INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD AZCAPOTZALCO
ANTEPROYECTO DE UN
INTERCAMBIADOR DE CALOR TIPO
DOBLE TUBO PARA SU
FABRICACIÓN EN MÉXICO
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
ASESOR:
ING. SAÚL RIVERA ZAMORA
P R E S E N T A:
RODOLFO HERNÁNDEZ ALMASO ALVARO ARRIAGA JIMENEZ
MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE DE 2013
INGENIERO MECÁNICO
i
Índice General. Pág.
Índice de Figuras. Pág. iii
Índice de Tablas. Pág. iv
Resumen. v
Objetivo. vi
Justificación. vi
Introducción. vii
CAPÍTULO I 10
GENERALIDADES. 10
1.1. Intercambiador de calor. 11
1.2. Tipos de intercambiadores de calor según su construcción. 12
1.2.1. Doble tubo. 12
1.2.2. Tubo y coraza. 13
1.2.3. Intercambiador tipo plato. 17
1.3. Tipos de intercambiadores de calor según su operación. 18
1.3.1. Intercambiador de flujo paralelo o co-corriente. 19
1.3.2. Intercambiador en contraflujo. 19
1.3.3. Intercambiador de flujo cruzado. 20
1.3.4. Intercambiadores de un solo paso y de múltiples pasos. 21
1.3.5. Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos. 22
CAPÍTULO II 24
MARCO TEÓRICO. 24
2.1. Transferencia de calor. 25
2.2. Teorías del calor. 25
2.3. Mecanismos de la transferencia de calor. 26
2.3.1. Conducción. 26
2.3.2. Convección. 27
2.3.3. Radiación. 28
2.4. Procesos de transferencia de calor. 28
CAPÍTULO III. 31
DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO 31
3.1. Principales componentes de un intercambiador de calor tipo doble tubo. 32
3.2. Transferencia de calor en un intercambiador. 34
3.2.1. Número de Nusselt (Nu). 35
3.2.2. Número de Reynolds (Re). 35
ii
3.2.3. Número de Prandtl (Pr). 35
3.3. Coeficiente global de transferencia de calor. 36
3.4. Condiciones de flujo. 36
3.5. Velocidad media. 37
3.6. Diferencia de temperatura media logarítmica. 39
3.6.1. Intercambiador de calor de flujo paralelo. 40
3.6.2. Intercambiador de calor en contraflujo. 43
CAPÍTULO IV 45
MEMORIA DE CÁLCULO. 45
4.1. Criterios de diseño. 46
4.2. Cálculo Térmico. 47
4.3. Cálculo hidráulico. 57
4.4. Cálculo mecánico. 61
4.5. Soldadura. 67
4.5.1. Representación del intercambiador de calor. 71
CAPÍTULO V 73
ANÁLISIS ECONÓMICO 73
5.1. Costos de materiales. 74
5.2. Costos de ingeniería. 75
5.3. Costos de mano de obra. 76
5.4. Costo total del proyecto. 77
5.5. Evaluación del intercambiador de calor con y sin aislamiento. 77
5.5.1. Perdida de calor del intercambiador sin aislamiento. 77
5.5.2. Pérdida de calor del I.C. con aislamiento. 81
5.5.3. Comparación de datos obtenidos. 85
Conclusiones. 87
Nomenclatura. 88
Glosario. 90
Referencias bibliográficas. 92
Referencias electrónicas. 92
ANEXOS 93
iii
Índice de Figuras. Pág.
Fig. A) Arreglo de pasos en un intercambiador. viii
Fig. 1.1. Intercambiador de calor tipo doble tubo. 12
Fig. 1.2. Partes representativas de algunos componentes de un intercambiador de tubo y coraza. 13
Fig. 1.3. Nomenclatura de componentes para intercambiadores de calor, Asociación de
manufactureros de intercambiadores tubulares (TEMA). 15
Fig. 1.4. Partes y conexiones típicas de intercambiadores de calor. 17
Fig. 1.5. Intercambiador de calor de tipo plato. 18
Fig. 1.6. Intercambiador de calor de flujo paralelo. 19
Fig. 1.7. Intercambiador de Contraflujo. 20
Fig. 1.8. Intercambiador de calor de flujo cruzado. 20
Fig. 1.9. Intercambiador de un solo paso e intercambiador de múltiples pasos. 21
Fig. 1.10. a) Intercambiador regenerativo; b) Intercambiador no-regenerativo. 23
Fig. 2.1. Flujo de calor a través de una pared. 26
Fig. 3.1. Áreas de flujo en un intercambiador de calor tipo doble tubo. 32
Fig. 3.2. Intercambiador de calor de doble tubo. 1-Codo. 2, 3, 5, 6-Prensa estopa. 4-Cabezal de
retorno. 7-“T”. 32
Fig. 3.3. Intercambiador en serie (unión de dos o más horquillas. 33
Fig. 3.4. Desarrollo de la capa limite [4]. 37
Fig. 3.5. Balance global de energía para los fluidos caliente y frio de un intercambiador de calor [4]. 39
Fig. 3.6. Distribución de temperatura en flujo paralelo [4]. 41
Fig. 3.7. Distribución de temperatura en contraflujo [4]. 43
Fig. 4.1. Eficiencia de soldaduras. 67
Fig. 4.2. Símbolos para la representación de soldaduras. 69
Fig. 4.3 Símbolos graficos para representacion de soldaura. 70
Fig.4.4. Representación del intercambiador de calor ensamblado. 71
Fig. 5.1. Perfil del tubo exterior, es decir el de 2 pulgadas sin aislamiento. 78
Fig. 5.2. Perfil del cambiador de calor con aislamiento. 81
Fig. 5.3. Energía perdida al año. 85
Fig. 5.4. Costo de la energía perdida. 85
iv
Índice de Tablas. Pág.
Tabla 1.1. Descripción de los componentes principales de los intercambiadores de casco y tubo. 16
Tabla 1.2. Productos derivados del petróleo. 30
Tabla 2.1. Conexiones para intercambiadores de doble tubo. 33
Tabla 3.1. Tabulación de los resultados representativos del cálculo térmico. 56
Tabla 3.2. Tabulación de resultados representativos del cálculo hidráulico. 60
Tabla 3.3. Tabulación de resultados representativos del cálculo mecánico. 66
v
Resumen.
Mediante este anteproyecto, se demuestra que es posible fabricar intercambiadores de calor tipo
doble tubo, diseñados en México y fabricados con material y mano de obra nacional, con calidad
para lograr competir en el mercado tanto nacional como internacional, ya que en su mayoría son
diseñados, fabricados, vendidos y atendidos por grandes compañías de origen extranjero lo cual
eleva sus costos, debido a que en la adquisición de este tipo de equipos influyen diversos factores,
algunos de estos son: el pago de regalías, transporte, aduanas, seguros, bodegas, entre otros. Por lo
cual se ve la oportunidad de que los intercambiadores de calor sean fabricados en el país respetando
estándares de calidad, empleando normas de diseño y fabricación de este tipo de equipos.
vi
Objetivo.
Dimensionamiento de un intercambiador de calor tipo doble tubo para su fabricación en México,
con mano de obra y materia prima nacional, cumpliendo con las normas establecidas de diseño y
fabricación, con calidad de los equipos.
Justificación.
Los intercambiadores de calor son fabricados, vendidos y atendidos por grandes compañías no
necesariamente nacionales, por lo cual, es urgente fabricar y vender intercambiadores de calor de
calidad que sean manufacturados en México, para disminuir costos de adquisición, generar fuentes
de empleo y poder competir en el mercado.
Alcance.
Este anteproyecto comprenderá el dimensionamiento de un intercambiador de calor tipo doble tubo
fundamentándose en las áreas térmica, hidráulica y mecánica.
vii
Introducción.
La determinación de la rapidez de transferencia de calor a una diferencia de temperatura
especificada constituye el problema principal. Con objeto de estimar el costo, la factibilidad y el
tamaño del equipo necesario para transferir una cantidad específica de calor en un tiempo dado, debe
realizarse un detallado análisis de transferencia de calor. Las dimensiones de calderas, calentadores,
refrigeradores, condensadores e intercambiadores de calor, dependen no únicamente de la cantidad
de calor bajo condiciones dadas. La operación apropiada de los componentes del equipo tales como,
los tubos de un intercambiador de calor o las paredes de una cámara frigorífica, depende de la
conductividad térmica de ciertas partes metálicas y de los fluidos manejados dentro de los equipos,
retirando el calor de forma continua y con gran rapidez. Así mismo, el diseño de máquinas
eléctricas, calderas, radiadores y rodamientos debe hacerse un análisis de transferencia de calor con
objeto de evitar la condiciones que provocan sobrecalentamiento y daño al equipo.
En el cálculo de intercambiadores de calor, así como en otros, la solución adecuada requiere de
hipótesis e idealizaciones. Es casi imposible descubrir los fenómenos físicos en forma exacta, y para
expresar un problema en forma de ecuación que pueda resolverse, es necesario hacer algunas
aproximaciones. Para asegurar una operación satisfactoria del elemento, el diseñador aplicaría un
factor de seguridad a los resultados que obtuvo de su análisis.
Aproximaciones similares son también necesarias en los problemas de los condensadores. Las
propiedades físicas, tales como la conductividad térmica o la viscosidad cambian con la temperatura,
pero, si se seleccionan valores promedio convenientes los cálculos pueden ser considerablemente
simplificados sin introducir un error apreciable en el resultado final.
Cuando el calor es transferido de un fluido a una pared, como en un intercambiador de calor, se
forman incrustaciones debido a la operación continua y éstas reducen la rapidez del flujo de calor.
Con objeto de asegurar una operación satisfactoria por un largo periodo se debe aplicar un factor de
seguridad que contrarreste el riesgo.
El equipo de transferencia de calor se define por las funciones que desempeña en un proceso.
Los intercambiadores recuperan calor entre dos corrientes en un proceso. El vapor y agua de
enfriamiento son servicios y no se consideran en el mismo sentido que las corrientes de un proceso
recuperables. Los calentadores se usan primariamente para calentar fluidos de proceso y
viii
generalmente se usa vapor con este fin, aun cuando en las refinerías de petróleo el aceite caliente
recirculado tiene el mismo propósito. Los enfriadores se emplean para enfriar fluidos en un proceso,
el agua es el medio enfriador principal. Los condensadores son enfriadores cuyo propósito principal
es eliminar calor latente en lugar de calor sensible. Los hervidores tienen el propósito de suplir los
requerimientos de calor en los procesos de destilación como calor latente. Los evaporadores se
emplean para la concentración de soluciones por evaporación de agua. Si además del agua se
vaporiza cualquier otro fluido, la unidad es un vaporizador.
Una de las razones de que los equipos puedan dañarse es por efecto de las variaciones de
temperatura. A raíz de esto es que se ha podido fabricar distintos equipos especializados para el
intercambio de calor. Estos aparatos sirven para evitar el sobrecalentamiento de las máquinas y así
lograr mantener una temperatura ideal de trabajo. Por otro lado también hay dos tipos que fueron
construidos para mantener por debajo de ciertas temperaturas, ya sea, alimentos, medicinas, etc.
El desarrollo de intercambiadores de calor es variado y de una amplia gama de tamaños y tecnología
como plantas de potencia de vapor, plantas de procesos químicos, calefacción y acondicionamiento
de aire de edificios, refrigeradores domésticos, radiadores de automóviles, radiadores de vehículos
especiales, entre otros.
Fig. A) Arreglo de pasos en un intercambiador.
Entre estos extremos hay un extenso surtido de intercambiadores comunes de coraza y tubo. Estas
unidades se usan ampliamente, porque pueden construirse con grandes superficies de transferencia
de calor en un volumen relativamente pequeño, pueden fabricarse de aleaciones resistentes a la
corrosión, y son idóneas para calentar, enfriar, evaporar o condensar toda clase de fluido.
