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FLUJO A CONTRACORRIENTE: INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

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Academic year: 2019

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA

FUERZA ARMADA BOLIVARIANA (UNEFA) NÚCLEO CARABOBO - SEDE ISABELICA

CARRERA: INGENIERÍA PETROQUÍMICA SEMESTRE: VII SECCIÓN I003D ASIGNATURA: EQUIPOS BÁSICOS DE PROCESOS

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO. PARTE 1

PERÍODO: I 2011 SEMANA 12 PROFESOR: EDUARDO E. VARGAS P.

_______________________________________________________________________ INSTRUCCIONES: Este es el tercer componente de estudio de la asignatura Equipos Básicos de Procesos, cuyo contenido está referido a los equipos de transferencia de calor. En él estaremos haciendo una revisión de los equipos de transferencia de calor, tales como intercambiadores de calor, condensadores y evaporadores, equipos que son de mucha importancia en la industria petroquímica. La transferencia de calor es vital en la mayoría de los procesos químicos. Esta es una lectura

FLUJO A CONTRACORRIENTE: INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

Definiciones. 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 el agua de enfriamiento son servicios y no se consideran en el mismo sentido que las corrientes de proceso recuperables. Los calentadores se usan primariamente para calentar fluidos de proceso, y 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.

Intercambiadores de doble tubo. La imagen industrial de este aparato es el intercambiador de doble tubo, que se muestra en la Figura 1. Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador.

Figura 1. Intercambiador de doble tubo.

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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 1, la unidad se llama horquilla.

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 estándar de tes y cabezales de retorno, se dan en la Tabla 1.

TABLA 1. Conexiones para intercambiadores de doble tubo.

Tubo exterior IPS Tubo interior IPS 2

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 de 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 del fluido en el ánulo. La principal desventaja en el uso de los intercambiadores de doble 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. Esto requiere considerable espacio, y cada intercambiador de doble tubo introduce no menos de 14 puntos en donde pueden ocurrir fugas. El tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles limpieza periódica son prohibitivos comparados con otros tipos de equipo. 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.

Coeficientes de película para fluidos en tuberías y tubos. Sieder y Tate, hicieron una correlación tanto para el calentamiento como enfriamiento de varios fluidos, principalmente fracciones de petróleo, en tubos horizontales y verticales, llegando a una ecuación para el flujo laminar donde DG/μ < 2 100 en la forma de la Ecuación:

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donde L es la longitud total de la trayectoria de transferencia de calor antes de que haya mezcla. La Ecuación dio las desviaciones máximas de la media de aproximadamente ±12% de Re = 100 a Re = 2 100, excepto para agua. Después del rango de transición, los datos pueden extenderse al flujo turbulento en la forma de la Ecuación:

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Las ecuaciones anteriores se podrán usar indiscriminadamente para tubos y tuberías. Las tuberías son más rugosas que los tubos y producen más turbulencia para los mismos números de Reynolds. Los coeficientes calculados de correlaciones de datos de tubo son actualmente menores y más seguros que los cálculos correspondientes basados en datos de tuberías, y no hay en la literatura correlaciones de tubería tan extensas como las correlaciones para tubos. También se puede decir que estas ecuaciones son aplicables para líquidos orgánicos, soluciones acuosas y gases. No son conservadoras para el agua y después se darán datos adicionales para este caso. Para permitir una representación gráfica de, ambas ecuaciones en un solo par de coordenadas, usamos la ordenada:

y la abscisa (DG/ ) solamente puede mostrarse la Ecuación (2). Usando D/L o L/D como parámetro, se puede también incluir la Ecuación (1). La región de transición junta las dos. Gráficas de las Ecuaciones (1) y (2) se dan en la Figura 4 junto con una línea de pendiente 0.14 para facilitar la solución de la razón

Fluidos que fluyen en un ánulo: Diámetro equivalente. Cuando un fluido fluye por un conducto

que tiene sección diferente a la circular, tal como un anulo, es conveniente expresar los coeficientes de transferencia de calor y factores de fricción mediante los mismos tipos de ecuación y curvas usadas para tuberías y tubos.

Figura 2. Gráfica de las ecuaciones 1 y 2. Curva de transferencia de calor para tubos Para permitir este tipo de representación para la transferencia de calor en los ánulos, se ha

encontrado ventajoso emplear un diámetro equivalente D. El diámetro equivalente es cuatro veces el radio hidráulico, y el radio hidráulico es, a su vez, el radio de un tubo equivalente a la sección del ánulo. El radio hidráulico se obtiene como la razón del área de flujo al perímetro húmedo. Para un fluido que fluye en un ánulo, como se muestra en la Fig. 3, el área de flujo es evidentemente

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En los cálculos de caída de presión la fricción no solamente se origina por la resistencia del tubo exterior, sino también es afectada por la superficie exterior del tubo interior. El perímetro húmedo total es , y para la caída de presión en un ánulo:

Esto conduce al resultado anómalo de que el número de Reynolds para las mismas condiciones de flujo, w, G, y μ, es diferente para transferencia de calor y caída de presión, puesto que D, debe estar sobre 2100 mientras que , está debajo de 2100. Actualmente ambos números de Reynolds deberán considerarse únicamente aproximados, puesto que la distinción exacta entre flujo laminar y turbulento a un número de Reynolds de 2100 no es completamente válida en el ánulo.

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Figure

Figura 1. Intercambiador de doble tubo.
Figura 2. Gráfica de las ecuaciones 1 y 2. Curva de transferencia de calor para tubos  Para permitir este tipo de representación para la transferencia de calor en los ánulos, se ha
Figura 3.  Diámetros de los ánulos y localización de los coeficientes.
Figura 4. Curva de transferencia de calor lado de tubos

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