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PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TRANFERENCIA DE CALOR
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PDVSA N°
MDP–05–E–04
0
AGO.95
REV.
FECHA
APROB.
E1994
TITULO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
26
DESCRIPCION
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APROB. APROB.
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ESPECIALISTAS
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
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TRANSFERENCIA DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 CONSIDERACIONES DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4.1
4.2
4.3
Tipos de equipos y sus aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ventajas de los intercambiadores de doble tubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Efecto de aletas longitudinales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
5
5 METODOLOGIA DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
5.1
5.2
Procedimiento de cálculo detallado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cálculos automatizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
12
6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Datos físicos para secciones comunes de doble tubo . . . . . . .
Constantes geométricas para secciones de doble tubo . . . . . .
Constantes Ft para secciones de doble tubo . . . . . . . . . . . . . . .
Componentes típicos de unidades de doble tubo . . . . . . . . . . .
Coeficiente de transferencia de calor en los tubos . . . . . . . . . .
Caída de presión por fricción a través de los tubos . . . . . . . . .
Valor de la función térmica para hidrocarburos líquidos . . . . . .
(K (N° Prandtl) 1/3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eficiencia de aletas longitudinales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
19
20
21
22
23
24
25
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OBJETIVO
El objetivo de este documento es proveer al ingeniero de proceso y diseño con una
herramienta de cálculo manual para el dimensionamiento de Intercambiadores de
calor de doble tubo.
El tema “Intercambiadores de Calor “, dentro del area de “Tranferencia de Calor
“, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes
documentos:
PDVSA–MDP–
Descripción del Documento
05–E–01
05–E–02
Intercambiadores de Calor: Principios Básicos.
Intercambiadores de Calor: Procedimientos de diseño para
Intercambiadores de tubo y carcaza (Incluye vaporización,
condensación, calor sensible).
05–E–03
Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para
Enfriadores de Aire.
05–E–04
Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para
Intercambiadores de doble tubo. (Este documento)
05–E–05
Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para
Servicios Criogénicos.
Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Intercambiadores
de Calor”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una
actualización de la Prácticas de Diseño “Intercambiadores de Calor”, presentadas
en la versión de Junio de 1986 del MDP (Sección 9), modificadas para hacer
mención del uso de información y programas de HTRI.
2
ALCANCE
Este Documento presenta el procedimiento manual de diseño recomendado para
fijar el tamaño de intercambiadores de doble tubo. Refiérase al documento
PDVSA–MDP–05–E–01 para más información sobre unidades de doble tubo.
3
REFERENCIAS
Manual de Diseño de Proceso (versión 1986)
S Vol V, Subsección 9H “Intercambiadores de calor: Procedimiento de cálculo
cuando no hay cambio de fase”
Manual de Diseño de Proceso
S PDVSA–MDP–05–E–01 “Intercambiadores de calor: principios básicos”
Manual de Ingeniería de Diseño
S PDVSA–MID–EA–EA–202–PR, “Equipo para intercambio de calor de doble
tubo”
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S PDVSA–MID–L–TP–2.1 “Intercambiadores de calor requisición, análisis de
ofertas y detalles de compra”
S PDVSA–MID–90617.1.041 “Guías de ingeniería para intercambiadores de
calor de carcaza y tubos”
Otras Referencias
S Hewitt, G. F.; Shires, G. L. and Bott T. R.; Process Heat Transfer; First Edition;
CRC Press, Inc. (1993).
S Kern, D.Q., Process Heat Transfer, McGraw Hill, New York 1950
S McKetta, J. J.; Heat Exchanger; First Edition; Marcel Dekker, Inc. (1991).
S Hagner, R.C., Petro/Chem Engineer, 27, August 1968 .
4
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
4.1
Tipos de equipos y sus aplicaciones
Los intercambiadores de calor de doble tubo consisten en uno o más tubos dentro
de una carcaza de tubo. Las unidades casi siempre consisten de dos tubos rectos
conectados en un extremo en forma de U o de “gancho de pelo” (“hairpin”). A este
montaje se le llama sección de doble tubo. A pesar de que algunas secciones de
doble tubo tienen tubos sencillos, la mayoría tienen aletas longitudinales en el
exterior del tubo interior.
Las secciones de doble tubo están disponibles en todos los materiales comunes
de construcción. También, los tubos, aletas y carcaza pueden ser de diferentes
materiales. Sin embargo, debido a que las aletas normalmente están soldadas a
los tubos, la aleta y el tubo deben ser de materiales compatibles.
