Desarrollo de un software educacional para el diseño y simulación de condensadores unicomponentes

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(1)DESARROLLO DE UN SOFTWARE EDUCACIONAL PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CONDENSADORES UNICOMPONENTES. IVÁN EDUARDO BONILLA ARBELAEZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. 2003.

(2) DESARROLLO DE UN SOFTWARE EDUCACIONAL PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CONDENSADORES UNICOMPONENTES. IVÁN EDUARDO BONILLA ARBELAEZ. Proyecto de Grado para optar al titulo de Ingeniero Químico. Asesor Edgar Vargas Ingeniero Químico. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. 2003.

(3) Nota de aceptación. Asesor. Jurado. Bogotá, D. C. Julio de 2003.

(4) A mis amigos de la U, quienes hicieron mas llevaderos estos años y a mi familia con quien siempre cuento.

(5) AGRADECIMIENTOS. A Edgar Vargas, mi asesor, ingeniero químico profesor del departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes, por la paciencia y el buen animo que siempre mostró, y por la excelente forma en que me apoyo durante mi sustentación.. A Oscar Álvarez, aunque hoy en día no se encuentre en el departamento, por el impulso y el entusiasmo que supo comunicarme durante la fase de seminario de grado.. A todos aquellos profesores que directa o indirectamente me proporcionaron los conocimientos necesarios para afrontar las problemáticas derivas del ejercicio de la profesión de ingeniero.. A todos mis amigos de ingeniería química, al cuerpo docente y administrativo del departamento, de quienes siempre obtuve un respaldo incondicional..

(6) CONTENIDO. PÁG. INTRODUCCIÓN............................................................................................ 1 1. OBJETIVOS............................................................................................... 3. 1.1 GENERALES................................................................................ 3. 1.2 ESPECIFICOS............................................................................. 3. 2. ANTECEDENTES..................................................................................... 5. 3. CONDENSACIÓN DE VAPORES PUROS............................................... 6 3.1 INTRODUCCION A LA CONDENSACIÓN................................. 6 3.2 MECANISMOS DE CONDENSACIÓN........................................ 7 3.2.1 Condensación por goteo............................................. 7. 3.2.2 Condensación por película.......................................... 8. 3.3 TEORIA DE LA CONDENSACIÓN EN SUPERFICIES............... 9. 3.3.1. Condensación en superficies verticales................ 9. 3.3.2. Condensación en superficies horizontales............ 11. 3.3.3. Comparación entre condensación horizontal y vertical....................................................................... 12.

(7) 4. DISEÑO DE CONDENSADORES............................................................ 14 4.1 GENERALIDADES..................................................................... 14 4.2 TIPOS DE CONDENSADORES................................................. 15 4.2.1 Condensador horizontal con condensación sobre los tubos........................................................ 15 4.2.1.1 Descripción General......................... 15 4.2.1.2 Cálculo del coeficiente de condensación.................................... 18 4.2.2 Condensador horizontal con condensación dentro de los tubos.................................................. 19 4.2.2.1 Descripción General......................... 19 4.2.2.2 Cálculo del coeficiente de condensación..................................... 20 4.2.3 Condensador vertical con condensación tubos los tubos........................................................ 21 4.2.3.1 Descripción General......................... 21 4.2.3.2 Cálculo del coeficiente de condensación.................................... 4.2.4 Condensador vertical con condensación de los tubos.................................................................... 21 4.2.4.1 Descripción General.......................... 21 4.2.4.2 Cálculo del coeficiente de condensación..................................... 23. 5. DESARROLLO DEL PROGRAMA.......................................................... 24.

(8) 5.1 ESTRUCTURA GENERAL......................................................... 24 5.2 DATOS DE ENTRADA............................................................... 24 5.2.1. Orientación del condensador................................. 25. 5.2.2. Caída de presión permisible................................... 25. 5.2.3. Composición de las corrientes............................... 25. 5.2.4. Temperaturas de entrada y salida de la corriente refrigerante............................................................... 25. 5.2.5. Presión de entrada del gas a condensar............... 25. 5.2.6. Arreglo del haz de tubos......................................... 25. 5.2.7. Coeficiente de ensuciamiento................................ 25. 5.2.8. Clase TEMA de cabezal posterior.......................... 26. 5.2.9. Número de pasos en los tubos.............................. 26. 5.2.10 Número de baffles (deflectores)............................. 26 5.2.11 Diámetro externo de los tubos y pitch.................. 26 5.2.12 Calibre BWG............................................................. 26 5.2.13 Material..................................................................... 27 5.3 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN.............................. 27 5.3.1. Calculo de propiedades termo físicas.................. 27 5.3.1.1 Calor específico.......................................... 27 5.3.1.2 Densidad..................................................... 28 5.3.1.3 Conductividad térmica.............................. 28 5.3.1.4 Viscosidad.................................................. 29 5.3.1.5 Temperatura de saturación....................... 30 5.3.1.5.1. Antoine........................................ 30. 5.3.1.5.2. Clausius-Clapeyron.................... 30.

(9) 5.3.1.5.3. Riedel........................................... 30. 5.3.1.6 Calor latente de vaporización..................... 31 5.3.2. Conteo del haz de tubos......................................... 31. 5.3.3. Cálculo de coeficientes de condensación........... 32 5.3.3.1 Balance de calor.......................................... 32 5.3.3.2 Temperatura media logarítmica................. 32 5.3.3.3 Temperaturas calóricas.............................. 33 5.3.3.4 Área total de transferencia de calor.......... 33 5.3.3.5 Coeficiente global de condensación por película......................................................... 33 5.3.3.6 Área de flujo en la coraza........................... 34 5.3.3.7 Área de flujo en los tubos........................... 34 5.3.3.8 Coeficiente de transferencia de calor en la coraza............................................................ 34 5.3.3.9 Coeficiente de transferencia de calor en los tubos............................................................. 35 5.3.3.10 Temperatura de la pared del tubo............ 35 5.3.3.11 Temperatura de la película........................ 36 5.3.3.12 Coeficiente limpio de transcalor............... 36 5.3.3.13 Caída de presión en la coraza................... 37 5.3.3.14 Caída de presión en los tubos.................. 37 5.3.3.15 Balance con el factor de ensuciamiento.. 37. 5.4 RESULTADOS........................................................................... 38 5.4.1 Diseño......................................................................... 38 5.4.2 Simulación.................................................................. 38.

(10) 5.4.3 Sugerencias de diseño.............................................. 39. 6. VALIDACIÓN........................................................................................... 40. 6.1. ENUNCIADO DEL PROBLEMA........................................... 40. 6.2. DESARROLLO DEL PROBLEMA UTILIZANDO EL PROGRAMA......................................................................... 41. 6.3. RESULTADOS COMPARATIVOS....................................... 6.3.1. 46. Condensador horizontal, condensación sobre los. tubos..................................................................................... 47 6.3.2. Condensador vertical, condensación sobre los. tubos..................................................................................... 48. 7. CONCLUSIONES..................................................................................... 49. BIBLIOGRAFÍA........................................................................................... 51. ANEXOS....................................................................................................... 52.

(11) LISTA DE ANEXOS. ANEXO A. Estándares TEMA corazas, cabezales frontales y posteriores.................................................................................................. 52 ANEXO B. Tipos TEMA de corazas mas utilizadas................................. 53 ANEXO C. Conteo de tubos totales.......................................................... 54 ANEXO D. Coeficientes de ensuciamiento.............................................. 66 ANEXO E. Propiedades termo físicas de líquidos.................................. 69 ANEXO F. Propiedades termo físicas de gases...................................... 77 ANEXO F. Nomenclatura........................................................................... 82 ANEXO G. Tutorial..................................................................................... 84.