T1
t1
t2
T2
Tx Ty
1
2
IV
III
II
I
I
ix
El diseño de un intercambiador de calor, puede descomponerse en las siguientes fases:
1.- Diseño térmico.
2.- Diseño mecánico.
3.- Diseño de fabricación.
Diseño térmico. Se ocupa primordialmente de determinar el área de superficie necesaria para
transferir calor a una velocidad específica a determinados niveles dados de flujo y temperatura de
los fluidos.
Diseño mecánico. Obliga a considerar las temperaturas y presiones de operación, las características
de corrosión de uno o ambos fluidos, las expansiones térmicas relativas, los esfuerzos que
acompañan y la relación del intercambiador de calor con otro equipo que intervenga.
Diseño de fabricación. Exige traducir las características y dimensiones físicas a una unidad que
pueda construirse a bajo costo. Es preciso hacer la selección de materiales, acabados y cubiertas,
elegir el dispositivo mecánico óptimo, y especificar los procedimientos de fabricación.
Para obtener la máxima economía, la mayoría de los fabricantes han adoptado líneas estándar de
intercambiadores de calor. Las normas establecen los diámetros de los tubos y los dominios de
presión, además de promover el uso de modelos y procedimientos de fabricación estándar; sin
embargo, la estandarización no significa que estos mecanismos puedan fabricarse de modelos y
tipos uniformes, porque las necesidades de servicio varían demasiado.
Casi todo intercambiador requiere de cierto grado de diseño técnico especial, pero si las condiciones
de servicio lo permiten, el empleo de intercambiadores construidos de acuerdo con líneas estándar
economiza dinero. Por lo tanto, a menudo se pide al ingeniero encargado de instalar
intercambiadores de calor en plantas de potencia y equipos de proceso, que seleccione la unidad
cambiadora de calor adecuada para una ampliación en particular. La selección exige efectuar un
análisis térmico, para determinar si una unidad estándar, de geometría y tamaños específicos puede
satisfacer los requisitos de calentamiento o enfriamiento de un fluido dado a una velocidad
especificada. En este tipo de análisis el costo inicial debe equilibrarse con factores tales como la
vida útil del equipo, facilidad de limpieza y espacio que ocupa. También es importante cumplir las
exigencias de códigos de seguridad, para la cual deben consultarse las normas respectivas.
CAPÍTULO I
GENERALIDADES.
Un intercambiador de calor se puede describir
como un equipo en el que dos corrientes de fluido a distintas temperaturas transitan sin mezclarse, con el objeto de suministrar o retirar calor de una
de ellas, o ambas situaciones a la vez para hacer más eficiente un proceso, mediante los distintos
mecanismos de transferencia de calor.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
11
1.1. Intercambiador de calor.
En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de
un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son dispositivos que
permiten realizar dicha tarea. Un entendimiento básico de los componentes mecánicos de los
intercambiadores de calor es necesario para comprender como estos funcionan y operan para un
adecuado diseño.
Un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido
(líquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los
intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:
1. Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.
2. Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.
3. Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura.
4. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frio.
5. Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor
temperatura.
Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde
los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor
solo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor
temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos,
el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al
encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.
Algunas de las aplicaciones más comunes se encuentran en calentamiento, ventilación, sistemas de
acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de combustión interna, calderas,
condensadores, y pre-calentadores o enfriamiento de fluidos.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
12
1.2. Tipos de intercambiadores de calor según su construcción.
Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y
tamaños, la construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las dos siguientes
categorías: coraza y tubo o plato. Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos
presenta ventajas o desventajas en su aplicación.
1.2.1. Doble tubo.
El tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntricos de diámetros
diferentes, llamado intercambiador de doble tubo. En un intercambiador de este tipo uno de los
fluidos pasa por el tubo más pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los 2
tubos. En un intercambiador de calor de doble tubo son posibles dos tipos de disposición del flujo:
en flujo paralelo los dos fluidos, el frio y el caliente, entran al intercambiador por el mismo extremo
y se mueven en la misma dirección. Por otra parte, en el contraflujo los fluidos entran en el
intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.
Fig. 1.1. Intercambiador de calor tipo doble tubo.
Estos intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de área de transferencia son pequeños.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
13
1.2.2. Tubo y coraza.
La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo y coraza que
se muestra en la figura 1.2.
Fig. 1.2. Partes representativas de algunos componentes de un intercambiador de tubo y coraza.
Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El
flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el
interior del contenedor como fluido del casco o fluido externo. En los extremos de los tubos, el
fluido interno es separado del fluido externo de la carcasa por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se
sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos
fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace
circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de
la carcasa. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden
fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
14
bajo. Las placas de soporte mostradas en Figura 1.2 también actúan como bafles para dirigir el flujo
del líquido dentro del casco hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.
Son los intercambiadores más ampliamente utilizados en la industria química y con las
consideraciones de diseño mejor definidas. Consisten en una estructura de tubos pequeños colocados
en el interior de un casco de mayor diámetro.
Las consideraciones de diseño están estandarizadas por la Asociación de Manufactureros de
Intercambiadores Tubulares (TEMA).
Parte delantera
Tipos de cabeza
estacionaria
Tipos de casco Tipos de cabeza del
extremo posterior
A
Canales y cubierta
desmontable
E
Casco de un paso
L
Placa de cabeza fija
tipo A
F
Casco de dos pasos
con bafle longitudinal
M
Placa de cabeza fija
tipo B
B
Tapa (con cubierta integrada)
G
Casco con división de
flujo
N
Placa de cabeza fija tipo N
H
Doble division de flujo
P
Cabeza flotante
C
Canal integral con tubo de
hojas y tapa desmontable
J
Salida con flujo dividido
S
Cabeza flotante con
dispositivo de respaldo
Haz de
tubos
removi
bles
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
15
Parte delantera
Tipos de cabeza
estacionaria
Tipos de casco Tipos de cabeza del
extremo posterior
N
Canal integral con tubo de
hojas y tapa desmontable
K
Tipo caldera
T
Cabeza flotante
U
Haz de tubo en U
D
Especial para cierre de alta presión
X
Flujo cruzado
W
Placa de tubos
flotante con sellado externo
Fig. 1.3. Nomenclatura de componentes para intercambiadores de calor, Asociación de manufactureros de
intercambiadores tubulares (TEMA).
Un intercambiador de calor de casco y tubo conforme a TEMA se identifica con tres letras, el
diámetro en pulgadas del casco y la longitud nominal de los tubos en pulgadas.
La primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los tipo A (Canal y cubierta
desmontable) y B (Casquete) son los más comunes.
La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La más común es la E (casco de un paso) la F de
dos pasos es más complicada de mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las pérdidas de
presión en el casco. El tipo K es el tipo de re-hervidor de caldera utilizado en torre de
fraccionamiento.
La tercera letra indica el tipo de cabezal del extremo posterior, los de tipo S, T y U son los más
utilizados. El tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el diámetro del cabezal es mayor
que el del casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal flotante sin contra-brida)
puede sacarse sin desmontar, pero necesita mayor diámetro de casco para la misma superficie de
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
16
intercambio. El tipo U (haz de tubo en U) es el más económico, pero a la hora de mantenimiento
necesita una gran variedad de tubos en stock.
Para el propósito de establecer la terminología estándar, la figura 1.4 ilustra partes y conexiones
típicas de intercambiadores de calor, solo para efectos ilustrativos, se enumeran para la
identificación en la tabla 1.1.
Tabla 1.1. Descripción de los componentes principales de los intercambiadores de casco y tubo.
1. Cabezal estacionario- canal 21. Cubierta del cabezal, exterior
2. Cabezal estacionario- casquete 22. Faldón de lámina de cierre tubular del flotador
3. Pestaña de cabezal estacionario, canal o casquete 23. Brida del prensa estopas
4. Cubierta de canal 24. Empaque
5. Tobera de cabezal estacionario 25. Anillo seguidor del empaque
6. Lamina estacionaria de tubo 26. Anillo de cierre hidráulico
7. Tubos 27. Bielas y espaciadores
8. Casco 28. Desviadores transversales o placas de apoyo
9. Cubierta del casco 29. Desviador de choque
10. Brida del casco, extremo del cabezal estacionario 30. Desviador longitudinal
11. Brida del casco, extreme del cabezal posterior 31. Separación de paso
12. Tobera del casco 32. Conexión de ventila
13. Brida de la cubierta del casco 33. Conexión de drenaje
14. Junta de expansión 34. Conexión de instrumentos
15. Lamina de cierre de tubular del flotador 35. Albardilla de soporte
16. Cubierta del cabezal flotador 36. Talón elevador
18. Brida del cabezal flotador 37. Ménsula de soporte
19. Dispositivo de apoyo del cabezal flotador 38. Vertedero
20. Anillo de cizalla dividida 39. Conexión de nivel de líquido
21. Brida de apoyo dividida
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
17
Fig. 1.4. Partes y conexiones típicas de intercambiadores de calor.
1.2.3. Intercambiador tipo plato.
El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la figura 1.5, consiste en placas en
lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan
entre cada una de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una
de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente
grande de transferencia térmica a cada uno de los líquidos. Por lo tanto, un intercambiador de placa
es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de tubo y coraza con
volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos.
El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho
más pequeño que el de casco y tubo para la misma capacidad de intercambio de calor.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
18
Fig. 1.5. Intercambiador de calor de tipo plato.
Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente debido a la inhabilidad
de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas. Debido a este problema, el tipo
intercambiador de placa se ha utilizado solamente para aplicaciones donde la presión es pequeña o
no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para máquinas. Actualmente se cuentan
importantes avances que han mejorado el diseño de las juntas y sellos, así como el diseño total del
intercambiador de placa, esto ha permitido algunos usos a gran escala de este tipo de intercambiador
de calor. Así, es más común que cuando se renuevan viejas instalaciones o se construyen nuevas
instalaciones el intercambiador de la placa está substituyendo paulatinamente a los intercambiadores
de casco y tubo.
1.3. Tipos de intercambiadores de calor según su operación.
Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas, tamaños, materiales de
manufactura y modelos, estos son categorizados de acuerdo con características comunes. Una de las
características comunes que se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos
de fluido. Las tres categorías son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
19
1.3.1. Intercambiador de flujo paralelo o co-corriente.
Como se ilustra en la figura 1.6, existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el
flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos
entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura
significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor
temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima una a la otra, es decir que uno disminuye su
temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.
Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más
caliente.
Fig. 1.6. Intercambiador de calor de flujo paralelo.
1.3.2. Intercambiador en contraflujo.
Como se ilustra en la figura 1.7, se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la
misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por
diferentes extremos, ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador
de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más
frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. En contraste con el intercambiador de
calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en
el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de
calor en el intercambiador.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
20
Fig. 1.7. Intercambiador de Contraflujo.
1.3.3. Intercambiador de flujo cruzado.
En la figura 1.8 se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos
fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos
mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90◦ Los
intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usados donde uno de los fluidos presenta
cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico.
Fig. 1.8. Intercambiador de calor de flujo cruzado.
Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor,
donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcaza del
condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y
forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utilizar este tipo de
intercambiador de calor.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
21
En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo paralelo,
contraflujo, o flujo cruzado; estos son comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de
intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de
intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La razón de incluir la
combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las
restricciones propias del diseño, que son: tamaño, costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos,
temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la complejidad del intercambiador.
1.3.4. Intercambiadores de un solo paso y de múltiples pasos.
Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el
desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de
un intercambiador de paso simple.
Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina
intercambiador de múltiple pasos. Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina
intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. En la figura 1.9 se muestra un ejemplo de
estos intercambiadores. Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del
flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U" en los extremos, es decir, el doblez en forma
de "U" permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador.
Fig. 1.9. Intercambiador de un solo paso e intercambiador de múltiples pasos.
Un segundo método para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del
intercambiador.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
22
1.3.5. Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos.
