

1086

964 848 740 634 544

472

370

322

236

166

124

94

58 32

3/4" on 15/16" ∆

1236 1074

960

852 746 650 562 476

406

334

272

220

154

110

90

56 28

3/4" on 1" ∆ P

1064

840

740 648 650 472 400

360

294

240

192

126

94

78

48 26

3/4" on 1" □

ca

944

1" on 1 1/4" ∆

698

614

544 472 404 350 290

262

216

170

130

92

62

52

32 16

1" on 1 1/4" ∆

676

606

532

468 400 360 302 252

228

186

144

110

76

56

40

26 12

1" on 1 1/4" □

1328 1184

1034

918 800 698 598 502

436

346

290

216

185

140

98

XX XX

3/4" on 15/16" ∆

914

812 704 610 524 440

382

310

250

192

138

94

44

XX XX

3/4" on 1" ∆

1014

802

700 610 520 442 376

336

272

216

168

112

66

28

XX XX

3/4" on 1" □

744

900 664

582

512 444 382 322 272

238

196

152

118

84

48

XX

XX XX

te

la

784

1172 1026

n

fi ja

C b

T za

O

a e

W fl

l

P n

S

A o ta

S

1" on 1 1/4" ∆ te

1" on 1 1/4" □

648

576

508

442 376 336 280 232

208

168

132

100

68

32

XX

XX XX

660

587

510

450 394 343 294 246

213

163

141

101

98

94

64

34

8

3/4" on 15/16" ∆

583

521

448

398 347 299 256 217

183

149

120

94

82

72

60

26

8

3/4" on 1" ∆

T

498

444

392

342 296 268 228 190

162

130

103

80

76

72

52

30 12

3/4" on 1" □

o

349

321

277

246 213 181 154 126

112

92

69

53

47

42

26

8

XX

1" on 1 1/4" ∆

313

276

241

208 176 158 132 108

96

78

59

49

44

38

22

12 XX

1" on 1 1/4" □

1344 1208

1044

932 808 704 608 512

448

348

300

224

154

108

84

48 XX

3/4" on 15/16" ∆

1192 1044

928

820 712 620 532 452

392

324

260

208

134

96

72

44 XX

3/4" on 1" ∆ P

1036

824

720 628 540 468 392

356

288

228

180

126

88

72

48 XX

3/4" on 1" □

ca

928

u b s e n U

la

748

676

588

524 452 384 324 276

244

200

160

124

78

60

44

24 XX

1" on 1 1/4" ∆

672

592

520

452 392 348 292 240

220

176

136

104

74

48

40

24 XX

1" on 1 1/4" □

fi ja

FO U

1280 1144

988

880 768 656 568 472

412

324

268

200

149

90

XX

XX XX

3/4" on 15/16" ∆

1128

984

876

776 676 580 492 412

364

292

228

176

112

76

XX

XX XX

3/4" on 1" ∆

992

884

784

680 592 508 432 360

423

264

204

160

98

54

XX

XX XX

3/4" on 1" □

a

P e

S

A b

S za l fl

716

632

564

484 428 364 304 252

224

184

144

112

85

41

XX

XX XX

636

556

492

424 368 324 276 228

204

164

124

92

64

25

XX

XX XX

1" on 1 1/4" □

640

570

494

438 382 328 280 238

202

160

130

98

91

84

56

28 XX

3/4" on 15/16" ∆


R C

o ta

1" on 1 1/4" ∆

110

n

n

e

te

s

o


568

492

438

386 336 290 248 208

176

142

114

90

77

64

52

20 XX

3/4" on 1" ∆

498

438

390

342 298 256 214 180

160

128

104

82

74

64

44

20 XX

3/4" on 1" □

346

310

268

238 206 174 144 120

104

86

66

50

41

36

20

XX XX

1" on 1 1/4" ∆

308

272

236

208 180 160 132 106

98

74

56

44

38

32

16

XX XX

1" on 1 1/4" □

1272 1144

1020

872 756 660 560 480

412

336

272

212

94

XX

XX

XX XX

3/4" on 15/16" ∆

1144 1016

896

768 672 600 500 420

364

300

248

184

82

XX

XX

XX XX

3/4" on 1" ∆ P

1020

776

680 584 532 456 380

324

256

220

176

XX

XX

XX

XX XX

3/4" on 1" □

ca

912

la fi ja

716

623

556

484 424 372 316 264

220

180

152

104

XX

XX

XX

XX XX

1" on 1 1/4" ∆

640

560

488

440 380 320 288 228

204

160

132

96

XX

XX

XX

XX XX

1" on 1 1/4" □

1220 1088

956

824 716 616 520 432

384

316

244

188

135

XX

XX

XX XX

3/4" on 15/16" ∆

1080

848

728 628 552 456 384

336

268

212

164

115

XX

XX

XX XX

3/4" on 1" ∆ a

C

3/4" on 1" □

e l

T

H

IG

E

968 672

952 868 600

736 520

648 556 492 420 344 456 396 348 292 240

304 212

228 168

204 132

148 96

102 75

XX XX

XX XX

XX XX XX XX

b za

1" on 1 1/4" ∆ o

fl

P n

S

600

532

468

420 356 300 256 216

188

132

104

92

64

XX

XX

XX XX

1" on 1 1/4" □

606

542

484

408 356 308 260 216

190

152

120

92

80

68

XX

XX XX

3/4" on 15/16" ∆

542

484

428

360 314 280 228 192

162

132

110

80

65

52

XX

XX XX

3/4" on 1" ∆

484

432

368

322 278 246 212 172

146

114

100

76

62

48

XX

XX XX

A S te

T u

3/4" on 1" □ b o

326

290

254

220 190 168 138 114

96

76

62

44

34

24

XX

XX XX

1" on 1 1/4" ∆

294

260

224

202 170 146 126 106

88

66

52

44

33

XX

XX

XX XX

1" on 1 1/4" □

NOTA: El número de tubos que muestra la tabla es el numero optimo que pueden ser instalados en el tamaño y tipo de intercambiador de calor listado. El recuento de tubos se basa en el diseño de deflectores y requerimientos de área de transferencia de los modelos TEMA.


ta

111

U

n

e

s


Figura 5.67


112


Figura 5.68


113


Figura 5.69


114


Figura 5.70


115


Figura 5.71 Factores de corrección MLTD para intercambiadores 5-10 (Standard of Tubular Exchanger Manufacturers Association , 2da Ed. , New York, 1949)


116


Figura 5.72 Factores de corrección MLTD para intercambiadores 6-12 (Standard of Tubular Exchanger Manufacturers Association , 2da Ed. , New York, 1949)


117


Tabla 5.22 Coeficientes totales típicos para d iseño en intercambiadores de calor de tubos Fluido caliente

Fluido frío

2

(W/m . C)

BTU/hr.pie2.°F

Intercambiadores de calor sensible

Agua

Agua

1420 – 2840

250 - 500

Solución acuosa

Solución acuosa

1420 – 2840

250 - 500

Sustancia orgánica ligera


225 - 450

40 - 80

Sustancia orgánica media


150 - 400

26 – 70

Sustancia orgánica pesada


20 - 250

4 - 44



150 - 300

26 - 53



100 – 400

18 - 70

Enfriadores

Solventes orgánicos

Agua

250 – 750

44 - 132

Aceites ligeros

Agua

350 – 900

62 - 159

Agua

Agua

1420 – 2840

250 - 500

Metanol

Agua

1420 – 2840

250 - 500

Amoniaco

Agua

1420 – 2840

250 - 500

Solución acuosa

Agua

1420 – 2840

250 - 500


Agua

426 - 851

75 – 150


Agua

283 - 710

50 – 125


Agua

28 - 426

12 - 75

Gases

Agua

20 – 300

10 - 50

Agua

Salmuera

600 – 1200

100 - 200


Salmuera

220 - 600

40 - 100

Aceites pesados

Agua

60 – 300


Salmuera

150 – 300

25 - 50

Gases

Salmuera

15 – 250

5 - 40

Fondos de vacio

Agua

110 - 140

20 - 25

Gasóleo pesado

Agua

230

40

DEA regenerada

agua

630

110

-

50

Calentadores

Vapor de agua

Agua

1200 – 4000

210 - 700

Vapor de agua


500 – 1000

90 - 180

Vapor de agua

Metanol

1200 – 4000

210 – 700

Vapor de agua

Amoniaco

1200 – 4000

210 – 700

Vapor de agua

Solución acuosa < 2 cp

1200 – 4000

210 - 700


118


Vapor de agua

Solución acuosa > 2 cp

700 - 3000

125 - 300

Vapor de agua

ceites ligeros

300 – 900

55 - 160

Vapor de agua

ceites pesados

60 – 450

10 - 80

Vapor de agua

Gases

30 – 300

5 - 50

Vapor de agua


290 - 570

50 - 100

Vapor de agua

Sustancia orgánica mediana

570 - 1200

100 - 200

Vapor de agua


35 – 350

6 - 60

50 – 300

10 - 55

20 – 200

4 - 35

Dowtherm

ceites pesados

Dowtherm

Gases

Gases de combustión

Vapor

30 – 100

5 - 20

Caldero

Vapores de hidrocarburos

30 – 100

5 - 20

Condensadores

Vapores acuosos

Agua

100 – 1500

20 - 265

Vapores orgánicos

Agua

700 – 1000

125- 180

Orgánicos (con no condens.)

