1. No category

PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TRANSFERENCIA DE CALOR
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PDVSA N°
MDP–05–E–05
0
OCT.95
REV.
FECHA
APROB.
E1994
TITULO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA SERVICIOS
CRIOGENICOS
APROBADA
55
DESCRIPCION
FECHA
PAG. REV.
APROB.
APROB. APROB.
FECHA
ESPECIALISTAS
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 1
Indice norma
Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4 CONSIDERACIONES DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4.1
4.2
4.3
Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tipos de Equipos y Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Consideraciones para Intercambiadores de Láminas Aleteadas . . . . . . .
3
4
8
5 METODOLOGIA DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
5.1
Procedimiento de cálculo detallado para intercambiadores de
láminas aleteadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
Tabla 1
Tabla 2.A
Tabla 2.B
Tabla 3
Tabla 4.A
Tabla 4.B
Figura
Figura
Figura
Figura
1
2
3
4A
Figura 4B
Figura 4C
Figura 4D
Figura 5
Figura 6
Relaciones geométricas para superficies de laminas aleteadas . .
Datos geométricos de aleta (unidades si) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Datos geométricos de aleta (unidades inglesas) . . . . . . . . . . . . . . .
Máximas dimensiones del cuerpo del intercambiador . . . . . . . . . .
Hoja de calculo para intercambiadores de laminas (unidades si) .
Hoja de calculo para intercambiadores de laminas
(unidades inglesas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ensamblaje de intercambiadores de láminas aleteadas . . . . . . . . .
Arreglo de flujo para intercambiadores de láminas aleteadas . . . .
Corrugaciones de aletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Factor de transferencia de calor y caída de presión
(aletas tipo lanzas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Factor de transferencia de calor y caída de presión
(aletas tipo lanzas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Factor de transferencia de calor y caída de presión
(aletas perforadas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Factor de transferencia de calor y caída de presión
(aletas onduladas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Factor de corrección de DTML para intercambiadores
de flujo transversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eficiencia de la aleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
30
31
32
33
40
47
48
49
50
51
52
53
54
55
PDVSA
.Menú Principal
1
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 2
Indice norma
OBJETIVO
El objetivo principal de este documento es proveer al Ingeniero de proceso y
diseño con las herramientas necesarias para evaluar las ofertas de
intercambiadores de calor de placas con aletas (Plate –and–Fin Exchanger)
propuestas por los fabricantes.
EL TEMA “Intercambiadores de Calor”, dentro del área de “Transferencia de
Calor”, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los
siguientes documentos:
PDVSA –MDP–
05–E–01
05–E–02
Descripción del Documento
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.
05–E–05
Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño
para Servicios Criogénicos (Este documento).
Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Intercambiadores
de Calor”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, con una
actualización de las 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 un procedimiento para calcular el tamaño de
intercambiadores de calor de Placas con Aletas (Plate–and–Fin Exchanger). Este
procedimiento puede ser usado para estimar costos.
Adicionalmente al procedimiento de cálculo, se presenta una descripción
detallada de la geometría de intercambiadores de láminas aleteadas, incluyendo
criterios para la selección de componentes. También vienen dados datos de
transferencia de calor y caída de presión y las consideraciones para el diseño
mecánico de intercambiadores de láminas aleteadas. También está presente una
discusión de otros tipos de intercambiadores de calor para servicios criogénicos
y sus aplicaciones.
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
3
Indice manual
Indice volumen
Página 3
Indice norma
REFERENCIAS
Manual de Diseño de Proceso (versión 1986)
S Vol VI, Subsección 9J “Intercambiadores de calor para servicios criogénicos”
Manual de Diseño de Proceso
S PDVSA–MDP–05–E–01 “Intercambiadores de calor: principios básicos”
Otras Referencias
S Fan, Y.N., “How to Design Plate–Fin Exchangers”, Hydrocarbon Processing,
Vol. 45, No II. 211–217 (November 1966).
S Hewitt, G. F.; Shires, G.L. and Bott T. R.; Process Heat Transfer; First Edition;
CRC Press, Inc. (1993).
S Kays, W.M. and London, A.L.; Compact Heat Exchanger; Second Edition;
McGraw Hill (1964).
S McKetta, J.J.; Heat Exchanger; First Edition; Marcel Dekker, Inc. (1991)
S Schlûnder, E. U.; Heat Exchanger Design Handbook; Vols. 2 & 3; First Edition,
CRC Press, Inc. (1983).
4
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
4.1
Generalidades
Cualquier proceso, económicamente hablando, que opere a baja temperatura
necesita ser altamente eficiente en la recuperación de refrigeración puede ser
satisfecho por el efecto de expansión y un mínimo de gastos energéticos. A
medida que la temperatura de operación disminuye, el costo de compresión para
la refrigeración aumenta y, por consiguiente, también aumenta el incentivo de
ahorro.
En plantas de baja temperatura para la separación de licuados o purificación de
gases, la gran refrigeración requerida para enfriar las corrientes de alimentación
es suplida por las corrientes de productos fríos. Una eficiencia alta quiere decir
que existe un acercamiento bastante grande entre la temperatura de las corrientes
de entrada y salida. Por ejemplo, en una planta típica de separación de aire, el aire
comprimido de alimentación tiene que ser enfriado de 38 a 170°C (100 a 273°F).
Esto se logra intercambiando calor con las corrientes de oxígeno y nitrógeno que
salen del sistema. La temperatura de acercamiento entre la salida y la entrada
está en el orden de 5°C (10°F), lo que resulta en una eficiencia de 97%. Esta alta
eficiencia puede ser lograda solamente en unidades con flujo en contracorriente
y teniendo los pasos de flujo con un cociente de L/D bastante grande.
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 4
Indice norma
Adicionalmente a los enfriadores principales de alimentación, los procesos
criogénicos requieren otros intercambiadores para la operación sobre rangos de
temperatura más limitados, pero siempre manteniendo una temperatura de
acercamiento bastante pequeña. En este equipo se incluyen los vaporizadores,
los sub–enfriadores y condensadores–rehervidores. Algunas veces se usan
configuraciones de flujo diferentes al flujo en contracorrientes.
Además de los criterios térmicos de diseño descritos arriba, los intercambiadores
de baja temperatura deben satisfacer otros requerimientos básicos. La
distribución uniforme del flujo dentro y entre las unidades en paralelo debe ser
alcanzada. La compacticidad (cociente entre el área superficial y el volumen), es
importante para minimizar el costo del aislamiento requerido para reducir la
recuperación de calor del exterior.
Otro criterio en los requerimientos es que los intercambiadores usados para enfriar
la alimentación de corrientes de gases, las cuales se depositan en forma de sólidos
en la superficie de transferencia de calor. Estos sólidos no se deben dejar
acumular hasta el punto que bloqueen los pasos de flujo, si no que se les debe
revaporizar y remover periódicamente. Una manera efectiva de obtener esto, es
operando el intercambiador empieza a taparse por sólidos, los pasajes de flujo se
invierten automáticamente por un período suficientemente largo para permitir que
los sólidos se evaporen en una corriente de puros desechos principalmente. esta
evaporización toma lugar a pesar de que la corriente de desechos esté más fría
que la corriente de alimentación de la cual se condensan los sólidos.
En vista de las consideraciones expuestas, varios tipos de intercambiadores han
sido diseñados para uso en las plantas de baja temperatura.
estos
intercambiadores van a ser descritos a continuación con el área de aplicación,
ventajas y desventajas.
4.2
Tipos de Equipos y Aplicaciones
A continuación se presenta información sobre los tipos de intercambiadores de
calor usados en los servicios criogénicos. En las subsecciones 4.5.5, 4.5.6 y 4.5.7
del documento PDVSA–MDP–05–E–01 se presenta una descripción completa de
este tipo de unidades.
4.2.1
Intercambiadores de Láminas Aleteadas (Plate–and–Fin)
Los intercambiadores de placas con aletas o de láminas aleteadas consisten en
una serie de láminas paralelas de aluminio, entre las cuales se encuentran
formando “sandwich”, hojas corrugadas de aluminio. Las corrugaciones actúan
como aletas, proviendo así el área de superficie extendida para la transferencia
de calor, de esta manera se le da a la unidad fuerza mecánica y un mayor número
de canales de flujos paralelos. el lado de cada “sandwich” está sellado con barras
de aluminio, formando así el paso completo de flujo, y la construcción completa
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 5
Indice norma
se suelda sumergida en un baño de sal derretida. Los cabezales de aluminio son
entonces soldados a los extremos del cuerpo del intercambiador.
Algunas de las ventajas relacionadas con la construcción de intercambiadores de
láminas aleteadas son las siguientes:
3.
Se puede alcanzar un alto grado de compacticidad. El cociente de 1480
m2/m3 (450 pie2/pie3) entre superficie de área y volumen es bastante común,
y valores hasta de 2530 m2/m3 (770 pie2/pie3) han sido reportados. En
comparación, las unidades convencionales de tubo y carcaza tienen un
cociente de 165 a 245 m2/m3 (50 a 75 pie2/pie3).
4.
3 ó 4 corrientes de proceso pueden ser acomodadas fácilmente en una sola
unidad con el espaciado de las láminas y la construcción de las aletas
optimizado para cada una de las corrientes. Estas unidades de corrientes
múltiples son ideales para operar como unidades reversibles en el
desplazamiento de impurezas.
5.
Los intercambiadores pueden ser usados individualmente o conectados en
serie y/o en paralelo.
6.
El tamaño pequeño y el peso liviano permite que las instalaciones sean
compactas con un mínimo de fluctuaciones y estructuras de soporte.
Con estas ventajas existen varias desventajas y limitaciones que se deben tener
presentes:
1.