Los intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su función en un sistema
particular en:
1. Intercambiador regenerativo.
2. Intercambiador no-regenerativo.
Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el
fluido frío es el mismo) como se muestra en lo figura 1.10. Esto es, el fluido caliente abandona el
sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los
intercambiadores regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas
donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y éste es posteriormente
integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido del proceso principal contiene energía
(energía interna, mal llamado calor), el calor del fluido que abandona el sistema se usa para
recalentar (regenerar) el fluido de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frío
lo que mejora la eficacia del intercambiador.
El término "regenerativo/no-regenerativo" sólo se refiere a "cómo" funciona el intercambiador de
calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador (casco y tubo, plato, flujo paralelo,
contraflujo).
En un intercambiador no-regenerativo, como se muestra en la figura 1.10, el fluido con mayor
temperatura es enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía (calor) removida, no es
regresada al sistema.
CAPÍTULO I. GENERALIDADES
23
Fig. 1.10. a) Intercambiador regenerativo; b) Intercambiador no-regenerativo.
a) b)
24
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO.
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
25
2.1. Transferencia de calor.
La ciencia de la termodinámica trata de las transiciones cuantitativas y reacomodos de energía como
calor en los cuerpos de materia. La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón
de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor. Cuando se
vaporiza una libra de agua o se condensa una libra de vapor, el cambio de energía en los dos
procesos es idéntico. La velocidad a la que cualquiera de estos procesos puede hacerse progresar con
una fuente o recibidor independiente es, sin embargo, inherentemente muy diferente. Generalmente,
la vaporización es un fenómeno mucho más rápido que la condensación.
2.2. Teorías del calor.
El estudio de la transferencia de calor se facilita grandemente mediante una cabal comprensión de la
naturaleza del calor. Sin embargo, esta es una ventaja que no está fácilmente disponible para
estudiantes de transferencia de calor o termodinámica, ya que se han descubierto muchas
manifestaciones del calor, lo que ha impedido que una teoría simple las cubra a todas ellas. Las
leyes que pueden aplicarse a transiciones de masa pueden ser inaplicables a transiciones moleculares
o atómicas, y aquéllas que son aplicables a las bajas temperaturas pueden no serlo a las temperaturas
altas. Para propósitos de ingeniería es necesario comenzar el estudio con información básica acerca
de unos cuantos fenómenos. Las fases de una sustancia simple, sólida, líquida y gaseosa, están
asociadas con su contenido de energía. En la fase sólida, las moléculas o átomos están muy
cercanos, dando esto rigidez. En la fase líquida existe suficiente energía térmica para extender la
distancia de las moléculas adyacentes, de manera que se pierde la rigidez. En la fase de gas, la
presencia de energía térmica adicional resulta en una separación relativamente completa de los
átomos o moléculas, de manera que pueden permanecer en cualquier lugar de un espacio cerrado.
También se ha establecido que, dondequiera que ocurra un cambio de fase fuera de la región crítica,
se involucra una gran cantidad de energía en esa transición.
Para una misma sustancia en sus diferentes fases, sus varias propiedades térmicas tienen diferente
orden de magnitud. Por ejemplo, el calor específico por unidad de masa es muy bajo para los
sólidos, alto para los líquidos y, usualmente, de valores intermedios para los gases. Asimismo, en
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
26
cualquier cuerpo que absorba o pierda calor, deben guardarse especiales consideraciones respecto a
si el cambio es de calor latente, o sensible, o de ambos. Más aún, se conoce también que una fuente
caliente es capaz de grandes excitaciones subatómicas, a tal grado que emite energía sin ningún
contacto directo con el recibidor, y éste es el principio fundamental de la radiación. Cada tipo de
intercambio exhibe sus propias peculiaridades.
2.3. Mecanismos de la transferencia de calor.
Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al recibidor, aun cuando
muchas de las aplicaciones en la ingeniería son combinaciones de dos o tres. Estas son, conducción,
convección y radiación.
2.3.1. Conducción.
La conducción es la transferencia de calor a través de un material fijo tal como la pared estacionaria
mostrada en la Fig. 2.1.
Fig. 2.1. Flujo de calor a través de una pared.
La dirección del flujo de calor será a ángulos rectos a la pared, si las superficies de las paredes son
isotérmicas y el cuerpo es homogéneo e isotrópico. Supóngase que una fuente de calor existe a la
izquierda de la pared y que existe un recibidor de calor en la superficie derecha. Es conocido y
después se confirmará por una derivación, que el flujo de calor por hora es proporcional al cambio
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
27
de temperatura a través de la pared y al área de la pared A. Si t es la temperatura en cualquier punto
de la pared y x es el grueso de la pared en dirección del flujo de calor, la cantidad de flujo de calor
es dada por
( t
) t ⁄ (1.1)
El término t ⁄ se llama gradiente de temperatura y tiene un signo negativo si se supuso una
temperatura mayor en la cara de la pared en dónde y menor en la cara donde . En otras
palabras, la cantidad instantánea de transferencia de calor es proporcional al área y a la diferencia de
temperatura t que impulsa el calor a través de la pared de espesor . La constante de
proporcionalidad es peculiar a la conducción de calor por conductividad y se le conoce por
conductividad térmica. Esta conductividad se evalúa experimentalmente y está básicamente definida
por la Ecuación 1.1. La conductividad térmica de los sólidos tiene un amplio rango de valores
numéricos dependiendo de si el sólido es relativamente un buen conductor del calor, tal como un
metal, o un mal conductor como el asbesto. Estos últimos sirven como aislantes. Aun cuando la
conducción de calor se asocia usualmente con la transferencia de calor a través de los sólidos,
también es aplicable a gases y líquidos, con sus limitaciones.
2.3.2. Convección.
La convección es la transferencia de calor entre partes relativamente calientes y frías de un fluido
por medio de mezcla. Supóngase que un recipiente con un líquido se coloca sobre una llama
caliente. El líquido que se encuentra en el fondo del recipiente se calienta y se vuelve menos denso
que antes, debido a su expansión térmica. El líquido adyacente al fondo también es menos denso que
la porción superior fría y asciende a través de ella, transmitiendo su calor por medio de mezcla
conforme asciende.
La transferencia de calor del líquido caliente del fondo del recipiente al resto, es convección natural
o convección libre. Si se produce cualquiera otra agitación, tal como la provocada por un agitador, el
proceso es de convección forzada. Este tipo de transferencia de calor puede ser descrito en una
ecuación que imita la forma de la ecuación de conducción y es dada por
t (1.2)
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
28
La constante de proporcionalidad es un término sobre el cual tiene influencia la naturaleza del
fluido y la forma de agitación, y debe ser evaluado experimentalmente. Se llama coeficiente de
transferencia de calor. Cuando la Ecuación 1.2 se escribe en su forma integrada, t se le
conoce como la ley del enfriamiento de Newton.
2.3.3. Radiación.
La radiación involucra la transferencia de energía radiante desde una fuente a un recibidor. Cuando
la radiación se emite desde una fuente a un recibidor, parte de la energía se absorbe por el recibidor
y parte es reflejada por él. Basándose en la segunda ley de la termodinámica, Boltzmann estableció
que la velocidad a la cual una fuente da calor es
T (1.3)
Esto se conoce como la ley de la cuarta potencia, T es la temperatura absoluta. es una constante
dimensional, pero es un factor peculiar a la radiación y se llama emisividad. La emisividad, igual
que la conductividad térmica o el coeficiente de transferencia de calor , debe también
determinarse experimentalmente.
2.4. Procesos de transferencia de calor.
Se ha descrito a la transferencia de calor como el estudio de las velocidades a las cuales el calor se
intercambia entre fuentes de calor y recibidores, tratados usualmente de manera independiente. Los
procesos de transferencia de calor se relacionan con las razones de intercambio térmico, tales como
los que ocurren en equipo de transferencia de calor, tanto en ingeniería mecánica como en los
procesos químicos. Este enfoque realza la importancia de las diferencias de temperatura entre la
fuente y el recibidor, lo que es, después de todo, el potencial por el cual la transferencia de calor se
lleva a efecto. Un problema típico de procesos de transferencia de calor involucra las cantidades de
calor que deben transferirse, las razones a las cuales pueden transferirse debido a la naturaleza de los
cuerpos, la diferencia de potencial, la extensión y arreglo de las superficies que separan la fuente y
el recibidor, y la cantidad de energía mecánica que debe disiparse para facilitar la transferencia de
calor. Puesto que la transferencia de calor considera un intercambio en un sistema, la pérdida de
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
29
calor por un cuerpo deberá ser igual al calor absorbido por otro dentro de los confines del mismo
sistema.
Muchas de las ilustraciones de los siguientes capítulos, se refieren a líquidos derivados del petróleo.
Esto es completamente razonable, puesto que la refinación del petróleo es una industria de
primordial importancia, los productos de petróleo son combustibles importantes para la industria de
generación de energía, y los derivados de petróleo son el punto de partida para muchas síntesis en la
industria química.
El petróleo es una mezcla de gran variedad de compuestos químicos. Algunos se pueden aislar
fácilmente y los nombres de los hidrocarburos presentes en el petróleo, se pueden identificar en el
Apéndice. -Muy frecuentemente no hay necesidad de obtener compuestos puros, puesto que el uso
último de una mezcla de compuestos similares tendrá el mismo resultado que el uso de compuestos
puros. Así, los aceites lubricantes son una mezcla de compuestos de alto peso molecular, todos ellos
apropiados como lubricantes.
Similarmente, la gasolina, que en última instancia se quema, estará compuesta de cierto número de
compuestos volátiles combustibles. Todos estos productos de petróleo que son comunes en él,
estaban presentes en el aceite crudo cuando se extrajo de la tierra o se formaron por reacciones
subsecuentes y se separaron por destilación. Cuando se habla de ellos en un proceso o se venden
como mezclas, estos productos se llaman fracciones o corte. A éstos se les dan nombres comunes o
se denotan por una operación de la refinería por la cual se producen, y su gravedad específica se
define por una escala establecida por el American Petroleum Institute, y se les llama ya sea grados
API o °API. Los °API se relacionan con la gravedad especifica por:
t ⁄ (1.4)
Debido a que las fracciones de petróleo son mezclas de compuestos, no hierven isotérmicamente
como sucede con los líquidos puros, sino que tienen rangos de ebullición característicos. A presión
atmosférica, la temperatura menor a la que empieza la ebullición del líquido, se llama punto de
ebullición inicial (PEI, °F). En seguida se da una lista de las fracciones más comunes del petróleo
derivadas del aceite crudo:
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
30
Tabla 2.1. Productos derivados del petróleo.
Un método para definir el carácter químico del petróleo y correlacionar las propiedades de las
mezclas, fue introducido por Watson, Nelson y Murphy. Ellos observaron que, cuando un aceite
crudo de característica de destilación uniforme se destila en cortes muy próximos, la razón de la raíz
cúbica del promedio de los puntos de ebullición absolutos a las gravedades específicas, es una
constante.
T
1 ⁄
(1.5)
Donde k= Factor de caracterización.
T = Punto de ebullición promedio, ° R. s= Gravedad específica a ⁄ .
Fracciones del aceite crudoAprox.
°API
Aprox.
PEI, °F
Productos ligeros y gases 114
Gasolina 75 200
Nafta 60 300
Keroseno 45 350
Aceite para absorción 40 450
Straw oil 40 500
Destilado 35 550
Gasoil 28 600
Aceite lubricante 18-30
Parafina
Fuel oil 2535 500
Asfalto
31
CAPÍTULO III.
DISEÑO DEL
INTERCAMBIADOR
DE DOBLE TUBO
Los intercambiadores de doble tubo tienen
una gran aplicación dentro de los procesos industriales los cuales requieren de superficies de transferencia de calor pequeña
(no más de 200 2). Además que su
construcción se puede realizar con piezas
estándar según sea la necesidad.
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
32
El intercambiador de doble tubo está constituido por dos tubos concéntricos, en el cual un fluido
circula por el tubo interior y el otro por el ánulo que queda entre ambos tubos, la transferencia se
realiza a través de la pared del tubo interior.