El uso de tubos aleteados en secciones de doble tubo normalmente es económico
si el coeficiente anular de transferencia de calor es menor que el 75% del
coeficiente interno del lado del tubo. Esta es una regla que puede tener
excepciones. El punto en el cual empieza a ser o no económico es función del
coeficiente anular de transferencia y el material de la aleta; éstos a su vez afectan
la eficiencia de la aleta. La eficiencia de la aleta se incrementa con la disminución
del coeficiente anular y el aumento de la conductividad térmica de la aleta.
Adicionalmente, las aletas cortas tienen mayor eficiencia.
Las secciones de doble tubo pueden ser combinadas en una variedad de arreglos
en serie y/o en paralelo para proveer el área superficial requerida y mantenerse
dentro de las limitaciones de caída de presión. Las secciones instaladas en serie
normalmente están una sobre otra. Las conectadas en paralelo normalmente
están una al lado de la otra; los arreglos instalados en combinación serie/paralelo
están compuestos por secciones de lado a lado y una sobre otra.
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Unidades de tubo sencillo
Las secciones de doble tubo sencillo contienen un tubo interior o un tubo dentro
de una carcaza de tubo. Existen en el mercado diferentes tamaños de carcazas
de tubo, éstas van desde 50 a 100 mm (2 a 4 pulg). El tubo interior puede ser
sencillo o con aletas longitudinales, éste viene en diámetros externos de 19 a 64
mm (3/4 a 2 1/2 pulg).
Las aletas, de 16 a 48 por tubo, tienen una altura de 12.7 a 25.4 mm (1/2 a 1 pulg)
y un espesor de 0.89 a 1.27 mm (35 a 50 mils). En servicios donde existen cambios
de fase, las aletas frecuentemente contienen huecos, permitiendo así la
redistribución de fluido a lo largo del tubo.
Las secciones de tubo sencillo usualmente son económicamente justificables si
la superficie del área equivalente es menor que 30 m2 (300 pie2)
aproximadamente. Sin embargo, este criterio no puede ser usado firmemente
debido a que el costo del sistema es función del servicio, materiales e instalación.
4.1.2
Unidades multiples
Las secciones de doble tubo con tubos múltiples contienen de 7 a 64 tubos dentro
de la carcaza del tubo externo. Los tubos pueden ser sencillos o con aletas
longitudinales. Normalmente, sólo los tubos sencillos son usados en secciones
con más de 19 tubos. Los tamaños de la carcaza de la sección de doble tubo varían
de 100 a 400 mm (4 a 16 pulg). Los tubos internos vienen disponibles en diámetros
externos de 15.9 a 25.4 mm (5/8 a 1 pulg). Las aletas de 12 a 20 por tubo, tienen
nominalmente una altura de 6.4 mm (1/4 pulg) y un espesor de 0.89 mm (35 mil).
Las secciones más comunes son aquellas que contienen 7 tubos. Sin embargo,
la economía de estas secciones es difícil de definir debido al gran área superficial
por sección. Una o dos secciones normalmente son más económicas que el área
superficial equivalente en secciones de tubo sencillo. Pero si el servicio requiere
porciones fraccionadas o tubos cortos en secciones múltiples, las secciones de
tubo sencillo son más económicas.
Las secciones que contengan más de 7 tubos por sección raramente son usadas
debido a que tienen, para la mayoría de los servicios, ventajas económicas
limitadas sobre otras secciones con menos tubos.
4.2
Ventajas de los intercambiadores de doble tubo
Como
se
describió
en
la
subsección
4.5.3
del
documento
PDVSA–MDP–05–E–01, el rango de aplicación de los intercambiadores de
doble tubo es muy amplio. Estas unidades pueden ser diseñadas para operar a
altas temperaturas y presiones y fabricadas como módulos estandares,
resultando así relativamente económicos.
Estas unidades son la forma mas simple de un intercambiador de calor,
particularente ventajosas para aplicaciones de baja carga térmica. Con la adición
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de aletas mejoran la tranferencia de calor en el lado de la carcaza y pueden ser
usadas como módulos de construcción en arreglos paralelo–serie y multitubos,
cubriendo asi un amplio rango de los requerimientos de un proceso.
4.2.1
Simplicidad de construcción
Para aplicaciones que requieren cargas calóricas relativamente bajas (por
ejemplo, <1000 kW) y donde la transferencia de calor no representa un problema
(por ejemplo intecambiadores líquido–líquido), estas unidades con tubos lisos
resultan muy ventajosas dada su simplicidad de construcción.