La máxima presión de operación está limitada a 4500 kpa man. (650 psig),
bajo condiciones estables, y hasta 2100 kPa man. (300 psig), bajo
condiciones reversibles.
2.
Los intercambiadores de lámina aleteada no pueden ser usados donde una
o más de las corrientes de proceso tienen tendencia a obstruir (ensuciar).
3.
Los escapes internos entre los pases son difíciles de localizar y de corregir
en el campo. se necesitan equipos para soldar aluminio y se requiere de
personal experto.
Los procesos petroquímicos típicos que utilizan intercambiadores de láminas
aleteadas son: separación de aire, extracción de helio del gas natural,
recuperación de etileno, licuenfacción de gas natural, purificación y licuefacción
de hidrógeno y los sistemas de refrigeración usados en conjunto con cualquiera
de estos procesos.
PDVSA
.Menú Principal
4.2.2
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 6
Indice norma
Intercambiadores de Placas (Plate–and–Frame)
Estas unidades consisten en un conjunto de planchas de metal muy delgadas y
corrugadas, mantenidas juntas en un bastidor y selladas en sus bordes, para
prevenir fugas hacia afuera, por una empacadura compresible, formando así una
serie de pasadizos estrechos e interconectados, a través de los cuales son
bombeados los fluidos. El fluido caliente y el frío siguen pasadizos alternos y el
calor es transferido a través de las planchas con una resistencia térmica
relativamente baja. El bastidor es una estructura rígida formado por una placa fija
en un extremo y una columna de soporte en el otro, conectados ambos en el tope
por una barra de sustentación y en el fondo por un riel guía. Pueden ser fabricadas
con cualquier metal, aunque acero al carbono es poco usado porque el equipo no
sería competitivo con las unidades de tubo y carcaza.
Estos intercambiadores presentan muchas ventajas en comparación con las
unidades de tubo y carcaza, siendo las más importantes las siguientes:
1.
Flexibilidad.– Son unidades adaptables a un amplio rango de condiciones
y de fluidos, incluyendo los líquidos viscosos y no–newtonianos, y pueden ser
modificadas fácilmente para adaptarse a requerimientos diferentes de
operación, con un simple cambio en el número y/o la forma de las láminas.
Existe disponibilidad de una gran variedad de platos corrugados que
satisfacen muchas especificaciones de diseño.
2.
Compacticidad.– Estos intercambiadores son unidades compactas, donde
un área muy grande ocupa un volumen pequeño, y con un coeficiente global
de transferencia de calor alto, cuyo valor podría ser hasta cinco veces el
correspondiente a una unidad equivalente de tubo y carcaza. Como
resultado de estas características, los intercambiadores de placas ocupan
menos espacio e imponen menos carga en el terreno, razones por lo que
resultan atractivos para su uso en lugares confinados o sensibles al peso,
como barcos o plataformas costa afuera (por ejemplo, plataformas de
producción en el Lago de Maracaibo).
3.
Bajos costos de fabricación.– El costo de estas unidades es relativamente
bajo debido al hechos que se fabrican a partir de planchas mantenidas juntas
por presión y no por soldadura. Adicionalmente permiten el uso de material
con una gran resistencia a la corrosión y a las reacciones químicas. Por
ejemplo, Intercambiadores de placas de acero inoxidable pueden costar
menos que unidades de tubo y carcaza de acero al carbono diseñadas para
la misma carga calórica.
4.
Control de temperatura.– Los Intercambiadores de placas pueden operar
con diferencias de temperatura relativamente pequeñas, lo cual representa
una ventaja en aquellos casos donde las altas temperaturas deben ser
evitadas. Adicionalmente, la forma de los pasadizos de flujo reduce las
posibilidades de zonas muertas y puntos de sobrecalentamiento.
PDVSA
.Menú Principal
5.
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 7
Indice norma
Facilidad de limpieza.– estas unidades pueden ser desmanteladas para su
limpieza, lo cual es una ventaja significativa en servicios muy sucios.
La principal desventaja de estas unidades, radica en su riesgo potencial al
derrame de fluidos. Sin embargo pueden ser diseñadas para que el derrame del
fluido ocurra hacía afuera de la unidad y no entre las corrientes de proceso. por
esta razón su uso no es recomendable para líquidos altamente inflamables o
tóxicos. debido a lo estrecho de los canales de flujo entre placas, la caída de
presión a través de la unidad es relativamente alta y, en consecuencia, los costos
de capital y de operación de los sistemas de bombeo deben ser tomados en
consideración cuando estas unidades se comparan con otros sistemas de
intercambio de calor. Adicionalmente, los rangos de temperatura y presión son
limitados a valores relativamente bajos, debido al material de la empacadura y de
construcción.
4.2.3
Intercambiadores de espirales devanados (Hampson Coil)
Estos intercambiadores consisten en un haz de tubo de diámetro pequeño puesto
alrededor de un paso helicoidal sobre un eje central y encerrado en una carcaza
cilíndrica. El número de tubos en cada hilera y el espaciado axial y radial son
seleccionados de tal manera que todos los tubos tengan la misma longitud. Esto
asegura distribución uniforme a través de los tubos. El patrón local de flujo en
cualquier punto del intercambiador es transversal, mientras que el patrón de flujo
total es esencialmente contracorriente. El material de los tubos es generalmente
cobre y aluminio; los diámetros van desde 2 a 12 mm (1/8 a 1/2 pulg) y la longitud
va hasta 60 metros (200 pie).
El alto costo por unidad de superficie de área restringe el uso de intercambiadores
de espiral para sólo aquellos servicios donde otros tipos no son aplicables, como
procesos de alta presión (4500 kPa man. (650 psig) y mayor). En estos servicios
la corriente de mayor presión siempre fluye en los tubos. Los intercambiadores
de espirales no pueden ser operados como intercambiadores reversibles para
remover las impurezas sólidas, éstos deben ser puestos fuera de servicio
temporalmente.
4.2.4
Regeneradores alternantes
Los regeneradores alternantes son aparatos para retener el calor y consisten
usualmente en dos envases cilíndricos empacados con cinta metálica o piedras.
Las dos corrientes gaseosas son desviadas alternándose entre los envases, el
período de la desviación depende de la velocidad del cambio de temperatura del
empaque. Los regereadores con desvío son obviamente apropiados para la
corriente de alimentación y eventualmente para la evaporación de estos
condensados por la corriente que sale después que ha ocurrido el cambio de
envases.
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 8
Indice norma
Las desventajas principales de estos regeneradores son, primero, normalmente
no resultan apropiados para intercambiar calor entre un producto de alta pureza
y un gas impuro, debido a que es inevitable que el producto puro se contamine
cuando evapore las impurezas y, segundo, éstos tienen variación en las
temperaturas de salida, lo cual causa problemas operacionales en la planta.
Cuando estas desventajas se pueden tolerar, los regeneradores alternantes son
bastante atractivos como enfriadores de gran escala, debido a su bajo costo y gran
cantidad de área superficial por unidad de volumen.
4.2.5
Intercambiadores de tubos concéntricos
Este tipo de intercambiadores consisten en varios tubos coaxiales de cobre: varias
corrientes pasan a través del espacio anular que se encuentra lleno con un rollo
de cinta de cobre, el cual está soldado a las puertas del tubo.
Estos intercambiadores son apropiados para operarlos como unidades
reversibles. estos pueden también manejar tres corrientes, siendo una de ellas
producto puro. No son apropiados para operaciones de gran escala debido a
problemas con la distribución del flujo asociado con un gran número de unidades
similares en paralelo.
4.3
4.3.1
Consideraciones para Intercambiadores de Láminas Aleteadas
Geometría del intercambiador
El cuerpo de un intercambiador de lámina aleteada es construido de un número
de sandwichs del tipo mostrado en la Figura 1. varios tipos de configuraciones de
flujo son posibles y con cualquiera de estas configuraciones el tamaño y tipo de
las corrugaciones pueden variar para cada corriente.
1.
Configuraciones del Flujo.– Los intercambiadores de lámina aleteada tienen
dos configuraciones básicas de flujo, transversal y contracorriente, las
cuales están ilustradas en la Figura 1. Estas configuraciones básicas se
pueden edificar para formar unidades de flujo transversal simple, flujo
transversal con pasos múltiples, flujo contracorriente y unidades con
corrientes múltiples, usando internos apropiados para sellar, distribuidores
y tanques de cabezal externo. algunos arreglos típicos están ilustrados en
la Figura 2.
La selección de la configuración de flujo apropiado para una aplicación
particular depende de varios factores, incluyendo la velocidad de flujo,
niveles de presión y la efectividad de temperatura en cada una de las
corrientes. Esta última determina el factor de corrección del DTML y por
consiguiente la penalidad en tamaño asociada a una configuración de flujo
diferente al contracorriente.
En un intercambiador de flujo transversal simple, Figura 2., las aletas se
encuentran a través de toda la longitud de cada paso y los distribuidores
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 9
Indice norma
internos no son necesarios. Esta configuración es generalmente usada en
equipos de licuefacción donde la corriente caliente se condensa, con un
pequeño cambio de temperatura, mientras intercambia calor con una
corriente de gas a baja presión. La efectividad de temperatura generalmente
es mayor que 60% si se quiere evitar un tamaño no efectivo.
En la unidad de pasos múltiples, Figura 2., una corriente fluye en línea recta,
mientras que la otra es guiada por interiores de sello y tanques externos para
obtener el número de pasos requeridos. La unidad consiste básicamente de
varias secciones de flujo transversal ensambladas en una formación
contracorriente con una efectividad de temperatura promedio,
aproximándose a la de contracorriente.