Fig. 3.1. Áreas de flujo en un intercambiador de calor tipo doble tubo.
3.1. Principales componentes de un intercambiador de calor tipo doble tubo.
Los intercambiadores son aparatos que recuperan calor entre dos corrientes de fluido en un proceso,
la imagen industrial de este aparato es el intercambiador de doble tubo, que se muestra en la figura
3.2.
Fig. 3.2. Intercambiador de calor de doble tubo. 1-Codo. 2, 3, 5, 6-Prensa estopa. 4-Cabezal de retorno. 7-“T”.
Las principales partes que lo componen (figura 2.2) son: dos juegos de tubos concéntricos, dos “tes”
conectoras (7), un cabezal de retorno (4) y un codo en “U” (1). Donde 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
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
33
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 3.2 la unidad se llama horquilla. Los
intercambiadores de doble tubo están constituidos por varias horquillas interconectadas (figura 3.3)
para obtener el área de transferencia deseada o requerida según el cálculo de su diseño.
Fig. 3.3. Intercambiador en serie (unión de dos o más horquillas .
El intercambiador de doble tubo es extremadamente útil, ya que se puede ensamblar en cualquier
taller de plomería a partir de partes estándar, proporcionando superficies de transferencia de calor a
bajo costo. Los tamaños estándares de tes y cabezales de retorno, se dan en la tabla 3.1.
Tabla 3.1. Conexiones para intercambiadores de doble tubo.
Tubo exterior (pulg) Tubo interior (pulg)
2 1 1/4
2 1/2 1 1/4
3 2
4 3
Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 o
20 pies, la longitud efectiva es la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor y
excluye la prolongación del tubo interior después de la sección del intercambio. Cuando las
horquillas se emplean en longitudes mayores de 20 pies, correspondientes a 40 pies lineales
efectivos o más de doble tubo, el tubo interior se vence tocando el tubo exterior, por lo que hay una
mala distribución en el ánulo. La principal desventaja en el uso de los intercambiadores de doble
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
34
tubo es la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple. Cuando se
usa con equipo de destilación en un proceso industrial, se requiere gran número de ellos. El tiempo y
gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles limpieza periódica son prohibitivos comparados
con otro tipo de equipos. Sin embargo, los intercambiadores de doble tubo encuentran su mayor uso
en donde la superficie total de transferencia requerida es pequeña, 100 a 200 pies² o menos.
3.2. Transferencia de calor en un intercambiador.
La transferencia de calor suele estar ligada a la convección en cada fluido y la conducción a través
de la pared que los separa. Para su análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente
trabajar con un coeficiente total de transferencia de calor que toma en cuenta la contribución de
todos estos efectos sobre dicha transferencia.
La transferencia de energía por convección es un fenómeno complicado en donde participan un gran
número de efectos, no hay suficiente información para permitir la formulación, ya sea de las
ecuaciones diferenciales que lo gobiernan, o de una noción clara y completa del fenómeno al cual se
le puedan aplicar leyes fundamentales. El análisis debe ser experimental y la correlación de las
observaciones será un acercamiento empírico a la ecuación que describa correctamente el proceso.
Una herramienta que es utilizada en fenómenos tan complicados es el análisis adimensional, esta
metodología permite obtener una relación entre un conjunto de ciertos números adimensionales, que
de alguna forma, incluyen toda la información necesaria para describir el fenómeno con un cierto
rigor.
Cada número adimensional es una medida del comportamiento del sistema en cierto aspecto, por
ejemplo el número adimensional conocido como número de Reynolds es una medida de la
importancia de las fuerzas inerciales frente a las viscosas en un fluido en condiciones dadas.
A través de correlaciones, cuya forma matemática es obtenida a través del análisis dimensional, y
sus factores y exponentes a través de la determinación experimental, se puede describir un fenómeno
como la convección, de estas expresiones participan los números adimensionales, que como se dijo
introducen la información que describe la situación.
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
35
3.2.1. Número de Nusselt (Nu).
Expresa la relación entre la transferencia de energía por convección y la transferencia que habría
únicamente por conducción bajo una situación dada en un fluido:
t
t
(3.1)
Es decir, un número de Nusselt alto significa que en la situación en análisis es predominante la
transferencia por convección. En el caso de Nu muy bajos la transferencia por conducción cobra
importancia, es el caso concreto de los metales líquidos.
Dos fluidos con diversas características pero que tienen igual Nu presentan similar comportamiento
en cuanto a las importancias relativas de la transferencia por convección y por conducción.
3.2.2. Número de Reynolds (Re).
Expresa la relación entre el valor de las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas en un dado fluido
en movimiento. Esta relación determina el tipo de escurrimiento (laminar o turbulento).
(3.2)
Altos valores de Re implican un escurrimiento turbulento. Las velocidades individuales de las
partículas tienen direcciones diversas, no coincidentes con la del escurrimiento, generando un
mezclado. Para bajo valores de Re el escurrimiento es laminar.
3.2.3. Número de Prandtl (Pr).
Es la razón de dos propiedades de transporte molecular, la viscosidad cinemática que afecta la
distribución molecular y la difusividad térmica que afecta el perfil de la temperatura. En otras
palabras es un número que relaciona la distribución de temperatura y la velocidad.
(3.3)
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
36
3.3. Coeficiente global de transferencia de calor.
Este coeficiente se define en términos de la resistencia térmica total para la transferencia de calor
entre dos fluidos.
Durante la operación normal de un intercambiador de calor, a menudo las superficies están
sometidas a la obstrucción por impurezas, formación de moho, u otras reacciones entre el fluido y el
material de la pared. Esta deposición forma una película o incrustación sobre la superficie y puede
aumentar en gran medida la resistencia a la transferencia de calor entre los fluidos. Este efecto se
puede tratar mediante la introducción de una resistencia térmica adicional, denominada factor de
impureza (o factor de ensuciamiento). Su valor depende de la temperatura de operación, velocidad
del fluido, y tiempo del servicio del intercambiador de calor.
Para los intercambiadores de calor tubulares, sin aletas, se tiene la siguiente ecuación:
(3.4)
(3.5)
Donde los subíndices i y o se refieren a las superficies interna y externa del tubo ( ,
) que se pueden exponer al fluido caliente o al frío.
El coeficiente global de transferencia de calor se puede determinar a partir del conocimiento de los
coeficientes de convección de los fluidos caliente y frio, de los factores de impureza y de los
parámetros geométricos apropiados, pudiéndose estimar de las correlaciones del flujo interno para
un cilindro.
3.4. Condiciones de flujo.
Considerando flujo laminar en un tubo circular de radio donde el fluido entra al tubo con
velocidad uniforme. Sabemos que cuando el fluido hace contacto con la superficie, los efectos
viscosos se vuelven importantes y se produce una capa limite al aumentar x (su distancia). Este
desarrollo ocurre a expensas de una región de flujo no viscoso que se contrae y concluye con la
unión de la capa limite en la línea central. Después de esta unión, los efectos viscosos se extienden
sobre toda la sección transversal y el perfil de velocidad ya no cambia al aumentar x. Entonces se
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
37
dice que el flujo está completamente desarrollado. Como se muestra en la imagen el perfil de
velocidad completamente desarrollado es parabólico para el flujo laminar en un tubo circular. En el
caso de flujo turbulento, el perfil es más plano debido a la mezcla turbulenta en la dirección radial.
Fig. 3.4. Desarrollo de la capa limite [4].
Cuando se trata con flujos internos, es importante conocer la extensión de la región de entrada, que
depende de si el flujo es laminar o turbulento. Lo cual el número de Reynolds para el flujo en un
tubo circular se tiene como:
(3.6)
donde es la velocidad media del fluido sobre la sección transversal del tubo y D es el diámetro
del tubo. En un flujo completamente desarrollado, el número de Reynolds crítico que corresponde al
inicio de turbulencia es
3.5. Velocidad media.
Como la velocidad varía sobre la sección transversal y no hay un flujo libre bien definido, es
necesario trabajar con una velocidad media cuando se trata con flujos internos. Esta velocidad se
define de tal manera que cuando se multiplica por la densidad del fluido y por el área de la sección
transversal del tubo proporciona el flujo de masa a través del tubo.
(3.7)
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
38
Para el análisis de condiciones de flujo turbulento se tiene una expresión para calcular el número de
Nusselt local para un flujo turbulento completamente desarrollado (hidrodinámica y térmicamente)
en un tubo circular a partir de la analogía de Chilton-Colburn la cual relaciona parámetros clave
como capaz límites de velocidad o hidrodinámica, térmica y de concentración donde se tiene:
t
2 ⁄ (3.8)
Donde:
t
t t t
t
Al sustituir en la ecuación anterior la analogía queda de la siguiente forma.
t
2 ⁄
2 (3.9)
Y sustituyendo para el factor de fricción la ecuación queda de la siguiente forma:
⁄ 1
⁄ (3.10)
Aunque esta ecuación sólo es aplicable para diferencias de temperaturas pequeñas a moderadas, con
todas las propiedades evaluadas en T.
Para flujos que se caracterizan por variaciones grandes de las propiedades, se utiliza la siguiente
ecuación:
⁄ 1
⁄
1 (3.11)
[
]
Donde todas las propiedades excepto se evalúan en T.
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
39
3.6. Diferencia de temperatura media logarítmica.
Para diseñar o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, es esencial relacionar la
transferencia total de calor con cantidades tales como las temperaturas de entrada y salida del fluido,
el coeficiente global de transferencia de calor, y el área superficial total para transferencia de calor.
Estas relaciones se pueden obtener fácilmente al aplicar balances globales de energía a los fluidos
caliente y frío.
Fig. 3.5. Balance global de energía para los fluidos caliente y frio de un intercambiador de calor [4].
Si es la transferencia total de calor entre los fluidos caliente y frío y hay transferencia de calor
insignificante entre el intercambiador de calor y sus alrededores, así como cambios de energía
potencial y cinética despreciables por la aplicación de un balance se obtiene:
( ) (3.12)
Y
( ) (3.13)
Donde:
I= entalpia del fluido
Los subíndices h y c se refieren a los fluidos caliente y frío, en tanto que i y o designan las
condiciones de entrada y salida del fluido. Si los fluidos no experimentan un cambio de fase y se
suponen calores específicos constantes, las expresiones se reducen a:
(T T ) (3.14)
Y
(T T ) (3.15)
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
40
Donde las temperaturas que se tienen en las ecuaciones se refieren a las temperaturas medias del
fluido en las posiciones que se señalan. Estas últimas dos ecuaciones son independientes del arreglo
del flujo y del tipo de intercambiador de calor.
Se puede obtener otra expresión útil al relacionar la transferencia de calor total q con la diferencia de
temperaturas T entre los fluidos caliente y frío donde:
T T T (3.16)
Con el uso del coeficiente global de transferencia de calor U en lugar del coeficiente de convección
h. Pero como T varía con la posición en el intercambiador de calor es necesario trabajar con una
ecuación de flujo de la forma
T (3.17)
Donde T es una diferencia de temperatura media. Esta ecuación se puede usar con las ecuaciones
(2.14 y 2.15) para llevar a cabo el análisis de intercambiador de calor. Pero antes de realizar dicho
análisis se debe establecer la forma específica de la T dependiendo del tipo de flujo a utilizar en
cada caso.
3.6.1. Intercambiador de calor de flujo paralelo.
La distribución de temperaturas caliente y fría asociadas con un intercambiador de calor de flujo
paralelo se muestra en la figura 2.6. La diferencia de temperaturas T es grande al principio pero
decae rápidamente al aumentar x, y se aproxima a cero de forma asintótica. Cabe señalar que, para
tal intercambiador, la temperatura de salida del fluido frío nunca excede la del fluido caliente. En la
figura los subíndices 1 y 2 designan los extremos opuestos del intercambiador de calor. Para un flujo
paralelo se tiene que:
T T 1 T T 2 T T 1 T T 2 (3.18)
La forma de T se determina mediante un balance de energía para elementos diferenciales en los
fluidos caliente y frio. Cada elemento es de longitud y area superficial de transferencia de calor
como se muestra en la figura. Los balances de energía y el análisis subsecuente están sujetos a
las siguientes suposiciones.