(12) INTRODUCCIÓN. La aplicación y control de los fenómenos de transporte durante el desarrollo de los diversos procesos productivos en la industria química constituye una de las principales responsabilidades en el ejercicio habitual de la labor de ingeniero. Se considera como asunto primordial el estudio y mejora de los sistemas de transferencia de calor por medio de intercambiadores, debido a su amplio uso en todo tipo de instalación y procedimiento dentro de la industria. Si el profesional carece de una plena competencia en el manejo de los elementos básicos que determinan dichos fenómenos, habrán de presentarse enormes deficiencias y dificultades en el desempeño normal de plantas y líneas productivas.. En la actualidad existen poderosos paquetes educacionales de simulación y diseño de sistemas de intercambio de calor, conformando una valiosa ayuda pedagógica, la cual facilita la enseñanza por parte del profesorado y la puesta en practica de los conocimientos adquiridos por parte de los alumnos. Sin embargo dichos recursos informáticos de alta tecnología no se encuentran a la mano de la gran mayoría de estudiante de pregrado como consecuencia de su alto costo o escasez en el mercado..

(13) Teniendo esto claro la problemática expuesta anteriormente es posible afirmar que los centro universitarios deben cumplir la importante tarea de proporcionar al alumnado de las carreras de ingeniería los fundamentos teóricos y técnicos necesarios para afrontar satisfactoriamente cualquier situación que pudiese surgir durante ejercicio profesional, entregándoles los recursos pertinentes.. Las herramientas de software educativo se originan a partir de dicho requerimiento, sirviendo como apoyo imprescindible tanto al cuerpo docente como al estudiantado mismo. En el caso de las técnicas de intercambio de calor es esencial contar con un sistema capaz de llevar a cabo simulaciones interactivas, que sea comprensible y fácilmente manipulable, a la vez que sea económico, de fácil consecución y que este abierto a contribuciones y mejoras externas. La realidad económica de muchas instituciones pobremente dotadas, hace pensar en posibles alternativas de desarrollo de softwares educacionales de bajo costo, que puedan brindar a dichos centros las herramientas suficientes para lograr una buena calidad en la enseñanza.. 2.

(14) 1. OBJETIVOS. 1.1 GENERAL. Desarrollar un software educacional para el análisis y simulación de intercambiadores calor de coraza y tubos, donde se presente cambio de fase. El análisis se restringirá a sustancias puras en su temperatura de saturación. No se abarcaran sistemas que comprendan procesos de sobrecalentamiento y subenfriamiento. El método de resolución básico a utilizar será el planteado por Kern. Los alternativas de construcción serán analizadas empleando los entandares TEMA. Al final habrán de realizarse las validaciones pertinentes para corroborar el desempeño del programa.. 1.2 ESPECIFICOS. •. Aprovechar de la mejor manera posible todos los recursos que se puedan obtener del trabajo en Excel®, obteniendo las habilidades necesarias en el manejo del lenguaje Visual Basic. La versatilidad de esta plataforma de programación permitirá que el programa sea. 3.

(15) instalado sin ninguna dificultad en cualquier equipo provisto de un sistema operativo Windows.. •. Complementar los conocimientos del tema por medio de referencias externas de expertos en la materia, sustentándose en una amplia bibliografía de consulta, centrada sin embargo, en las obras de los autores Kern y Kakaç.. •. Establecer un modelo de resolución eficiente, versátil y de fácil comprensión por parte del usuario. Es preciso señalar que este programa constituye un COMPLEMENTO de apoyo práctico a las sesiones teóricos de las asignaturas que pudiesen estar relacionadas con el tema (Transferencia de Calor y Operaciones Unitarias). Por ello el alumno de contar con un fundamento básico sobre los fenómenos de transferencia de calor antes de consultar el programa.. •. Diseñar una interfaz grafica simple. y de fácil manejo que admita. información por parte del usuario y a la vez muestre los resultados calculados por el programa. El programa estará facultado para realizar todos los cálculos requeridos por el usuario, ciñéndose a una base de datos predeterminada.. •. Validar la operación del programa por medio de ejemplos extraídos del texto “Process Heat Transfer” de Kern.. 4.

(16) 2. ANTECEDENTES. Es preciso reseñar que este programa pertenece a una serie de proyectos de grado llevados a cabo por estudiantes del departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes, orientados todos ellos al diseño y simulación de intercambiadores de calor con fines educativos. El programa precedente a este fue realizado por el estudiante Nicolás Ríos como proyecto de grado de las carreras Ingeniería Química e Ingeniería Mecánica para el semestre 2002-1.. 5.

(17) 3. CONDENSACION DE VAPORES PUROS. 3.1. INTRODUCCION A LA CONDENSACIÓN (Kern). Un fluido puede existir como gas, vapor o líquido. El cambio de líquido a vapor se denomina vaporización, y el cambio de vapor a líquido se llama condensación. Las cantidades de calor involucradas en la vaporización o condensación de una unidad másica de fluido son idénticas.. Para un compuesto puro a una presión determinada, el cambio de líquido a vapor o viceversa ocurre a una única temperatura, la cual es denominada temperatura de saturación o de equilibrio. Debido a que la transferencia de calor. vapor-liquido. en. la. industria. sucede. a. una. temperatura. aproximadamente constante, la condensación o vaporización de un compuesto puro sucede isotérmicamente.. Cuando el vapor es removido tras haberse formado, y es puesto posteriormente en contacto con un líquido, la adición de calor al vapor origina sobrecalentamiento, lo cual origina que el fluido se comporte como un gas.. 6.

(18) Si una mezcla de vapores es condensada en lugar de una sustancia pura, utilizando presión constante, la condensación por lo general no sucede isotérmicamente. Como se anotó en los objetivos generales de este proyecto, este caso no se estudiará, pues requiere cálculos mucho más complejos no pertinentes al desarrollo del trabajo.. La condensación sucede a diferentes velocidades de transferencia de calor por medio de dos mecanismos distintos de condensación: goteo o película. El coeficiente de condensación por película es influenciado por la textura de la superficie en la cual sucede la condensación y por la posición en la cual se halle instalado el equipo de condensación (vertical u horizontal).. 3.2. MECANISMOS DE CONDENSACIÓN (Kern). 3.2.1 Condensación por goteo. Cuando una sustancia pura en su estado de saturación entra en contacto con una superficie (por ejemplo un tubo, para el caso de un equipo de intercambio) cuya temperatura es menor que la temperatura de saturación de dicho vapor, esta sustancia se condensa, formando gotas de líquido sobre la superficie del tubo. Estas gotas pueden no mostrar afinidad por esta superficie y en lugar de cubrirla, se deslizan, dejando la superficie libre para la formación de nuevas gotas de condensado. Esta es la condenación por goteo. El vapor de agua es la única sustancia conocida que se condensa de esta manera, requiriéndose condiciones especiales para ello. Estas condiciones han sido. 7.

(19) descritas por Drew, Nagle y Smith y principalmente se presentan debido a la presencia de suciedad en la superficie o al uso de un contaminante que se adhiere a la superficie. Existen materiales, identificados por Nagle, los cuales promueven la condensación por goteo del vapor de agua, aunque esto conlleve a la introducción de impurezas dentro del fluido. La condensación por goteo también ocurre cuando varias especies se condensan simultáneamente como una mezcla. Dicha mezcla, al condensarse, no es miscible, como en el caso de los hidrocarburos y el vapor de agua.. En comparación con el otro tipo de condenación, y debido a la resistencia extra ofrecida por la película de condensado formada sobre la superficie del tubo, los coeficientes de condensación por goteo suelen ser entre cuatro y ocho veces mas grandes que los coeficientes obtenidos con la condensación por película. Sin embargo, y debido a la falta de control que se puede ejercer sobre la condensación por goteo, no se acostumbra en los cálculos corrientes aprovechar los altos coeficientes obtenidos de esta forma, siendo preferible tratar todo el problema como una condensación por película.. 3.2.2 Condensación por película. Este es el tipo de condensación utilizado usualmente en los cálculos de equipos de condensación. Esta sucede cuando las gotas de condensado que aparecen sobre la superficie del tubo muestran afinidad hacia el material del tubo, cubriendo su superficie. Es entonces requerido vapor adicional para condensarse dentro de la película de líquido que cubre el metal, en lugar de. 8.