En la mayoría de las aplicaciones de baja temperatura, el flujo en
contracorriente es generalmente especificado. Los arreglos de cabezales
deben ser apropiados para el tipo de servicio que tienen. Las unidades de
contracorriente en la Figura 2., incluyen: Tipo 1, es usado principalmente en
aplicaciones de baja presión, Tipo 2, un arreglo simétrico apropiado para
servicios reversibles y para unidades de alta presión; y Tipo 3, el cual puede
ser usado para tres o más corrientes.
2.
Corrugaciones.– Han sido desarrolladas varios tipos de corrugaciones
para satisfacer la gran gama de requerimientos. Las corrugaciones más
usadas comúnmente están ilustradas en la Figura 3. y se presentan con sus
designaciones alternas en la lista siguiente:
c.
Plana (recta)
d.
Lanza (tira, dentada, de entrada múltiple)
e.
Tejado (ondulada, espina)
f.
Perforada
Las superficies de la aleta plana están caracterizadas por pasos de flujo de
larga longitud y sin interrupción, con un rendimiento similar a aquel obtenido
dentro de los tubos circulares. Las superficies de aletas planas incluyendo
a aquellas con pasos rectangulares, pares triangulares y pasos con esquinas
redondeadas. en general, las corrugaciones de tipo lanza, tejado y perforada
ofrecen mejores características de transferencia de calor y caída de presión.
Cuando se comparan con aletas planas, dada una carga térmica pérdida de
presión, esto resulta en una reducción de longitud con incremento en el área
de la sección transversal.
Dentro de cada categoría general de corrugaciones existen variaciones en
la geometría específica de las aletas. Para aplicaciones industriales las
dimensiones de la aleta generalmente están dentro de los rangos siguientes:
Altura 3.8 a 11.4 mm (0.15 a 0.45 pulg); espesor 0.15 a 0.64 mm (0.006 a
0.025 pulg); espaciado 1.41 a 3.18 mm (0,806 a 0.13 pulg). El porcentaje de
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 10
Indice norma
superficie de área removida en aletas perforadas generalmente está entre
10 y 25%. El área superficial por unidad de volumen del cuerpo del
intercambiador está entre 820 y 1480 m2/m3 (250 y 450 pie2/pie3).
La nomenclatura específica para la geometría de intercambiadores de
lámina aleteada viene dada en la Tabla 1. También en la Tabla 1 hay
relaciones para calcular las propiedades geométricas de la superficie de las
láminas usando las dimensiones de la aletas, con la misma área, de tipo
plana y lanza sean iguales, sus características de transferencia de calor y
caída de presión son marcadamente diferentes, como se podrá ver en las
secciones siguientes.
Una lista parcial de las corrugaciones industriales disponibles por los
principales fabricantes de los Estados Unidos viene dada en la Tabla 2. En
esta tabla vienen incluidas las propiedades geométricas calculadas usando
las relaciones en la Tabla 1.
3.
Criterio de selección de las aletas.– La selección de las aletas óptimas
para una aplicación particular es un procedimiento bastante complejo debido
al gran número de variables de proceso envueltas y a la gran cantidad de
superficie disponible. sin embargo, se pueden dar criterios preliminares
generales de selección de aletas basados en la naturaleza de la corriente del
fluido y en la presión de operación.
El tipo de aleta más usada es la aleta tipo lanza: generalmente es apropiada
para aplicaciones de servicios que impliquen todo gas, todo líquido,
condensación y vaporización. esta es el primer tipo de aleta que debe ser
considerada cuando se seleccionan superficies para una aplicación
particular. el uso de aletas planas generalmente está limitado para casos
especiales de líquidos y flujos condensado y dos pasos donde se desea el
paso libre de impurezas sólidas. Las aletas perforadas usualmente son
usadas en servicios donde se está condensando y vaporizando y también en
las secciones de distribución de unidades con flujo en contracorriente.
La altura y espesor de las aletas están sujetas a limitaciones de presión. El
uso de las aletas que tengan 9.5 mm (0.375 pulg) de altura o más y menos
de 0.3 mm (0.012 pulg) de espesor están limitadas a presiones de operación
de 2100 kPa man. (300 psig) o menos. A presiones más altas, aletas más
cortas y delgadas son necesarias. Consideraciones de presión permiten que
las corrugaciones más altas sean usadas para corrientes gaseosas,
mientras que aquellas con una altura de 6.35 mm (0.250 pulg) y más
pequeñas sean usadas para líquidos. Las aletas onduladas generalmente
tienen, por lo menos, 9.5 mm (0.375 pulg) de altura y así son usadas algunas
veces con corrientes de gas de baja presión.
PDVSA
.Menú Principal
4.
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 11
Indice norma
Limitaciones de tamaño del cuerpo del intercambiador.– El tamaño
máximo de un cuerpo de intercambiador está limitado por consideraciones
de diseño mecánico y por facilidades en su fabricación. Las cargas de
presión limitan el área de las secciones transversales del cuerpo del
intercambiador a un rango entre 0.23 y 0.84 m2 (2.5 a 9 pie 2). El tamaño
de los hornos para soldar limita el cuerpo del intercambiador a
aproximadamente 3 m (10 pie) de longitud; sin embargo, recientemente,
para operaciones de baja presión existen disponibles cuerpos con 6 m (20
pie) de longitud.
Una lista de tamaños máximos de cuerpos de
intercambiadores, no reversibles, a diferentes niveles de presión viene dada
en la Tabla 3. Para operaciones reversibles la presión máxima de trabajo,
para cada cuerpo en la lista debe ser tomado como la mitad del valor dado
en la tabla.
En la Tabla 2 están incluidos los espesores de las láminas de separación
requeridas a diferentes niveles de presión.
5.
Pase simulado y lámina externa.– Para proteger el cuerpo de
intercambiador durante el traslado y la instalación de éste, se sueldan capas
de aletas de 6.3 mm (0.250 pulg) y láminas externas con un espesor de 6.3
mm (0.250) a las partes de arriba y abajo del cuerpo del intercambiador. En
algunos casos el poso simulado no es necesario.
6.
Secciones de distribución.– Las unidades de contracorriente ilustradas en
la Figura 2. requiere secciones de distribución para distribuir uniformemente
el flujo de los cabezales a todo lo ancho del cuerpo. Estas secciones
simplemente son arreglos de láminas aleteadas en ángulo con la dirección
de las aletas del cuerpo del intercambiador. adicionalmente, existen sellos
internos apropiados para la guía del flujo.
7.
Arreglos superpuestos.– Existen diferentes maneras en las cuales los
pasos de flujos
a.
Intercambiadores de dos corrientes
Superposición simple:
...ABABABA...
Superposición doble:
...ABBABBA...
Intercambiadores de Corrientes Múltiples
Superposición simple mixta:...
...ACABACABA...
...ACABABACA...
Superposición doble mixta:
...ABCBCA...
Superposición segregada simple: ...ABABAACACA...
En general, la superposición simple provee una eficiencia de aleta más alta
que la de superposición doble. En algunos casos, sin embargo, la
superposición doble se requiere por consideraciones de caída de presión.
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 12
Indice norma
En un intercambiador de corrientes múltiples, ya sea de superposición
sencilla o doble, los pasos de corrientes frías usualmente son arreglados en
una manera mixta y más o menos simétrica. Algunos autores (Fan) dicen
que, cuando las temperaturas de entrada de las corrientes no son las
mismas, un arreglo de superposición segregada maximiza el recobro de
refrigeración y elimina la posibilidad de cruce de temperatura y de fugas
internas de calor en el intercambiador. También, existen algunas ventajas en
la fabricación de arreglos superpuestos segregados.
4.3.2
Diseño Mecánico
1.
Código de deformación y pruebas. Los intercambiadores de láminas
aleteadas son diseñados y construidos de acuerdo con el código ASME
Pressure Vessel Code. Para obtener los requerimientos del código, cada
diseño de intercambiador está sujeto a una prueba de estallido. La presión
de estallido debe ser por lo menos cinco veces la máxima presión de trabajo
permisible. Adicionalmente, los diseños típicos están sujetos a pruebas
severas de cambios de presión y choques térmicos.
2.
Varias veces durante su fabricación, cada intercambiador es probado para
detectar pasos internos y fugas externas. El intercambiador está también
sujeto a pruebas de presión hidráulica de 150% la máxima presión de trabajo
permisible. Para satisfacer requerimientos especiales se pueden hacer
pruebas de fugas con freón y helio. Cuando un número de cuerpos de
intercambiadores van a ser ensamblados en paralelo, cada cuerpo debe ser
sujeto a pruebas isotérmicas de caída de presión antes del ensamblaje para
asegurar una distribución uniforme del flujo.
Presión máxima de trabajo – La máxima presión de trabajo permisible se
determina por la resistencia de las corrugaciones y las juntas soldadas y por
la carga en los cabezales. En servicios a baja temperatura las construcciones
con láminas aleteadas son adecuadas para presiones no reversibles de
operación hasta 4830 kPa man. (70 psig), dependiendo de la altura de la
aleta y espesor, y del espesor de la lámina. A presiones mayores que 2100
kPa man. (300 psig), es necesario, sin embargo, limitar el tamaño de los
cabezales para así evitar excesiva carga en su periferia. Esto quiere decir
que la sección transversal del cuerpo del intercambiador debe mantenerse
reducida para que se ajuste a los requerimientos del diseño de los cabezales,
o se debe de usar cabezales pequeños con secciones de distribución (ver la
Figura 2., Tipos 2 y 3).
3.