4.2.2
Facilidad de mantenimiento
El sello de los intercambiadores de doble tubo se logra mediante juntas bridadas
y anillo de sello, lo cual permite separar el tubo interno y la carcaza para su
limpieza, tanto con tubos lisos como con tubos aleteados.
4.2.3
Flujo en contracorriente
Estas unidades permiten un patron de flujo completamente en contracorriente,
donde el fluido frío puede ser calentado hasta temperaturas por encima de la
temperatura de salida del fluido caliente. Esto elimina las restricciones impuesta
por la temperatura de aproximación o la temperatura de cruce.
4.2.4
Factibilidad de tubos aleteados
Estas unidades son particularmente adaptables a aquellas aplicaciones que
requieren mejorar la tranferencia de calor mediante el uso de superficies
extendidas en forma de aletas. Las aletas son usadas cuando el coeficiente de
transferencia de calor en el lado de la carcaza (o ánulo) es muy bajo; usualmente,
cuando el coeficiente para superficies no aleteadas es menor que la mitad al
correspondiente en el lado de los tubos. Esta situación puede ocurrir cuando el
fluido en el lado de la carcaza es un gas o un líquido de alta viscocidad.
4.2.5
Aplicacion en servicios de alta presión
Para una carga calórica dada, una serie de intercambiadores de doble tubo
requerirán diametros mucho menores que las unidades equivalentes de tubo y
carcaza. Debido a ello, el espesor de pared de la carcaza es más pequeño y, para
aplicaciones de alta presión, esto es un factor significativo en la determinación del
costo e, inclusive, de su factibilidad.
4.3
Efecto de aletas longitudinales
Como se ha mencionado previamente, en muchas aplicaciones de unidades de
doble tubo, a la superficie externa del tubo central se le adicionan aletas
longitudinales con el propósito de mejorar la transferencia de calor. Estas aletas
tiene dos efectos principales:
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1.
Reducen el area transversal de flujo en el lado de la carcaza, lo cual resulta
en cambio en el diametro hidraulico del ánulo y la aleta e incremento de la
velocidad del fluido.
2.
Incrementan el area de transferencia.
El efecto neto del uso de aletas longitudinales es un incremento tanto de la
transferencia de calor como de la caida de presión.
5
METODOLOGIA DE DISEÑO
5.1
Procedimiento de cálculo manual detallado
El procedimiento de cálculo siguiente está basado en flujos sin cambio de fase,
tanto que en los tubos como en el espacio anular. Si el flujo cambia de fase en
cualquiera de los lados (condensación o vaporización), siga el procedimiento de
cálculo para el lado del tubo según el documento PDVSA–MDP–05–E–02, para
evaluar el coeficiente de transferencia de calor y caída de presión. Cuando el
cambio de fase ocurre en el espacio anular, use el diámetro equivalente, de, en vez
de di y dE.
La Tabla 1 contiene los parámetros geométricos más comunes disponibles en
secciones de doble tubo. Los parámetros geométricos para las secciones no
presentes en ésta, pueden ser calculados usando las ecuaciones en la Tabla 2.
Paso 1.– Información Mínima Requerida
De acuerdo con la guía general para diseño presentada en la subsección 5.3 de
documento PDVSA–MDP–05–E–01, debe ubicarse la siguiente información:
1.
Información mínima de proceso:
Fase y naturaleza del flujo: líquido, vapor, gas, bifásico, vapor de agua, agua,
hidrocarburos, etc.
Flujos totales (entrando y saliendo de la unidad, mínimo por un lado): másico
o volumétrico, especificado por fase cuando se trata de flujo bifásico.
Propiedades de los fluidos: calor específico, calor latente, conductividad
térmica, viscosidad, peso molecular o gravedad específica o densidad.
Condiciones de operación: temperatura y presión a la entrada y/o salida de
la unidad
Caidas de presión permisibles : máxima permitida en cada lado
Factores de ensuciamiento: preferiblemente basados en experiencias
operacionales.
Condiciones de diseño: temperatura y presión en cada lado de la unidad.
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Características de los fluidos: corrosivas y/o tóxicas y/o inflamables.
Existencia de ciclos térmicos: frecuencias de paradas y arranque, si es una
operación por carga, etc.
2.
Información mecánica mínima :
Materiales de construcción
Espesor de pared por consideraciones de corrosión.
Tolerancia por corrosión.
Especificaciones, códigos y estándares.