(20) hacerlo directamente sobre la superficie limpia. Tanto este mecanismo de condensación como el descrito anteriormente operan independientemente de la cantidad de vapor a condensar por unidad de superficie.. Por suerte el fenómeno de la condensación por película puede ser modelado matemáticamente, considerándose como un proceso de autodifusión. La presión de saturación dentro del flujo de vapor es mayor que la presión de saturación en el líquido condensado sobre la superficie fría. Esta diferencia de presión provee el potencial para extraer material del flujo de vapor. La película de líquido depositada sobre el tubo conforma la resistencia térmica predominante si se compara con la pequeña resistencia a la transferencia de calor presente dentro del líquido condensado. La velocidad con la cual el calor de condensación pasa a través de la película de condensado, determina el coeficiente de condensación. La forma final de la ecuación para el coeficiente de condensación puede ser obtenido a partir de un análisis dimensional, donde el coeficiente promedio de condensación depende de las propiedades de la película de condensado k, ρ, g, µ; y de L, ∆t, y λ, siendo esta ultima el calor de vaporización del fluido.. 3.3. TEORIA DE LA CONDENSACIÓN EN SUPERFICIES. 3.3.1 Condensación en superficies verticales (Kern). Durante la condensación en una superficie vertical, una película de condensado es formada sobre la pared, originando que la posterior. 9.

(21) condensación de liquido se produzca en virtud de una transferencia de calor por conducción a través de dicha película. Se supone la condición de flujo laminar hacia abajo.. El grosor de la película de condensado influye enormemente en la velocidad de condensación, debido a que el calor involucrado en el transporte de material desde la fase de vapor hacia la fase liquida, encuentra una resistencia adicional en la película de condensado, la cual puede llegar a ser considerablemente grande.. El grosor de la película es función de la velocidad de drenado, la cual varía con la desviación de la superficie respecto a la posición vertical. Para una superficie vertical el grosor de la película de condensado se incrementa a medida que se acerca la parte inferior. Por esta razón el coeficiente de condensación para un vapor condensándose en una superficie vertical disminuye paulatinamente desde la parte superior hasta la parte inferior, y para lograr altos coeficientes de condensación la altura de la superficie no debe ser muy grande.. La velocidad de drenado para cantidades similares de condensado es también función de la viscosidad del liquido: a menor viscosidad, mas delgada es la película. Para todos los liquido la viscosidad disminuye. a medida que la. temperatura aumenta y por consiguiente el coeficiente de condensación aumenta por la temperatura del condensado. La correlación expresada por las ecuaciones de Nusselt, requiere los siguientes supuestos:. 10.

(22) •. El calor liberado por el vapor es solo calor latente.. •. El drenado de la película de condensado de la superficie ocurre bajo. un régimen laminar de flujo, y el calor es transferido a través de la película por conducción. •. El grosor de la película en cualquier punto es función de la velocidad. media de flujo y de la cantidad de condensado que pasa por icho punto. •. La velocidad de las capas individuales de liquido dentro de la película. se describe en función de la relación entre el esfuerzo cortante de fricción y el peso de la película misma. •. La cantidad de condensado es proporcional a la cantidad de calor. transferido, el cual a su vez se relaciona con el grosor de la película y la diferencia de temperaturas entre l vapor y las superficies. •. La película de condensado es tan delgada que el gradiente de. temperatura a través de ella es lineal. •. Se asume una superficie relativamente lisa y limpia.. •. La temperatura de la superficie del sólido es constante.. •. La curvatura de la película es despreciable.. 3.3.2. Condensación en superficies horizontales (Incropera). Cuando se analiza el comportamiento de un flujo de condensado orientado verticalmente, debe tenerse en cuenta el lugar donde se lleva a cabo la condensación, fuera o dentro de los tubos.. 11.

(23) Si la condensación se realiza dentro de los tubos, es menester determinar el efecto que pueda tener la inundación en la parte inferior de los tubos, pues ello implica una obvia reducción en las tasas de intercambio de calor. Dado el caso que la condensación ocurra en un arreglo horizontal de tubos, es necesario evaluar el fenómeno del goteo de condensado desde las secciones superiores del arreglo hacia las inferiores.. 3.3.3 Comparación entre condensaciones vertical y horizontal (Kern). El valor del coeficiente de condensación por película para una cantidad de vapor dada en una superficie determinada es afectado significativamente por la posición del condensador. En un tubo vertical cerca del 60% del vapor se condensa en la mitad superior del tubo. Por ejemplo, para un tubo de ¾ in. de diámetro externo con una longitud de 16 ft, el coeficiente horizontal debería ser unas 3.07 veces mas grande que el coeficiente vertical. Sin embargo, esta ventaja no es lo suficientemente efectiva en comparación con otras modificaciones derivadas del diseño vertical tales como la transición del régimen laminar al turbulento.. La escogencia de uno u otro tipo de condensador obedece a los requerimientos propios de cada operación y proceso. Para la condensación del vapor procedente de una turbina con descarga en vacío, la superficie del condensador suele ser muy grande, entre 900 y 5500 m2 por la coraza,. 12.

(24) requiriéndose tubería hasta de 8 m. Estos grandes condensadores son diseñados con coeficientes hasta de 4500 W/ m2 K. Este tipo de condensadores son instalados horizontalmente para facilitar la distribución del vapor y la salida del condensado.. Cuando un condensador es empleado en una columna de destilación, varios factores específicos deben ser tomados en cuenta. Un caso típico es el diseño de un condensador horizontal en el cual el reflujo retorne a la columna por gravedad. La altura que separa el punto de entrada del reflujo en la torre y su salida del condensador, debe proveer la suficiente cabeza hidrostática para obligar al reflujo a regresar a la torre a través del sello. Aunque un condensador vertical puede emplearse para desempeñar el mismo servicio, este debería ser elevado a una altura considerablemente mayor, muy por encima de la misma columna de destilación. De esta manera el mantenimiento y el soporte estructural para este tipo de condensadores serian costosos y engorrosos.. Sin embargo, si lo que se desea es subenfriar el vapor después de la condensación, los condensadores verticales tienen un excelente desempeño. El subenfriamiento es la operación por la cual un condensado es llevado a una temperatura inferior a la de saturación. Este procedimiento es requerido cuando el producto de la cima de la torre es un líquido volátil destinado al almacenamiento.. 13.

(25) 4. DISEÑO DE CONDESADORES. .4.1. GENERALIDADES (Kakaç et al.). La transferencia de calor para condensación es empleada en muchas y variadas aplicaciones de ingeniería tales como generación de potencia, condensación en procesos industriales, ciclos de refrigeración, etc. En el diseño de cada equipo deben ser utilizadas las correlaciones apropiadas con el fin de lograr el cálculo de los coeficientes de condensación. Para condensadores de coraza y tubos existen tres factores que determinan dicho coeficiente: •. Régimen de flujo (laminar o turbulento).. •. Posición del intercambiador (vertical u horizontal).. •. Lugar de la condensación (dentro o sobre los tubos).. El análisis de los tres factores es imprescindible al momento de obtener una buena aproximación al fenómeno. En el presente proyecto los condensadores serán agrupados en cuatro categorías, dependiendo de la posición del equipo y el lugar de la condensación.. 14.