Instalación y montaje – Las unidades de cuerpos múltiples generalmente
son provistas de un ensamblaje de tubos múltiples, simplificando así la
construcción de las fundaciones en el campo. El tamaño del ensamblaje de
los tubos múltiples está limitado por la capacidad de transportación
disponible y el equipo de construcción de las fundaciones.
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 13
Indice norma
Los intercambiadores están soportados por láminas, las cuales están
soldadas a los bordes del cuerpo del intercambiador, extendiendo así la
sección transversal de este y descansan en la barra I de la estructura de
sostén. Se debe tener cuidado durante la instalación para proteger el
intercambiador de cargas excesivas sobre la tubería y de vibraciones
severas.
En los servicios que envuelven cambio de fase en una o más corrientes, los
intercambiadores se deben instalar verticalmente con la corriente que se
condensa fluyendo hacia abajo y las corrientes que se vaporizan fluyendo
hacia arriba. En los servicios de una sola fase, las instalaciones verticales
son usadas generalmente.
4.3.3
Datos de transferencia de calor y de caída de presión
Como en el caso de cualquier tipo de intercambiadores de calor, el diseño de
intercambiadores de lámina aleteada requiere datos sobre transferencia de calor
y caída de presión de la superficie en consideración. Varios factores en referencia
a estos datos presentan problemas al diseñador. Primero, cada superficie
individual de lámina aleteada tiene sus propios datos de rendimiento y no se ha
publicado ninguna correlación generalizada. Segundo, las superficies
comerciales son consideradas en su mayoría propiedad del fabricante y por esto
sólo existen disponibles cantidades limitadas de datos. La gran parte de los datos
disponibles fueron sacados de superficies no comerciales y compiladas por
algunos autores (Kays y London). Finalmente, no existen datos correlacionados
disponibles para transferencia de calor y caída de presión con cambio de fase.
En vista de la falta de datos útiles, el procedimiento de cálculo recomendado en
la sección 5 debe ser usado con sumo cuidado. Cuando se esté revisando una
oferta de contratista, los datos dados para las superficies en el diseño, deben ser
obtenidos y usados.
1.
Sin cambio de fase – Los datos experimentales para flujo en una sola fase
generalmente son presentados en gráficos de factor Colburn, J, y del factor
de fricción, f, versus el número de Reynolds. Como se mencionó
anteriormente, cada superficie individual tiene sus respectivas curvas.
Usando los datos de superficie por Kays y London y los datos limitados de
superficie comercial, las curvas de los factores J y f para cada tipo de
corrugación fueron preparadas y se muestran en la Figura 4.
La preparación de esta curva no es con el propósito de obtener una
correlación generalizada precisa, sino proveer curvas típicas apropiadas
para diseños aproximados.
PDVSA
.Menú Principal
2.
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 14
Indice norma
Cambio de fase – Los pocos datos experimentales que están disponibles
indican que existe un alto grado de inseguridad en los valores del coeficiente
de transferencia de calor. Hasta que este problema se resuelva los siguientes
valores conservadores de coeficientes de transferencia de calor en servicios
de hidrocarburos son recomendados:
1.
Hirviendo h = 1140 W/m2°C (200 BTU/hpie2°F)
2.
Condensando h = 2270 W/m2°C (400 BTU/hpie2°F)
La caída de presión en los flujos de dos fases debe ser calculada como la
caída de presión en un flujo de puro gas, usando el volumen específico de
la mezcla homogénea gas–líquido evaluada a la condición de calidad
promedio. Más detalles de este procedimiento viene dado en el
procedimiento detallado de diseño descrito más adelante.
5
METODOLOGIA DE DISEÑO
Los cálculos de diseño para cualquier tipo de intercambiadores de calor
depende de requerimientos de proceso y de las características de
transferencia de calor y caída de presión de las superficies en consideración.
El tipo de construcción única de intercambiadores de lámina aleteada
permite un alto grado de flexibilidad; el manejo de más de dos corrientes en
un solo cuerpo de intercambiador y el tamaño y tipo de corrugación usada,
la cual puede ser diferente para cada corriente. Debido a que muchos
diseños alternos pueden cumplir con los requerimientos de proceso y a que
existen un gran número de corrugaciones comerciales disponibles, cada una
teniendo sus propias características de transferencia de calor y caída de
presión, la experiencia y el sentido común son importantes para minimizar
el tiempo requerido para seleccionar un diseño económico.
Lo que sigue a continuación es un procedimiento detallado para calcular un
intercambiador de lámina aleteada con tres corrientes. Para el propósito de
ilustración se asume que la corriente, a, está siendo calentada por dos
corrientes de productos, b y c, la corriente b a un nivel de temperatura más
alto que la corriente c. Este procedimiento puede ser fácilmente extendido
al caso simple de intercambiadores de dos corrientes y a los casos más
complicados de intercambiadores de cuatro y cinco corrientes.
El intercambiador de tres corrientes puede ser considerado como
consistiendo de tres sub–intercambiadores, ejemplo, un sub–intercambiador
a–b, un sub–intercambiador a–c y un sub–intercambiador b–c. Cada uno de
los tamaños de los intercambiadores se calcula independientemente y los
diseños que resultan se combinan en un solo diseño.
PDVSA
.Menú Principal
5.1
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 15
Indice norma
Procedimiento de cálculo detallado para intercambiadores de
láminas aleteadas
A continuación se presenta el procedimiento de cálculo a seguir cuando el
intercambiador seleccionado es una unidad de laminas aleteadas (ver Tabla 4):
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, se requiere la siguiente información para
cada corriente:
1.
Flujo másico M, kg/s (lb/h)
2.
Condiciones finales de fase (calidad) Xi y Xo
3.
Temperaturas finales Ti y To, °C (°F)4.
4.
Curva de disipación de calor (o datos equivalentes de Cp), Q vs. T
5.
Presión de entrada Pi, kPa abs. (psia)
6.
Caída de presión permisible DPmáx, kPa (psia)
7.
Propiedades de las corrientes; Cp, Z, K y ρ
8.
Especificaciones dadas por el cliente.
9.
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 subsección 4.5 del documento PDVSA–MDP–05–E–01.
Paso 3.– Cálculo de la carga calórica
La carga de calor para cada sub–intercambiador es obtenida de las curvas de
disipación de calor para las corrientes a, b y c, usando las siguientes ecuaciones:
Corriente a:
Qa + Qb ) Qc
Ec. (1)
Q a + Q ab ) Q ac
Ec. (1a)
Q b + Q ab ) Q bc
Ec. (1b)
Q c + Q ac ) Q bc
Ec. (1c)
Corriente b:
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 16
Indice norma
Corriente c:
Q ab + (U oA)ab ǒDTMe abǓ
Ec. (2a)
Q ac + (U oA)ac (DTMe ac)
Ec. (2b)
Q bc + (U oA)bc ǒDTMe bcǓ
Ec. (2c)
Paso 4.– Obtener la Diferencia de temperatura media efectiva, DTMe
1.
Operación en contracorriente.– Cuando la curva T–Q para las dos
corrientes en cualquier sub–intercambiador es lineal en todo el intervalo de
temperatura, se aplica la diferencia de temperatura media logarítmica:
a.
Para operaciones de flujo en contracorriente, sub–intercambiador a–b
y a–c
DTML ab +
a.
ǒT ia * T obǓ * ǒT oa * T ibǓ
ǒT *T Ǔ
ln ǒ ia ob Ǔ
T oa*Tiob
Ec. (3a)
Para operaciones de flujo corriente, sub–intercambiador b–c
DTML ab +
ǒT ia * T obǓ * ǒT oa * T ibǓ
ǒT *T Ǔ
ln ǒ ia ob Ǔ
T oa*Tiib
Ec. (3b)
Debido a que el flujo solamente es en contracorriente o en corriente, las
diferencias de temperatura efectivas son iguales a la diferencia de temperatura
media logarítmica
DTMeab = DTMLab
DTMeac = DTMLac
DTMebc = DTMLbc
Cuando la curva T–Q no es lineal para una corriente, los intercambiadores deben
ser clasificados en zonas con un DTML calculado para cada zona. La longitud de
cada zona es entonces calculada con las siguientes ecuaciones de diseño. Para
determinar la longitud del sub–intercambiador son sumadas las longitudes de
varias zonas.
2.
Operaciones con Flujo Transversal.– (Intercambiadores con solo dos
corrientes).– Para operaciones con flujo transversal, la diferencia de
temperatura media logarítmica calculada en el paso (3a.) debe ser
multiplicada por el factor de corrección, F
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
P+
T ob * T ib
T ia * T ib
Indice volumen
R+
Página 17
Indice norma
T ia * T oa
DTMe + F(DTML)
T ob * T ib
Paso 5.– Evaluación de la transferencia de calor total, UoA
ǒU 0AǓ + QabńDTMe ab
ab
Ec. (2d)
ǒU 0AǓ + QabńDTMe ac
ac
Ec. (2e)
ǒU 0AǓ + QbcńDTMe bc
bc
Ec. (2f)
Paso 6.– Geometría preliminar del cuerpo del intercambiador
1.
Sección transversal del cuerpo del intercambiador.– Seleccione uno de
los tamaños estándar del cuerpo (longitud no especificada) de la lista en la
Tabla 3. Observe la limitación de la presión máxima de trabajo.
2.
Selección de aletas.– Utilizando el criterio general de selección de aletas
presentado anteriormente en esta subsección, escoja las aletas a ser
usadas en cada corriente de la lista en la Tabla 2. Asegúrese que las aletas
seleccionadas sean del mismo fabricante del cuerpo del intercambiador
seleccionado arriba. También observe las limitaciones de presión de trabajo
sobre las aletas.
3.