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
41
1. El intercambiador de calor está aislado de sus alrededores, en cuyo caso el único intercambio
de calor es entre los fluidos caliente y frío.
2. La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante.
3. Los cambios de energía potencial y cinética son despreciables.
4. Los calores específicos del fluido son constantes.
5. El coeficiente global de transferencia de calor es constante.
Fig. 3.6. Distribución de temperatura en flujo paralelo [4].
Los calores específicos pueden cambiar, como resultado de variaciones de temperatura, y el
coeficiente global de transferencia de calor también podría modificarse debido a variaciones en las
propiedades del fluido y condiciones de flujo. Sin embargo para esta aplicación la variación no es
significativa.
Al aplicar un balance de energía a cada uno de los elementos diferenciales de la figura se obtiene
que:
T T (3.19)
Y
T T (3.20)
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
42
Donde y son las capacitancias térmicas de los flujos caliente y frío. Estas expresiones se
pueden integrar a lo largo del intercambiador de calor para obtener los balances globales de energía
dados por las ecuaciones (3.14 y 3.15). La transferencia de calor a través del área superficial
también puede expresarse como
T (3.21)
Para determinar la forma integrada de la ecuación comenzamos por sustituir las ecuaciones en la
forma diferencial de la ecuación.
T T T (3.22)
Para obtener:
T (
) (3.23)
Al sustituir para de la ecuación (2.21), e integrar a lo largo del intercambiador de calor se
obtiene.
∫ T
T
2
1
(
)∫ 2
1
(3.24)
( T2
T1
) (
) (3.25)
( T2
T1
) (T T
T T
) (3.26)
[(T T ) (T T )] (3.27)
Al reconocer que para el intercambiador de calor de flujo paralelo de la figura 2.7, T1 T T
y T2 T T se obtiene entonces.
T2 T1
( T2 T1
) (3.28)
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
43
Al comparar la expresión con la ecuación se concluye que la diferencia de temperaturas promedio
apropiada es una diferencia de temperaturas media logarítmica T por lo que se puede escribir de
la manera:
T (3.29)
Donde se conoce que
T T2 T1
( T2 T1
) (3.30)
Recordando que para el intercambiador de flujo paralelo las temperaturas a utilizar vienen dadas de
la siguiente manera
[ T1 T 1 T 1 T T
T2 T 2 T 2 T T ] (3.31)
3.6.2. Intercambiador de calor en contraflujo.
Las distribuciones de temperatura de los fluidos caliente y frío asociadas con un intercambiador de
calor en contraflujo se muestran en la fig. 3.7 . En contraste con el intercambiador de flujo paralelo,
esta configuración mantiene transferencia de calor entre las partes más calientes de los dos fluidos
en un extremo, así como entre las partes más frías en el otro.
Fig. 3.7. Distribución de temperatura en contraflujo [4].
CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
44
Por esta razón el cambio en la diferencia de temperaturas T T T con respecto a no es tan
grande en ningún lugar como lo es para la región de entrada del intercambiador en flujo paralelo.
Las ecuaciones se aplican a cualquier tipo de intercambiador de calor y por tanto se pueden usar
para el arreglo en contraflujo por lo cual el análisis anterior es igualmente utilizable lo que
demuestra que la ecuación de T también se aplica en este caso. Sin embargo para el
intercambiador en contraflujo las diferencias de temperaturas en los puntos de los extremos cambian
de la siguiente manera:
[ T1 T 1 T 1 T T
T2 T 2 T 2 T T ] (3.32)
|
CAPÍTULO IV
MEMORIA DE
CÁLCULO.
El cálculo del intercambiador de calor se divide en térmico el cual nos generara el
coeficiente total de transferencia de calor así como el área requerida, el cálculo hidráulico el cual debe cumplir con una caída de presión
solicitada y el cálculo mecánico que nos proporciona si el tubo a utilizar soportara las
presiones manejadas por los fluidos.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
46
México es un país en el cual la industria ha ido creciendo en los últimos años, por lo cual las
necesidades han cambiado y con ello la manera de satisfacerlas, aunque para cubrir algunas de ellas
es necesario importar equipos de otros países generando un mayor costo a causa de impuestos,
traslado, seguros, instalación, regalías, entre otros, a comparación de que si se fabricaran en el país.
La importancia de la fabricación de intercambiadores de calor en México radica en la necesidad que
se presenta dentro de la industria química, petrolera y en aquellas en las cuales se lleve a cabo la
transferencia de calor, teniendo su mayor aplicación al calentar, enfriar o recuperar calor entre dos
fluidos de un mismo proceso, dichas aplicaciones tienen como objetivo hacer más eficientes los
procesos en donde se van a aplicar al igual que generar un ahorro económico para la industria.
4.1. Criterios de diseño.
Para demostrar que los intercambiadores de calor fabricados en México serán más económicos que
los importados y de una excelente calidad se realizaran los cálculos térmicos, hidráulicos y
mecánicos con forme a los estándares más reconocidos en esta área. Basándose en las variables que
se pueden obtener al analizar el proceso en el cual se implementara el intercambiador de calor.
Las principales variables que se deben obtener para realizar el diseño son:
Fluido caliente: Temperatura de entrada, Temperatura de salida, Calor específico del fluido,
viscosidad cinemática, constante de conductividad térmica, gravedad especifica
Fluido frio: Temperatura de entrada, Temperatura de salida, Calor especifico del fluido,
viscosidad cinemática, constante de conductividad térmica, gravedad especifica.
El flujo másico de alguno de los fluidos.
Caída de presión permitida en las corrientes según se requiera en el proceso a implementar,
o en su defecto pueden ser datos requeridos directamente por el cliente.
Factor de obstrucción mínimo deseado según los fluidos que se manejen en el
intercambiador de calor, o en su defecto pueden ser datos requeridos directamente por el
cliente.
El diámetro y largo de tubos se debe proponer según sean los requerimientos del lugar en el
que se instalara adaptándose a las necesidades del cliente sin que esto intervenga con los
requerimientos solicitados.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
47
De un proceso de refinación se obtiene 18000 ⁄ de gasolina ligera la cual se requiere enfriar de
una temperatura de 150 a 130°F calentando keroseno de 70 a 100°F para así aprovechar el calor
que ya no se necesita en el primer fluido mencionado, por ser los dos fluidos fracciones de petróleo
los requerimientos para el intercambiador de calor se obtendrán de tablas y normas ya
estandarizadas.
4.2. Cálculo Térmico.
1. Se realiza el cálculo de (diferencia de temperatura media logarítmica) para con ello
seleccionar el tipo de arreglo necesario a utilizar para el intercambiador de calor tipo doble
tubo.
Fluido caliente: Gasolina 56 °API.
1
2
Fluido frio: Keroseno 42 °API.
1
2
a) Flujo a contracorriente
b)Flujo paralelo
2 1
2 1
1 2 1
2 1 2
2 1
2 1
1 1 1
2 2 2
Para las mismas temperaturas de proceso, a flujo paralelo la temperatura media logarítmica es menor
0
100
200
1 2 3 4Tem
pe
ratu
ra °
F
Distancia recorrida en el IC DT "X"
Gasolina
Keroseno 0
100
200
1 2 3 4Tem
pe
ratu
ra °
F
Distancia recorrida en el IC DT "X"
Gasolina
Keroseno
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
48
que en flujo a contracorriente, por lo cual se selecciona el arreglo a contracorriente ya que en flujo
paralelo demandaría una mayor área de transferencia de calor.
Existen ciertas condiciones para poder emplear el medio aritmético de las temperaturas 1, 2 y 1,
2 en lugar de las temperaturas calóricas , para evaluar las propiedades físicas de los fluidos y
estas son:
1. La viscosidad en los extremos fríos de cada fluido debe ser menor que 1cp.
2. Si el rango de temperatura no excede de 50 a 100 °F.
3. Si la diferencia de temperaturas de la aproximación es menor de 50°F, por lo cual para
fluido no viscoso (
)
1
puede tomarse como 1.
Si no cumple 1 de las limitaciones antes mencionadas será necesario evaluar los fluidos utilizando la
temperatura calórica de cada fluido.
Fluido caliente: Gasolina 56 °API. Fluido frio: Keroseno 42 °API.
1
2
1
2
2. Se obtiene las propiedades de los fluidos evaluados con la temperatura del lado frio en cada
uno de ellos para corroborar que las condiciones se cumplan.
2
Ver ANEXO A [1]
1
Ver ANEXO A [1]
*No cumple limitación de viscosidad expuesto en el punto 1.
Rangos
1 2 1 2
Rangos
1 2 2 1
*Cumple límites de rango R= de 50 a 100°F expuesto en el punto 2.
Diferencias de temperaturas. Diferencias de temperaturas.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
49
1 2 1
2 1 2
1 1 1
2 2 2
*No cumple límite de diferencia de temperaturas en los dos arreglos posibles ∆t ≤ 50 °F expuesto en
el punto3.
Por lo cual, al no haber cumplido una condición es necesario obtener la temperatura calórica de los
fluidos para evaluar sus propiedades.
3. Obtención de la temperatura calórica.
2 1 2 1 2 1
Donde es el factor de corrección de la temperatura calórica.
Para la obtención de es necesario conocer las diferencias de temperatura del lado caliente y del
lado frio y con ello obtener que representa la temperatura promedio del fluido. Después de ello es
necesario entrar a la tabla del anexo L.
Ver ANEXO L [1]
2 1
1 2
| |
Sustituyendo el factor de corrección en la siguiente ecuación se obtiene la temperatura calórica de
ambos fluidos.
0
50
100
150
200
1 2 3 4
Tem
pe
ratu
ra °
F
Distancia recorrida en el IC DT "X"
Gasolina
Keroseno0
50
100
150
200
1 2 3 4
Tem
pe
ratu
ra °
F
Distancia recorrida en el IC DT "X"
Gasolina
Keroseno
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
50
2 1 2
( )
1 2 1
( )
4. Lectura de propiedades evaluadas con las temperaturas calóricas obtenidas.
Ver ANEXO B [1]
Ver ANEXO C [1]
Ver ANEXO D [1]
Ver ANEXO E [1]
Ver ANEXO B [1]
Ver ANEXO C [1]
Ver ANEXO D [1]
Ver ANEXO E [1]
Se realiza el balance de materia y energía del sistema para la obtención del calor del sistema y el
flujo másico del keroseno.
1 2
2 1
2 1
5. Los diámetros de tubería para este tipo de intercambiadores de calor son propuestos según las
principales áreas de flujo utilizados y los arreglos más comunes se dan a conocer en el anexo M
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
51
[1] (únicamente para intercambiadores de calor de doble tubo).
Del anexo M [1] se seleccionó el arreglo de 2” x 1 ¼” de tubería comercial, obteniéndose las
siguientes áreas de flujo, con lo cual se evaluara el área de transferencia de calor necesaria. El
arreglo deberá cumplir con las condiciones para la caída de presión y dado el caso de que no cumpla
dichas condiciones se seleccionará otro arreglo.
Tubo comercial 1 1/4" ced 40
2
2 2
2
2 2
2 2
Tubo comercial 2" ced 40
(
2 2)
2 2 2
2
2 2
2 2
Con el área obtenida y la masa manejada del
fluido se procede a calcular el flujo másico.
2
2
Con el área obtenida y la masa manejada del
fluido se procede a calcular el flujo másico.
2
2
El flujo mayor se arreglará en el tubo interno.
En este apartado no se requiere del cálculo del
diámetro puesto que para la obtención del número
de Re se emplea el diámetro interno de la tubería
de menor diámetro.
El flujo menor se arreglará en el ánulo.
Se obtendrá un diámetro equivalente el cual es
requerido para el cálculo del número de Re
puesto que el fluido correrá en el ánulo.