Agua

500 – 700

90 - 125

Condensación al vacío

Agua

200 – 500

35 - 90

Vapor

Soluciones acuosas

100 – 1500

20 - 260

Vapor

Orgánicos ligeros

900 – 1200

160 - 210

Vapor

Orgánicos pesados

600 - 900

105 - 160

Agua

aire

300 – 450

55 - 80

Orgánicos ligeros

Aire

300 – 700

55 - 125

Orgánicos pesados

aire

50 – 150

10 - 26

Gases, 5 – 10 bar

Aire

50 – 100

10 – 18

Gases, 10 – 30 bar

Aire

100 – 300

18 - 55

Hidrocarburos condensando

aire

300 – 600

55 - 105

Vaporizadores

Enfriadores de aire

Enfriadores sumergidos Espiral

Tanque

Circulación natural

Vapor

Soluciones acuosas diluidas

500 – 1000

90 – 176

Vapor

Aceites ligeros

200 – 300

35 – 55

Vapor

Aceites pesados

70 – 150

12 - 26

Soluciones acuosas

Agua

200 – 500

35 - 90

Aceites ligeros

Agua

100 – 150

18 - 26


119


Con agitación

Vapor


800 – 1500

140 – 165

Vapor

Aceites ligeros

300 – 500

53- 88

Vapor

Aceites pesados

200 – 400

35 - 70

Soluciones acuosas

Agua

400 – 700

70 - 123

Aceites ligeros

Agua

200 – 300

35 - 53

Tanques enchaquetados Chaqueta

Tanque

Vapor


500 – 700

88 – 123

Vapor

Orgánicos ligeros

250 – 500

44 - 88

Agua


200 – 500

35 - 88

Agua

Orgánicos ligeros

200 - 300

35 - 53

Sustancia orgánica ligera: Fluido con viscosidad menor de 0.5 cp, e incluye benceno, tolueno, acetona, etanol. Metiletilcetona, gasolina, kerosene, y nafta. Sustancia orgánica media: Fluido con viscosidad de 0.5 a 1.0 cp, e incluye kerosene, gasoil caliente, aceite de absorbedor y crudos. Sustancia orgánica pesada: Fluido con viscosidad > 1.0 cp, e incluyegasoil frio, aceites lubricantes, petróleo combustible, petróleo crudo, brea y asfaltos.

Table 5.23


120


Tabla 5.24 Coeficientes Totales de Transferencia para recipientes enchaquetados

Fluido en la chaqueta


Material de la pared del recipiente

Coeficiente Total de Transferencia Btu/hr.pie .°F J / (m .s.°k)

Vapor

Agua

Acero inoxidable

150 – 300

850 – 1700

Vapor

Solución acuosa

Acero inoxidable

80 – 200

450 – 1140

Vapor

Sustancias orgánicas

Acero inoxidable

50 – 150

285 – 850

Vapor

Aceite ligero

Acero inoxidable

60 – 160

340 – 910

Vapor

Aceite pesado

Acero inoxidable

10 – 50

57 – 285

Salmuera

Agua

Acero inoxidable

40 – 180

230 1625

Salmuera

Solución acuosa

Acero inoxidable

35 – 150

200 – 850

Salmuera


Acero inoxidable

30 – 120

170 – 680

Salmuera

Aceite ligero

Acero inoxidable

35 – 130

200 – 740

Salmuera

Aceite pesado

Acero inoxidable

10 – 30

57 – 170

Aceite térmico

Agua

Acero inoxidable

50 – 200

285 – 1140

Aceite térmico

Solución acuosa

Acero inoxidable

40 – 170

230 – 965

Aceite térmico


Acero inoxidable

30 – 120

170 – 680

Aceite térmico

Aceite ligero

Acero inoxidable

35 – 130

200 – 740

Aceite térmico

Aceite pesado

Acero inoxidable

10 - 40

57 - 230

Vapor

Agua

CS recubierto de vidrio

70 – 100

400 – 570

Vapor

Solución acuosa


50 – 85

285 – 480

Vapor



30 – 70

170 – 400

Vapor

Aceite ligero


40 – 75

230 – 425

Vapor

Aceite pesado


10 – 40

57 – 230

Salmuera

Agua


30 – 80

170 – 450

Salmuera

Solución acuosa


25 – 70

140 – 400

Salmuera



20 – 60

115 – 340

Salmuera

Aceite ligero


25 – 65

140 – 370

Salmuera

Aceite pesado


10 – 30

57 – 170

Aceite térmico

Agua


30 – 80

170 – 450

Aceite térmico

Solución acuosa


25 – 70

140 – 400

Aceite térmico



25 – 65

140 – 370

Aceite térmico

Aceite ligero


10 – 70

115 – 400


10 - 35

57 - 200

Aceite térmico Aceite pesado Los valores son para agitación moderada CS = Acero al carbono


121


Tabla 5.25 Coeficientes Totales de Transferencia para recipientes con serpentín

Fluido en el tubo serpentín


Coeficiente Total Limpio

Coeficiente Total de Diseño

Btu/hr.pie2.°F

Btu/hr.pie2.°F

Conv.natural

Conv.forzada

Conv.natural

Conv.forzada

CALENTAMIENTO Vapor

Solución acuosa

250 – 500

300 – 550

100 – 200

150 – 275

Vapor

Aceite ligero

50 – 70

110 – 140

40 – 45

60 – 110

Vapor

Aceite lubricante mediano

40 – 60

100 – 130

35 – 40

50 – 100

Vapor

Petróleo Bunker C

20 – 40

70 – 90

15 – 30

60 – 80

Vapor

Alquitrán asfaltado

15 – 35

50 – 70

15 – 25

40 – 60

Vapor

Azufre fundido

35 – 45

45 – 55

20 – 35

35 – 45

Vapor

Parafina fundida

35 – 45

45 – 55

25 – 35

40 – 50

Vapor

Aire o gases

2 – 4

5 – 10

1 – 3

4 – 8

Vapor

Melazas o jarabes de cereales

20 – 40

70 – 90

15 .- 30

60 – 80

Agua caliente

Soluciones acuosas

115 – 140

200 – 250

70 – 100

110 – 160

Aceite caliente


12 – 30

45 – 65

10 – 20

30 – 50

Dowtherm


15 – 30

50 – 60

12 – 20

30 – 50

ENFRIAMIENTO Agua

Solución acuosa

110 – 135

195 – 245

65 – 95

105 – 155

Agua

Aceite enfriador

10 – 15

25 – 45

7 – 10

15 – 25

Agua

Aceite lubricante mediano

8 – 12

20 – 30

5 – 8

10 – 20

Agua

Aceite pesado

7 – 10

18 – 26

4 – 7

8 – 15

Agua

Mezcla o jarabe de granos

2 – 4

5 – 10

1 – 3

4 – 8

Freón o Amoniaco

Solución acuosa

35 – 45

60 – 90

20 – 35

40 – 60

Salmuera de calcio o sodio

Solución acuosa

100 - 120

175 - 200

50 - 75

80 – 125

Los valores son para agitación moderada CS = Acero al carbono


122


Tabla5.26.Propiedadestérmicasdematerialesdeconstrucciónyaislantes Valores que toman las propiedades térmicas de materiales empleados en construcción, algunos de los cuales se utilizan como aislantes, y la de algunos elementos o sustancias de referencia.