Número y arreglos de canales de flujo.– El número y arreglo de pasos de
flujo debe ser seleccionado de una manera tal que el calor de la corriente
caliente sea distribuido a cada una de las corrientes frías, obteniendo así el
rendimiento deseado y satisfaciendo el requerimiento de la longitud efectiva
en cada sub–intercambiador. La selección inicial requiere de bastante
razonamiento y experiencia. En la selección del número y arreglo de pasos
de flujo, recuerde que la altura total del cuerpo del intercambiador ha sido
especificada anteriormente y que 25 mm (1 pulg), aproximadamente de la
altura del cuerpo debe ser asignada para medidas de protección como
láminas externas y pasos simulados.
Especifique los radios, R, definidos como sigue:
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Rab =
Número de Interfaces “a–b”
Número total de Interfaces “a”
Rac =
Número de Interfaces “a–b”
Número total de Interfaces “a”
Rba =
Número de Interfaces “b–a”
Número total de Interfaces “b”
Rbc =
Número de Interfaces “b–c”
Número total de Interfaces “b”
Rca =
Número de Interfaces “c–a”
Número total de Interfaces “c”
Rcb =
Número de Interfaces “c–b”
Número total de Interfaces “c”
Página 18
Indice norma
Paso 7.– Cálculo del área libre de flujo, Ax
A x + AȀ X (N) W
Ec. (4)
Paso 8.– Cálculo de la velocidad másica, G
G + MńA x
Ec. (5)
Paso 9.– Cálculo del Número de Reynolds, Re
R e + D hGńF44Z
Ec. (6)
Si el Número de Reynolds calculado para cualquiera de las corrientes es mayor
que 10000, debe proveerse área adicional de flujo. Esto se logra especificando un
número de cuerpos en paralelos cuando la configuración seleccionada
anteriormente (Paso 6), o cambiando la configuración del cuerpo del
intercambiador, o haciendo las dos cosas. Después que la geometría ha sido
modificada, recalcule los puntos del 7 al 9.
Paso 10.– Cálculo del coeficiente de transferencia de calor, h
1.
Sin cambio de fase
a.
a. Calcule el Número de Prandlt, Pr
Pr +
ǒF 12Ǔ Cp Z
K
Ec. (7)
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Indice norma
b.
Usando la curva apropiada en la Figura 4., encuentre el factor J
correspondiente al Número de Reynolds
c.
Calcule el coeficiente, h
h + F 45 j (G) C PńPr
2.
Página 19
2ń3
Ec. (8)
Cambio de fase
a.
Hirviendo h = 1140 W/m2°C (200 BTU/hpie2°F)
b.
Condensado h = 2270 W/m2°C (400 BTU/hpie2°F)
Paso 11.– Cálculo de las áreas de superficies por pie de longitud, A’t
AȀ t + A TńL + AȀȀ T(N)W
Ec. (9)
Paso 12.– Evaluación de transferencia de calor por unidad de longitud, hho
A”T
1.
Geometría de la aleta y el factor de material, Fm
Fm + 1 np b
2
F 16
Ǹ
h
F 2 kf ǒx fńF 16Ǔ
Ec. (10)
En esta ecuación, b es la altura de la aleta en mm (pulg) y np es el número
de pases adyacentes de la corriente en cuestión. Para el arreglo común de
superposición simple (alternando corrientes calientes y frías), n es igual a
uno (1). La conductividad térmica de las aletas con material de aleación de
aluminio puede ser tomada, aproximadamente constante en un valor
promedio de 156 W/m°C (90 BTU/hpie2°F/pie) en un rango de temperatura
de +37 a –185°C (+100°F a –300°F). Usando este valor de kf, la expresión
de arriba de Fm puede ser simplificada como sigue:
F m + F 46 np b
2.
Ǹxh
Ec. (10a)
f
Efectividad de la aleta, hf
hf +
tan h (F m)
Fm
Esta relación está graficada en la Figura 6.
Ec. (11)
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
3.
Indice manual
Indice norma
efectividad de la superficie, ho
h0 + 1 *
4.
Indice volumen
Página 20
Af
ǒ1 * h fǓ
AT
Ec. (12)
La evaluación de la transferencia de calor por unidad de longitud se define
como hho A’T
Paso 13.– Evaluación del coeficiente global de transferencia de calor por
unidad de longitud, UoA’
1
1
1
+
)
U o AȀ ab
ǒhho AȀTǓ R ab ǒhh o AȀTǓ R ba
a
b
Ec. (13a)
1
1
1
+
)
U o AȀ ac
ǒhho AȀTǓ R ac ǒhh o AȀTǓ R ca
a
c
Ec. (13b)
1
1
1
+
)
U o AȀ ac
ǒhho AȀTǓ R bc ǒhh o AȀTǓ R bc
b
c
Ec. (13c)
Paso 14.– Cálculo de la longitud efectiva requerida, L
La geometría del cuerpo del intercambiador debe ser ahora ajustada de tal manera
que equilibre las longitudes efectivas (entre 5 y 10 por ciento) de cada una de las
corrientes frías y satisfaga los requerimientos de caída de presión. El área libre de
flujo de cada corriente puede ser ajustada cambiando el número de cuerpos de
intercambiadores, la sección transversal de éste, el número de arreglos de
canales de flujo, y finalmente las corrugaciones. Generalmente, muchas pruebas
son necesarias. Después que el balance de longitud es logrado, la corriente fría
más larga debe ser especificada y el porcentaje de área en exceso, de las otras
corrientes, debe ser dada.
L ab +
(U oA)ab
Q ńDTDMe ab
+ ab
(U oAȀ)ab
(U oAȀ)ab
Ec. (14a)
L ac +
(U oA)ac
Q ńDTDMe ac
+ ac
(U oAȀ)ac
(U oAȀ)ac
Ec. (14b)
L bc +
(U oA)bc
Q ńDTDMe bc
+ bc
(U oAȀ)bc
(U oAȀ)bc
Ec. (14c)
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 21
Indice norma
La geometría del cuerpo del intercambiador debe ser ahora ajustada de tal manera
que equilibre las longitudes efectivas (entre 5 y 10 por ciento) de cada una de las
corrientes frías y satisfaga los requerimientos de caída de presión. El área libre de
flujo de cada corriente puede ser ajustada cambiando el número de cuerpos de
intercambiadores, la sección transversal de éste, el número de arreglos de
canales de flujo, y finalmente las corrugaciones. Generalmente, muchas pruebas
son necesarias. Después que el balance de longitud es logrado, la corriente fría
más larga debe ser especificada y el porcentaje de área en exceso, de las otras
corrientes, debe ser dada.
Paso 15.– Cálculo de la caída de presión
La pérdida total de presión para cualquier corriente es la suma de las pérdidas en
varias secciones del intercambiador. Esta suma incluye, empezando de la boquilla
de entrada a la boquilla de salida, las pérdidas individuales siguientes:
DP1
=
Pérdidas por expansión de la boquilla de entrada al cabezal, kPa
(psi)
DP2
=
Pérdidas por contracción de la entrada del cabezal al portal, kPa
(psi)
DP3
=
Pérdidas por contracción del portal de entrada al área de flujo
distribuidor, kPa (psi)
DP4
=
Caída de presión por fricción en la entrada del distribuidor, kPa (psi)
DP5
=
Pérdidas por expansión o contracción de la entrada del distribuidor
al área de flujo del cuerpo del intercambiador, kPa
DP6
=
Caída de presión por fricción e impulsión a través del cuerpo del
intercambiador, kPa (psi)
DP7
=
Pérdidas por contracción o expansión del cuerpo del intercambiador
al área de flujo del distribuidor de salida, kPa (psi)
DP8
=
Caída de presión por fricción en la salida del distribuidor, kPa (psi)
DP9
=
Pérdidas por expansión de la salida del distribuidor al portal, kPa
(psi)
DP10
=
Pérdidas por expansión del portal de salida al cabezal, kPa (psi)
DP11
=
Pérdida por contracción del cabezal de salida a la boquilla, kPa
(psi)
Dada la geometría en detalle de varios componentes del intercambiador, la caída
de presión del intercambiador puede ser calculada usando las relaciones dadas
abajo. Solamente para propósito de estimación de la suma de las caídas de
presiones arriba, excluyendo DP6, puede ser calculada como aproximadamente
25% de DP6 en un cuerpo de un intercambiador de 3 m (10 pie) de longitud. En
cuerpos más cortos este porcentaje es proporcionalmente más largo.
PDVSA
.Menú Principal
1.
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 22
Indice norma
Pérdidas por expansión o contracción
DP +
Kp
F 47
ƪ ƫ
òV 2
2gc
Ec. (15)
donde: Kp = coeficiente de pérdida dependiendo de la geometría específica de la
expansión o contracción. Los valores de Kp pueden ser encontrados en las
referencias estándar de flujo de fluidos y en PDVSA–MDP–(Pendiente: Ver MDP
versión 1986, Sección 14).
òV 2
+ Carga de velocidad en la sección transversal más pequeña
2gc
2.
Pérdidas por fricción
a.
Sin Cambio de fase
ǒ Ǔǒ
DP f + 4 f L
F 47 D h
G2
2ò m g ch
Ǔ
Ec. (16)
donde: f = Factor de fricción para la superficie en consideración evaluada usando
el Número de Reynolds calculado arriba en el punto 9 (Ver Fig. 4.A, B, C o D).
ò mix
b.
3.
Densidad evaluada a la temperatura y presión promedio
Cambio de fase
Use la expresión de arriba para DP. En cálculos del Número de Reynolds, use
la viscosidad del vapor. La densidad que debe usarse es la densidad de una
mezcla homogénea evaluada a la condición promedio de calidad.
