Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
El proceso de diseño de intercambiadores de calor, desde su clasificación según diferentes criterios hasta el cálculo de la transferencia de calor y las ecuaciones que lo governan. Se abordan conceptos como el diseño termo-hidráulico, la transferencia indirecta y directa, y el coeficiente global de transferencia de calor.
Tipo: Apuntes
1 / 112
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
ANTEPROYECTO DE UN
INTERCAMBIADOR DE CALOR
TIPO DOBLE TUBO PARA UN
PROCESO DE REFINACIÓN
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
DIRIGIDA POR: ING. SAÚL RIVERA ZAMORA
P R E S E N T A: RODOLFO HERNÁNDEZ ALMASO
MÉXICO, D.F. ENERO DE 2017
Agradecimientos
Dedico esta tesis a mis padres, Sergio y María Guadalupe, que por su apoyo incondicional tuve la oportunidad de recibir educación universitaria, así como la elaboración de este trabajo de tesis. En ellos veo el ejemplo de disciplina, perseverancia y superación. Este trabajo es el resultado de la educación que me brindaron con tanto esfuerzo.
Agradezco a mis hermanos, Emanuel, Valentín, Víctor Manuel, María Gpe. y Rafael, por su apoyo, compañía, tolerancia, y buenos deseos que sirvieron de aliento en momentos difíciles al realizar este trabajo.
Agradezco a mis amigos y compañeros de carrera, que sin sus consejos y apoyo este trabajo no hubiera sido posible.
Agradezco a mi asesor el Ing. Saúl Rivera Zamora por su apoyo, consejos y orientación en la elaboración de esta tesis.
i
Índice General. Pág.
Índice de figuras. iv Índice de tablas. v Nomenclatura. vi Letras griegas. viii Resumen. ix Objetivo General. xi Planteamiento del problema. xi Justificación. xi Alcance. xi Introducción. xii Capítulo 1. Generalidades. 1 1.1. Intercambiador de calor. 2 1.2. Clasificación de los intercambiadores de calor. 2 1.2.1. Clasificación según el proceso de transferencia. 3 1.2.1.1. De contacto directo. 3 1.2.1.2. De contacto indirecto. 3 1.2.2. Clasificación según los mecanismos de transferencia de calor. 3 1.2.3. Clasificación según el número de fluidos involucrados. 4 1.2.4. Clasificación según la disposición de los fluidos. 4 1.2.4.1. Intercambiador de calor de paso único. 4 1.2.4.2. Intercambiador de calor de pasos múltiples. 6 1.2.5. Clasificación según la compactación de la superficie. 6 1.2.6. Clasificación según su construcción. 7 1.2.6.1. Intercambiador de doble tubo. 7 1.2.6.2. Intercambiador tipo envolvente-haz de tubos. 7 1.2.6.3. Intercambiadores enfriados por aire y radiadores. 12 1.2.6.4. Intercambiadores de placas empacadas. 13 1.3. Aplicaciones de los intercambiadores de calor. 15 1.3.1. Intercambiadores de calor en la industria. 15 1.3.2. Intercambiadores de calor en los vehículos. 16 1.3.3. Intercambiadores de calor en los laboratorios. 17 1.3.4. Intercambiadores de calor en el hogar. 18 Capítulo 2. Marco Teórico. 21 2.1. Transferencia de calor. 22
iii
Glosario. 92 Referencias bibliográficas. 95 Referencias electrónicas. 95
Índice de figuras.
vi
Nomenclatura.
Símbolo Cantidad Sistema Internacional Sistema Inglés A, At, Aa Áreas (t=tubo, a=ánulo). m^2 ft^2 Ac Área^ por unidad de longitud. m
(^2) ⁄m (^) ft (^2) ⁄ft
At Área transversal.^ m^2 ft^2 C Calor especifico. KJ ⁄( kg)(°K) BTU⁄ (lb)(℉) Ce Costo de energía.^ $ M. N. $ M. N. D, Di, Do, di, do Diámetros. m Ft f Factor de fricción. Adimensional Adimensional Fc Factor de temperatura calórica.