Tamaño o limitaciones de espacio.
3.
Especificaciones dadas por el cliente.
4.
Bases de diseño del proyecto.
Paso 2.–Criterios de diseño
Verificar que se cumplan los criterios de diseño típicos para este tipo de unidades
y servicios, los cuales se presentan en la sección 4. Otros criterios adicionales se
encuentran en las subseccion 4.5 del documento PDVSA–MDP–05–E–01.
Paso 3.– Carga calórica
Determinar la carga calórica ( “duty” ) del intercambiador en base a los datos de
proceso obtenidos en el paso 1.
Paso 4.– Selección del tipo
Se hace un estimado del tipo, tamaño, número y arreglo de las secciones. Pruebe
primero con una carcaza de 75 mm (3 pulg). Cambie a una carcaza de 100 mm
(4 pulg) con tubos de 65 mm (2 1/2 pulg) para reducir la velocidad anular. Las
secciones pueden ser paralelas si se requiere.
Paso 5.– Arreglo del flujo
El fluido más viscoso usualmente pasa a través del espacio anular. El agua de
enfriamiento normalmente pasa a través del lado del tubo.
Paso 6.– Calcule las condiciones terminales y la diferencia de temperatura
media logarítmica efectiva
1.
Determine las temperaturas siguientes:
a.
La temperatura de entrada del fluido que va a ser enfriado, T1
b.
La temperatura de salida del fluido que va a ser enfriado, T2
c.
La temperatura de entrada del fluido que va a ser calentado, t1
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La temperatura de salida del fluido que va a ser calentado, t2
Determine la diferencia de temperatura media logarítmica, ∆tm
Dt m +
ǒT 1–t2Ǔ–ǒT 2–t 1Ǔ
Ec. (1)
ǒT –t Ǔ
ln ǒ 1 2Ǔ
T2–t 1
Debido a que el flujo es en contracorriente (o en paralelo si se desea), el factor Fn
de corrección no se aplica a ∆tm.
Si una (o las dos) de las corrientes cambia de fase, y la temperatura de punto de
rocío o del punto de ebullición está entre la temperatura de entrada y salida, diseñe
el intercambiador como se indica en el documento PDVSA–MDP–05–E–02.
Paso 7.– Calcule el coeficiente de transferencia de calor en el lado del tubo
1.
Calcule la velocidad en los tubos
V + F6 +
2.
M
m N T d 2i
Ec. (2)
Evalúe el coeficiente de transferencia de calor, hio
El coeficiente de transferencia de calor se determina igual que en
intercambiadores de tubo y carcaza, excepto que los cálculos se basan en el
diámetro interno del tubo. El valor de hi debe ser multiplicado por AI/AE para
ponerlo en base al área externa.
a.
Para agua:
ǒ Ǔ 0.7
1 + h + h A i + F9 (V)
io
i A
0.3
R io
O
ǒd iǓ ǒAEńAIǓ
b.
ǒ
F 10 t t ) F 11
100
Ǔ
0.26
Ec (3)
Para otros fluidos:
1. Evalúe el Número de Reynolds:
NRe +
ǒF 39Ǔ * d imV
Z
2. Evalúe Yth de la Figura 1.
3. Evalúe K (cZ/k)1/3 de la Figura 3. o Figura 4.
Ec. (4)
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4. Evalúe hio:
Z Ǔ
ǒ Ǔ ǒZW
Y th
1 + h + h Ai +
K CZ
io
i
AE
K
R io
ǒd iǓ ǒAEńAIǓ
1ń3
0.14
Ec (5)
Asuma (Z/ZW)0.14 igual a 1 hasta que la temperatura de la pared
del tubo sea calculada
5. El factor de ensuciamiento en el lado del tubo:
rio = ri (AE/Ai) donde ri es el factor de ensuciamiento, ver Tabla 5
del documento PDVSA–MDP–05–E–01.
Paso 8.– Calcule la caída de presión en el lado del tubo
1.
Evalúe la caída de presión por fricción por pase de tubo, ∆Ptf:
a.
Ytp de la Figura 3.
b.
Calcular mV2/F18 (Ec. 6)
c.
DP tf + Y tp Lńdi ǒmV 2ńF 18ǓǒZ wńZǓ
O
Ec. (6)
Ø = 0.14 para flujo turbulento (NRe > 2100)
Ø = 0.25 para flujo laminar (NRe 2100)
2.