ò mix + X
m
òg
1
)
(1*X m)
òL
Ec. (17)
donde:
Xm = Calidad = kg de vapor/kg de mezcla (lb de vapor/lb de mezcla)
ρg, ρl= Densidad de vapor y líquido kg/m3 (lb/pie3)
4.
Pérdida por impulsión en el cuerpo del intercambiador, DPm
La pérdida de presión por impulsión debido a cambios de temperatura en las
corrientes de gas viene dado por:
DP m +
G2 1 1
F 47 gc ò o ò i
Ec. (18)
PDVSA
.Menú Principal
5.
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 23
Indice norma
Caída de presión total en el cuerpo del intercambiador, DP6
DP 6 + DP f ) DP m
6.
Ec. (19)
Caída de presión total, DPt
Cuando todos los términos individuales de caída de presión se conocen:
DP t + DP 1 ) DP 2. . . ) DP 11
Ec. (20)
Solamente para propósitos de estimación, cuando las caídas de presión individual
no pueden ser calculadas:
DP t + 1.25 ǒF 48ńLǓ DP6
donde: L = Longitud efectiva de pasos, m (pie)
Ec. (21)
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
6
Indice manual
Página 24
Indice volumen
Indice norma
NOMENCLATURA
Area superficial total por pie de longitud
En unidades
SI
En unidades
inglesas
m2/m
pie2/pie
A
=
A’
=
Af
=
Area superficial secundaria (aleta) por paso
m2
pie2
A”f
=
Area superficial secundaria (aleta) por paso
por unidad de longitud de ancho efectivo
m2/m.mm
pie2/pie.pulg
Ap
=
Area superficial primaria (lámina) por paso
m2
pie2
A”p
=
Area superficial secundaria (lámina) por paso
por unidad de longitud de ancho efectivo
m2/m.mm
pie2/pie.pulg
AT
=
Area superficial total de cada corriente
m2
pie2
A’T
=
Area superficial total por unidad de longitud
de cada corriente
m2/m
pie2/pie
A”T
=
Area superficial total por paso por unidad de
longitud de ancho efectivo
m2/m.mm
pie2/pie.pulg
Ax
=
Area de flujo de una corriente de proceso
m2
pie2
A’x
=
Area de flujo por paso por mm (pulg) de
ancho efectivo
m2/mm
pie2/pulg
b
=
Altura de la aleta
mm
pulg
Cp
=
Calor específico
kJ/kg °C
BTU/lb °F
Dh
=
Diámetro hidráulico
m
pie
DTMe
=
Diferencia de temperatura media efectiva
°C
°F
DTML
=
Diferencia de temperatura media logarítmica
°C
°F
f
=
Factor de fricción de caída de presión
Adimensional
F
=
Factor de corrección de flujo transversal para
la media logarítmica
Adimensional
Fi
=
Factor cuyo valor depende de las unidades
usadas (Ver tabla al final)
Adimensional
Fm
=
Factor de geometría y material de la aleta
Adimensional
kg/sm2
lb/pie 2
G
=
Velocidad másica
gc
=
Constante gravitacional
103 kg/kPas2m 32.174 lbpie/lbfs2
gch
=
Constante gravitacional
103 kg/kPas2m 32.174 lbpie/lbfs2
h
=
Coeficiente de transferencia de calor de la
película
j
=
Número de Stanton para factor de
transferencia de calor
W/m2°C
BTU/hpie 2°F
Adimensional
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Página 25
Indice volumen
Indice norma
K
=
Coeficiente entre la longitud actual y la
longitud proyectada (aletas tipo tejado)
m/m
pie/pie
Kp
=
Coeficiente de pérdida de caída de presión
k
=
conductividad térmica
W/m°C
BTU/hpie 2°F/pie
kf
=
Conductividad térmica del material de la aleta
W/m°C
BTU/hpie 2°F/pie
L
=
Longitud efectiva del paso
m
pie
M
=
Flujo másico
kg/s
lb/h
N
=
Número de pasos
n
=
espaciado de aletas
mm
pulg
np
=
Número de pasos adyacentes de la corriente
Pi
=
Presión de entrada de la corriente
Pr
=
Número de Prandtl
DP
=
Pérdidas por expansión o contracción
kPa
psi
DPf
=
Caída de presión por fricción del cuerpo del
intercambiador
kPa
psi
DPm
=
Pérdida de impulsión en el cuerpo del
intercambiador
kPa
psi
DPmáx
=
Máxima caída de presión permisible
kPa
psi
DPt
=
Caída de presión total
kPa
psi
DP1
=
Pérdidas por expansión de la boquilla de
entrada al cabezal
kPa
psi
DP2
=
Pérdidas por contracción de la entrada del
cabezal al portal
kPa
psi
DP3
=
Pérdidas por contracción del portal de
entrada al área de flujo del distribuidor
kPa
psi
DP4
=
Caída de presión por fricción en la entrada
del distribuidor
kPa
psi
DP5
=
Pérdidas por expansión o contracción de la
entrada del distribuidor al área de flujo del
cuerpo del intercambiador
kPa
psi
DP6
=
Caída de presión por fricción e impulsión a
través del cuerpo del intercambiador
kPa
psi
DP7
=
Pérdidas por expansión o contracción del
cuerpo del intercambiador al área de flujo del
distribuidor de salida
kPa
psi
DP8
=
Caída de presión por fricción en la salida del
distribuidor
kPa
psi
DP9
=
Pérdidas por expansión de la salida del
distribuidor del portal
kPa
psi
Adimensional
Adimensional
kPa
psi
Adimensional
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Página 26
Indice volumen
Indice norma
DP10
=
Pérdidas por expanxsión del portal de salida
del cabezal
kPa
psi
DP11
=
Pérdidas por contracción del cabezal de
salida a la boquilla
kPa
psi
Q
=
Velocidad de transferencia de calor
W
BTU/h
R
=
Coeficiente de interface de corriente
Adimensional
Re
=
Número de Reynolds
Adimensional
rh
=
Radio hidráulico
m
pie
Ti
=
Temperatura de la corriente de entrada
°C
°F
To
=
Temperatura de la corriente de salida
°C
°F
Uo
=
Coeficiente global de transferencia de calor
W/m2°C
BTU/hpie 2°F
V
=
Velocidad del fluido
m/s
pie/s
m3/kg
pie3/lb
v
=
Volumen específico
W
=
Ancho efectivo del paso
mm
pulg
Xf
=
Espesor de la aleta
mm
pulg
Xi
=
Caluidad de la corriente de entrada
kgvapor/kg
mezcla
lbvapor/lb mezcla
Xm
=
Calidad promedio de la corriente
kgvapor/kg
mezcla
lbvapor/lb mezcla
Xo
=
Calidad de la corriente que sale
kgvapor/kg
mezcla
lbvapor/lb mezcla
Xp
=
Espesor de la lámina
mm
pulg
Y
=
Fracción de la aleta perforada
Z
=
Viscosidad
Pa.s
cP
b
=
Coeficiente entre el área superficial total de
un lado del intercambiador y el volumen entre
las láminas del mismo lado
m2/m3
pie2/pie3
e
=
Efectividad de la temperatura
Adimensional
hf
=
Efectividad de aletas
Adimensional
ho
=
efectividad de superficie
Adimensional
ρ
=
Densidad
kg/m3
ρg
=
Densidad del vapor
kg/m3
lb/pie 3
ρl
=
Densidad del líquido
kg/m3
lb/pie 3
ρm
=
Densidad evaluada a una temperatura y
presión promedio
kg/m3
lb/pie 3
ρmix
=
Densidad de dos fases homogéneas
evaluada a las condiciones de calidad
promedio
kg/m3
lb/pie 3
lb/pie 3
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Página 27
Indice volumen
Indice norma
FACTORES QUE DEPENDEN DE LAS UNIDADES USADAS
En unidades En unidades
SI
inglesas
F2
F12
F16
F22
F23
F44
F45
F46
F47
F48
7
=
=
=
=
=
=
=
=
Ec. (10)
Ec. (7)
Ecs. (I–2,I–3,I–5,I–6)
Ec. (I–1)
Fig. (4.A, B, C, D)
Ec. (6) Fig. (4.A, B, C, D)
Ec. (8) Fig. (4.A, B, C, D)
Ec. (10a)
Ecs. (10, 16, 18)
Ec. (21)
0.5
103
103
106
2x10 3
1
103
0.00179
1/2.5x10 7
103
0.5
2.42
12
144
1/3x10 10
2.42
1
0.0215
576
10
APENDICE
Tabla 1
Tabla 2a
Tabla 2b
Tabla 3
Tabla 4a
Tabla 4a
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4a
Figura 4b
Figura 4c
Figura 4d
Figura 5
Figura 6
Relaciones geométricas para superficies de láminas aleteadas.
Datos geométricos de aletas (unidades SI).
Datos geométricos de aletas (unidades inglesas).
Máximas dimensiones del cuerpo del intercambiador.
Forma de procedimiento de cálculo detallado (unidades SI).
Forma de procedimiento de cálculo detallado (unidades inglesas).
Ensamblaje de intercambiadores de láminas aleteadas.
Arreglo de flujo para intercambiadores de láminas aleteadas.
Corrugaciones de aletas.
Factores de transferencia de calor y caída de presión – aletas
planas.
Factores de transferencia de calor y caída de presión – aletas tipo
lanza.
Factores de transferencia de calor y caída de presión – aletas
perforadas.
Factores de transferencia de calor y caída de presión – aletas
onduladas.
Factor de corrección del DTML de intercambiadores de flujo
transversal.
Eficiencia de aletas.