2 2
2 2 2
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
52
Se calcula en número de Reynolds para obtener el
tipo de flujo que se tiene en la corriente interna.
Se calcula en número de Reynolds para obtener
el tipo de flujo que se tiene en la corriente
anular.
2
2
Cálculo del coeficiente de convección mediante la
utilización de los números adimensionales para el
fluido caliente: Gasolina 56°API.
Cálculo del coeficiente de convección mediante
la utilización de los números adimensionales
para el fluido frio: Keroseno 56°API.
1
⁄
1
⁄
2
1
⁄
1
⁄
2
2
2
6. Corrección por viscosidad, esta se realiza cuando no cumple con la condicion de que la viscocidad en la terminal fria debe ser menor o igual a 1 cp.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
53
Se obtiene la temperatura de la pared exterior del tubo.
(
)
(
2
2
)
Con la temperatura de pared se evalua la viscosidad de cada fluido para obtener el factor de correccion por vicocidad y asi obtener el factor de conveccion real en cada corriente.
Fluido caliente: Gasolina 56 °API.
Ver ANEXO F [1]
(
) 1
(
)
1
(
)
2
2
(
)
2
2
Fluido frio: Keroseno 42 °API.
Ver ANEXO F [1]
(
) 1
(
)
1
(
)
2
2
7. Se realizará el cálculo del coeficiente total de transferencia de calor limpio con los factores
de convección corregidos.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
54
(
2
)2
2
2
8. Se obtendrá el cálculo del coeficiente de transferencia de calor sucio.
∑
2
2
2
2
2
9. Se calculará el área de transferencia necesaria para que el intercambiador transfiera el calor
requerido en el sistema, de la cual se obtrendrá la longitud requerida.
2
2 2
2
10. Se realizará el cálculo del número de horquillas requeridas tomando en cuenta que las
longitudes recomendadas por algunos fabricantes son de 12, 15 y 20 pies. En este caso se empleo una longitud de tuberia de 20 pies para la transferencia de calor.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
55
11. Se recalcula el área de transferencia de calor utilizando la longitud total de las dos horquillas, es decir, 80 pies y con ello obtener el coeficiente total real sucio de transferencia de calor.
2
2
2
2
∑
∑
2
2
12. Finalmente se obtiene el coeficiente de ensuciamento real con el coeficiente total de transferencia de calor sucio y limpio.
∑
2
(
2 )
2
2
2
2
13. Finalmente se puede observar que el coeficiente de ensuciamiento obtenido es mayor que el requerido, garantizando que no se vera afectada la transferencia de calor a corto plazo.
(
)
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
56
Nota: El cálculo térmico cumple con las especificaciones requeridas pues el coeficiente de
ensuciamiento es mayor al solicitado.
Tabla 4.1.Tabulación de los resultados representativos del cálculo térmico.
150 65.556
130 54.444
70 21.111
100 37.778
190800 55871.157
18000 8164.663
13250 6010.099
1.49571 0.0009650
1.19136 0.0007686
1732953.63 8461034.071
1601528.56 7819359.846
629.015 3566.515
323.5584 1834.576
523.0408 2965.641
199.8989 1133.427
133.2884 755.745
26.099 0.24246764
60.0547 18.305
80 24.384
100.058 567.873
0.005 0.000880989
0.0025 0.000440494
Sistema Inglés Sistema Internacional
⁄
⁄ ⁄
⁄ ⁄
2 2
2 2
2 ⁄ 2 ⁄
2 ⁄ 2 ⁄
2 ⁄ 2 ⁄
2 ⁄
2 ⁄
2 ⁄
2 ⁄
2 ⁄ 2 ⁄
2 ⁄ 2 ⁄
2 2
2 ⁄ 2 ⁄
∑ 2 ⁄ 2 ⁄
2 ⁄ 2 ⁄
1 2
1 2
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
57
4.3. Cálculo hidráulico.
1. En este apartado se evalúa el proyecto hidráulicamente para verificar que cumpla con los
requerimientos.
Fluido caliente: Gasolina 56 °API en tubo
Datos:
2
Esta ecuación describe la presión en función de
pies columna de fluido en la tubería recta.
2
2
2
2 2
2
2
Se obtienen el número de Reynolds para
conocer el tipo de flujo.
Fluido frio: Keroseno 42 °API en ánulo
Datos:
2
Esta ecuación describe la presión en función de
pies columna de fluido en la tubería recta.
2
2
2
2 2
2
2
Se obtienen el número de Reynolds para
conocer el tipo de flujo.
No se requiere de calcular otro diámetro puesto
que la corriente fluye dentro del tubo interior.
Se utiliza un diámetro equivalente puesto que
esta corriente fluye por el espacio anular, ver
página 134 de la bibliografía [1] para
diferenciar los diámetros equivalentes para
transferencia de calor y caída de presión.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
58
2
2
El Factor de fricción es evaluado mediante el diagrama de Moody y la ecuación de Darcy
Weisbach “The CRC Handbook of Thermal Engineering” Págs. 2-44 á 2-48.
(
2 )2
2 (
)
2
(
2 )2
2 (
)
2
Se calcula la caída de presión en pies columna
de líquido que se presenta en las vueltas.
( 2
)
2
(
2
2
)
Se calcula la caída de presión en pies columna
de líquido que se presenta en las vueltas.
( 2
)
2
(
(
)
2
2 )
Se realiza el cálculo de la altura total, es decir la suma de la altura del tubo recto y las vueltas.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
59
2
Fluido caliente: Gasolina 56 °API en tubo
Se calcula el peso específico de cada fluido
para con ello obtener la caída de presión en
PSI.
2
2
2
2
Fluido frio: Keroseno 42 °API en ánulo
Se calcula el peso específico de cada fluido
para con ello obtener la caída de presión en
PSI.
2
2
2
Nota: Cumple con las especificaciones hidráulicas requeridas para el proceso, las cuales son
que la caída de presión en los dos lados sea menor a 10 PSI.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
60
Tabla 4.2. Tabulación de resultados representativos del cálculo hidráulico.
26.8175 8.173974
7.7814 2.37177072
10.7347 3.27193656
8.8183 2.68781784
3.5787 1.09078776
2.415 0.736092
30.3962 9.26476176
10.1964 3.10786272
9.4733 65316.1015
3.575 24648.7563
Sistema Inglés Sistema Internacional
⁄ ⁄
⁄ ⁄
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
61
4.4. Cálculo mecánico.
Para la evaluación mecánica del cambiador de calor tipo doble tubo se utilizó como referencia el
código ASME y de las normas de la asociación de manufactureros de intercambiadores de calor
tubulares TEMA.
Tubo comercial 1 1/4" ced 40
Gasolina
Tubo comercial 2" ced 40
Keroseno
Datos de tubería.
Temperaturas manejadas en cada tubería.
1
2
Temperatura de diseño para evaluar
propiedades del material.
Consideraciones de la temperatura del material
según:
TEMA RCB-1.41 y RCB-1.42
ASME UG-20 TEMPERATURA DE DISEÑO
La temperatura de diseño no debe exceder la
temperatura de 650 ° F (345 °C) ni bajar
menos de -20 ° F.
Datos de tubería.
Temperaturas manejadas en cada tubería.
1
1
Temperatura de diseño para evaluar
propiedades del material.
Consideraciones de la temperatura del material
según:
TEMA RCB-1.41 y RCB-1.42
ASME UG-20 TEMPERATURA DE DISEÑO
La temperatura de diseño no debe exceder la
temperatura de 650 ° F (345 °C) ni bajar
menos de -20 ° F.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
62
Temperatura de diseño se encuentra en el
rango a utilizar.
Temperatura de diseño se encuentra en el rango
a utilizar.
Presión de operación lado tubo 90 PSI.
Revisar anexo N apartado RCB-1.21 TEMA y
anexo O, ASME UG-21 PRESION DE
DISEÑO.
La se refiere a la presión de calibración la
cual es utilizable cuando se conectan válvulas
de presión, tomando así en cuenta un margen
de sobrepresión para instrumentos certificados,
así como para instrumentos comerciales, en
este caso la será la utilizable para la
evaluación del espesor.
Usar
Presión de operación lado ánulo 100 PSI.
Revisar anexo N apartado RCB-1.21 TEMA y
anexo O, ASME UG-21 PRESION DE
DISEÑO.
La se refiere a la presión de calibración la
cual es utilizable cuando se conectan válvulas
de presión, tomando así en cuenta un margen
de sobrepresión para instrumentos certificados,
así como para instrumentos comerciales, en
este caso la será la utilizable para la
evaluación del espesor.
Usar
Se realiza el cálculo por presión interior.
Se utiliza el material ASTM A 106 Gr B, por
sus propiedades mecánicas satisfacen las
necesidades del proyecto.
Valor obtenido en la tabla UCS-23 código
ASME. Rangos de -20 @ 650 °F.
S= 17100 PSI
E=1 tubo extruido (sin costuras)
Se realiza el cálculo por presión interior.
Se utiliza el material ASTM A 106 Gr B, por
sus propiedades mecánicas satisfacen las
necesidades del proyecto.
Valor obtenido en la tabla UCS-23 código
ASME. Rangos de -20 @ 650 °F.
S= 17100 PSI
E=1 tubo extruido (sin costuras)
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
63
Para el cálculo del espesor es necesario revisar
ASME UG-27 y el APENDICE-1 ver anexo P.
Para el cálculo del espesor es necesario revisar
ASME UG-27 y el APENDICE-1 ver anexo P.
El espesor de envolventes sometidas a presión
interna no deberá ser menor que el calculado
con las siguientes formulas
( )
El espesor de envolventes sometidas a presión
interna no deberá ser menor que el calculado
con las siguientes formulas
( )
Para el factor de corrosión revisar
ASME UG-16 SECCIÓN DE CORROSIÓN
Para los recipientes en los que sea predecible el
desgaste por corrosión, la vida esperada del
recipiente será la que determine el margen y si
el efecto de la corrosión es indeterminado. Un
desgaste por corrosión de 5 milésimas de
pulgada por año (1/16 de in en 12 años) será
suficiente.
Se calcula el espesor nominal que es igual al
espesor calculado en la ecuación anterior más
la corrosión.
Para el factor de corrosión revisar
ASME UG-16 SECCIÓN DE CORROSIÓN
Para los recipientes en los que sea predecible el
desgaste por corrosión, la vida esperada del
recipiente será la que determine el margen y si
el efecto de la corrosión es indeterminado. Un
desgaste por corrosión de 5 milésimas de
pulgada por año (1/16 de in en 12 años) será
suficiente.
Se calcula el espesor nominal que es igual al
espesor calculado en la ecuación anterior más
la corrosión.
Se le aumenta un factor de 12.5% que es la
Se le aumenta un factor de 12.5% que es la
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
64
tolerancia de fabricación para tubería de línea.
Se realiza el cálculo del espesor real que se
tiene de la tubería seleccionada y restándole la
corrosión esperada.
Por lo que se puede concluir que el espesor
mínimo calculado ya con el factor de corrosión
cumple y tiene un considerable margen de
seguridad.
Obtenemos la presión máxima de trabajo
utilizando el espesor real menos el factor de
corrosión esperado.
(
)
Con lo anterior se puede concluir que el
espesor puede soportar mayor presión que la
presión de trabajo.
tolerancia de fabricación para tubería de línea.
Se realiza el cálculo del espesor real que se
tiene de la tubería seleccionada y restándole la
corrosión esperada.
Por lo que se puede concluir que el espesor
mínimo calculado ya con el factor de corrosión
cumple y tiene un considerable margen de
seguridad.
Obtenemos la presión máxima de trabajo
utilizando el espesor real menos el factor de
corrosión esperado.
(
)
Con lo anterior se puede concluir que el
espesor puede soportar mayor presión que la
presión de trabajo.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
65
Cálculo por presión exterior.