(26) 4.2. TIPOS DE CONDESADORES. Los diversos tipos de condensadores de coraza y tubos para procesos son descritos por la Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA). En el anexo A se muestran varios tipos de corazas. A continuación se describen los diversos. tipos. de. condensadores. dependiendo. la. ubicación. de. la. condensación y la posición del mismo.. 4.2.1 Condensador horizontal con condensación sobre los tubos. 4.2.1.1 Descripción General (Kakaç et al.). Los tipos de condensadores mas comunes se observan en el anexo B. Estos equipos pueden ser utilizados como condensadores con condensación sobre los tubos, exceptuando la coraza tipo F la cual es inusual.. La clase E es la mas simple de estos tipos de condensadores. La condensación puede ocurrir ya sea dentro o fuera de los tubos, dependiendo de los requerimientos de diseño. Un aspecto muy importante en el análisis comparativo entre los diversos tipos de condensadores es la presencia de ventilas para la remoción de las fracciones gaseosas no condensables. De esta manera, el tipo E tendrá dos aberturas, una para el venteo y otra para la salida del condensado.. Los gases no condensables tienen el efecto de. disminuir la temperatura de condensación, reduciendo así la diferencia de temperaturas entre las corrientes. Esta claro que no hay opción de acumular. 15.

(27) fracciones no condensables durante la operación normal del condensador, por ello se instala la ventila correspondiente.. Entre las ventajas y desventajas de los diversos tipos de corazas se observan las siguientes: La coraza tipo J tiene la gran ventaja, en comparación con la clase E, de poder ser dispuesta con dos aberturas, una en cada extremo para la entrada de vapor, y una tercera en el medio para las salida del condensado. Normalmente se dispone de una abertura en la parte de arriba, en la región media de la coraza, para el venteo del gas no condensable. Al contar con estas dos aberturas de entrada, es posible que un gran volumen de vapor ingrese al equipo de manera mas sencilla. A su vez, al dividir el flujo en dos y al reducir a la mitad la longitud de la trayectoria del flujo de vapor, se logra reducir sustancialmente la caída de presión en comparación con una coraza de similar tamaño de clase E. Al emplear corazas tipo J, se recomienda garantizar que las cargas de calor en ambas mitades del equipo sean iguales, esto con el fin de prevenir que el vapor no condensable proveniente de uno de los extremos del intercambiador se encuentre con el liquido subenfríado obtenido en el otro extremo. Este fenómeno podría dar pie al colapso violento del vapor, posibilitando un daño al equipo.. El problema referido anteriormente conlleva, por lo general, a que las corazas clase J no sean diseñadas con un único paso por la tubería en el caso que se presente una gran variación de temperatura en el fluido dentro de los tubos. Las corazas clase J pueden tener, por lo general, deflectores similares a los. 16.

(28) instalados en la clase E, a excepción que los apoyos circulares de los tubos deben ser situados en el centro del intercambiador.. Las clases F, G y H pueden estar provistas de deflectores transversales junto con el deflector principal (ubicado longitudinalmente). Los apoyos circulares de los tubos pueden ser alineados con las aberturas de entrada, y, para la coraza tipo H, un apoyo adicional puede ser situado en la mitad del equipo. Por consiguiente, este tipo de corazas, poseen tres apoyos a lo largo del equipo, evitando así la implantación de deflectores segmentados como soporte a las tuberías. En tales circunstancias, la coraza clase H, genera una caída de presión aceptable. Las ventilas en los tipos de coraza G y H deben estar localizados en el lado de la coraza situado sobre las aberturas de salida del condensado, aunque, claro esta, deben estar debajo de los deflectores longitudinales. Si estos tipo de coraza están dotados de múltiples pasos por los tubos, debe procurarse que el paso mas frío este ubicado en la parte inferior del intercambiador y el mas caliente en la parte superior. De este manera se obtiene un flujo en contracorriente.. Los intercambiadores de flujo cruzado, o de coraza clase X, son bastante útiles en las operaciones que requieren vacío. En tales el control de grandes cantidades de vapor solo es posible mediante la aplicación de vacío dentro del equipo, evitando de esta manera la vibración del haz de tubos. Al combinar una área de flujo extensa y una trayectoria de flujo corta, se garantiza una caída de presión baja. Este factor es crucial en una operación de vacío, pues con ello se elude la posibilidad de alcanzar el punto de saturación, lo cual. 17.

(29) significaría la pérdida de la diferencia de temperatura. En los condensadores de coraza y tubos es posible encontrar gran variedad de clases de deflectores (segmentados simples, segmentados dobles, segmentados triples, etc.). Usualmente los deflectores se colocan con el corte orientado verticalmente de manera que el flujo de vapor vaya de lado a lado, a la vez que facilitan el drenado del liquido condensado.. La disminución en la separación entre los deflectores provoca un aumento en la velocidad del fluido dentro de la coraza. Esto podría representar un problema si la operación del equipo requiriese poca vibración o bajas caídas de presión.. 4.2.1.2 Calculo del coeficiente de condensación (Kakaç et al.). El modelo planteado por Nusselt satisface esta situación. Hay que recordar, sin embargo que la correlación original estaba diseñada para un solo tubo. Debe entonces agregarse un factor de corrección con el fin de introducir los efectos derivados del goteo y la inundación. Dicho factor es establecido por Kern:.  ρ l (ρ l − ρ g )gλd o3  hm d o  = 0.728   kl  µ l (Tsat − Tw )k l . 1/ 4. 18. (N ) 1/ 6.

(30) 4.2.2 Condensador horizontal con condensación dentro de los tubos. 4.2.2.1 Descripción General (Kakaç et al.). Este tipo de condensador es usado con frecuencia en los equipos enfriados con aire y en los rehervidores. Pueden ser de un solo paso, de múltiples o dispuestos en U, aunque el uso de mas de dos pasos no es corriente. En los arreglos en U, la diferencia de longitud entre los tubos interiores y exteriores conlleva a distintas tasas de condensación.. El desempeño de un condensador de este tipo, dispuesto con dos pasos puede describirse así: El vapor entrante es parcialmente condensado en el primer paso, en la sección superior del arreglo. Cuando la mezcla vapor condensado sale del primer paso, es difícil estimar la distribución del liquido y del vapor. El goteo del condensado entre. los pasos puede causar una. inadecuada distribución, por lo que dicho fenómeno debe ser tomado en cuenta. En ocasiones, esta mala distribución, puede modificar la transferencia de calor y las características de los flujos, causando una disminución efectiva de los coeficientes de transferencia de calor.. Debe ubicarse una ventila en el lugar donde se concentran los vapores no condensables. La disposición de los tubos depende de las exigencias del refrigerante. Debido a que la acumulación de condensado en la parte inferior de los tubos obstruye la transferencia de calor, esta configuración no es recomendada para los sistemas controlados por gravedad. Si se desea. 19.

(31) subenfriar el condensado, el nivel del liquido debe mantenerse constante hasta cierta altura.. 4.2.1.2 Calculo del coeficiente de condensación (Perry). Como ya se indico anteriormente, la condensación de vapores dentro de los tubos se produce en recalentadores de caldera, termosifones horizontales y condensadores enfriados con aire. Se ha establecido que a velocidades de flujo bajas, se puede utilizar la ecuación descrita por Kern:. hm.  ρ (ρ − ρ )g λ k 3 l l g l = 0 . 815   µ l (T sat − T w )d i π .    . 1/ 4. Con velocidades de flujo elevadas, el flujo y la transferencia de calor se rigen por el corte de vapor en la película de condensado, resultando valido el modelo de Boyko-Kruzhilin:. 1/ 2.  ρl − ρ g  1 + xin    ρg hm di  = 0.024Re0.8 Prl0.43  kl. 1/ 2.   ρl − ρ g xout  + 1 +   ρg   2. Un procedimiento simple y generalmente conservador consiste en calcular el coeficiente para cada caso y se elige el mayor valor obtenido.. 20.