Densidad (kg/m3)

Calor específico (J/(kg·K))

Conductividad térmica (W/(m·K))

Difusividad térmica (m2 /s) (x10-6)

Acero

7850

460

47-58

13,01-16,06

Agua

1000

4186

0,58

0,139

Aire

1,2

1000

0,026

21,67

Alpaca

8,72

398

29,1

8384,8

Aluminio

2700

909

209-232

85,16-94,53

Amianto

383-400

816

0,078-0,113

0,250-0,346

Arcilla refractaria

2000

879

0,46

0,261

Arena húmeda

1640

-

1,13

-

Arena seca

1400

795

0,33-0,58

0,296-0,521

Asfalto

2120

1700

0,74-0,76

0,205-0,211

Baldosas cerámicas

1750

-

0,81

-

Baquelita

1270

900

0,233

0,201

Bitumen asfáltico

1000

-

0,198

-

Bloques cerámicos

730

-

0,37

-

Bronce

8000

360

116-186

40,28-64,58

Carbón (antracita)

1370

1260

0,238

0,139

Cartón

-

-

0,14-0,35

-

Cemento (duro)

-

-

1,047

-

Cinc

7140

389

106-140

38,16-50,41

Cobre

8900

389

372-385

107,45-111,20

Corcho (expandido)

120

-

0,036

-

Corcho (tableros)

120

1880

0,042

0,186

Espuma de poliuretano

40

1674

0,029

0,433

Espuma de vidrio

100

-

0,047

-

Estaño

7400

251

64

34,46

Fibra de vidrio

220

795

0,035

0,200

Fundición

7500

-

55,8

-

Glicerina

1270

2430

0,29

0,094

Goma dura

1150

2009

0,163

0,070

Goma esponjosa

224

-

0,055

-

Granito

2750

837

3

1,303

Hierro

7870

473

72

19,34

Hormigón

2200

837

1,4

0,761

Material


123


Hormigón de cascote

1600-1800

-

0,75-0,93

-

Láminas de fibra de madera

200

-

0,047

-

Ladrillo al cromo

3000

840

2,32

0,921

Ladrillo común

1800

840

0,8

0,529

Ladrillo de circonio

3600

-

2,44

-

Ladrillo de magnesita

2000

1130

2,68

1,186

Ladrillo de mampostería

1700

837

0,658

0,462

Ladrillo de sílice

1900

-

1,070

-

100-200

670

0,036-0,040

0,537-0,299

Latón

8550

394

81-116

24,04-34,43

Linóleo

535

-

0,081

-

Litio

530

360

301,2

1578,61

Madera

840

1381

0,13

0,112

Madera de abedul

650

1884

0,142

0,116

Madera de alerce

650

1298

0,116

0,137

Madera de arce

750

1591

0,349

0,292

Madera de chopo

650

1340

0,152

0,175

Madera de fresno

750

1591

0,349

0,292

Madera de haya

800

1340

0,143

0,133

Madera de haya blanca

700

1340

0,143

0,152

Madera de pino

650

1298

0,163

0,193

Madera de pino blanco

550

1465

0,116

0,144

Madera de roble

850

2386

0,209

0,103

Mármol

2400

879

2,09

0,991

Mica

2900

-

0,523

-

Mortero de cal y cemento

1900

-

0,7

-

Mortero de cemento

2100

-

1,4

-

300-650

-

0,14-0,26

-

1000

-

0,76

-

1800-2000

-

1,16

-

Níquel

8800

460

52,3

12,92

Oro

19330

130

308,2

122,65

Pizarra

2650

758

0,42

0,209

600-1200

-

0,29-0,58

-

Plata

10500

234

418

170,13

Plexiglás

1180

-

0,195

-

Plomo

11340

130

35

23,74

Poliestireno

1050

1200

0,157

0,125

Lana de vidrio

Mortero de vermiculita Mortero de yeso Mortero para revoques

Placas de yeso


124


Porcelana

2350

921

0,81

0,374

Serrín

215

-

0,071

-

Tierra de diatomeas

466

879

0,126

0,308

Tejas cerámicas

1650

-

0,76

-

Vermiculita expandida

100

837

0,07

0,836

Vermiculita suelta

150

837

0,08

0,637

Vidrio

2700

833

0,81

0,360

Yeso

1800

837

0,81

0,538

Donde: 3

 Densidad (ρ): masa de material por unidad de volumen: ρ = m / V (kg/m ).  Calor específico (C ): cantidad de energía necesaria para aumentar en 1 ºC la temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor específico serán buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/(kg·K), aunque también se suele presentar como kcal/(kg·ºC); siendo 1 cal = 4,184 J. Por otra parte, el producto de la densidad de un material por su calor específico (ρ · C) caracteriza la inercia térmica de esa sustancia, siendo esta la capacidad de almacenamiento de energía.  Conductividad térmica (k ): capacidad de un material para transferir calor. La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad térmica en el Sistema Internacional son W/(m·K), aunque también se expresa como kcal/(h·m·ºC), siendo la equivalencia: 1 W/(m·K) = 0,86 kcal/(h·m·ºC).  Difusividad térmica (α) : caracteriza la rapidez con la que varía la temperatura del material ante una solicitud térmica, por ejemplo, ante una variación brusca d e temperatura en la superficie. Se puede calcular mediante la siguiente expresión: α = k / (ρ · C)


2

(m /s

125


TABLA 5.27 CONDUCTIVIDADES TERMICAS DE AISLANTES Y ALGUNOS MATERIALES DE CONSTRUCCION Material

Densidad aparente, ρ 3

lb/pie , (Temp.ambiente) Aerogel, silica opacificada

°F

K 2

Btu/hr.pie .(°F/pie)

8.5

248

0.013

5

86

0.024

0.2

100

0.025

Asbesto – cemento, láminas

120

68

0.48

Asbesto hojas

55.5

124

0.096

Asbesto pizarra

112

32

0.087

Asbesto

112

140

0.114

29.8

328

0.043

29.8

32

0.090

36

32

0.087

36

212

0.111

36

392

0.120

36

752

0.129

43.5

328

0.090

43.5

32

0.135

Asfalto

132

68

0.43

Aserrin

12

70

0.03

Aserrín

……

…….

0.033 – 0.05

Arena seca

94.6

68

0.19

Azufre monoclínico

…..

212

0.09 – 0.097

Azufre Rómbico

……

76

0.16

Bauxita barnizada

…..

100

0.09

Calcio, carbonato natural

162

86

1.3

……

……

1.7

96

…..

0.4

Calcio sulfato (4H20)

84.6

104

0.22

Yeso artificial

132

167

0.43

17.9

77

0.25

Caliza (15% vol H2O)

103

75

0.54

Carbón, gas

…….

32 – 212

210

Carbón vegetal escamas

11.9

176

0.1043

15

176

0.1051

Cartón corrugado

…….

…….

0.037

Celuloide

87.3

86

0.12

Cemento Portland

…..

194

0.17

Ceniza de madera

……

32 – 212

0.041

Clinker granulado

……

32 – 1292

0.27

Coque de petróleo

…….

212

3.4

932

2.9

32 – 212

0.11

Algodón en rama Aluminio, hojas, 7 cavidades por 2.5 pulg

Marmol blanco Yeso

construcción

Coque pulverizado


…….

126


Concreto, cinder

…….

…….

0.20

1:4 seco

……

…….

0.44

Piedra

…….

…….

0.54

Corcho, placa

10

86

0.025

Corcho, molido

9.4

86

0.025

8.1

86

0.025

62.4

…….

0.092

20

100

0.036

20

1600

0.082

17.2

399

0.040

17.2

1600

0..074

26

399

0.051

61.8

399

0.16

Dolomita

167

122

1.0

Ebonita

…..

…..

0.10

…….

0.5 – 0.75 0.064 0,022 0.028 0.27 0.097 0.03 0.021 2.0 86.7 0.104 1.0 – 2.3 1.06 1.3 0.087 0.109 0.075 – 0.092

begranulado Cuero, suela Diatomácea, tierra, polvo, gruesa

Fina

Aislante de tubería partes calcin, 1 p. cemento y calc.

Esmalte, silicato Escoria, alto horno Escoria, lana Fibra aislante, placa Fibra, roja Con adhesivos, horneada Fieltro, lana Fieltro, pelo perpendicular a las fibras Gas, carbón Grafito, denso, comercial Pulverizado a través de malla 100 Granito Grava Hielo Hule, duro Duro Blando Infusorios, tierra (Tierra diatomea) Incrustaciones Kapok Lana animal Lana mineral Lava Lino Ladrillos Alumina (92.99% Al2O3 peso fundida) Alumina (64.65% Al 2O3 peso) refractario Ladrillo arcilla refractario

“38” …….

30

75 – 261 86 70 68 68 – 207 88 86 32-212 32 104

…….

…….

140 573.5 74.8 ……. …….

104 32 32 70 70

0.88 6.9 9.4

68 86 86

……. …….

…….

86

0.020 0.021 0.0225 0.49 0.05

……. …….

801 2 399 1472 2 012 68 392 1202 2399 399 1600 399 1600 399 1600 399 1600 392 1832 392 1112 1832

1.8 2.7 0.62 0.63 0.4 0.67 0.85 1.0 0.051 0.077 0.081 0.106 0.14 0.18 0.14 0.19 0.13 0.34 0.38 0.85 0.95

12 14.8 80.5 …….

20.6 17 …….. ……..

115 115 …….

Ladrillo para construcción Ladrillo al cromo (32% Cr 2O3 por peso)

Tierra diatomea, natural, perpendic.al estrato Diatomácea natural, paralelo al estrato Tierra diatomácea, moldeado y calcinado Tierra diatomácea y arcilla moldeada y calcinada

200 200 200 27.7 27.7 27.7 27.7 38 38 42.3 42.3 37 37 …..