Adimensional Adimensional
g, go Gravedad estándar y gravedad del lugar. m^ s
⁄ (^2) ft ⁄s^2
G Flujo másico. (^) kg ⁄( (^) m^2 )(h) lb⁄ (ft^2 )(h) h, hf, hfv Carga. m columna de líquido ft columna de líquido h, hi, ho, hio Coeficiente de transferencia de calor por convección. W^ (m ⁄ 2 )(℃) BTU ⁄(h)(ft^2 )(℉)
I Entalpia. KJ ⁄kg BTU ⁄lb K Conductividad térmica.^ W ⁄(^ m)(℃) BTU ⁄(h)(ft^2 )(℉ ⁄ft^ ) Kc Temperatura promedio del fluido. Adimensional^ Adimensional L Longitud.^ m ft ṁ Gasto másico. kg ⁄s^ lb ⁄h Nu Número de Nusselt.^ Adimensional Adimensional P, PD, PC Presión (D=diseño, C=calibración). Pa^ Psi PMT Presión máxima de trabajo. Pa psi
vii
Símbolo Cantidad Sistema Internacional Sistema Inglés Pr Número de Prandtl.^ Adimensional Adimensional Q Flujo de calor. KJ BTU ⁄h r Radio. M Ft Re Número de Reynolds.^ Adimensional^ Adimensional Rf Factor de incrustación. (m^2 )(℃)⁄ W (h)(ft^2 )(℉) ⁄BTU SG Gravedad especifica.^ Adimensional Adimensional St Número de Stanton. Adimensional Adimensional T 1 , T 2 , t 1 , t 2 Temperaturas de fluidos caliente y frio. ℃,^ °K^ ℉,^ °R t, tr Espesor (r=requerido). M In Tc, tc Temperaturas calóricas de fluidos caliente y frio. ℃,^ °K^ ℉,^ °R u Velocidad. m ⁄s ft ⁄s U, UL, Us Coeficiente total de transferencia de calor (L=limpio, s=sucio).
W ⁄(^ m^2 )(℃) BTU ⁄(h)(ft^2 )(℉)
um Velocidad media.^ m ⁄s^ ft ⁄s 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 al lado caliente y frio en los tubos.
ix
Resumen.
Mediante este anteproyecto, se demuestra el procedimiento para dimensionar intercambiadores de calor tipo doble tubo, diseñados y fabricados en México con material y mano de obra nacional, respetando estándares de calidad, empleando normas de diseño y fabricación de este tipo de equipos de acuerdo con la normatividad internacional.
El contenido del presente trabajo se enfoca en el diseño de intercambiadores de calor tipo doble tubo y está constituido por cinco capítulos en los cuales se desarrollan temas relacionados a los intercambiadores de calor, aplicaciones y algunas consideraciones a tomar en cuenta en el diseño de este tipo de equipos empleados en plantas de procesos.
En el capítulo 1.- Generalidades; se describe a grandes rasgos la función de un intercambiador de calor, sus clasificaciones de las cuales algunas son: de acuerdo a la disposición de los fluidos, según la compactación de la superficie y de acuerdo a su construcción, además se realiza la descripción de algunas de sus aplicaciones en la industria, el hogar, entre otros.
En el capítulo 2.- Marco teórico; se desarrollan los temas básicos e introductorios aplicables al diseño de intercambiadores de calor, como son la descripción y conceptualización de los mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación), necesarios para la comprensión del funcionamiento de los equipos de transferencia.
En el capítulo 3.- Diseño del intercambiador de calor tipo doble tubo: en este capítulo se describe más a fondo como es el funcionamiento y construcción de un intercambiador de calor tipo doble tubo así como los arreglos más comúnmente encontrados en la industria y algunas recomendaciones dadas por algunos fabricantes de intercambiadores de calor para el diseño y selección de este tipo de equipos.
En el capítulo 4.- Memoria de cálculo; se realiza el diseño y los cálculos del intercambiador de calor, dividiéndose en tres secciones indispensables (diseño térmico, diseño hidráulico y diseño mecánico), iniciándose con el diseño térmico en el cual se verifica que el arreglo tenga un factor de obstrucción que permita la confiabilidad de que la limpieza no sea muy frecuente en periodos cortos, es decir, que no se realice más de dos veces por año, después se realiza el cálculo hidráulico en el cual se verifica que el equipo cumple con las limitantes proporcionadas por el cliente que en su defecto son los requerimiento del proceso en el cual va a funcionar el equipo, consecuentemente es
x
necesaria la evaluación mecánica en la cual se demuestra que el equipo soporta las presiones interna y externa, y que además no se encuentra en riesgo de falla inminente, por último se realiza la descripción de la aplicación de soldadura a los puntos en donde se requiere su aplicación.
