EVALUACIONES PRELIMINARES DE UN TUBO DE VACIO PARA TERMA SOLAR
Diseño tubos y coraza
1. I. Q. ALEJANDRO GUADARRAMA
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA
Procedimiento de Diseño Básico
para un Intercambiador de Calor
de Tubos y Coraza
6. Se va a diseñar un intercambiador de calor para calentar agua cruda utilizando
un condensador de agua a 67 °C y 0.2 bar, la cual fluirá en el lado de la coraza
con un flujo másico de 50,000 kg/h. El calor se transferirá a 30,000 kg/h de
agua municipal que viene de un abastecimiento a 17 °C (Cp = 4184 J/kg-K). Se
prefiere un solo paso por coraza y paso sencillo por los tubos. Se sugiere una
resistencia por ensuciamiento de 0.000176 m2K/W con sobrediseño de
superficie del 35%, lo que resulte más pequeño. Se sugiere un máximo de
velocidad del refigerante de 1.5 m/s para prevenir la erosión. Se permite un
máximo de longitud de los tubos de 5 m debido a limitaciones de espacio. El
material de los tubos es acero al carbon (k = 60 W/mK). El agua cruda fluye
por el interior de los tubos rectos de ¾ in (19 mm DE con 16 mm DI). Los
tubos estan distribuidos en arreglo cuadrado con una relación de pitch de 1.25.
El espaciamiento de las mamparas es aproximadamente 0.6 del diámetro de la
coraza y las mamparas tienen un corte de 25%. La caída de presión máxima
permisible por el lado de la coraza es 1.5 lbf/in2. La temperatura de salida del
agua no debe ser menor a 40 °C. Realice un análisis preliminar.
7. Balance de energía para la corriente fría:
Cálculo de la temperatura de salida del agua caliente:
8. Cálculo de los coeficientes individuales de transferencia de calor:
De la tabla 8.4:
ho = 5,000 W/m2K
hi = 4,000 W/m2K
Cálculo del coeficiente limpio:
Cálculo del coeficiente sucio:
9. Cálculo de la media logarítmica de temperatura:
Suponiendo un valor de F= 0.90:
Cálculo de las áreas limpia y sucias estimadas:
El sobrediseño se calcula con:
Lo que nos da 34% y es aceptable
10. El diámetro de la coraza se calcula con:
Y el número de tubos:
12. En el ejercicio anterior, se estimó el tamaño de la unidad. Si se selecciona un
diámetro de coraza de 15 ¼ in de acuerdo a las normas de TEMA de la tabla
8.3 con 124 tubos para un intercambiador de tubos y coraza de 2P, evalúe este
intercambiador de calor para las especificaciones de proceso dadas utilizando el
método Kern. Note que la carga calorífica es fija; entonces se pueden calcular
la longitud del intercambiador y la caída de presión para ambas corrientes.
Parámetros geométricos:
Diámetro interno de la coraza Ds = 15 ¼ in (= 0.39 m)
Número de tubos Nt = 124
Diámetro de tubo DE = 19 mm, DI = 16 mm
Material del tubo k = 60 W/m2K
Espaciamiento mamparas B = 0.25 m, corte a 25%
Pitch Pt = 0.024 m
Número de pasos por tubos Np = 2
La carga calorífica es constante y se asume temperatura de salida de 40 °C
13. Las propiedades del fluido de la coraza se toman a:
Y se tiene:
= 983.2 kg//m3
Cp = 4184 J/kg∙K
= 4.67 x 10-4 N∙s/m2
k = 0.652 W/m∙K
Pr = 3.00
Las propiedades del agua por lado de los tubos:
Y se tiene:
= 996.8 kg//m3
Cp = 4179 J/kg∙K
= 8.2 x 10-4 N∙s/m2
k = 0.610 W/m∙K
Pr = 5.65
14. Se utiliza la sig. Correlación de Kern para el cálculo de coeficiente de transferencia de
calor por el lado de la coraza cuando ha mamparas (ho):
Para un arreglo de tubos en cuadrado:
El Re calculado cae dentro del rango para la ecuación seleccionada
15. Para aplicar la correlación se requiere calcular la viscosidad a la temperatura promedio
de pared, la cual se calcula con:
A esa temperatura, se obtiene w = 6.04x10-4 N∙s/m2
16. Se calcula el coeficiente de transferencia de calor por el lado de los tubos:
Como Re>104, se utilizará la correlación de Gnielinski:
17. Se determina el coeficiente global de transferencia de calor:
Cálculo del coeficiente limpio:
Cálculo del coeficiente sucio:
18. Se calcula la caída de presión por el lado de la coraza:
Dado que 0.54 < 1.5, la caída de presión por el lado de la coraza es aceptable
19. Cálculo de la longitud de tubos:
Se redondea a 4. Como 4<5, la longitud del intercambiador es aceptable.
20. Cálculo de la caída de presión por el lado de los tubos:
En este caso también la caída de presión es aceptable.
El arreglo escogido cumple todas las restricciones.