Tierra diatomácea, alto quemado, poroso


127


Arcilla refractaria, Missouri

Ladrillo aislante, caolín Ladrillo refractario aislante, caolin Magnesita (86.8%, MgO, 6.3% Fe2O3, 3% CaO, 2.6% SiO2 /peso)

Ladrillo de carburo de silicio, recristalizado

Magnesia pulverizada Magnesia, carbonato ligero Magnesio, oxido comprimido Madera, fibra cruzada Balsa Olmo Maple Pino, blanco Teca Abeto Madera, paralelo a la fibra Pino Marmol Negro de humo Nieve Piedra pómez Pizarra Papel Papel tapiz tipo aislante Papel tapiz, cartoncillo Parafinas Plásticos piroxilina Porcelana Vidrio Tipo boro silicato Vidrio a la soda Vidrio de ventana Viruta de madera Yeso, moldeado y seco


27 27 19 19 138 138 138 129 129 129 129 129 49.7 19 49.9

2552 932 2102 392 1400 399 1202 2192 1112 1472 1832 2192 2552 117 70 68

1.02 0.15 0.26 0.050 0.113 2.2 1.6 1.1 10.7 9.2 8.0 7.0 6.3 0.35 0.04 0.32

7.8 51.5 44.7 34.0 40.0 28.1

86 59 122 59 59 140

0.025 – 0.03 0.12 0.11 0.087 0.010 0.062

34.4

70

…….

…….

10 34.7

104 32 70 - 151 201

0.20 1.2 – 1.7 0.038 0.27 0.14 0.86 0.075 0.028 0.04 0.14 0.075 0.096 0.0 – 0.73 0.63 0.3 – 0.44 0.3 – 0.61 0.034 0.25

……. ……. …….

14.8 43 ……. ……. ……. …….

…….

70 86 32 ……

100

……. …….

……. 86 – 167 ……. …….

8.8 78

86 68

139

128


Tabla 5.28 Conductividad térmica, Calor específico, Gravedad específica de metales y aleaciones Sustancia Acero Acero Acero Aluminio Aluminio Aluminio Antimonio Antimonio Bismuto Bismuto Cadmio Cadmio Cinc Cinc Cinc Cobre Cobre Cobre Hierro vaciado Hierro vaciado Hierro vaciado Hierro forjado Hierro forjado Latón (70 – 30) Latón Latón Magnesio Mercurio Niquel Niquel Niquel Oro Oro Plata Plata Plomo Plomo Plomo Tántalo


Temperatura, F

k, Btu/(hr.pie2.°F)(°F/pie)

Calor especifico, Btu/ (lb.°F)

Gravedad especifica

32 212 1112 32 212 932 32 212 64 212 64 212 32 212 752 32 212 932 32 212 752 64 212 32 212 752 32 – 212 32 32 212 572 64 212 32 212 32 212 572 64

26 26 21 117 119 155 10.6 9.7 4.7 3.9 53.7 52.2 65 64 64 224 218 207 32 30 25 34.6 27.6 56 60 67 92 4.8 36 34 32 169 170.8 242 238 20 19 18 32

Ver hierro Ver hierro Ver hierro 0.183 0.1824 0.1872 0.0493 0.0508 0.0294 0.0304 0.0550 0.0567 0.0917 0.0958 0.1082 0.1487 0.1712 0.2634 0.1064 0.1178 0.1519 Ver hierro Ver hierro 0.1315 0.1488 0.2015 0.255 0.0329 0.1050 0.1170 0.1408 0.030 0.031 0.0557 0.0571 0.0306 0.0315 0.0335 0.0342

7.83 7.83 7.83 2.55 – 7.8

9.8 8.65 6.9 – 7.2

8.8 – 8.95

7.03 – 7.13

7.6 – 7.9 8.4 – 8.7

1.74 13.6 8.9

19.25 – 19.35 10.4 – 10.6 11.34

16.6

129


Tabla 5.29 Presión de vapor


130


Continuación… Tabla 5.29 Presión de vapor.


131


Tabla 5.30 Entalpía de vaporización


132


Continuación… Tabla 5.30 Entalpía de vaporización


133


Tabla 5.31 Entalpía de formación


134


Continuación… Tabla 5.31 Entalpía de Formación


135


Tabla 5.32 Energía de Formación de Gibbs


136


Continuación… Tabla 5.32 Energía de Formación de Gibbs

Tabla 5.33 Solubilidad en agua salada


137


Tabla 5.34. Gravedades específicas y Peso molecular de líquidos Compuesto

Mol

s

Compuesto

Mol

s

Acetaldheido

44.1

0.78

Cloruro de etilo

64.5

0.92

Acetato de amilo

130.2

0.88

Cloruro de metilo

50.5

0.92

Acetato de etilo

88.1

0.90

Cloruro de n-propilo

78.5

0.89

Acetato de metilo

74.9

0.93

Cloruro de sulfuriclo

135

1.67

Acetona

58.1

0.79

Dibromoetano

187.9

2.09

Acetato de butilo

116.2

0.88

Dicloroetano

99.0

1.17

Acetato de vinilo

86.1

0.93

Diclorometano

88.9

1.34

Agua

18.0

1.0

Difenilo

154.2

0.99

Acido acético, 100%

60.1

1.05

Eter etílico

74.1

0.71

Acido acético, 70%

……

1.07

Etilbenceno

106.1

0.87

Acido n-butírico

88.1

0.96

Etilglicol

88.1

1.05

Acido i-butírico

88.1

0.96

Fenol

94.1

1.07

Acido clorosulfónico

116.5

1.77

Formiato de etilo

74.1

0.92

Acido fórmico

46.0

1.22

Glicerina, 100%

92.1

1.92

Acido nítrico, 95%

…..

1.50

Glicerina, 50%

….

1.26

Acido nítrico, 60%

…..

1.38

n-heptano

100.2

1.13

Acido propiónico

74.1

0.99

n-hexano

86.1

0.68

Acido sulfúrico 100%

98.1

1.83

Hidróxido de sodio 50%

…..

1.53


----

1.84

Ioduro de etilo

155.9

1.93


----

1.05

Yoduro de n-propilo

170.0

1.76

Alcohol alilico

58.1

0.86

Mercurio

200.6

3.65

Alcohol amílico

88.2

0.81

Metacresol

108.1

1.03

Alcohol n-butílico

74.1

0.81

Metanol 100%

32.5

0.79

Alcohol i-butílico

74.1

0.82

Metanol 90%

……

0.82

Alcohol etílico 100%

46.1

0.79

Metanol 40%

……

0.94


….

0.82

Metiletilcetona

72.1

0.81


….

0.94

Naftaleno

128.1

1.14

Alcohol isopropílico

60.1

0.79

Nitrobenceno

123.1

1.20

Alcohol octílico

30.23

0.82

Nitrotolueno, orto

137.1

1.16

Alcohol n-propílico

60.1

0.80

Nitrotolueno, meta

137.1

1.16

Amoniaco 100%

17.0

0.61

Nitrotolueno, para

137.1

1.29

Amoniaco, 26%

…….

0.91

n-Octano

114.2

0.70

Anhidrido acético

102.1

1.08

Oxalato de dietilo

146.1

1.08

Anilina

93.1

1.02

Oxalato de dimetilo

118.1

1.19

Anisol

108.1

0.99

Oxalato de dipropilo

174.1

1.02

Benceno Bioxido de asufre Bioxido de carbono Bisulfuro de carbono Bromotolueno , orto Bromotolueno , meta Bromotolueno , para Bromuro de etilo

78.1 64.1 44.0 76.1 171.0 171.0 171.0 108.9

0.88 1.38 1.25 1.26 1.42 1.41 1.39 1.43

Pentacloroetano n-pentano Propano Salmuera, CaCl 25% Salmuera, cloruro d sodio, 25% Sodio Tetracloroetano Tetracloroetileno

202.3 72.1 44.1 ……. ……. 23 167.9 165.9

1.67 0.63 0.59 1.23 1.19 0.97 1.60 1.63

Bromuro de n-propilo

123.0

1.35

Tetracloruro de carbono

153.8

1.60

n-Butano

58.1

0.60

Tetracloruro de titanio

189.7

1,73

i-butano

58.1

0.60

Tribromuro de fósforo

270.8

2.85

Ciclohexanol Clorobenceno Cloroformo Clorotolueno, orto Clorotolueno, meta Clorotolueno, para Cloruro estánico

100.2 112.6 119.4 126.6 126.6 126.6 160.5

0.96 1.11 1.42 1.08 1.05 1.07 2.23

Tricloruro de arsénico Tricloruro de fósforo Tricloroetileno Tolueno Xileno, orto Xileno, meta Xileno, para

181.3 137.4 131.4 92.1 106.1 ……. …….

2.16 1.57 1.46 0.87 0.86 0.86 0.86


138


Figura 5.73 Gravedades específicas de hidrocarburos.