Evalúe la caída de presión por pase de tubo debido a los codos, entrada y
salida, ∆Ptr:
DP tr + 3ǒmv 2ńF18Ǔ
3.
Ec. (7)
Evalúe la caída de presión por sección, ∆Pts:
DP ts + 2F t ǒDPtf ) DP trǓ
Ec. (8)
Para Ft, ver Tabla 3
Paso 9.– Calcule el coeficiente de transferencia de calor anular
1.
Evalúe la velocidad en el espacio anular
V + MńmA A
2.
Ec. (9)
Evalúe el número de reynolds
N Re +
F 39 de m V
Z
Ec. (10)
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Evalúe el coeficiente anular, ho:
a.
Yth de la Figura 2.
b.
K (CZ/k)1/3 de la Figura 4. ó Figura 5.
c.
Y
1ńR 0 + h 0 + th K CZ
de
k
ǒ Ǔ ǒ Ǔ
1ń3
Z
Zw
0.14
Ec. (11)
Asuma (Z/Zw)0.14 igual a 1 hasta que la temperatura de la pared del tubo sea
calculada.
4.
Factor de ensuciamiento anular, ro. ro es el factor de ensuciamiento, ver Tabla
5 del documento PDVSA–MDP–05–E–01.
Paso 10.– Calcule la caída de presión anular
1.
Evalúe la caída de presión por fricción por pase, ∆Ptf:
N Re +
Ec. (12a)
b.
F 39 dȀe m V
Z
Ytp de la Figura 3.
c.
m V 2ńF 18
Ec. (12b)
a.
d.
DP tf + Y tp LńdȀe
ǒ Ǔǒ Ǔ
mV2
F 18
ZW
Z
O
Ec. (12c)
Ø = 0.14 para flujo turbulento (Nre > 2100)
Ø = 0.25 para flujo laminar (Nre v 2100)
2.
Evalúe la caída de presión por pase debido a los codos, entradas y salidas,
∆Ptr
DP tr + 3mV
F 18
3.
2
Ec. (13)
Evalúe la caída de presión anular por sección, ∆Pas
DP as + 2.4 ǒDP tf ) DP trǓ
Ec. (14)
Paso 11.– Calcule el coeficiente global de transferencia de calor
1.
Resistencia en la pared del tubo:
r W + gńK W AE ǒPara los valores de g, ver Tabla 1Ǔ
AI
Ec. (15)
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(Este valor de resistencia de pared es levemente conservador. La relación
Af/AI puede ser sustituida por el cociente dado por el área externa y el área
existente entre la mitad de di y dE. Sin embargo, esta diferencia no afecta
apreciablemente el coeficiente global).
2.
Eficiencia ajustada de aleta
La eficiencia de la aleta toma en consideración el hecho de que existe un
gradiente de temperatura a través de la aleta, causando una reducción en
la efectividad de la fuerza impulsora por diferencia de temperatura.
a.
ha = 1/Ro+ro
b.
Evalúe el parámetro correlacionado a la eficiencia de la aleta:
Hf
Ǹ
ha
F 40 K f T f
c.
Eficiencia de la aleta, Ef, Figura 6.
d.
Use el cociente entre el área total de las aletas y el área superficial total
externa, Af/AE, para obtener la eficiencia ajustada de la aleta, Ew:
EW + Ef
3.
Ec. (16)
ǒ Ǔ ǒ
Ǔ
Af
A
) 1– f
AE
AE
Ec. (17)
Coeficiente global, Uo
a.
R t + R io ) r io ) r W ǒR o ) r 0ńE WǓ
Ec. (18a)
b.
U o + 1ńR t
Ec. (18b)
Paso 12.– Temperaturas de la Pared del Tubo
1.
Temperatura interna de la pared del tubo:
t Wi + t t ) U 0 ǒR io ) r ioǓ ǒt s–t tǓ
2.
Ec. (19)
Temperatura externa de la pared del tubo:
t WO + T S–UO ǒR 0 ) r 0ńEWǓ ǒt s–t tǓ
Ec. (20)
Devuélvase a los cálculos de los coeficientes de transferencia de calor para el lado
de los tubos y el lado anular y corrija el efecto de viscosidad en la pared. Haga las
correcciones necesarias en los cálculos del coeficiente global de transferencia de
calor.
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Paso 13.– Número de secciones requeridas
1.
Area por sección, As
2.
Area total requerida, A:
A + QńU 0 Dt m
3.
Ec. (21)
Número de secciones, Ns
N S + AńA S
Ec. (22)
Paso 14.– Calcule la caída de presión total
1.