(32) 4.2.3 Condensador vertical con condensación sobre los tubos. 4.2.3.1 Descripción General (Kakaç et al.). Un condensador típico de esta clase esta dotado de una coraza tipo E. La ventila del gas no condensable se ubica cerca de la salida del condensado, en el extremo frío del equipo. Este tipo de condensación es muy apreciada en los procesos que involucran tratamiento de mezclas, debido a la buena distribución entre las fases de vapor y de condensado. Por motivos de mantenimiento, esta clase de condensadores no deben ser usados cuando se emplee un refrigerante con un alto grado de ensuciamiento.. 4.2.1.2 Calculo del coeficiente de condensación (Perry). Para este caso se tiene que la ecuación propuesta por Nusselt es valida:.  ρ l (ρ l − ρ g )g λ L3  hm L = 1 .13   kl µ ( T T ) k −  w l   l sat. 1/ 4. 4.2.4 Condensador vertical con condensación dentro de los tubos. 4.2.4.1 Descripción General (Kakaç et al.). Estos condensadores son diseñados de manera que tanto el flujo de condensado como el de vapor estén orientados hacia abajo. El vapor entra en. 21.

(33) la cima y fluye hacia el fondo a través de los tubos, mientras el condensado es drenado de las paredes. Si la limpieza en el lado de la coraza puede realizar por medio de agentes químicos, el diseño del equipo puede efectuarse en base a un espejo fijo.. Es posible. emplear un diseño que incluya dos pasos por los tubos, con. arreglo en U, si se presenta un flujo ascendente en el primer paso y un flujo descendente en el segundo. Debe incluirse en la construcción de este tipo de condensadores una ventilación adecuada, la cual debe situarse en la parte inferior del intercambiador (siempre y cuando el flujo este orientado de forma descendente), procurando evitar que la ventila quede al nivel del condensado.. La alternativa de una operación en reflujo también puede ser considerada. Esto implica tener un flujo de vapor ascendente y un flujo de condensado descendente. La capacidad de operación de estos equipos estaría restringida a la acumulación de condensado en el fondo. Se precisa también la colocación de extensiones de los tubos que sobrepasen el fondo del equipo con el fin de otorgar al condensado ciertos punto en donde pueda gotear y ser recolectado. La ventila de la coraza debe emplazarse en el espejo superior de tubos. Los condensadores de reflujo de esta clase suelen ser cortos, aunque con grandes diámetros. La velocidad del vapor entrante en la parte inferior debe ser baja, con el propósito de asegurar un libre flujo del condensado.. 22.

(34) 4.2.4.2 Calculo del coeficiente de condensación (Kern). Como se especificó anteriormente, los condensadores de esta clase se diseñan de tal modo que el vapor y el liquido fluyan paralelamente, hacia abajo. Colburn ofrece una correlación semiempírica aplicable tanto a flujo laminar como a flujo turbulento. Flujo laminar:.   µ 2 1/ 3   4G  log hm  3 l 2   = −0.3153log t  + 0.2465   kl ρl g    µl   . Flujo turbulento:.   µ 2 1/ 3   4G log hm  3 l 2   = 0.3851 log t   kl ρ l g    µl  . 23.   − 2.0604 .

(35) 5. DESARROLLO DEL PROGRAMA. 5.1. ESTRUCTURA GENERAL. El programa ha de seguir una secuencia lógica de etapas, con el fin de obtener resultados a partir de la información suministrada por el usuario. A continuación se muestra un esquema explicativo:. CALCULO DE PROPIEDADES DATOS DE ENTRADA (SUMINISTRADOS POR EL USUARIO). DISEÑO CONTEO DE TUBOS EN EL HAZ. CALCULO DE COEFICIENTES. 5.2. SIMULACION. SUGERENCIA. DATOS DE ENTRADA. El usuario debe proporcionar una cantidad mínima de datos al programa con el fin de que este pueda operar. Las entradas indispensables son:. 24.

(36) 5.2.1 Orientación del condensador: Ya sea vertical u horizontal. La posición del equipo determinará la clase de correlación a utilizar. Elección en menú.. 5.2.2 Caída de presión permisible: El usuario debe establecer un tope máximo para la caída de presión dentro del equipo. Libre elección.. 5.2.3 Composición de las corrientes: Es posible elegir en un menú de compuestos predeterminados, fijando que sustancia va en la coraza y cual en los tubos y su respectivo estado, ya sea liquido y gaseoso. Elección en menú.. 5.2.4 Temperaturas de entrada y salida de la corriente refrigerante: Con ello el programa lleva a cabo el balance de calor transferido en el sistema. Libre elección.. 5.2.5. Presión de entrada del gas a condensar: Se supone que el gas esta. a la presión de saturación. Libre elección.. 5.2.6. Arreglo del haz de tubos: El usuario opta entre una disposición. triangular y una cuadrada. Elección en menú.. 5.2.7. Coeficiente de ensuciamiento: Debe preestablecerse este factor,. pues el programa no esta facultado para calcularlo. Sin embargo algunos valores típicos pueden ser consultados en el anexo D. Este coeficiente es. 25.

(37) global, es decir, abarca tanto el ensuciamiento en los tubos como en la coraza. Libre elección.. 5.2.8 Clase TEMA de cabezal posterior: Es necesario especificar el tipo de cabezal posterior a usarse en el condensador, pues este factor afecta el conteo del haz de tubos. Esta decisión esta sujeta a los requerimientos de operación del equipo, pues cada condición exige el empleo de una construcción especial. Elección en menú.. 5.2.9 Número de pasos en los tubos: El programa solo operara con un paso por la coraza. Sin embargo, el usuario puede elegir el numero de pasos en los tubos que crea conveniente. Elección en menú.. 5.2.10 Número de baffles (deflectores): Este parámetro se establece dependiendo de las necesidades de operación del intercambiador. Afecta directamente la caída de presión. Libre elección.. 5.2.11 Diámetro externo de los tubos y pitch: Debe predeterminarse el diámetro externo de la tubería a emplear en la construcción, así como la separación entre los tubos adyacentes en el arreglo (pitch). Elección en menú.. 5.2.12 Calibre BWG: Este factor corresponde al grosor del material de construcción utilizado en la elaboración de los tubos. Elección en menú.. 26.

(38) 5.2.13 Material: El usuario debe escoger el material de construcción del equipo. Se cuenta con la opción de despreciar este factor en el circuito térmico. Elección en menú.. 5.3. PROCESAMIENTO DE INFORMACION (Kern). Una vez que el programa ah captado la información procedente del usuario, se inicia la fase de procesamiento:. 5.3.1. Cálculo de propiedades termo físicas. Para hallar los coeficientes de condensación por película, es necesario calcular previamente las siguientes propiedades:. 5.3.1.1 Calor específico:. Para líquidos se tiene la siguiente correlación (Prosim):. A + BT + CT 2 + DT 3 + ET 4 c p ( J / Kg * K ) = PM. La constantes A, B, C, D y E se incluyen en el anexo E. Para gases se tiene la siguiente correlación (Prosim):. 27.

(39) 2.   D /T   C /T   + E  A + B  sinh( C / T )  sinh( D / T )    c p ( J / Kg * K ) = PM. Las constantes A, B, C, D y E se incluyen en el anexo E.. 5.3.1.2 Densidad:. Para líquidos se tiene la siguiente correlación (Prosim):. A. ρ ( Kg / m3 ) = B.   T D   1+  1−     C   . PM. Las constantes A, B, C y D se incluyen en el anexo E. Para gases se tiene la ley de los gases ideales:. ρ ( Kg / m3 ) =. Psat RT. 5.3.1.3 Conductividad térmica :. Para líquidos se tiene la siguiente correlación (Prosim):. k(W / m* K) = A + BT + CT2 + DT3 + ET4 28.

(40) La constantes A, B, C, D y E se incluyen en el anexo E. Para gases se tiene la siguiente correlación (Prosim):. AT B c p ( J / Kg * K ) = C D 1+ + 2 T T. Las constantes A, B, C y D se incluyen en el. 5.3.1.4 Viscosidad:. Para líquidos se tiene la siguiente correlación (Prosim):.  . µ (Pa* s) = exp A +. B  + (CLn(T )) + DTE  T . La constantes A, B, C, D y E se incluyen en el programa. Para gases se tiene la siguiente correlación (Prosim):. µ (Pa * s) =. AT B C D 1+ + 2 T T. Las constantes A, B, C y D se incluyen en el programa.. 29.

