9. diseño de un condensador multitubular
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UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIATRANSFERENCIA DE CALOR
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química
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DISEÑO DE UN CONDENSADOR MULTITUBULAR.
1. Balance Térmico.
Si se consideran solo efectos latentes en el servicio y en el producto no hay cambio de fase.
Para el uso de diagramas utilizar para el servicio.
2. Cálculo del :
∑
3. Datos del Equipo
CORAZA TUBOS
Diámetro interno de coraza (DI) [in] N° (NT) y Largo (LT) tubos
Espacio entre deflectores (B) [in] Diámetro externo (do) e interno (di), BMG [in]
Número de pasos Tipo de arregloPitch (PT), Claridad (C’) [in] N° de pasos
4. Criterios de Diseño (Previo al cálculo de Áreas)
Definir diámetro de tubos (utilizar BMG para la relación entre diámetro interno (d i) y diámetroexterno (do), P. 948).Definir Número de pasos, Tipo de Arreglo y Claridad (C’). Definir Diámetro de Coraza (DI).Definir Número de Tubos en relación al DI, do, N° pasos, Tipo de Arreglo (P. 946, 947).Definir Separación de los Baffles (B) (no mayor a DI, ni menor a 1/5 DI).
5. Dimensionamiento
CORAZA TUBOS
Área de Flujo (ac ):
Pitch (PT ):
Diámetro Equivalente (Deq ):
Área de Flujo (at ):
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Velocidad de coraza (v c ):
[ ]
Velocidad de tubos (v t ):
[ ]
Coeficientes de Transferencia de Calor para la Coraza.
o El fluido que condensa generalmente fluye por la coraza, si fluyera por los tubos, éstos se
inundarían.
o Las pérdidas del ambiente en la coraza, contribuyen al fluido condensante a condensar.
o Flujo Total de Condensado W [lb/h]
- Para condensadores horizontales.
Donde el factor de carga por tubo (:
[
] Finalmente
- Para condensadores verticales.
Donde el factor de carga por tubo (:
[ ] Finalmente
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Coeficientes de Transferencia de Calor para los tubos.
o Para cualquier tipo de fluidos
Números Adimensionales:
[
]
o Para agua usar:
[
]
[
] Coeficiente de T. Calor corregido (ht*):
[
]
CORAZA TUBOS
Factor de Ensuciamiento de Coraza (Rd c ):
Factor de Ensuciamiento de tubos (Rd t ):
Área de Transferencia de Calor Disponible (ATC,disponible )
Coeficiente Global de Transferencia de Calor (U)
(
) [ ]
Área de Transferencia de Calor Requerida (ATC,requerida )
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6. Caída de Presión
CORAZA TUBOS
f C : factor de fricción en la coraza f T : factor de fricción en los tubos
N° de cruces:
Flujo másico (masa-velocidad) en la coraza:
[
] Flujo másico (masa-velocidad) en los tubos:
[
] Caída de Presión por la coraza:
[
]
Caída de Presión por los tubos:
[
]
() [ ]
n: Número de pasos en los tubosV: velocidad [ft/s]
s : gravedad específica (ϒfluido / ϒagua = ρfluido / ρagua)g : aceleración de gravedad (32,17 [ft/s
2])
Notas:
o Para arreglos triangulares
o Para factores de fricción por los tubos utilizar Apéndices p.941
o Para factores de fricción por la coraza utilizar Apéndices p.944
o Para coeficientes de ensuciamiento utilizar Apéndices p.950-951-952
7. Relaciones y recomendaciones
Relaciones de Flujo:
o Para condensadores de cualquier tipo
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o Para los coeficientes de transferencia de calor por los tubos
o Para la caída de presión tanto los tubos como en la coraza.
Relación condensadores verticales y horizontales.
(
)
Los condensadores horizontales tienen mayor coeficiente de transferencia de calor, además son
menos costosos debido a que necesitan menos soporte estructural (para tubos horizontales, se
requieren longitudes más cortas). Finalmente los condensadores horizontales son más fáciles demantener y limpiar (la posición horizontal es más accesible que la vertical).
Diseño general.
o La velocidad de flujo recomendada para el agua (en general líquidos) es de 1-3 [m/s]. Para el aire
(en general gases) es de 10 [m/s].
Sobredimensionamiento del Área.
o El porcentaje de sobredimensionamiento debe estar entorno al 10%.
o Al momento de calcular el flujo máximo, se debe considerar el Área Disponible.
Caída de Presión.
CONDICION CAIDA DE PRESION PERMISIBLE
Por el lado del agua (enfriadores, condensadores,intercambiadores (coraza) en serie)
10 [psi] (se requiere para alcanzar velocidad mínima(limitante) del agua de enfriamiento 5 [ft/s]
Fluidos en general (que intercambian calor)
5 a 25 [psi]. Usualmente se permite un mínimo de 5
[psi] por intercambiador (carcasa) en serie.Unidades a baja presión, alimentación combinada,con dos o más pasos por los tubos
2 [psi]
Unidades a alta presión 5 [psi]Condensadores a presión atmosférica 1 a 5 [psi]
Condensadores en vacío 10 a 25 [mm Hg]
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8. Algunas conversiones útiles.