La caída de presión total en el lado de los tubos, ∆Pt
DP t + N S DPts
2.
La caída de presión total en el espacio anular, ∆Ps
DP S + N S DPas
5.2
Ec. (23)
Ec. (24)
Cálculos automatizados
Debido a que HTRI no ofrece un programa para cálculos de transferencia de calor
con doble tubo, se usará el programa “HEXTRANTM ” (SIMSCI), como
procedimiento oficial automatizado para cálculos con doble tubo. Remitimos al
lector al manual del programa“HEXTRANTM ”, sección 43 (“Doble pipe
exchangers”). Es conveniente mencionar que el programa evalúa una
configuración predeterminada (la cual podría definirse siguiendo lo indicado en
5.1), y permite flujo bifásico.
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA
TRANSFERENCIA DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
.Menú Principal
6
PDVSA MDP–05–E–04
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A
AA
Af
=
=
=
Ai
=
AE
=
As
C
=
=
de
=
d’e
=
di
dE
d2
EF
Ew
Fi
=
=
=
=
=
=
Ft
=
Hf
hio
=
ho
=
Kf
=
Kw
=
K
=
L
l
=
=
Area total del intercambiador
Area de flujo en el espacio anular
Area superficial de la aleta por unidad
de longitud de tubo
Area superficial interna por unidad de
longitud de tubo
Area superficial externa por unidad de
longitud de tubo
Area por sección
Calor específico del fluido a la
temperatura promedio de la masa
Diámetro hidráulico para cálculos de
transferencia de calor
Diámetro hidráulico para cálculos de
caída de presión
Diámetro interno del tubo interior
Diámetro externo del tubo interior
Diámetro interno del tubo exterior
Eficiencia de la aleta
Eficiencia ajustada de la aleta
Factor cuyo valor depende de las
unidades usadas (Ver tabla al final)
Factor de corrección de la caída de
presión en el lado del tubo
Altura de la aleta
Coeficiente películar anular interno
basado en el área externa
Coeficiente pelicular anular
Conductividad térmica del material de
la aleta, ()
Conductividad térmica de la pared del
tubo
Conductividad térmica del fluido a
temperaturas térmicas
Longitud de la sección de tubo
Espesor de la pared del tubo, m (pie)
En
unidades
SI
En
unidades
inglesas
m2
m2
m2/m
pie2
pie2
pie2/pie
m2/m
pie2/pie
m2/m
pie2/pie
m2
kJ/kg °C
pie2
BTU/lb °F
mm
pulg
mm
pulg
mm
pulg
mm
pulg
mm
pulg
Adimensional
Adimensional
mm
W/m2 °C
W/m2 °C
W/m °C
W/m °C
W/m °C
m
m
pulg
BTU/hpie 2
°F
BTU/hpie 2
°F
BTU/hpie 2
°F/pie
BTU/hpie 2
°F/pie
BTU/hpie 2
°F/pie
pie
pie
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA
PDVSA MDP–05–E–04
TRANSFERENCIA DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
.Menú Principal
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M
m
=
=
NF
NRe
Ns
Nt
DPas
DPs
DPt
=
DPtf
DPtr
=
=
DPts
=
Q
Rio
=
=
Ro
=
Rt
=
ri
=
rio
=
ro
=
=
=
=
=
Flujo másico
Densidad del fluido a temperaturas
promedio de la masa
Número de aletas por tubos
Número de Reynolds
Número de secciones
Número de tubos por sección
Caída de presión anular por sección
Caída de presión total anular
Caída de presión total del lado del
tubo
Caída de presión por fricción
Caída de presión por codos, entrada y
salida
Caída de presión por sección en el
lado del tubo
Velocidad de transferencia de calor
Resistencia pelicular interna basada
en el área externa
Resistencia pelicular anular
kg/s
kg/m3
lb/h
lb/pie 3
adimensional
adimensional
adimensional
adimensional
kPa
psi
kPa
psi
kPa
psi
kPa
kPa
psi
psi
kPa
psi
W
m2 °C/W
BTU/h
hpie2
°F/BTU
hpie2
°F/BTU