(41) 5.3.1.5 Temperatura de saturación:. Se pueden utilizar tres tipos de ecuaciones, dependiendo de la sustancia (Reid), todas ellas con el fin de derivar un valor para la temperatura de saturación a partir de la presión designada por el usuario:. 5.3.1.5.1. Antoine:. ln Psat = A −. B T +C. Las constantes A, B y C se incluyen en el programa.. 5.3.1.5.2. Clausius-Clapeyron. ln Psat = A +. B + C ln T T. Las constantes A, B y C se incluyen en el programa.. 5.3.1.5.3. Riedel. ln Psat = A +. B + C ln T + DT T. 30. 6.

(42) Las constantes A, B, C y D se incluyen en el programa.. 5.3.1.6 Calor latente de vaporización:. La correlación mas precisa esta dada por Vetere (Reid). ∆H. vb.  0 . 4343 ln Pc − 0 . 68859 + 0 . 89584 T br = RT c T br  −1 −2  0 . 37691 − 0 . 37306 T br + 0 . 14878 Pc T br. A partir de este valor obtenido para el calor de vaporización en el punto normal de ebullición, es posible extrapolar la correlación hasta la temperatura de vaporización necesaria:.  1 − Tr1 ∆ H v 1 = ∆ H v 2   1 − Tr 2. 5.3.2.   . Conteo del haz de tubos. A partir de los datos proporcionados por el usuario (arreglo, diámetros, numero de pasos y BWG) y teniendo como base los estándares TEMA (anexo C), es posible para el programa obtener el conteo de los tubos. La idea es lograr que el programa haga coincidir todas variables en un mismo punto, un conteo especifico de tubos para el haz.. 31.   .

(43) 5.3.3. Calculo de los coeficientes de condensación (Kern). Esta es la sección fundamental dentro del procesamiento de los datos, siendo el área del programa mas voluminosa y compleja. El programa opera mediante iteraciones de magnitudes, las cuales sirven como referencias a medida que los cálculos progresan. Dichas magnitudes son la longitud del haz de tubos y el factor de ensuciamiento. La primera ha de iterarse sucesivamente con el fin de hallar los valores de los coeficientes de condensación y el área de transferencia de calor. La segunda se mantiene como una constante de referencia torno a la cual se realizan los cálculos. Los cálculos a realizar están especificados en la obra de Kern, y son los siguientes:. 5.3.3.1 Balance de calor. Aquí se calcula el punto de equilibrio entre el calor absorbido por el refrigerante y el calor entregado por el gas.. Q = W λ = wc p (t out − t in ). 5.3.3.2 Temperatura media logarítmica. Esta temperatura corresponde a una estimación moderada de la temperatura dentro del equipo.. 32.

(44) 5.3.3.3 Temperaturas calóricas. La influencia de la temperatura de la pared ya esta incluida en el calculo de los coeficientes de condensación. Se supone como temperatura media de la corriente fría, la media aritmética.. 5.3.3.4 Área total de transferencia de calor. Conocido el conteo de tubos y suponiendo una longitud del haz tentativa, este valor se halla mediante la expresión:. A = N t a´´L. 5.3.3.5 Coeficiente global de condensación por película Este. importante. termino. puede. ser. ya. encontrado,. aunque. sea. provisionalmente, pues el programa ha de modificar posteriormente la longitud del haz de tubos.. 33.

(45) Q A ∆ Tml. UD =. 5.3.3.6 Área de flujo en la coraza. Este valor, necesario para el calculo del caudal, es obtenido mediante la siguiente correlación:. as =. DsCB PT. 5.3.3.7 Área de flujo en los tubos. Nt at" at = n 5.3.3.8 Coeficiente de transferencia de calor en la coraza. Si la condensación ocurre sobre los tubos, este coeficiente corresponderá al coeficiente de condensación. De lo contrario se calcula de la siguiente manera:. 34.

(46) D G ho D e = 0 .36  e s k  µ.   . 0 .55.  cpµ   k.   . 1/ 3. 5.3.3.9 Coeficiente de transferencia de calor en los tubos. Si la condensación sucede dentro de los tubos, este coeficiente será el coeficiente de condensación. Sino este termino se obtiene así:. Flujo laminar:. hi d i d G = 1 .86  i t k  µ.   . 1/ 3.  cpµ   k.   . 1/ 3.  di     L . 1/ 3. Flujo turbulento. hi d i ( f / 2 ) Re Pr = k 1 .07 + 12 .7 ( f / 2 ) 1 / 2 (Pr 2 / 3 − 1). Siendo. f = (1.58 ln Re− 3.28) −2. 5.3.3.10 Temperatura de la pared del tubo. tw = ta +. ho (Tv − t a ) hio + ho. 35.

(47) Primero se estima una temperatura de pared supuesta con la cual se puedan realizar los cálculos de los coeficientes de transferencia para los tubos. Luego el programa por medio de iteraciones sucesivas encuentra el valor verdadero de la temperatura de la pared, ajustando la longitud de la tubería y los coeficientes de condensación.. 5.3.3.11 Temperatura de la película. Evaluar esta temperatura es crucial, pues en ella de determinan buena parte de la propiedades del fluido caliente:. tf =. Tv + t w 2. 5.3.3.12 Coeficiente limpio de transferencia de calor. Este es el coeficiente ideal que se presentaría si no existiese deposición de residuos:. Uc =. hio ho hio + ho. 36.

(48) 5.3.3.13 Caída de presión en la coraza. Ya que el usuario maneja rangos de presión permisibles, el programa debe evaluar que la competencia del condensador este acorde con dichos rangos. Por ello se determina la caída de presión del sistema:. ∆ Ps =. fG s2 D s ( N + 1) 2 ρD e. 5.3.3.14 Caída de presión en los tubos.   m t2 Ln  ∆ Pt =  4 f + 4 n  2 d i   2at ρ. 5.3.3.15 Balance con el factor de ensuciamiento. Este balance se hace con el propósito de corregir la longitud del intercambiador y los coeficientes de condensación y de intercambio:. Rd =. UC −U D U CU D. 37.

(49) 5.4. RESULTADOS. 5.4.1. Diseño. Tras haber llevado a cabo todos los cálculos concernientes, el programa obtiene diversos parámetros de diseño. Aunque puede afirmarse que el usuario determinan buena parte de los aspectos del diseño (un equipo preexistente), el software proporciona: •. Conteo de tubos en el haz. •. Longitud del intercambiador. •. Área de transferencia de calor. 5.4.2. Simulación. El programa arroja gran cantidad de datos respecto al desempeño del condensador, los cuales son de suma utilidad para la evaluación del rendimiento del equipo: •. Calor transferido. •. Temperatura de saturación del gas a la presión especificada por el usuario. •. Flujo de refrigerante o agente enfriador. •. Coeficientes globales de transferencia de calor (diseño y limpio). •. Coeficientes de transferencia de calor en coraza y tubos. •. Coeficientes de condensación. 38.

(50) •. 5.4.3. Caídas de presión. Sugerencias de diseño. Con base en los estándares TEMA, y en concordancia con los requerimientos de uso del condensador, el software esta capacitado para proporcionar algunas opciones de construcción del equipo. Los condicionamientos tenidos en cuenta por el usuario son evaluados de acuerdo a factores tales como caídas de presión permisibles, operaciones especiales (altas presiones o vacío), necesidades de mantenimiento y numero de pasos.. 39.