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 28
Indice norma
TABLA 1. RELACIONES GEOMETRICAS PARA SUPERFICIES DE LAMINAS
ALETEADAS
Lo siguiente son los datos geométricos básicos para una superficie de lámina aleteada:
b
=
Altura de la aleta = espacio entre láminas
mm (pulg)
n
=
Espaciado de las aletas
mm (pulg)
Xf
=
Espesor de las aletas
mm (pulg)
Y
=
Fracción perforada de la aleta (para aletas perforadas solamente)
K
=
Coeficiente entre la longitud actual y la longitud proyectada
(solamente para aletas tipo techo, esta fracción es difícil de
calcular y puede ser tomada como aproximadamente 1.07 para la
mayoría de las aletas tipo techo)
–
Los siguientes puntos describen el cuerpo del intercambiador:
Ax
=
Area de flujo de cada corriente
m2 (pie2)
AT
=
Area total de transferencia de calor de cada corriente
m2 (pie2)
L
=
Longitud efectiva del efectiva
m (pie)
W
=
Ancho efectivo del pasaje
mm (pulg)
Xp
=
Espesor de la lámina
mm (pulg)
N
=
Número de pasajes de cada corriente
–
De las dimensiones básicas de las aletas, las propiedades geométricas siguientes pueden
calcularse para un paso de láminas aleteadas:
A’x
=
Area de flujo por pasaje por mm (pulg) de ancho efectivo
m2/mm (pie2/pie)
Ap
=
Area superficial primaria (lámina por paso)
m2 (pie2)
A”p
=
Area superficial primaria (lámina por paso) por m (pie) de
longitud por mm (pulg) de ancho efectivo
m2/m.mm
(pie2/pie.pulg)
Af
=
Area superficial secundaria (aleta) por paso
m2 (pie2)
A”f
=
Area superficial secundaria (aleta) por paso por m (pie) de
longitud por mm (pulg) de ancho efectivo
m2/m.mm
(pie2/pie.pulg)
A”T
=
Area superficial total por paso por metro (pie) de longitud por
mm (pulg) de ancho efectivo
m2/m.mm
(pie2/pie.pulg)
rh
=
Radio hidráulico del paso de flujo, AxL/At
m (pie)
Dh
=
Diámetro hidráulico = 4rh
m (pie)
=
Coeficiente entre el área superficial total de un lado del
intercambiador y el volumen entre las láminas del mismo lado
m2/m3 (pie2/pie3)
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 29
Indice norma
TABLA 1 RELACIONES GEOMETRICAS PARA SUPERFICIES DE LAMINAS
ALETEADAS (CONT.)
AȀȀ f
Af
+
AT
AȀȀ T
=
Coeficiente entre el área superficial de la aleta y el área
superficial total
AȀ x +
Ax
WN
=
ƪ(b * X )(n * X )ǒ1nǓƫǒF1 Ǔ
AȀȀ p +
Ap
WL
=
(n * X f) x 2 x 1
n
F 16
I–2
AȀȀ f +
Af
WL
=
(b * X f) 2 x k (1 * y) x 1
n
F 16
ǒǓ
I–3
AT
NWL
=
AȀȀ p ) AȀȀ f
I–4
A xL
AT
=
(b * Xf) (n * X f)
AȀ x
+ 1 x
x 1
2 (n * X f) (b * X f)k (1 * y)
AȀȀ
F 16
=
2 x F 16
AȀȀ T +
rh +
f
–
I–1
f
22
ǒǓ
ƪ
(n * X f) ) (n * Xf)
bxn
ƫ ƪ ƫ
I–5
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Página 30
Indice volumen
Indice norma
TABLA 2.
TABLA 2.A DATOS GEOMETRICOS DE ALETA (UNIDADES SI)
Tipo
Compañia
Plana
(Recta)
Espaciado
Espesor
b (mm)
n (mm)
Xf (mm)
Max.
presión
aprox.
A’x x 10–6
A’’p x 10–3
A’’f x 10–3
A’’T x 10–3
Af/At
Dh mm
Kpa,mom
SW, T
*
5.08
1.81
0.20
4.331
1.775
5.375
7.150
0.751
2.42
1400
SW, T
*
5.08
1.81
0.30
3.972
1.655
5.270
6.925
0.760
2.30
2100
SW
*
6.35
2.54
0.64
4.287
1.800
4.500
6.000
0.750
2.86
4900
7.11
1.81
0.41
5.201
1.560
7.380
8.940
0.825
2.33
3500
T
Lanza
Altura
SW
*
6.35
1.69
0.30
4.956
1.645
7.140
8.785
0.813
2.26
2100
SW
*
9.53
1.69
0.20
8.193
1.765
11.000
12.770
0.862
2.57
1400
T
*
9.53
2.21
0.30
7.937
1.730
8.340
10.070
0.828
3.16
2100
SW
*
9.53
3.17
0.64
7.110
1.610
5.590
7.200
0.778
3.95
1400
SW
6.35
1.69
0.20
4.956
1.645
7.140
8.785
0.813
2.26
2100
SW
6.35
1.81
0.51
4.206
1.440
6.420
7.860
0.817
2.13
4900
SW
9.53
1.69
0.20
8.193
1.740
11.030
12.770
0.862
2.57
1400
T
7.87
1.69
0.15
7.023
1.825
9.120
10.945
0.833
2.57
1400
T
9.53
2.42
0.30
8.047
1.750
7.620
9.370
0.813
3.44
2100
T
5.08
Data no disponible
4900
T
7.11
Data no disponible
3500
(Dentada)
Techo
11.30
1.41
0.15
9.949
1.765
15.815
17.580
0.899
2.27
1400
T
9.53
2.12
0.20
8.412
1.810
8.810
10.620
0.830
3.17
1400
T
10.82
2.12
0.15
9.912
1.860
10.080
11.940
0.939
3.32
1400
SW
*
– También disponibles con perforación
SW
– Stewart Warner
T
– Trane
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Página 31
Indice volumen
Indice norma
TABLA 3.
TABLA 2.B DATOS GEOMETRICOS DE ALETA (UNIDADES INGLESAS)
Tipo
Compañia
Plana
(Recta)
Espaciado
Espesor
Max.
presión
aprox.
b (pulg)
n ALETAS/PULG
Xf (pulg)
A’x
A’’T
A’’f
A’’T
Af/At
Dh
(psi)
SW, T
*
0.200
14
0.008
0.001184
0.148
0.448
0.596
0.751
0.00794
200
SW, T
*
0.200
14
0.012
0.001086
0.138
0.439
0.577
0.760
0.00753
300
SW
*
0.250
10
0.025
0.001172
0.150
0.375
0.500
0.750
0.00937
700
0.280
14
0.016
0.001422
0.130
0.615
0.745
0.825
0.00763
500
T
Lanza
Altura
SW
*
0.250
15
0.012
0.001355
0.137
0.595
0.732
0.813
0.00741
300
SW
*
0.375
15
0.008
0.00224
0.147
0.917
1.064
0.862
0.00843
200
T
*
0.375
11.5
0.012
0.00217
0.144
0.695
0.839
0.828
0.01036
300
SW
*
0.375
8
0.025
0.001944
0.134
0.466
0.600
0.778
0.01296
200
SW
0.250
15
0.012
0.001355
0.137
0.595
0.732
0.813
0.00742
300
SW
0.250
14
0.020
0.001150
0.120
0.535
0.655
0.817
0.00700
700
SW
0.375
15
0.008
0.00224
0.145
0.919
1.064
0.862
0.00843
200
T
0.310
15
0.006
0.00192
0.152
0.760
0.912
0.833
0.00843
200
T
0.375
10.5
0.012
0.00220
0.146
0.635
0.781
0.813
0.01128
300
T
0.200
Data no disponible
700
T
0.280
Data no disponible
500
SW
0.445
18
0.006
0.00272
0.147
1.318
1.465
0.899
0.00744
200
T
0.375
12
0.008
0.00230
0.151
0.734
0.885
0.830
0.01040
200
T
0.426
12
0.006
0.00271
0.155
0.840
0.995
0.939
0.01090
200
(Dentada)
Techo
*
– También disponibles con perforación
SW
– Stewart Warner
T
– Trane
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Página 32
Indice volumen
Indice norma
TABLA 4.
TABLA 3 MAXIMAS DIMENSIONES DEL CUERPO DEL INTERCAMBIADOR
TRANE
STEWART – WARNER
Presión máx. de trabajo (ASME)
(kPa, man) (1) 1380
2070
3450
4830
1380
3100
4830
Ancho Total Máximo
(mm) (2)
914
914
635
457
762
660
451
Ancho Efectivo Máximo
(mm) (2)
885
886
606
432
730
629
419
Altura Total Máxima
(mm) (2)
914
914
535
514
762
762
762
Longitud Total Máxima
(m) (3)
6.10
3.66
3.05
3.05
3.17
3.17
3.17
Espesor de la Lámina Separadora
(mm) (2)
0.81
1.63
1.53
1.63
0.81
1.27
1.63
NOTAS:
11. PARA CONVERTIR kPa man a Psig DIVIDA ENTRE 6.894757
12. PARA CONVERTIR mm a pulg DIVIDA ENTRE 25.4
13. PARA CONVERTIR m a pulg DIVIDA ENTRE 25.4 x 10–3
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 33
Indice norma
TABLA 5.