139


Figura 5.74. Factor F de temperatura calórica


140


Figura 5.75 Curva de transferencia de calor para agua en los tubos ( Eagle y Fergenson)


141


Figura 5.76 Factores de fricción en el lado de los tubos, f


142


Figura.5.77 Jh (factor de transferencia de calor) en el lado de tubos.


143

Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Ind. Alimentarias Diseño de Planas Industriales – Transferencia de calor

Figura 5.78 Curva de transferencia de calor para lado de la coraza con haz de tubos y deflector segmentados al 25%

Prof. MSc. Pedro Angeles Chero

144


Figura 5.79 Pérdida de presión por retorno en lado de tubos


145


t

Figura 5.80 Factores de fricción lado de la coraza p ara haz de tubos con deflectores segmentados al 25%


146


Figura 5.81 Coeficiente de película de condensación


147


Figura5.82.K-valuesforsystemsofligthhydrocarbons,high-temperaturerange(AIChEfrom D.B.Dadyburjor,ChemicalEngineeringProgress,vol74,N°4,p.86.1978)


148


.

Figura5.83.Constantesdeequilibrio(valoresk)parahidrocarburosligeros,aintervalodebajatemperatura


149


Fig.5.84 Entalpías de hidrocarburos puros.


150


Fig. 5.85

Entalpías de hidrocarburos ligeros.


151


Figura 5.86 Entalpías de fracciones de petróleo.


152


Tabla 5.87 Propiedades físicas de algunos gases y liquidos

Tabla 5.88 Propiedades físicas del aire a presión atmosférica


153


Tabla 5.89 Característica de tuberías normalizadas IPS de acero, cedula 40 y 80 Diâmetro Nominal pulg.

Diâmetro exterior pulg.

1/8

0,405

1/4

0,540

3/8

0,675

1/2

0,840

3/4

1,050

1

1,315

1¼

1,660

1½

1,900

2

2,375

2½

2,875

3

3,500

3½

4,000

4

4,500

5

5,563

6

6,625

8

8,625

10

10,75

12

12,75


Cédula N 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80

Diâmetro interior pulg. 0,269 0,215 0,364 0,302 0,493 0,423 0,622 0,546 0,824 0,742 1,049 0,957 1,380 1,278 1,610 1,500 2,067 1,939 2,469 2,323 3,068 2,900 3,548 3,364 4,026 3,826 5,047 4,813 6,065 5,761 7,981 7,625 10,020 9,564 11,938 11,376

Área transversal Metal pulg2 Hueca pulg2 0,072 0,093 0,125 0,157 0,167 0,217 0,250 0,320 0,333 0,433 0,494 0,639 0,660 0,881 0,799 1,068 1,075 1,477 1,704 2,254 2,228 3,016 2,680 3,678 3,173 4,407 4,304 6,112 5,584 8,405 8,395 12,76 11,90 18,92 15,77 26,03

0,072 0,093 0,125 0,157 0,167 0,217 0,250 0,320 0,333 0,433 4,94 0,639 0,669 0,881 0,799 1,068 1,075 1,477 1,704 2,254 2,228 3.016 2,680 2,678 3,173 4,407 4,304 6,112 5,584 8,405 8,396 12,76 11,90 18,92 15,77 26,03

Área lateral: pie2/pie de longitud Exterior 0,106 0,106 0,141 0,141 0,177 0,177 0,220 0,220 0,275 0,275 0,344 0,344 0,435 0,435 0,498 0,498 0,622 0,622 0,753 0,753 0,917 0,917 1,047 1,047 1,178 1,178 1,456 1,456 1,734 1,734 2,258 2,258 2,814 2,814 3,338 3,338

Interior 0,0705 0,0563 0,0954 0,0792 0,1293 0,1110 0,1630 0,1430 0,2158 0,1942 0,2745 0,2505 0,3620 0,3350 0,4220 0,3930 0,5420 0,5080 0,6470 0,6090 0,8040 0,7600 0,9300 0,8820 1,0550 1,0020 1,3220 1,2630 1,5900 1,5100 2,0900 2,0000 2,6200 2,5030 3,1300 2,9800

154


Tabla 5.90 Placas de intercambiadores de calor alfa laval

Ancho de las placas: mm

280

180

320

350

800

1000

Area de intercambio/placa: m2

0,031

0,032

0,12

0,14

0,55

0,61

Número máximo de placas

175

75

250

200

350

600

Area de intercambio máx.:m2

5,4

2,4

30

28

193

366

Espesor de las placas : mm

0,5

0,6

0,6

0,8

0,6

1,0

Espacio entre placas: mm

1,6 – 1,8

2,5

3,0

2,8 – 3,0

4,9

4,9 – 5,2

- Elastómeros

140

140

140

140

140

140

- Asbesto

280

280

280

-----

-----

-----

Flujo/canal: m3/h

0,05 – 0,15

0,14 – 0,25

0,45 – 0,7

0,36 – 0,9

3 – 5

4 – 10

Flujo total máximo: m 3/h

2,5

11

50

16

125

450

Presión máx. de diseño: atm

10

16

16

10

12

12

Temperatura máxima C

TIPO

P4

P 16

P 13

P 14

P3

P 15

Ancho de las placas: mm

844

1080

630

670

500

800

Area de intercambio/placa: m2

0,75

0.81

0,18

0,32

0,32

0,53

Número máximo de placas

500

300

318

275

400

320

Area de intercambio máx.:m2

375

243

57

88

128

170

Espesor de las placas : mm

0,6

1,1

0,9

0,7

0,6

1,0

Espacio entre placas: mm

2,7

4,7 – 5,3

3,0 – 3,2

5,0

3,0

5,0 – 5,3

- Elastómeros

140

140

140

140

140

140

- Asbesto

280

-----

-----

-----

280

-----

Flujo/canal: m3/h

1,1 – 2,5

5 – 12,5

0,9 – 2,2

1,8 – 2,9

0,7 – 1,25

1,45 – 4,0

Flujo total máximo: m /h

260

400

30

140

140

65

Presión máx. de diseño: atm

12

6

11

16

16

11

kPa/HTU

Cp = KJ/m3. C

Temperatura máxima C

3

 = cst.

U = W/m2. C


k = KJ/m.h. C

P =

155


Figura 5.74 Efectividad térmica vs Número de Unidades de Transferencia (NTU) en intercambiador de placas

Figura 5.75 Coeficientes de película para intercambiadores de calor de chaqueta y serpentin.


156


Figura 5.76. Hoja de Especificaciones de Intercambiador de calor de casco y tubos

Acoplamientos: Entrada por el casco

……….

pulg

Entrada para tubos interiores: ……… pulg

Salida por el casco

……….

Pulg.

Salida de los tubos interiore


.…….. pulg.

157


Figura 5.77 Hoja de especificaciones de intercambiador de calor de doble tubo

Acoplamientos: Entrada de tubo interior:

………. pulg

Salida de interior: ……… pulg

Entrada al anulo.

………. Pul .

Salida del anulo:


.……..

ul .

158


ANEXO B Factores de conversión y constantes Acceleration

2

2

2

foot/second , meter/second , gal, galileo, inch/second 2 2 2 2 1 m/s = 3.28084 ft/s = 100 cm/s = 39.37 inch per second squared (inch/s ) 2 2 2 1 ft/s = 0.3048 m/s = 30.48 cm/s 2 2 1 g = 9.80665 m/s = 32.17405 ft/s Angle

1 circle = 360 degrees = 400 grades = 21600 minutes = 6.28318 radians = 12 signs 1 circumference = 360 degrees = 6.28318 radians 1 radian = 0.15915 circumference = 57.29578 degree = 3437.747 minute = 0.63662 quadrant = 0.15915 revolution = 206265 second Area