Longitud
m in ft
m 1 39,4 3,28
in 0,0254 1 0,084ft 0,3 12 1
Masa
lb Kg grs
lb 1 0,454 453,6
Kg 2,2 1 1000
grs 0,0022 0,001 1
Superficie
m2 in ft
2
m2 1 1550 10,76
in 0,000645 1 0,0069
ft2 0,093 144 1
Potencia – Flujo de Calor
W kcal/h BTU/h hp
W 1 0,86 3,4 0,0013
kcal/h 1,16 1 3,9657 0,0015
BTU/h 0,2926 0,252 1 0,00039
hp 745,7 641,62 2545 1
Energía
Joule Kwh kcal BTU
Joule 1 2,777E-07 0,00024 0,000948
Kwh 3600000 1 860,4 3412,2
kcal 4184 0,00116 1 3,9657
BTU 1055 0,0003 0,2522 1
Coeficiente de Transferencia de Calor
W/m2.K BTU/h.ft2.F kcal/h.m2.ºC
W/m2.K 1 0,1761 0,86
BTU/h.ft2.ºF 5,678 1 4,882
kcal/h.m2.ºC 1,163 0,2048 1
Presión
bar Pa atm psi(lb/plg2) kgf/cm2 mmHg plgHg
bar 1 100000 98690 14,504 1,0197 750,06 29,526
Pa 0,00001 1 0,00000987 0,00014504 1,0197E-05 0,0075006 0,0002952
atm 1,013 101300 1 14,696 1,033 760 29,92psi(lb/plg2) 0,06894 6894,7 0,06804 1 0,07031 51,715 2,036
kgf/cm2 0,9807 98068 0,9678 14,22 1 735,6 28,96
mmHg 0,001333 133,32 0,001315 0,01933 0,0013594 1 0,03937
plgHg 0,033864 3386,4 0,0334 0,49116 0,03453 25,4 1
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Tabla N°10, Página 948
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Tabla N°9 – Página 946, 947.
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Apéndice Página 94: Factor de fricción por los tubos
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Apéndice Página 944: Factor de fricción por el lado de la coraza (deflectores segmentados 25%)
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Tabla N°12 – Factores de obstrucción (continua en P.950)
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ANEXO 3. Valores de diseño aproximados de coeficiente global de transferencia de calor.
o Los valores de coeficientes globales de transferencia de calor están basados principalmente en
resultados obtenidos en la ingeniería práctica. Los valores son aproximados porque variaciones en
factores como las velocidades de los fluidos, cantidad de gases no condensables, presión de
operación entre otros pueden tener efectos significantes sobre los coeficientes.
o Los valores superiores en los coeficientes para enfriadores pueden ser utilizados para
condensadores mientras que los valores superiores en los coeficientes para calentadores pueden
ser utilizadas para evaporadores.
Fluido Caliente Fluido Frío Ud [W/m2·K] Ud [btu/h·ft
2·°F] Ud [kcal/h·m
2·°C]
Enfriadores
Agua Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150
Metanol Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150
Amoniaco Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150
Soluciones Acuosas Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150Orgánicos ligeros
(1) Agua 375 - 750 66 - 132 322 - 645
Orgánicos medios(2)
Agua 250 - 600 44 - 106 215 - 516
Orgánicos pesados(3)
Agua 25 - 375 4 - 66 22 - 323
Gases Agua 10 - 250 2 - 44 9 - 215
Agua Salmuera 500 - 1000 88 - 176 430 - 860
Orgánicos ligeros Salmuera 200 - 500 35 - 88 172 - 430
Calentadores
Vapor Agua 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010
Vapor Metanol 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010
Vapor Amoníaco 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010
Vapor Soluciones Acuosasμ < 2·10-3 Pa·s 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010
μ > 2·10-3 Pa·s 500 - 2500 88 - 440 430 - 2150
Vapor Orgánicos ligeros 500 - 1000 88 - 176 430 - 860
Vapor Orgánicos medios 250 - 500 44 - 88 215 - 430
Vapor Orgánicos pesados 30 - 300 5 - 53 26 - 258
Vapor Gases 20 - 200 4 - 35 17 - 172
Intercambiadores (Sin cambio de fase)
Agua Agua 1400 - 2850 247 - 502 1204 - 2451
Soluciones acuosas Soluciones Acuosas 1400 - 2850 247 - 502 1204 - 2451
Orgánicos ligeros Orgánicos ligeros 300 - 425 53 - 75 258 - 366
Orgánicos medios Orgánicos medios 100 - 300 18 - 53 86 - 258
Orgánicos pesados Orgánicos pesados 50 - 200 9 - 35 43 - 172
Orgánicos pesados Orgánicos pesados 150 - 300 26 - 53 129 - 258
Orgánicos ligeros Orgánicos ligeros 50 - 200 9 - 35 43 - 172
(1) Hidrocarburos hasta C8, gasolina, alcoholes ligeros, cetonas μ < 0,5 ·10-3 Pa·s
(2) Aceite de absorción, gas de petróleo caliente, kerosene, crudo ligeros 0,5 ·10 -3 Pa·s < μ < 2,5 ·10-3 Pa·s) Aceites lubricantes, fuel oil, gas de petróleo frío, crudos pesados 2,5 ·10 - Pa·s
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