Por último se tiene el capítulo 5.- Análisis económico; el análisis económico del anteproyecto abarca el costo total del que comprende los costos de materiales, costo de ingeniería y costo de mano de obra para con ello verificar la viabilidad del proyecto.
xii
Introducción.
Un intercambiador de calor es todo aquel dispositivo cuya función principal es realizar una transferencia de calor desde un fluido a otro a través de paredes metálicas y sin que ocurra contacto directo entre ellos. La forma elemental de un intercambiador de calor consiste en un tubo por cuyo interior circula un fluido y cuyo exterior es bañado por otro, existiendo un potencial térmico entre ambos. Como parte integral de un sistema de producción, la función de los intercambiadores de calor es determinante, por lo que, se requiere de un diseño minucioso y confiable, para lograr ese objetivo se debe desarrollar el diseño como se plantea enseguida:
El diseño de un intercambiador se integra por las siguientes fases:
Diseño termo-hidráulico: S e 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, en esta etapa del diseño se selecciona el tipo de intercambiador de calor a utilizar tomando en consideración que los intercambiadores de calor tipo doble tubo tienen su mayor aplicación en donde la superficie de transferencia de calor es pequeña de 100 a 200 ft² o menor, en caso de requerir mayor área de transferencia es necesario el empleo de un intercambiador de calor del tipo Envolvente–Haz de tubos, ya que el empleo de un intercambiador de doble tubo para áreas mucho mayores consumen considerable espacio, y cada intercambiador de doble tubo introduce no menos de 14 puntos en donde pueden ocurrir fugas.
Diseño mecánico-estructural: 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 puede 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.
xiii
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.
Generalidades
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 (gas o líquido) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:
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 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, sistema de acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de combustión interna, calderas, condensadores, y pre-calentadores o enfriamiento de fluidos.
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar de acuerdo a diferentes criterios: tipo de contacto entre fluidos, relación área de transferencia de calor a volumen ocupado, número de fluidos involucrados, de acuerdo al servicio, tipo de construcción, etc. Los cuales se describen a continuación.
Generalidades
1.2.1. Clasificación según el proceso de transferencia.
1.2.1.1. De contacto directo.
En este tipo de intercambiadores, el calor es transferido por contacto directo entre dos fluidos en distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy baja presión de vapor) fácilmente separables después del proceso de transferencia de energía, como sucede en las torres de enfriamiento de agua con flujo de aire y a su vez este puede ser forzado o natural.
1.2.1.2. De contacto indirecto.
En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, las corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a través de una pared divisora, o desde el interior hacia el exterior de la pared de una forma no continua. Cuando el flujo de calor e intermitente, es decir, cuando el calor se almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido frio, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo almacenador o sencillamente regenerador. La resistencia en el flujo de calor es posible debido a que el paso de las corrientes tanto caliente como fría es alternado; como ejemplo se puede mencionar los precalentadores de aire para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la corriente fría, a través de una delgada pared divisora son llamados intercambiadores tipo transferencia directa o simplemente recuperadores; estos son los más usados a nivel industrial.
1.2.2. Clasificación según los mecanismos de transferencia de calor.
Los mecanismos básicos de transferencia de calor entre un fluido y una superficie son:
Convección en una sola fase, forzada o libre. Convección con cambio de fase, forzada o libre: condensación o ebullición. Una combinación de convección y radiación.
Cualquiera de estos mecanismos o una combinación de ellos pueden estar activos a cada lado de la pared del equipo. Por ejemplo, convección en una sola fase se encuentra en radiadores de automóviles, enfriadores, refrigeradores, etcétera. Convección monofásica de un lado y bifásica del otro se puede encontrar en evaporadores, generadores de vapor, condensadores, etcétera. Por su