(51) 6. VALIDACIÓN. 6.1. ENUNCIADO DEL PROBLEMA. La validación del programa se efectuó corroborando el ejemplo 12.1 del Kern (Kern). Esta es una buena manera de comprobar la eficacia del programa, ya que el modelo teórico fue basado en gran parte en este autor:. Es necesario condensar 60000 lb/h de propanol proveniente de una torre de destilación. La presión de entrada al equipo es de 29.7 psia. El medio refrigerante es agua cuya temperatura de entrada es de 84° F y debe salir a 120° F. Para este servicio se cuenta con un condensador horizontal de coraza y tubos, en arreglo triangular, con un diámetro de tubería de ¾ de pulgada, un pitch de 1 pulgada y un calibre BWG de 16. La longitud del equipo se estima en 8 pies. La coraza tiene un diámetro de 31 pulgadas. El intercambiador esta dispuesto con un paso por la coraza y cuatro por los tubos. La condensación ha se realizarse sobre los tubos. El objetivo es corroborar la longitud del intercambiador, hallando, a su vez, los valores para los coeficientes de condensación y de transferencia de calor, así como las caídas de presión en el equipo.. 40.

(52) 6.2. DESARROLLO DEL PROBLEMA UTILIZANDO EL PROGRAMA. A continuación se exhibe paso a paso el desarrollo del ejercicio como se vería en la interfaz de VBA:. En esta pantalla se determina la orientación del condensador, la cual debe ser vertical, además que se establecen las caídas de presión permisibles por el usuario que son 13780 Pa en la coraza y 68920 Pa en los tubos.. 41.

(53) En este momento se establecen las sustancias a manejar, sus condiciones de entrada y su ubicación en el equipo. Para este caso se tiene que por la coraza irá el gas, propanol, a una presión de 2.047 bar y un flujo de 7.55 Kg/s. El fluido frío es agua, la cual entra al condensador a 302 K y debe salir a 322 K. En la parte inferior de la pantalla es posible detallar los rangos de temperaturas adecuados para la ejecución de la correlaciones utilizadas en el cálculo de las propiedades termo físicas. 42.

(54) Esta señal recuerda el sitio donde ha de realizarse la condensación.. Aquí el programa nos ofrece algunas recomendaciones de construcción. Se sugiere tomar en cuenta dichas recomendaciones.. 43.

(55) Ahora el usuario establece algunas características técnicas, por ejemplo un arreglo triangular, un factor de ensuciamiento de 0.000563 m2*K/W, un cabezal posterior clase TEMA S, diámetro interno de la coraza de 31 pulgadas, 4 pasos por los tubos, 2 deflectores, diámetro externo de tubería de ¾ de pulgas con una separación de 15/16 y un BWG de 16. Debido a que el ejercicio no toma en cuenta el material de construcción del equipo, se opta por elegir en el menú “Omitir material”.. 44.

(56) Esta es la presentación de los resultados. Al final de este análisis de compararan estos resultados con los obtenidos a partir del desarrollo en el Kern.. 45.

(57) Aquí es posible observar que las caídas de presión fueron satisfactorias, tal como lo indica el libro.. 6.3. RESULTADOS COMPARATIVOS. A continuación se ofrece una tabla en la que se equiparan los resultados obtenidos con el programa y los dados por el libro.. 46.

(58) 6.3.1 Condensador horizontal, condensación sobre los tubos: Fluido caliente: propanol, fluido frío: agua Parámetro. Kern. Programa. Calor transferido (W). 4982208.7. 4786110.5. Coeficiente global. 573.505. 571.946. 840.383. 843.585. 111.948. 107.786. 7381.742. 8026.911. 2.4384. 2.421. Numero de tubos. 766. 744. Flujo de refrigerante. 61.487. 57.294. 44811. 37667. 976.667. 966.451. 390.923. 390.065. 8272.8. 7997. (W/m2K) Coeficiente de diseño (W/m2K) Área de transferencia 2. (m ) Coeficiente en los tubos (W/m2K) Longitud del haz de tubos (m). (Kg/s) Caída de presión en los tubos (Pa) Coeficiente en la coraza 2. (W/m K) Temperatura de condensación (K) Caída de presión en la coraza (Pa). Otro ejemplo que puede referirse esta el enunciado en el Kern (Kern) a continuación del ejercicio ya visto. Se trata de un condensador similar al. 47.

(59) anterior, excepto que esta orientado verticalmente. También fue desarrollado en el programa, con los siguientes resultados comparativos:. 6.3.2 Condensador vertical, condensación sobre los tubos: Fluido caliente: propanol, fluido frio: agua Parámetro Calor transferido (W) Coeficiente global. Kern. Programa 4982208.7. 4786110.5. 381.581. 382.814. 529.217. 531.28. 160.722. 161.083. 7381.742. 8026.911. 3.505. 3.618. 766. 744. 61.487. 57.294. 15856.2. 16246.54. 579.186. 577.52. 390.923. 390.065. 56530.8. 46305.1. (W/m2K) Coeficiente de diseño (W/m2K) Área de transferencia 2. (m ) Coeficiente en los tubos (W/m2K) Longitud del haz de tubos (m) Numero de tubos Flujo de refrigerante (Kg/s) Caída de presión en los tubos (Pa) Coeficiente en la coraza 2. (W/m K) Temperatura de condensación (K) Caída de presión en la coraza (Pa). 48.

(60) 7. CONCLUSIONES. •. El uso de VBA aplicado a Excel constituyo una excelente alternativa gracias a su versatilidad y fácil manejo. De esta manera queda abiertas las posibilidades para el desarrollo de futuros programas orientados en esta misma dirección.. •. El tratamiento que se de a la resolución de problemas relacionados con equipos de intercambio de calor, esta fuertemente ligado a la base teórica que se aplique. Teorías sumamente complejas, aunque a la vez muy precisas, no son las mas recomendadas, pues el procesamiento de la información puede hacerse bastante difícil. Se sugiere el uso de técnicas convencionales, no muy rigurosas, ya que estas ofrecen un acercamiento a los fenómenos de transferencia de calor mucho mas efectivo. Además la facilidad de procesamiento de información, en este caso, permite el logro de resultados satisfactorios sin grandes requerir una explicación sumamente profunda del problema.. •. El uso de la interfaz gráfica de VBA / Excel logra establecer un ambiente mas amigable entre el programa y el usuario, permitiendo visualizar los resultados de inmediato, así como las diversas. 49.

(61) alternativas de construcción de los equipos. El usuario puede así complementar su aprendizaje teórico del tema, identificando las variables relevantes involucradas en el diseño de un condensador.. 50.

(62) BIBLIOGRAFÍA. FRAAS, A. (1989) Heat Exchanger Design. 2 ed., Chapters 12, 13, 14. Wiley, New York. NY. INCROPERA, F. P., DE UIT, D. P. (1996) Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 4 ed. John Wiley and Sons. KAKAC, LIU, H., (1998) Heat Exchangers Selection, Rating and Thermal Design, CRC Press, Coral Gables. FL KERN, D. Q. (1959) Procesos de transferencia de Calor, McGraw-Hill, New York, NY. PERRY, (1998) Manual del Ingeniero Químico, Tomo III. McGraw-Hill, Bogotá, Colombia. PROSIM SA (1999-2001) Component Plus 3.0, Pure Component Data Bank TEMA (1978) Standards of Tubular Exchange Manufacturers Association, 6 ed. Tarrytown, NY. .. 51.

(63) ANEXO A Estándares TEMA de corazas, cabezales frontales y posteriores (TEMA). 52.

(64) ANEXO B Tipos TEMA de corazas mas utilizadas (TEMA). 53.

(65) ANEXO C Conteo de tubos totales (TEMA). 54.

(66) 55.

(67) 56.

(68) 57.

(69) 58.

(70) 59.

(71) 60.

(72) 61.

(73) 62.

(74) 63.

(75) 64.

(76) 65.

(77) ANEXO D Coeficientes de ensuciamiento (Kakac). 66.

(78) 67.

(79) 68.

(80) ANEXO E Propiedades termo físicas de líquidos (PROSIM). 69.

(81) 70.

(82) 71.

(83) 72.

(84) 73.

(85) 74.

(86) 75.

(87) 76.

(88) ANEXO F Propiedades termo físicas de los gases (Prosim). 77.

(89) 78.