2

2

2

2

2

acre, are, barn, sq.ft., sq.in., foot , hectare, inch , mile , section, meter , township, yard , hectares 2 2 2 2 -7 2 1 m = 1550 in = 10.764 ft = 1.1968 yd = 3.861x10 mile 2 2 2 2 -8 2 1 ft = 0.0929 m = 144 in = 0,1111 yd = 3.587x10 mile 2 2 -4 2 -3 2 -4 2 -10 2 1 in = 6.452 cm = 6.452x10 m = 6.944x10 ft = 7.716x10 yd = 2.491x10 mile 2 2 2 2 -6 2 1 yd = 0.8361 m = 1,296 in = 9 ft = 0.3228x10 mile 2 6 2 10 2 7 2 6 2 1 mile = 2.590x10 m = 0.4015x10 in = 2.788x10 ft = 3.098x10 yd =640 Acres 2 1 acre = 1/640 square mile = 0.404686 ha (Hectares) = 4,046.86 m = 43,560.174 Sq.Ft. (Int) = 43,560 Sq.Ft. (US Survey) = 4840 Sq.Yds. = 40.46873 are 2 2 2 6 2 10 2 12 2 1 km = 10 ha = 10 m = 10 cm = 10 mm 4 2 8 2 10 2 1 ha (Hectare) = 10 m = 10 cm = 10 mm = 2.471 Acres 2 -4 2 2 1 cm = 10 m = 0.155 in 1 mm = 1.55x10 in 7 2 1 township = 36 square mile = 23040 acre = 36 section = 9.323957 10 m = 9324 hectare = 93.24 square kilometer 6 2 6 1 section = 1 square mile = 2.59 10 m = 2.59 square kilometer = 259 hectare = 3.0976 10 square yards = 640 acre = -5 1 are = 0.024711 acre (Int) = 1 sq dekameter = 1076.39 sq foot = 100 sq meter = 3.86102x10 sq mile = 119.599 sq yard -24 1 barn = 1x10 sq cm 1 centiare = 0.01 are = 10.764 sq foot = 1550 sq inch = 1 sq meter = 1.19599 sq yard -6 -6 -7 1 circular mil = 1x10 circular inch = 5.06707x10 sq cm = 7.85398x10 sq inch = 0.000507 sq mm = 0.7854 sq mill 8 1 hectare = 2.471 acre 0 100 are = 1x10 sq cm = 107639.1 sq foot = 10000 sq meter = 0.00386 sq mile = 395.367 sq rod 1 Marla = 30.25 Sq. Yards = 25.2928 Sq. Metres = 272.25 Sq. Feet = 0.00625 Acre = 0.05 Kanal Capacitance

9

15

20

1 abfarad = 1x10 farad = 1x10 microfarad = 8.98755x10 statfarad 1 farad = 1x10 abfarad = 1.00049 farads (Ínt) = 1x10 microfarad = 8.98755x10 statfarad Conductance

1 abmho = 1000 megamho = 1x109 mho = 8.98755x1020 statmho Current

1 abampere = 10 ampere = 1.03638x10-4 faraday/sec(chem) = 2.99792x1010 statampere = 1 biot 1 ampere = 0.1 abampere = 1.00015 ampere (Int) = 1 coulomb/sec = 1.03638x10-5 faraday/sec (chem) 1x106microampere = 1000 milliampere = 2.99792x109 statampere 1 ampere (Int) = 0.99985 ampere 1 biot = 10 ampere Density

kg/cubic meter, gram/centimeter3, lmb/cubic inch, lbm/cubic foot, slug/cubic foot, kg/cubic meter, lbm/gallon (US liq) 1 lb/ft3 = 16.018 kg/m3 = 0.016 g/cm3 = 0.00926 oz/in3 = 2.57 oz/gal (Imperial) = 2.139 oz/gal (U.S.) = 0.0005787 lb/in3 = 27 lb/yd3 = 0.161 lb/gal (Imperial) = 0.134 lb/gal (U.S) = 0.0121 ton/yd3 1 slug/ft3 = 515.379 kg/m3 1 kg/l = 62.43 lb/ft3 1 kg/m3 = 0.001 g/cm3 = 0.0005780 oz/in3 = 0.16036 oz/gal (Imperial) = 0.1335 oz/gal (U.S.) = 0.0624 lb/ft3 = 3.6127x10 lb/in3 =1.6856 lb/yd3 = 0.010022 lb/gal = 0.008345 lb/gal (U.S) = 0.0007525 ton/yd3 Energy, Unit of Heat

British Thermal Unit (Btu), calorie, joule, kilojoule, electron volt, erg, foot lbf, foot poundal, kilocalorie, kilowatt hour , watt hour, 1 J (Joule) = 0,1020 kpm = 2.778x10-7 kWh = 2.389x10-4 kcal = 0.7376 ft lbf = 1 (kg m2)/s2 = 1 watt second = 1 Nm = 9.478x10-4 Btu


159


1 kpm = 9.80665 J = 2.724x10-6 kWh = 2.342x10-3 kcal = 7.233 ft lbf = 9.295x10-3 Btu 1 kWh = 3.6x106 J = 3.671x105 kpm = 859.9 kcal = 2 .656x106 ft lbf = 3.412x103 Btu 1 kJ = 1 kNm = 1kWs = 103 J = 0.947813 Btu = 737.6 ft lbf = 0.23884 kcal -4 1 Btu (British thermal unit) = 1,055.06 J = 107.6 kpm = 2.92875x10 kWh = 251.996 calorie (IT - International Table 10 calorie) = 0.252 kcal = 777.649 ft lbf = 1.0544x10 erg = 0.293 watt hour = 0.999331 Btu (Int Steam Tab) = 0.998560 7 Btu (mean) = 25020.1 foot-poundal = 107.514 kg force meter = 1.0751x10 gram-force cm = 0.000393 hp-hour = 10.456 liter atm = 1054.35 wattsecond 1 cal = 4.186 J -3 1 kcal = 4186,8 J = 426,9 kp m = 1.163x10 kWh = 3.088 ft lbf = 3.9683 Btu = 1,000 cal -7 -4 -3 1 ft lbf (foot pound force) = 1.3558 J = 0.1383 kp m = 3.7 66x10 kWh = 3.238x10 kcal = 1.285x10 Btu 6 1 hp h (horse power hour) = 2.6846x10 J = 0.7457 kWh 2 2 -7 1 erg = 1 (g cm )/s = 10 J = 1 dyne-centimeter -19 1 eV = 1.602x10 J 18 21 1 Q = 10 Btu = 1.055x10 J 15 1 Quad = 10 Btu 1 Therm = 100,000 Btu 1 kg m = 7.233 ft lb = 0.00929 Btu = 9.806 Joule Energy per unit mass

1 kJ/kg = 1 J/g = 0.4299 Btu/ lbm = 0.23884 kcal/kg 1 Btu/lbm = 2.326 kJ/kg = 0.55 kcal/kg 1 kcal/kg = 4.1868 kJ/kg = 1.8 Btu/lbm Energy per unit volume

1 Btu/US gal = 278.7 Btu/liter Flow - see Volume flow Force

dyne, kilogram force (kgf), kilopound force, kip, lbf (pound force), ounce force (avoirdupois), poundal, newton 2 5 1 N (Newton) = 0.1020 kp = 7.233 pdl = 7.233/32.174 lb f = 0.2248 lbf = 1 (kg m)/s = 10 dyne = 1/9.80665 kgf 5 1 lbf (Pound force) = 4.44822 N = 0.4536 kp = 32.17 pdl = 4.448x10 dyn 2 1 dyne = 1 (g cm)/s 1 kg has a weight of 1 kp 1 kp (Kilopond) = 9.80665 N = 2.205 lb f = 70.93 pdl 1 pdl (Poundal) = 0.13826 N = 0.01409 kp = 0.03108 lb f Frequency

1 hertz = 1 cycle/sec Heat flow rate

1 Btu/sec = 1,055.1 W 6

1 kW (kJ/s) = 102.0 kpm/s = 859.9 kcal/h = 3,413 Btu/h = 1.360 hk = 1.341 hp = 738 ft lb/s = 1,000 J/s = 3.6x10 J/h -3 1 kpm/s = 9.8067x10 kW = 8.432 kcal/h = 32.47 Btu/h = 0.01333 hk = 0.01316 hp = 7.237 ft lb/s -3 -3 -3 1 kcal/h = 1.163x10 kW = 0.1186 kpm/s = 3.969 Btu/h = 1.582x10 hk = 1.560x10 hp = 0.8583 ft lb/s -4 -4 -4 1 Btu/h = 2.931x10 kW = 0.0299 kpm/s = 0.252 kcal/h = 3.986x10 hk = 3.939x10 hp = 0.2163 ft lb/s -3 1 kcal/h = 1.16x10 kW 1 hk (metric horse power) =0.735499 kW =75.00 kpm/s =632.5 kcal/h =2,510 Btu/h =0.9863 hp =542.8 ft lb/s 1 hp = 0.74570 kW = 76.04 kpm/s = 641.2 kcal/h = 2,545 Btu/h = 1.014 hk = 550.3 ft lb/s -3 -3 1 ft lb/s=1.35501 kW=0.1382 kpm/s=1.165 kcal/h = 4.625 Btu/h = 1.843x10 hk = 1.817x10 hp 1 ton of refrigeration = 200 Btu/min Heat flux 2

2

4

2

1 Btu/ft = 2.713 kcal/m = 2.043x10 J/m K 1 Btu/ ft h = 3.1525 W/m 2o 2 4 2 1 Btu/ft F = 4.88 kcal/m K = 2.043x10 J/m K 2 2 1 kcal/m = 0.369 Btu/ft o 1 kcal/m K = 0.205 Btu/ft F Heat generation per unit volume 3