Se supone una condición en vacío para la
condición crítica en el caso de que fallara la
bomba del fluido interno y con ello evitar que
se presente un fenómeno de aplastamiento
debido a la presión que se ejerce en el ánulo.
Para el cálculo por presión exterior revisar UG-
28.
in
Se obtienen las siguientes relaciones:
Para la condición
es necesario revisar
ASME UG-28 (c).
Donde la Presión se obtiene según las
siguientes ecuaciones.
(
)
Al obtener las relaciones nos centramos en la
figura ASME UGO-28 para obtener el factor A
Ver ANEXO G [5]
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
66
ASME UCS-28.2 para obtener los datos
faltantes requeridos para calcular la presión.
Ver ANEXO H [5]
Tabla 4.3. Tabulación de resultados representativos del cálculo mecánico.
180 82.2222222
130 54.4444444
99 682580.943
110 758423.27
123.75 853226.179
137.5 948029.088
0.00604956 0.00015366
0.00971089 0.00024666
0.06854956 0.00174116
0.07221089 0.00183416
0.077118 0.0019588
0.081237 0.00206342
1658.6357 11435890.1
1474.8184 10168514.5
0.0775 0.0019685
240 6.096
140 965265.98
971.084 6695388.21
Sistema Inglés Sisema Internacional
Presión interna
Presión externa
180 82.2222222
130 54.4444444
99 682580.943
110 758423.27
123.75 853226.179
137.5 948029.088
0.00604956 0.00015366
0.00971089 0.00024666
0.06854956 0.00174116
0.07221089 0.00183416
0.077118 0.0019588
0.081237 0.00206342
1658.6357 11435890.1
1474.8184 10168514.5
0.0775 0.0019685
240 6.096
140 965265.98
971.084 6695388.21
Sistema Inglés Sisema Internacional
Presión interna
Presión externa
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
67
4.5. Soldadura.
La eficiencia para soldadura en base a experiencia de los fabircantes de recipientes E=1 en cuerpo y
0.85 en tapas.
La selección de la eficiencia de la union cuando la junta esta radiografiada:
El tipo de union según UW-12 al 100% en cuerpo y 85% en la tapas ya que se utilizara por puntos.
Fig. 4.1. Eficiencia de soldaduras.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
68
El procedimiento mas utilizado actualmente en la fabricacion de recipientes a presion es el de
soldadura.
Todas las soldaduras serán aplicadas mediante el proceso de arco eléctrico sumergido el cual puede
ser manual o automatico. En cualquiera de los dos casos debera tener penetración completa y se
deberá eliminar la escoria dejada por un cordón de soldadura, antes de aplicar el siguiente.
Con el fin de verificar si una soldadura ha sido bien aplicada se utilizan varias formas de inspeccion,
entre ellas está el de radiografo, prueba de liquidos penetrantes y algunas ocasiones ultrasonido.
Antes de aplicar cualquier soldadura en recipientes a presión, se debe preparar un procedimiento de
soldadura para cada caso, el cual nos indica la preparacion y el diametro del electrodo para cada tipo
y espesor de material. Las pruebas y procedimientos deben apegarse a las recomendaciones heschas
por el codigo ASME Seccion IX.
El material de aporte, de la soldadura, deberá ser compatible con el material base a soldar. Los
electrodos mas comúnmente utilizados para soldar recipientes a presión de acero al carbón, son el
6010 y el 7018.
Se deben de evitar los cruces de dos o más cordones de soldadura.La distancia mínima entre dos
cordones paralelos será de 5 veces el espesor de la placa, sin embargo cuando sea inevitable el cruce
de dos cordones, el codigo ASME recomienda radiografiar una distancia minima de 102 mm a cada
seccion.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
69
Fig. 4.2. Símbolos para la representación de soldaduras.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
70
Fig. 4.3 Símbolos graficos para representacion de soldaura.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
71
4.5.1. Representación del intercambiador de calor.
El presente intercambiador de calor se ensamblo con los siguientes elementos.
Tubería 2 “ ced. 40
Tubería 1 1/4 “ ced. 40
Brida 2” acero clase 150
Reducción Bushing 2 X 1 ¼”
Codo 90° 1 ¼”
Tees 2”
Tuerca unión 1 ¼”
Fig.4.4. Representación del intercambiador de calor ensamblado.
CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.
72
Fig. 4.5. Vista frontal del intercambiador de calor.
CAPÍTULO V
ANÁLISIS
ECONÓMICO
El análisis económico abarca el costo total del proyecto que comprende el costo
de los materiales, el costo de ingeniería y el costo de mano de obra, para con ello verificar así la viabilidad que se tiene
para realizarlo.
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
74
En el presente capitulo se dan a conocer los costos aproximados del proyecto tomando en cuenta la
experiencia del asesor del proyecto así como bibliografía sobre evaluación de proyectos.
La estimación de costos del proyecto, presenta un pronóstico de los gastos que pueden incurrir en la
manufactura del producto.
5.1. Costos de materiales.
Estas se refieren al costo de los componentes que constituyen el proyecto las cuales se enlistan a
continuación:
Tabla 5.1. Costos de materiales.
Material Tamaño EspecificacionU. medida Cantidad $/unidad Total Empresa
Tubo 2 inS/C 106 Gr B
C40metros 25 $148 3700 TREVISA
Tubo 1 1/4 inS/C 106 Gr B
C40metros 26 $89 2314 TREVISA
Tees 2 in ASTM 234 pieza 8 $60 480 TREVISA
Codo 1 1/4 in 90 ASTM 234 pieza 6 $25 150 TREVISA
Reducción
bushing2-1 1/4 in Acero al carbón pieza 8 28.11 224.88 RIBSA
Tuerca unión 1 1/4 in Acero al carbón pieza 6 169.24 1015.44 TREVISA
Fibra de
vidrio ASJDiámetro 2 in Espesor 1 in
Medias cañas
de 91 cm de
longitud
30 $91 2730POLIPRODUCTOS
TÉRMICOS
Lámina de
aluminio lisoCalibre 26 piezas 29 $75 2175
POLIPRODUCTOS
TÉRMICOS
Brida 2 inWelding neck
150#piezas 2 $139 278.68 TREVISA
Soldadura3/16
diámetroAWS E 7018 kg 3 $33.19 99.57 ESAB
Total 13167.57
Total mas
16% IVA 15274.38
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
75
5.2. Costos de ingeniería.
Los costos de ingeniería se refieren al precio de la mano de obra del ingeniero (diseño cálculos y
dibujos) los cuales se miden en Horas-Hombre ing.
El presente proyecto abarco un periodo de 2 semestres aproximadamente, lo que equivale a 12
meses de los cuales se trabajó una hora diaria efectiva, pero a lo cual también debemos de restar los
días que pudieron ser de ocio a causa de días festivos y así como tomar en cuenta que
esencialmente se utilizó solo un semestre para la realización de los cálculos.
Con lo cual:
Tenemos 120 horas de las cuales le restaremos 20 horas por días festivos que se hayan presentado
dejando como tal 100 horas efectivas.
Según estudios del observatorio laboral de México a partir del 1 de Enero de 2013 el ingreso
promedio mensual de un ingeniero mecánico recién egresado es de $ 13 000.00 M.N., para jornadas
laborales de 8 horas por día [12] (consultado el 25 de octubre de 2013) con lo cual se puede
establecer que el salario por hora de un ingeniero mecánico recién egresado es de:
Con lo anterior se obtiene el costo de ingeniería:
Puesto que el proyecto se llevó acabo por dos ingenieros el costo total asciende a:
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
76
5.3. Costos de mano de obra.
El costo de mano de obra se refiere a la inversión necesaria para ensamblar los componentes del
proyecto, tomando en cuenta que debe de ser por personal técnico calificado.
El presente proyecto se estima su ensamble en una semana con un horario de 8 horas al día tomando
en cuenta 6 días efectivos. Considerando la colocación del aislamiento.
De acuerdo a la experiencia del asesor y la dificultad del proyecto se hace referencia a que el
ensamble del intercambiador será realizado por un técnico (soldador), un ayudante general y un
técnico en trazo y corte y otro técnico para la colocación del aislamiento.
La Secretaria de Trabajo y Previsión Social a través de la Comisión Nacional de Salarios Mínimos a
partir del 1º de Enero de 2013 establece que el salario mínimo para un técnico calificado(soldador)
es de $93.26, para un técnico calificado $90, para un ayudante general el salario es de $84.75, todos
para una jornada laboral de 8 horas al día[13] ( consultado el 25 de Octubre de 2013) por tanto se
establece que el salario por hora de trabajo para un técnico calificado es de $11.65, y para un
ayudante general es de $10.59 y para el técnico calificado de $11.25.
Con lo anterior se puede estimar el costo de mano de obra teniendo en cuenta así:
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
77
5.4. Costo total del proyecto.
El costo total del proyecto de ingeniería es la suma de los elementos antes calculados.
Precio total del intercambiador de calor con aislamiento.
Costo del equipo tomando el 30% del costo total.
5.5. Evaluación del intercambiador de calor con y sin aislamiento.
Los intercambiadores de calor sin aislamiento tienden a perder energía al medio ambiente lo cual se
ve reflejado a largo plazo en pérdidas monetarias por lo que es necesario colocar un aislamiento que
disminuya estas pérdidas en mayor medida posible.
5.5.1. Perdida de calor del intercambiador sin aislamiento.
Se calcula la perdida de calor que puede tener el intercambiador si no se recubre con algún tipo de
aislante, con lo cual hay pérdida de energía y así mismo se refleja en pérdidas monetarias.
Nota: Para facilidad los cálculos de la pérdida de calor sin aislamiento y con aislamiento se harán en
Sistema internacional de unidades.
Cálculo del Intercambiador de calor sin aislamiento.
Datos del sistema.
1
Longitud del tubo= 6.096 m
Calor total del sistema
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
78
1. Cálculo del flujo de calor.
Fig. 5.1. Perfil del tubo exterior, es decir el de 2 pulgadas sin aislamiento.
Ecuación para el flujo de calor.
1
Donde:
1
Donde K= 49.8 W/m °C (constante de conductividad del material para aceros al carbón-
silicio en un rango de temperatura de 400 K), obtenido del anexo I [4].
Cuando las superficies son lisas como en este caso se usa la siguiente ecuación para obtener
el coeficiente de convección para el área de la película de aire.
2
2
2
2
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
79
2. Cálculo de las resistencias a oponerse.
Cálculo de la resistencia interior debido a la película de fluido.
2
Cálculo de la resistencia 1 debida al material del tubo.
1
2
1
Cálculo de la resistencia exterior debido a película de aire.
2
Suma de resistencias
3. Cálculo del calor fugado del sistema (un tubo) de mayor temperatura al de menor
temperatura.
1
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
80
El valor del calor calculado se obtuvo con signo negativo ya que es calor perdido del sistema
4. Cálculo de tasa de transferencia de calor en las 4 tuberías.
| |
| |
5. Tasa de pérdida de calor, referenciándolo al calor total menos la tasa de transferencia de
las tuberías.
6. Tasa porcentual.
Porcentaje perdido de calor en el sistema
Cálculo del costo de energía perdida al año del intercambiador sin aislamiento.
Los cargos fijos de la energía en la región central por la Comisión Federal de Electricidad (CFE)
son de
Costo de la energía anual=
2
1
1
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
81
5.5.2. Pérdida de calor del I.C. con aislamiento.
Se calcula la perdida de calor que puede tener el intercambiador con recubrimiento (aislante), con lo
cual la pérdida de energía debe de disminuir así como también las perdidas monetarias por la
energía fugada, con esto último se debe analizar si es viable realizar el aislamiento de la tubería con
el fin de que la inversión se recupere.
Cálculo del Intercambiador de calor con aislamiento.
Datos del sistema.
Longitud del tubo= 6.096 m
Calor total del sistema
1. Cálculo del flujo de calor.
Fig. 5.2. Perfil del cambiador de calor con aislamiento.