hpie2
°F/BTU
hpie2
°F/BTU
m2 °C/W
m2 °C/W
=
Resistencia total a la transferencia de
calor
Resistencia
interna
por
ensuciamiento, basado en el área
superficial interna
Resistencia
interna
por
ensuciamiento, basado en el área
superficial externa
Resistencia anular por ensuciamiento
rw
=
Resistencia de la pared del tubo
m2 °C/W
Tf
T1
=
=
T2
=
Ts
=
Tt
=
Espesor de la aleta
Temperatura de entrada del fluido que
va a ser enfriado
Temperatura de salida del fluido que
va a ser enfriado, °C (°F)
Temperatura promedio de la masa del
fluido en el espacio anular, °C (°F)
Temperatura promedio de la masa del
fluido en el lado de los tubos
m2 °C/W
m2 °C/W
hpie2
°F/BTU
m2 °C/W
mm
°C
hpie2
°F/BTU
hpie2
°F/BTU
pulg
°F
°C
°F
°C
°F
°C
°F
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA
PDVSA MDP–05–E–04
TRANSFERENCIA DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
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Twi
=
Two
=
t1
=
t2
=
Dtm
Uo
=
=
V
Yth
=
=
Ytp
=
Z
=
Zw
=
Temperatura interna de la pared del
tubo
Temperatura externa de la pared del
tubo
Temperatura de entrada del fluido que
va a ser calentado
Temperatura de salida del fluido que
va a ser calentado
Diferencia de temperatura media
Coeficiente global de transferencia de
calor
Velocidad
Factor de correlación de transferencia
de calor
Factor de correlación de caída de
presión
Viscosidad del fluido a su temperatura
promedio, ()
Viscosidad del fluido a la temperatura
de la pared, Pa.s (cP)
°C
°F
°C
°F
°C
°F
°C
°F
°C
W/m2 °C
°F
BTU/hpie 2
°F
m/s
pie/s
Adimensional
Adimensional
Pa.s
cP
Pa.s
cP
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA
PDVSA MDP–05–E–04
TRANSFERENCIA DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
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Á
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ÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
FACTORES QUE DEPENDEN DE LAS UNIDADES USADAS
En unidades En unidades
SI
inglesas
F6
F9
F10
F11
F16
F18
=
=
F39
=
F40
=
F41
F42
=
=
=
=
Ec.
Ec.
Ec.
Ec.
(2)
(3)
(3)
(3)
Ecs. (6), (6a), (7),
(12b), (12c) y (13)
Figs. (2), (3)
Ecs. (4), (10) y (12a)
Fig. (6)
Ec. (16)
1.274x10 6
1.27x10 4
1/19.625
368
103
2000
12
9270
10–3
119.619
500
6
1/2.5x10 7
4x10 3
576
48
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA
.Menú Principal
7
TRANSFERENCIA DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
Indice manual
Indice volumen
PDVSA MDP–05–E–04
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0
AGO.95
Página 17
Indice norma
APENDICE
Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Datos físicos para secciones comunes de doble tubo
Constantes geométricas para secciones de doble tubo
Constantes Ft para secciones de doble tubo (Tabla nueva)
Componentes típicos de unidades de doble tubo
Coeficiente de transferencia de calor en los tubos
Caída de presión por fricción a través de los tubos
Valor de la función térmica para hidrocarburos líquidos
(K (N° Prandtl) 1/3)
Eficiencia de aletas longitudinales
PRACTICAS DE DISEÑO
PDVSA
PDVSA PD–SEC–9H
TRANSFERENCIA DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO
.Menú Principal
Indice manual
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FECHA
0
MAR.78
Página 18
Indice volumen
Indice norma
TABLA 1. DATOS FISICOS PARA SECCIONES COMUNES DE DOBLE TUBO (1)
Tamaño
Nominal
de la
carcaza
Area
por
Sección (2)
D.I.