3

4

3

1 Btu/ft = 8.9 kcal/m = 3.73x10 J/m 1 Btu/ft h = 10.343 W/m 3 3 1 kcal/m = 0.112 Btu/ft Heat generation per unit mass

1 Btu/lb = 0.556 kcal/kg = 2,326 J/kg 1 kcal/kg = 1.800 Btu/lb Heat transfer coefficient 2

o

2

2o

1 Btu/ft h F = 5.678 W/m K = 4.882 kcal/h m C o o 1 W/m K = 0.85984 kcal/h m C = 0.1761 Btu/ ft h F 2o 2 2 o 1 kcal/h m C = 1.163 W/m K = 0.205 Btu/ ft h F


160


Hydraulic Gradients

1 ftH2O/100 ft = 0.44 psi/100 ft = 9.8 kPa/100 m = 1000 mmH 2O/100 m 1 psi/100 ft = 2.3 ftH2O/100 ft = 2288 mmH2O/100 ft = 22.46 kPa/100 m Inductance

-9

abhenry = 1x10 henry nery = 1x10 abhenry = 0.9995 henry (Int) = 1000 millihenry = 1.113x10 stathenry Information Storage

1 bit = 0.125 byte (computers)

1 byte = 8 bit

Length

feet, meters, centimeters, kilometers, miles, furlongs, yards, micrometers, inches,angstrom, cubit, fathom, foot, hand, league, light year, micron, mil, nautical mile, rod, -4 1 m (meter) = 3.2808 ft = 39.37 in = 1.0936 yd = 6.214x10 mile 1 km = 0.6214 mile = 3281 ft = 1094 yds -5 1 in (inch) = 25.4 mm = 2.54 cm = 0.0254 m = 0 .08333 ft = 0.02778 yd = 1.578x10 mile 1 ft (foot) = 0.3048 m = 12 in = 0.3333 yd = 1.894x10 mile = 30.48 cm = 304.8 mm -3 1 mm = 10 m -2 8 1 cm = 10 m = 0.3937 in = 0.0328 ft = 1x10 Angstrom = 0.03281 foot = 0.0984 hand (horses) = 0.3937 inch = 1x10 5 -6 kilometer = 0.0497 link (Gunter) = 0.0328 (Ramden) = 1000 micrometer = 10000 micron = 5.3996x10 mile (naut) = -6 7 6.2137x10 mile (US statute) = 10 millimeter = 1x10 millimicron = 393.7 mil = 2.371 picas (printers) 28.4528 point (printers) = 0.00199 rod (US Survey) = 0.01094 yard 1 mm = 0.03937 in = 1000 micron -10 -8 -9 -4 1 Aangstrom = 10 m = 1x10 cm = 3.937x10 inch = 1x10 micrometer = 0.0001 micron = 0.1 millimicron 1 mile = 1.6093 km = 1,609.3 m = 63,346 in = 5,280 ft = 1,760 yd 1 mil (Norway and Sweden) = 10 kilometres 1 nm (nautical mile, sea mile) = 1,852 metres = 1.151 mile = 6076.1 feet = 0.016667 degree of latitude -4 1 yd (yard) = 0.9144 m = 36 in = 3 ft = 5.682x10 mile 1 Furlong = 660 feet = 40 rods = 1/8 mile 1 rod = 5.5 yards 1 land league = 3 miles 1 Fathom = 6 feet = 1.828804 meters 8 1 astronomical unit = 1.496x10 kilometer 1 cable (UK) = 0.00167 degree latitude = 185.37 meter 1 cable length (US Survey) = 120 fathom (US Survey) = 720 foot (US Survey) = 219.456 meter 1 caliber = 0.01 inch = 0.254 mm 1 chain (Gunter or US Survey) = 2011.7 centimeter = 66.00013 foot = 66 foot (US Survey) = 0.1 Furlong (US Survey) = 792 inch (US Survey) = 100 link (Gunter) = 66.00013 link (Ramden) = 20.117 meter = 0.0125 mile (US statute) = 4 rod (US Survey) = 22 yard (US Survey) 1 light year = 63241.08 astronomical unit = 9.46073x10 kilometer = 5.8786x10 mile (US)=0.306601 parsec Luminous Emittance (Illuminance)

4

1 lumen/sq ft = 1 foot candle = 1x10 lux = 1 phot 1 lux = 0.0929 foot candle = 1 lumen /sq meter = 0.0001 phot Luminous Intensity

1 candela = 1.091 hefner candle (Germ) = 1 lumen/steradian Magnetic Flux Density -5

-6

-9

1 gamma flux = 1x10 gauss = 1 x10 gram = 1 microgram = 1x10 tesla 5 1 gauss = 0.9997 gauss (Int) = 1x10 gamma =1 gilbert/cm = 1 maxwell/sq cm = 1 line/sq cm = 6.4516 line/sq inch = -4 -8 -8 -4 1x10 tesla = 1x10 weber/sq cm = 6.452x10 weber/sq inch = 1x10 weber/sq meter Magnitude of Physical Quantity (Power or intensity relative to a specified or implied reference level)

1 bel = 10 decibel 1 decibel = 0.1 bel Mass, Weight

pounds, kilograms, grams, ounces, grains, tons (long), tons (short), tons (metric), carat, grain, ounce mass, pound mass (lbm), slug, tonne -2 1 kg = 1,000 gram = 2.2046 lb = 6.8521x10 slug 1 lbm = 16 oz = 0.4536 kg = 453.6 g = 7000 grains = 0.03108 slug 1 slug = 14.594 kg = 32.174 lbm 1 grain = 0.000143 lb = 0.0648 g 1 g = 15.43 grains = 0.0353 oz = 0.002205 lb 1 qt = 0.9464 liters


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Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Ind. Alimentarias Diseño de Planas Industriales – Transferencia de calor 6

9

1 metric ton (or tonne) = 1 tonne métrique = 1000 kg = 10 g = 10 mg = 1.10231131 short tons 1 short ton = 2000 lbs = 907.18474 kg 1 long ton = 2240 pounds = 1,016.0469088 kg 1 oz (ounce) = 28.35 g = 437.5 grains = 0.0625 lb = 0.0000279 long ton (UK) = 0.00003125 long ton (US) = 0.000558 long hundredweight (UK) = 0.000625 long hundredweight (US) = 0.004464 stone = 16 dram 1 troy pound = 12 troy ounces 1 troy ounce = 1/12 troy pound = 31.1034768 grams = 480 grains 1 scruple = 20 grains 1 dram = 3 scruples 1 apothecary ounce = 8 drams 1 apothecary pound = 12 apothecary ounces 1 pennyweight = 24 grains 1 Gal. H2O = 8.33 Lbs. H2O 1 cental (US) = 45.359 kilogram = 100 pound 1 carat (metric) = 3.0865 grain = 0.2 gram = 200 milligram 1 hectogram = 100 gram = 0.26769 pound (apoth or troy) = 0.2205 pound (avdp) Mass flow rate

-4

1 lb/h = 1.26x10 kg/s 1 lb/s = 0.4536 kg/s -3 1 lb/min = 7.56x10 kg/s = 27.216 kg/s 1 kg/s = 3,600 kg/h = 132.28 lb/min 1 kg/h = 2.778x10 kg/s = 3.67x10 lb/min Moment of Inertia 2

2

2

2

1 kg m = 10000 kg cm = 54675 ounce in = 3417.2 lb in = 23.73 lb ft

2

Power

horsepower, kilowatt, watt, btu/second, calorie/second, foot lbf/second, kilocalorie/second 1 W = 1 kg m /s = 1 Nm/s = 1 J/s = 10,000,000 ergs per second 3 1 kW = 1,000 Watts = 3,412 Btu/h = 737.6/550 British hp = 1.341 British hp = 10 /9.80665 kgf m/s = 737.6 ft lb f /s = 3 10 /(9.80665 75) metric hp 1 hp (English horse power) = 745.7 W = 0.746 kW = 550 ft lb/s = 2,545 Btu/h = 33.000 ft lb/m = 1.0139 metric h orse power ~= 1.0 KVA. 5

1 horsepower (mech) = 2542.47 Btu (mean)/hr = 42.375 Btu (mean)/min = 0.7062 Btu (mean)/sec = 6.416x10 calorie/hr (termo) = 5 5 6.412x10 calorie (IST)/hr = 6.4069x10 calorie(mean)/hr = 10694 calorie/min (thermo) = 10686 calorie (IST)/min = 10678 calorie (mean)/min = 10.686 calorie, kg/min (IST) = 7.457x10 9erg/sec = 1980000 foot pound-force/hr = 33000 foot pound-force/min = 550 foot pound-force/sec = 0.076 horsepower (boiler) = 0.9996 horsepower (electric) = 1.0139 horsepower (metric) = 745.7 joule/sec = 0.7457 kilowatt = 0.7456 kilowatt (Int) = 0.212 ton of refrigeration = 745.7 watt 1 horsepower (boiler) = 33445.6 Btu (mean)/hr = 140671.6 calorie/min (thermo) = 140469.4 calorie (mean)/min = 140742.3 calori e o 10 (20 C)/min 9.8095x10 erg/sec = 434107 foot-pound-force/min = 13.1548 horsepower (mech) = 13.1495 horsepower (electric) = 13.3372 horsepower (metric) = 13.1487 horsepower (water) = 9809.5 joule/sec = 9.8095 kilowatt