𝑘1
𝑘2 𝑘
𝑇𝑎𝑚𝑏
𝑇𝐾
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
82
1 2
Dónde:
1
2
2
2
2
Cálculo de resistencias a oponerse en el flujo de calor.
Resistencia por película de fluido.
2
2
Resistencia por pared de casco.
Donde 1= 49.8 W/m °C (constante de conductividad del material para aceros al carbón-silicio en
un rango de temperatura de 400 K), Ver ANEXO I [4].
1
2
1
2
1
Resistencia por aislamiento (Vitroform ASJ plus) espesor 1 in Ver ANEXO J, obtenido de catálogo.
2
2
2
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
83
Donde 2 es la constante de conductividad del material ver anexo J.
2
2
2
2
2
Dónde:
2
Resistencia por acabado (lamina de aluminio calibre 26 espesor 0.5 mm).
Donde = 186 W/m °C (constante de conductividad del material para aleación de aluminio) ver
ANEXO K [4], para aleaciones de aluminio en un rango de temperatura de 400 K.
2
2
2
2
Resistencia por película de aire.
2
2
2
Suma de resistencias.
1 2
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
84
Cálculo del flujo de calor perdido.
Tasa de calor transferido en total de los peines (las 4 tuberías).
24.384 m
Tasa porcentual.
Costo de energía pérdida.
Los cargos fijos de la energía en la región central por la Comisión Feder al de Electricidad (CFE)
son de
Costo de la energía anual=
2
1
1
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
85
5.5.3. Comparación de datos obtenidos.
Con los datos obtenidos en el punto 4.5.1 y 4.5.2 se puede visualizar la diferencia de perdida de
energía que se tiene en el intercambiador de calor, lo cual en las siguiente grafica se puede percibir
de una manera más clara.
Fig. 5.3. Energía perdida al año.
Fig. 5.4. Costo de la energía perdida.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Sin aislamiento Con aislamiento
Energia perdida al año en KW
Energia perdida al año en KW
$0.00
$5,000.00
$10,000.00
$15,000.00
$20,000.00
$25,000.00
$30,000.00
$35,000.00
$40,000.00
$45,000.00
Sin aislamiento Con aislamiento
Costo de la energia perdida al año
Costo de la energia perdida alaño
CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO
86
Con lo anterior se puede observar el ahorro importante tanto de energía como de dinero en efectivo
que se tendrá al año si se utiliza aislamiento en el intercambiador de calor, también llegando a la
conclusión que en menos de un año se pagara el costo del material del aislante así como de su
instalación.
Puesto que como se puede observar el ahorro de dinero es:
Con lo que se puede observar la viabilidad del proyecto para su instalación.
CONCLUSIONES
87
Conclusiones.
Los intercambiadores de calor son equipos utilizados para incrementar la eficiencia de un proceso,
reduciendo a su vez el costo que tendría si estos equipos no se utilizaran, ya que sería obligatorio
emplear otros sistemas como lo son calderas para la generación de vapor el cual ayudaría a
incrementar la temperatura de algún fluido, o por el contrario utilizar plantas de bombeo para enfriar
los fluidos que salen del proceso a altas temperaturas, todo esto genera perdida de calor lo cual
significa perdida de dinero. En el desarrollo del proyecto se hizo la comparación de las pérdidas en
el intercambiador de calor sin aislamiento perdiendo el 3.79 % del calor total que se aprovecha,
generando a su vez un costo de durante un año, lo cual se puede observar que es
una pérdida considerable y a largo plazo sería un total despilfarro de dinero, por otro lado si se
utiliza algún recubrimiento que impida la perdida de energía, la tasa porcentual se reduce al 0.27 %,
con un costo de que comparándolo con la anterior perdida se refleja una gran
diferencia, y si se toma en cuenta el costo total del intercambiador de calor se puede dar uno cuenta
que la recuperación de la inversión se logra en 1 año con dos meses. Con lo cual se puede verificar
la viabilidad del proyecto y a largo plazo generara ganancias necesarias para el mantenimiento del
equipo y/o reemplazo.
La fabricación del equipo será en México, puesto que si se requiriera comprar uno con las mismas
características en el extranjero considerando que costara lo mismo, su precio aumentaría
considerablemente por factores como los impuesto que se pagan en la aduana, tales impuestos son:
el IGI (impuesto general de importación), el DTA (derechos de trámite aduanero), el IVA y regalías
sumándole a ello el costo del transporte del producto y el seguro del producto por mencionar
algunos.
NOMENCLATURA
88
Nomenclatura.
Sistema Internacional Sistema Inglés
Coeficiente total de transferencia
de calor (L=limpio; s=sucio)
2 ⁄
T
t2
Coeficientes de transferencia
de calor por convección
2 ⁄
T
t2
L = Longitud Ft
= Conductividad térmica ⁄
T
t2 t
Densidad
t
t
Velocidad ⁄ t
⁄
Diametros t
Viscosidad dinámica 2
t
= Calor especifico T
Número de Nusselt Adimensional Adimensional
Número de Reynolds Adimensional Adimensional
Número de Prandt Adimensional Adimensional
= Áreas (t=tubo; a=ánulo) 2 t2
=Área por unidad de longitud 2
t2
t
Factor de incrustación 2
t2
T
Resistencia total al flujo de calor 2
t2
T
Radio t
= Velocidad media ⁄ t
⁄
= Área transversal 2 t2
Gasto másico
NOMENCLATURA
89
t Número de Stanton Adimensional Adimensional
T1 T2 t1 t2= Temperatura de fluidos caliente
y frio °F
T t = Temperatura calórica de fluidos
caliente y frio °F
Flujo de calor KJ T
=Entalpia T
T Diferencia de temperatura
Adimensional Adimensional
t t
2
T
t
t t 3.1416 3.1416
Adimensional Adimensional
Temperatura promedio del fluido Adimensional Adimensional
Factor de temperatura calórica Adimensional Adimensional
gravedad especifica Adimensional Adimensional
Flujo masico 2 t2
gravedad (0= del lugar) 2 t 2
factor de fricción Adimensional Adimensional
presión de altura m columna de liquido ft columna de liquido
diferencia de presión Pa psi
presión (c=calibración) Pa psi
t espesor (n= con factor de
corrosión, rn=más el 12.5 % por tolerancia
de fabricación, r= real)
m in
T presion máxima de trabajo Pa Psi
costo de la energía $M.N. $M.N.
Nota: Los subíndices i y o se refieren a las superficies interna y externa del tubo, así como los
subíndices h y c se refieren a el lado caliente y el lado frio en los tubos.
GLOSARIO
90
Glosario.
Anulo. Parte delimitada por el diámetro exterior del tubo interno y el diámetro interior del tubo
externo.
Balance de energía. El balance de energía es un principio físico fundamental al igual que la
conservación de masa, que es aplicado para determinar las cantidades de energía que es
intercambiada y acumulada dentro de un sistema.
Calor. El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que
componen un cuerpo.
Capacitancia térmica. Cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de una
sustancia
Cople. Casquillo que se utiliza para unir dos tubos.
Coraza. Elemento estructural hecho para circundar un espacio. La mayoría de los cascos son
generados por la revolución de una placa plana.
Corrosión. Erosión química causada por agentes con o sin movimiento. Es la destrucción gradual
de un metal o aleación debido a procesos químicos como la oxidación o a la acción de un agente
químico.
Destilación. Proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles
pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en
forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una
mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los
materiales volátiles de los no volátiles.
Estoperos (prensaestopas). Aro de material absorbente que rodea los vástagos de los grifos,
válvulas y acoplamientos, para evitar fugas. Generalmente es regulable.
Fluido. Sustancia cuyas moléculas presentan gran movilidad y se desplazan libremente debido a la
poca cohesión existente entre ellas: los fluidos (es decir, los líquidos y los gases) adoptan la forma
del recipiente que los contiene.
GLOSARIO
91
Flujo laminar. Las partículas se desplazan siguiendo trayectorias paralelas, formando así en
conjunto capas o láminas de ahí su nombre, el fluido se mueve sin que haya mezcla significativa de
partículas de fluido vecinas.
Flujo turbulento. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy
altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas.
La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o por la
existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades.
Oxidación. Desprendimiento de escamas de los metales, es el fenómeno que ocurre a altas
temperaturas y cuando hay entrada de aire.
Presión de diseño. Presión que se usa para determinar el espesor mínimo permitido o las
características físicas de las diferentes partes del depósito (tubo)
Presión de operación. La presión a la que está sometido normalmente el tubo y que se localiza en la
parte superior, no debe exceder de la presión máxima de trabajo permitida.
Sistema termodinámico. Se define como la parte del universo que es el objeto de estudio. Un
sistema termodinámico puede ser una célula una persona, el vapor de una maquina etc.
TEMA. Asociación de Manufactureros de Intercambiadores Tubulares
Temperatura. La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que
este contiene o puede rendir).
Transferencia de calor. Proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos
cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.
Tubos en stock. Se le conoce a si al conjunto de tubos que se tienen en un intercambiador de calor
de coraza y tubo.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
92
Referencias bibliográficas.
[1] Procesos de transferencia de calor, Donald Q. Kern, Ed. Grupo patria cultural.
[2] Applied process design for chemical and petrochemical plants, volume 3, Ernest E. Ludwig,
Originally published by Gulf Publishing Company, Houston, TX.
[3] Transferencia de calor y masa, Yunus A. Cengel, Ed. Mc Graw Hill.
[4] Fundamentos de Transferencia de calor, Frank P. Incropera, Ed. Pearson Education.
[5] Código ASME sección VIII.
[6] Manual TEMA novena edición, 2007.
[7] Handbook of Thermal Engineering “Handbook Series for Mechanical Engineering” Editado por
Frank Kreith.
[8] Mecánica de los fluidos, Víctor L. Streeter Ed. Mc Graw Hill.
[9] Mecánica de fluidos, Robert L. Mott 6ta Edición, Pearson Education, México 2006.
[10] Pressure vessel design manual, Dennis R. Moss, Gulf Professional Publishing.
[11] Manual de recipientes a presión diseño y calculo, Eugene F. Megyesy, Limusa Noriega
Editores.
Referencias electrónicas.
[12] http://www.observatoriolaboral.gob.mx/ola/content/common/reporteIntegral/busquedaReporte.j
sf;jsessionid=40201b1c0df0734f38acffbb7a49
[13] http://www.conasami.gob.mx/nvos_sal_2013.html
ANEXOS
93
ANEXOS
ANEXOS
94
ANEXO A Viscosidades para gasolina a temperatura de 130°F y keroseno a 70°F.
ANEXOS
95
ANEXO B Viscosidades para gasolina a temperatura calórica de 140.2 °F y keroseno a 85.3°F.
ANEXOS
96
ANEXO C Calores específicos a la temperatura calórica obtenida.
ANEXOS
97
ANEXO D Conductividad térmica de gasolina y keroseno.
ANEXOS
98
ANEXO E Gravedades específicas de gasolina y keroseno evaluados a la temperatura calórica.
ANEXOS
99
ANEXO F Para la viscosidad a utilizar para la corrección por viscosidad utilizando la temperatura de la pared
del tubo.
ANEXOS
100
ANEXO G Obtención del factor A, aproximadamente 0.0026.
ANEXOS
101
ANEXO H Obtención del factor B se tomó un valor de 15600.
ANEXOS
102
ANEXO I Conductividad térmica del acero SA 106 GR B.
ANEXOS
103
ANEXO J Conductividad térmica del aislante VITROFORM ASJ.
Co
nd
uctivid
ad t
érm
ica
a la
te
mp
erat
ura
de
trab
ajo
ANEXOS
104
ANEXO K Conductividad térmica del aluminio.
ANEXOS
105
ANEXO L Factor de corrección de temperatura calórica.
ANEXOS
106
ANEXO M
ANEXOS
107
ANEXO N
Recomendaciones para presión de diseño según TEMA.
ANEXOS
108
ANEXO O
ANEXOS
109
ANEXOS
110
ANEXO P
Utilizar la ecuación del 1-1.
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