(90) 79.

(91) 80.

(92) 81.

(93) ANEXO G NOMENCLATURA a´´:. Área externa de tubería por metro de longitud (m). as:. Área de flujo en la coraza (m2). at:. Área de flujo en los tubos (m2). at”:. Área de flujo por tubo individual (m2). B:. Espaciamiento entre deflectores (m). C:. Espaciamiento entre los bordes externos de los tubos (m). cp:. Calor especifico (J/Kg*K). De:. Diámetro equivalente de la coraza (m). di :. Diámetro interno de los tubos (m). do :. Diámetro externo de los tubos (m). f:. Factor de fricción (adimensional). G:. Caudal (Kg/s*m2). g:. Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2. hm:. Coeficiente medio de condensación (W/m2*K). ho:. Coeficiente de transferencia de calor en la coraza (W/m2*K). hi:. Coeficiente de transferencia de calor en los tubos (W/m2*K). hiO:. Coeficiente de transferencia de calor en los tubos modificado para el diámetro externo de la tubería (W/m2*K). k:. Conductividad térmica (W/m*K). L:. Longitud del intercambiador (m). m:. Flujo másico (Kg/s). N:. Numero de tubos en la hilera central de un arreglo (adimensional). 82.

(94) Nb:. Numero de deflectores (adimensional). Nt:. Conteo de tubos en el haz (adimensional). n:. Numero de pasos por los tubos (adimensional). Pc:. Presión critica (Pa). Psat:. Presión de saturación (Pa). PT:. Separación entre tubos en el haz (m). PM:. Peso molecular (Kmol/Kg). Pr:. Numero de Pradlt. Q:. Calor (W). Re:. Numero de Reynolds. s:. Coraza. T:. Temperatura (K). T v:. Temperatura del vapor (K). t:. Tubos. tf:. Temperatura de la película de condensado (K). tw:. Temperatura de la pared del tubo (K). UD:. Coeficiente global de transferencia de calor (W/m2*K). UC:. Coeficiente limpio de transferencia de calor (W/m2*K). ∆Hv:. Calor latente de vaporización (J/Kg). ∆P:. Caída de presión (Pa). ∆Tml:. Temperatura media logarítmica (K). λ:. Calor latente de vaporización (J/Kg). ρ:. Densidad (Kg/m3). µ:. Viscosidad (Pa*s). 83.

(95) ANEXO H MANEJO BÁSICO DEL PROGRAMA. El manejo del programa no requiere ninguna clase de conocimiento profundo acerca del lenguaje Visual Basic, y puede ser utilizado por cualquier persona con los la preparación suficiente en el campo del diseño de intercambiadores de calor de tubos y coraza. Para la instalación del programa es necesario que el equipo este dotado del sistema operativo Windows, en la versión 98 o alguna otra superior. No exige una gran de demanda de espacio en la memoria. La carpeta Condensador debe copiarse en c:\Mis documentos, para que el archivo pueda ser ejecutado. Este hecho es muy importante pues, si no es así, las rutas especificadas en el código de programación fallarían, y el programa no se pondría en marcha. A continuación se ofrecen algunos consejos con el fin de lograr el mejor desempeño del programa:. •. Todos los espacios en cada una de las pantallas DEBEN SER LLENADOS. De los contrario el programa podría presentar errores de calculo (por ejemplo divisiones por cero).. •. Los valores introducidos en las diferentes pantallas deben ser COHERENTES con la naturaleza de las unidades y las magnitudes manejadas.. 84.

(96) •. Procure revisar cuidadosamente los datos entregados al sistema antes de pasar a la siguiente pantalla.. •. En algunos equipos, debido a la complejidad y cantidad de operaciones realizadas por el programa, es necesario OPRIMIR DOS VECES los comandos en las pantallas, con el fin de que los cálculos se lleven a cabo por completo.. •. Al abrir la interfaz de Excel, es ABSOLUTAMENTE NECESARIO que las macros del programa se activen. Usualmente aparecerá una aviso así:. Oprima la orden Habilitar macros. En cada pantalla se presenta la opción de Reiniciar, la cual lleva al usuario hasta la pantalla de Inicio. Las anteriores fueron recomendaciones generales.. 85.

(97) Ahora se sugerirán algunas prácticas adecuadas para el uso de cada una de las pantallas:. Primera pantalla: Presentación. Para pasar a la siguiente pantalla oprima el botón Iniciar. Para acceder al tutorial oprima Tutorial.. Segunda pantalla: Inicio. Elija el tipo de condensador y establezca las caídas de presión permisibles (usualmente no mayores a 1 bar).Oprima el botón Siguiente para pasar a la tercera pantalla.. 86.

(98) Tercera pantalla: Datos de las sustancias. Especifique la fase en la que se encuentran las sustancias en la coraza y dentro de los tubos. Luego escoja las sustancias deseadas en el menú. Si se trata de líquidos (ya sea en la coraza o en los tubos), seleccione las temperaturas de entrada y salida a su paso por el equipo de intercambio. Estas temperaturas deben ser coherentes, es decir, la temperatura de entrada debe ser menor a la de salida. Si se ha elegido que la sustancia en la coraza sea un gas, establezca la presión (presión absoluta) y el flujo másico de material a condensar. Recuerde que se trata de un condensador total. Si dentro de los tubos viaja un gas, se deben determinar los mismos parámetros que se requerían para el flujo gaseoso en la coraza, además de fijar una calidad del vapor (recomendable entre 0.5 y 1).. 87.

(99) El recuadro que aparece en la parte inferior titulado “Rango de Operación”, ofrece los extremos de temperatura entre los cuales son aplicables la totalidad de las correlaciones utilizadas para las propiedades termo físicas. Presione el comando Enviar DOS VECES, entonces aparecerá un anuncio en el que se explicará si la condensación sucede dentro o sobre los tubos. Luego vaya al botón Siguiente.. 88.

(100) Dado el caso que el usuario terminase que en el condensador fluyen dos liquidos o dos gases, el programa lo alertaría de la siguiente manera:. Podría presentarse la eventualidad de que surgiese un cruce de temperaturas dentro del equipo. En dado caso el programa también los anunciaría:. 89.

(101) Cuarta pantalla: Recomendaciones de diseño. De acuerdo a su elección, el programa expondrá algunas recomendaciones para la disposición del equipo. Por favor sígalas. Oprima el botón Siguiente.. Quinta pantalla: Disposición de los tubos. Todos los ítems de esta pantalla poseen un menú prediseñado, exceptuando el factor de ensuciamiento, el cual debe ser determinado por el usuario (la magnitud de este factor nunca superará los. 90.

(102) 0.001 m2 K /W). Para las elecciones predeterminadas recuerde las recomendaciones realizadas en la pantalla anterior. En el control Ver es posible identificar las alternativas de elementos para la construcción del condensador (cabezales y coraza), de acuerdo a las especificaciones TEMA, las cuales se muestran en pantallas sucesivas. Presione le comando Enviar DOS VECES, y luego vaya al botón Siguiente.. Sexta pantalla:. 91.

(103) Resultados del condensador. Esta pantalla solo permite al usuario visualizar los resultados obtenidos tras los cálculos. Vaya al comando Siguiente.. Séptima pantalla:. 92.

(104) Configuración del condensador. En esta pantalla el usuario tampoco introduce información en le sistema, limitándose a observar la configuración del equipo, deducida a partir de las escogencias realizadas. Oprima Siguiente.. Octava pantalla: Caídas de presión. El sistema compara las caídas de presión obtenidas con las permisibles establecidas por el usuario. En caso que estas ultimas sean. 93.

(105) menores que las calculadas por el programa, se efectuaran algunas sugerencias con el fin de corregir este error. Presione Siguiente.. Novena pantalla: Final. Se presentan las alternativas de Ir al inicio, o Finalizar. Con la primera el programa se reiniciará para un nuevo cálculo, y con la segunda el programa se descargará.. 94.

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