1 horsepower (electric) = 2547.16 Btu/hr (thermo) = 2545.46 Btu (IST)/hr = 2543.49 Btu (mean)/hr = 178.298 9 calorie/sec (thermo) = 641.87 calorie, kg/hr (thermo) = 7.46x10 erg/sec = 33013 foot pound-force/min = 550.2 foot pound-force/sec = 1.0004 horsepower (mech) = 0.07605 horsepower (boiler) = 1.01428 horsepower (metric) = 0.99994 horsepower (water) = 746 joule/sec = 0.746 kilowatt = 746 watt. Power per unit area 2

2

2

1 W/m = 0.3170 Btu/(h ft ) = 0.85984 kcal/(h m ) Pressure

2

atmosphere, centimeters of mercury, foot of water, bar, barye, centimeter of water, dyne/centimeter , inch of mercury, 2 2 2 2 inch of water, kgf/centimeter , kgf/meter , lbf/foot , lbf/inch (psi), millibar, millimeter of mercury, pascal, torr, 2 newton/meter Standard Atmospheric Pressure 1 atm = 101.325 kN/m2 = 1.01325 bar = 101.325 kPa = 14.7 psia = 0 psig = 29.92 in Hg = 760 torr = 33.95 Ft.H2O = 407.2 In.W.G (Water Gauge) = 2116.8 Lbs./Sq.Ft. 1 N/m = 1 Pa = 1.4504x10 lb/in = 1x10 bar = 4.03x10 in water = 0.336x10 ft water = 0.1024 mm water = -3 -3 2 -5 0.295x10 in mercury = 7.55x10 mm mercury = 0.1024 kg/m = 0.993x10 atm -6 2 -5 2 -4 -6 -4 2 1 Pa = 10 N/mm = 10 bar = 0.1020 kp/m = 1.02x10 m H2O = 9.869x10 atm = 1.45x10 psi (lbf/in ) 1 N/mm = 10 Pa = 10 bar = 1.020x10 kp/m = 102.0 m H2O = 9.869 atm = 145.0 psi (lbf/in ) 2 1 mmHg = 1 torr = 0.01934 lb/in 1 atm = 101,325 Pa (N/m ) = 1.013x10 kN/m = 1.033x10 kp/m = 1.033 kp/cm = 1.013 bar = 14.696 psi (lb/in ) = 0 o 0 o 0 o 0 407.1 in H2O at 62 F (16.7 C) = 33.9 ft H 2O at 62 F (16.7 C) = 10.33 m H2O at 62 F (16.7 C) = 29.92 in mercury at 62 F o 0 o (16.7 C) = 760 mm mercury at 62 F (16.7 C) = 760 torr 1 bar = 1x10 Pa (N/m ) = 0.1 N/mm = 10,197 kp/m = 10.20 m H2O = 0.98692 atm = 14.5038 psi (lb f /in ) = 6 6 o o 1x10 dyne/sq cm = 750 mmHg = 1x10 barye (French) = 75.0062 cm Hg (0 C) = 33.4883 ft H2O (60 F) = 1019.72 gramo force/sq cm = 29.530 in Hg (32 F) = 1.01972 kg-force/sq cm = 1000 millibar = 2088.54 pound-force/sq foot 1 kp/m = 9.81 Pa (N/m ) = 9.807x10 N/mm = 10 m H2O = 1 mm H2O = 0.9681x10 atm = 1.422x10 psi (lb/in ) = 0.0394 in H2O = 0.0736 mm mercury


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Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Ind. Alimentarias Diseño de Planas Industriales – Transferencia de calor 2

2

2

-3

2

-2

o

1 psi (lb/in ) = 144 psf (lb f /ft ) = 6,894.8 Pa (N/m ) = 6.895x10 N/mm = 6.895x10 bar = 27.71 in H 2O at 62 F o o o o o o o (16.7 C) = 703.1 mm H2O at 62 F (16.7 C) = 2.0416 in mercury at 62 F (16.7 C) = 51.8 mm mercury at 62 F (16.7 C) = 2 703.6 kg/m = 0.06895 atm = 2.307 Ft. H 2O = 16 ounces 2 2 2 1 psf (lbf /ft ) = 47.88 N/m (Pa) = 0.006944 lb f /in (psi) 2 -7 2 1 dyn/cm = 145.04x10 lbf /in 2 2 1 in mercury (Hg) = 3,376.8 N/m = 0.49 lb/in = 12.8 in water 1 Ounce = 1.73 In.W.C. 1 Ft.H2O = 0.4335 psi = 62.43 Lbs./Sq.Ft. 2 2 2 1 in water = 248.8 N/m = 0.0361 lb/in = 25.4 kg/m = 0.0739 in mercury -3 2 2 2 1 m H2O = 9806.7 Pa = 9.807x10 N/mm = 0.0987 bar = 1,000 kp/m = 0.09678 atm = 1.422 psi (lb f /in ) 2 2 -4 1 mm water = 9.81 Pa (N/m ) = 1 kg/m = 0.0736 mm mercury = 0.9677x10 atm 2 2 1 mm mercury = 0.0193 lb/in = 133 N/m = 12.8 mm water 1 barye (French) = 1.0 dyne/sq cm = 0.10 newton/sq meter = 0.10 Pascal Note! When using pressure units based on liquid columns (like mm Water, in Water, mm Hg ...) - be aware that densities of liquids varies with temperature. For more exact conversions consult temperature density sources for the actual liquids.

Rotation, revolutions,

1 r/min (rpm) = 0.01667 r/s = 0.105 rad/s 1 rad/s = 9.55 r/min (rpm) = 0.159 r/s (rps) Specific energy, enthalpy, entropy

-4

2

3

1 Btu/lbm = 2,326.1 J/kg = 0.55556 kcal/kg = 778.2 ft lb f / lbm = 3.9 10 hp hr / lbm = 5.4 lbf /in / lbm/ft = 0.237 kp m / -4 g = 5.56 10 kcal/g = 2.326 kJ/kg 1 J/kg = 4.299x10 Btu/lbm = 2.388x10 kcal/kg 1 kcal/kg = 1.80 Btu/lbm = 4,187 J/kg Specific heat capacity

-

o

-

o

1 J/(kg K) = 2.389x10 kcal/(kg C) = 2.389x10 Btu/(lbm F) o o 1 kJ/(kg K) = 0.2389 kcal/(kg C) = 0.2389 Btu/(lbm F) o o 1 Btu/(lbm F) = 4,186.8 J/ (kg K) = 1 kcal/(kg C) o o 1 kcal/(kg C) = 4,186.8 J/ (kg K) = 1 Btu/(lb m F)



Specific Energy

1 kJ/kg = 1 J/g = 0.4299 Btu/ lb m = 0.23884 kcal/kg 1 Btu/lbm = 2.326 kJ/kg = 0.55 kcal/kg 1 kcal/kg = 4.1868 kJ/kg = 1.8 Btu/lbm Specific Volume 3

3

3

1 m /kg = 16.02 ft /lbm = 27680 in /lbm = 119.8 US gal/lbm = 1000 liter/kg 3 3 3 1 liter/kg = 0.016 ft /lbm = 27.7 in /lbm = 0.12 US gal/lbm = 0.001 m /kg 1 ft /lbm = 1728 in /lbm = 7.48 US gal/lbm = 62.43 liter/kg = 0.062 m /kg 3 3 3 1 in /lbm = 0.00058 ft /lbm = 0.0043 US gal/lbm = 0.036 liter/kg = 0.000036 m /kg 3 3 3 1 US gal/lb m = 0.134 ft /lbm = 231 in /lbm = 8.35 liter/kg = 0.0083 m /kg


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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

James R. Welty, "Transferencias de Calor Aplicada a la Ingeniería", Editorial Limusa, , primera edición. "Termodinámica Aplicada", Editorial McGraw - Hill, primera edición. Helsdon R.M., "Termodinámica Aplicada", Editorial Ediciones URMO, primera edición. Kern, Donal , “Transferencia de Calor” 5ta Ed, Edit. McGraw Hill Book Co. Inc. New York 1993. Holman, P,, “Transferencia de calor”, Edit. Mc GrawHill, Octava Edición, España 1999. Max Peter and Timmerhaus “ Plant Desing Economics for Chemical Engineers” 4 th

edition. Mc Graw Hill Book Co. Inc New York 1991 Kuppan, T. Heat Exchanger Design Handbook. Ed. Columbu, Madras , India. 2000 Lindhard, J. a HEAT Transfer Texbook. 3ra Edition Edit Phlogiston. USA. January 2005 Jhons Edwards, Design Rating Shell and Tube Heat Exchanger . UK. 2005


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INDICE


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Manual Intercambiadores de Calor

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