Nominal
AE
mm
3.05 m
6.10 m
mm
di, mm
de, mm
NF
Ai
de,mm
d’e,mm
75
4.65
9.38
40
40.9
48.3
3.69
24(3)
5.93
0.801
2.65
13.92
10.54
100
5.30
10.59
40
40.9
48.3
3.69
28(3)
6.72
0.824
2.60
12.07
9.40
6.60
13.10
40
40.9
48.3
3.69
36(3)
8.30
0.858
2.51
9.42
7.65
8.36
16.72
40
40.9
48.3
3.69
24(4)
10.65
0.890
5.84
17.04
13.84
9.57
19.14
40
40.9
48.3
3.69
28(4)
12.25
0.905
5.76
4.63
12.17
12.08
24.15
40
40.9
48.3
3.69
36(4)
15.40
0.925
5.56
11.25
9.70
5.11
10.22
65
62.71
73.02
5.15
24(3)
4.26
0.727
1.93
9.22
6.65
6.97
13.94
65
62.71
73.02
5.15
36(3)
5.80
0.800
1.80
6.30
4.93
8.83
17.65
65
62.71
73.02
5.15
48(3)
7.36
0.841
1.66
4.60
3.76
100
9.94
19.79
20
14.83
19.05
2.11
16(6)
4.95
0.740
4.52
11.23
9.35
100
12.17
24.25
22
18.01
22.22
2.11
20(6)
5.01
0.753
3.65
7.37
6.35
100
3.07
6.04
22
18.01
22.22
2.11
––
1.23
––
5.50
45.0
27.2
100
3.53
6.87
25
18.59
25.90
3.41
––
1.37
4.66
33.5
21.2
100
100
x103, m
AF
AE
AAx103, m2
NOTAS:
(1) Los datos dados son para aletas de tubo, marca Brown, de secciones de tubería de peso
estándar. Los datos presentados están limitados a los tipos de secciones usadas comúnmente. Sin
embargo, existe una gran variedad de diseños de disponibilidad inmediata que no estan tabulados.
(2) Area por sección (m2 (pie2)) está basada en una sección de horquilla o gancho de pelo (2
longitud de tubo) la cual tiene las distancias nominales indicadas.
(3) Altura de las aletas = 12.7 mm (0.50 pulg), espesor de las aletas = 0.89 mm (0.035 pulg).
(4) Altura de las aletas = 25.4 mm (1.00 pulg), espesor de las aletas = 0.89 mm (0.035 pulg). (5)
7 tubos de sección
(6) Altura de las aletas = 5.3 mm (0.21 pulg), espesor de las aletas = 0.89 mm (0.035 pulg).
(7) Para convertir de mm a pulgadas, divida entre 25.4.
(8) Para convertir de m a pie, divida entre 0.3048.
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TABLA 2. CONSTANTES GEOMETRICAS PARA SECCIONES DE DOBLE TUBO
Area de flujo anular, AA, m2
A A= ǒ2. 5x10 –7Ǔ pd 2–N T ǒp d 2+4N F H F T FǓ
Area de superficie aleteada pro metro de longitud de tubo, Af, m2/m
A F= ǒ10 –3Ǔ N F ǒ2H F+T FǓ
Area de superficie interna por metro de longitud de tubo, Ai, m2/m
A i= ǒ10 –3Ǔ p d i
Area de superficie externa por metro de longitud de tubo, AE, m2/m
A E= ǒ10 –3Ǔ ǒp d O+2N F H FǓ
Area por sección, As, m2
A S= 2N T A E L
Diámetro hidráulico para cálculos de transferencia de calor, de, mm
de +
ǒ4x10 3Ǔ AA
NT AE
Diámetro hidráulico para cálculos de caída de presión, de’, mm
dȀ e +
ǒ4x10 3Ǔ A A
N T AE ) ǒ10 –3Ǔ p d 2
NOTAS:
Para convertir de mm a pulg, divida entre 25.4
Para convertir de m a pie, divida entre 0.3048
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TABLA 3. FACTOR DE CORRECION DE LA CAIDA DE PRESION POR EL LADO DEL
TUBO
Tubos de Acero
Ft
mm
19.05
25.40
38.10
pulg
(3/4)
(1)
(1 1/2)
t (mm) (1)
Sencillo
Aleteado
Tubos de Aleaciones no Ferrosas
Ft
Sencillo
Aleteado
1.24
1.28
1.35
1.14
1.19
1.65
1.34
1.42
1.17
1.23
2.11
1.41
1.53
1.20
1.30
2.77
1.53
1.74
1.26
1.39
1.65
1.24
1.28
1.10
1.12
2.11
1.28
1.33
1.12
1.15
2.77
1.35
1.43
1.15
1.19
3.40
1.43
2.11
1.18
2.77
1.21
3.40
1.25
4.19
1.31
NOTA:
(1) Para convertir de mm a pulg, divida entre 25.4
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Fig 1. COMPONENTES TIPICOS DE UNIDADES DE DOBLE TUBO
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Fig 2. COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN TUBOS
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Fig 3. CAIDA DE PRESION POR FRICCION A TRAVES DE LOS TUBOS
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Fig 4. VALOR DE LA FUNCION TERMICA PARA HIDROCARBUROS LIQUIDOS
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Fig 5. (K (N° PRANDTL) 1/3)
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Fig 6. EFICIENCIA DE ALETAS LONGITUDINALES
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