TABLA 4.A HOJA DE CALCULO PARA INTERCAMBIADORES DE LAMINAS
(UNIDADES SI)
Proceso
No. de Intercambiador
Refinería y Localización
Calc. por
Fecha
1. Especificaciones de rendimiento
Corriente caliente a:
Ti =
z =
°C
Pa.s
M =
To =
k =
kg/s
Xi =
°C
Pi =
W/m°C ρ =
,
Xo =
Kpa.abs.
kg/m3 cp =
Corriente caliente b:
Ti =
z =
°C
Pa.s
M =
To =
k =
kg/s
Xi =
Pi =
°C
W/m°C ρ =
,
Xo =
Kpa.abs.
kg/m3 cp =
Corriente caliente c:
Ti =
z =
°C
Pa.s
M =
To =
k =
kg/s
Xi =
°C
Pi =
W/m°C ρ =
,
Xo =
Kpa.abs.
kg/m3 cp =
2. Carga de calor
Qa = 103 Ma cpa (Ti–To)a =
Qb = 103 Mb cpb (To–Ti)b =
Qc = 103 Mc cpc (To–Ti)c =
Note que:
Qa = Qb + Qc
Qa = Qab + Qac
Qb = Qab – Qac
Qc = Qac + Qbc
3. Especificaciones de rendimiento
a. Operación en contracorriente
Para corrientes a y b
DTML ab +
ǒT ia * T obǓ * ǒT oa * T ibǓ
ƪ
ƫ
ǒTia*TobǓ
ln
ǒToa*TibǓ
+ DTMeab +
Para corrientes b y c
DTML ac +
(T ia * T oc) * (T oa * T ic)
ƪ
ǒT *TocǓ
ln ǒ ia
Toa*TicǓ
ƫ
+ DTMeac +
,
kj/kg
,
kj/kg
,
kj/kg
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 34
Indice norma
TABLA 4.A (CONTINUACION)
Para corrientes b y c
ǒT ib * T icǓ * ǒT ob * T ocǓ
DTML bc +
ƪ
ƫ
ǒTib*TicǓ
ln
ǒTob*TocǓ
+ DTMeab +
b. Operación con flujo transversal
P+
T ob * T ia
+
T ia * T ib
R+
T ia * T oa
+
T ob * T ia
de la Figura 5, determine F =
DTML ab +
ǒT ia * T obǓ * ǒT oa * T ibǓ
ƪ
ƫ
ǒTia*TobǓ
ln
ǒToa*TibǓ
DTMe + F ǒDTML abǓ
+
+
4. Evaluación de la Transferencia Total de Calor
(U oA)ab +
Q ab
+
DTMe ab
(U oA)ac +
Q ac
+
DTMe ac
(U oA)bc +
Q bc
+
DTMe bc
5. Geometría del Cuerpo del Intercambiador
Primer Tanteo
a. Seleccione el tamaño estándar
del cuerpo del intercambiador
de la Figura 3
Ancho total máx.
Ancho efectivo máx.
Altura total máx.
Longitud total máx.
Espesor de la lámina separadora
=
=
=
=
=
b. Selecciones el tipo de aleta de
la Tabla 2
(1) Para la corriente a Altura, b
Espaciado de aleta, n
Espesor de aleta, Xf
=
=
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 35
Indice norma
TABLA 4.A (CONTINUACION)
Primer Tanteo
A’x
A”F
AF/AT
Dh
=
=
=
=
(2) Para la corriente, b
Altura, b
Espaciado de la aleta; n
Espesor de la aleta; Xf
A’x
A”F
=
=
=
=
=
A”T
AF/AT
Dh
=
=
=
(3) Para la corriente, c
Altura, b
Espaciado de la aleta; n
Espesor de la aleta; Xf
A’x
A”F
=
=
=
=
=
AT
AF/AT
Dh
=
=
=
c. Número y Arreglos de
Canales de flujo
Para la corriente a, Na
Para la corriente b, Nb
Para la corriente c, Nc
=
=
=
=
Rab =
Número de interfaces “a–b”
No total de interfaces “a”
=
Rac =
Número de interfaces “a–c”
No total de interfaces “a”
=
Rba =
Número de interfaces “b–a”
No total de interfaces “b”
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 36
Indice norma
TABLA 4.A (CONTINUACION)
Primer Tanteo
Rbc =
Número de interfaces “b–c”
No total de interfaces “b”
=
Rca =
Número de interfaces “c–a”
No total de interfaces “c”
=
Rcb =
Número de interfaces “c–b”
No total de interfaces “c”
=
6. Area de Flujo
Ax = A’x (N) W
Para la corriente a, Ax
Para la corriente b, Ax
Para la corriente c, Ax
=
=
=
=
7. Velocidad Másica
G = M/Ax
Para la corriente a, G
Para la corriente b, G
Para la corriente c, G
=
=
=
=
8. Número de Reynolds
Re= Dh G/Z
Para la corriente a, Re
Para la corriente b, Re
Para la corriente c, Re
=
=
=
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
Si cuaquier Re > 10000, el área adicional de flujo debe ser provista, cambiando la geometría del cuerpo del
intercambiador, la configuración de flujo de éste o las dos.
9. Coeficiente de Transferencia de Calor
a. Una sola fase
(1) Pr = cp z/k
Para la corriente a, Pr
Para la corriente b, Pr
Para la corriente c, Pr
=
=
=
(2) El factor j de la Figura 4
Para la corriente a, j
Para la corriente b, j
Para la corriente c, j
=
=
=
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 37
Indice norma
TABLA 4.A (CONTINUACION)
Primer Tanteo
(3) h =
103
j G
cp/Pr2/3
Para la corriente a, h
Para la corriente b, h
Para la corriente c, h
=
=
=
b. Cambio de fase
Hirviendo
h = 1140 W/m2°C
Condensado
h = 2270 W/m2°C
Para la corriente a, h
Para la corriente b, h
Para la corriente c, h
=
=
=
10. Area superficial por metro de longitud
A’T = AT/L = A”T (N) (W)
Para la corriente a, A’T
Para la corriente b, A’T
Para la corriente c, A’T
=
=
=
11. Evaluación de la Transferencia de Calor por Unidad de Longitud
A’T = AT/L = A”T (N) (W)
a. Fm = 0.00179 np
b
ǸXh
f
Para la corriente a, Fm
Para la corriente b, Fm
Para la corriente c, Fm
=
=
=
b. De la Figura 6, determine ηf
Para la corriente a, ηf
Para la corriente b, ηf
Para la corriente c, ηf
=
=
=
c. ηo = 1 – (Af/AT) (1–η)
Para la corriente a, ηo
Para la corriente b, ηo
Para la corriente c, ηo
=
=
=
d. Evaluación de la transferencia de calor, hηo A”T
Para la corriente a, hηo A’T
Para la corriente b, hηo A’T
Para la corriente c, hηo A’T
=
=
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 38
Indice norma
(4)
TABLA 4.A (CONTINUACION)
Primer Tanteo
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
12. Evaluación del Coeficiente Total de Transferencia de Calor por Unidad de Longitud
ǒU 1AȀǓ
o
ǒU 1AȀǓ
o
ǒU 1AȀǓ
o
+
1
1
)
ǒhh o AȀ TǓ R ab ǒhh o AȀ TǓ R ba
a
b
=
+
1
1
)
ǒhh o AȀ TǓ R ac ǒhh o AȀ TǓ R ca
a
c
=
+
1
1
)
ǒhh o AȀ TǓ R bc ǒhh o AȀ TǓ R cb
b
c
=
ab
ac
bc
13. Longitud Efectiva Requerida
L ab +
(Uo A) ab
(Uo AȀ) ab
=
L ac +
(Uo A) ac
(Uo AȀ) ac
=
L bc +
(Uo A) bc
(Uo AȀ) bc
=
Si es necesario la geometría del cuerpo del intercambiador debe ser ajustada de tal manera que las longitudes
efectivas se balanceen entre 5% y 10%
14. Caída de Presión
a. Pérdida por fricción, ∆Pf
(1) Flujo de una fase
Densidad promedio de la
corriente a, ρm
Densidad promedio de la
corriente b, ρm
=
Densidad promedio de la
corriente c, ρm
=
=
(2) Densidad promedio para un cambio de fase, ρm
ò mix + X
1
m
òg
)
(1*X m)
òl
Para la corriente a, h
Para la corriente b, h
Para la corriente c, h
=
=
=
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 39
Indice norma
TABLA 4.A (CONTINUACION)
Primer Tanteo
(3)
ǒ
Ǔ
2
DP f + 1 x f L G
ò
500
Dh m
Para la corriente a, ∆Pf
Para la corriente b, ∆Pf
Para la corriente c, ∆Pf
=
=
=
b. Pérdida por Impulsión, ∆Pm
ǒ
Ǔ
DP m + G 2 ò1 ò1
o
l
Para la corriente a, ∆Pm
Para la corriente b, ∆Pm
Para la corriente c, ∆Pm
=
=
=
c. Caída de presión total en el cuerpo del intercambiador
DP 6 + DP f ) DP m
Para la corriente a, ∆P6
Para la corriente b, ∆P6
Para la corriente c, ∆P6
=
=
=
d. Caída de presión total
DP t + 1.25 ǒ3ńLǓ DP 6
Para la corriente a, ∆Pt
Para la corriente b, ∆Pt
Para la corriente c, ∆Pt
=
=
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 40
Indice norma
TABLA 6.
TABLA 4.B HOJA DE CALCULO PARA INTERCAMBIADORES DE LAMINAS
(UNIDADES INGLESAS)
Proceso
No. de Intercambiador
Refinería y Localización
Calc. por
Fecha
1. Especificaciones de rendimiento
Corriente caliente a:
Ti =
z =
°F
cP
Corriente caliente b:
Ti =
z =
°F
cP
Corriente caliente c:
Ti =
z =
°F
cP
M =
To =
k =
lb/h
Xi =
°F
Pi =
BTU/hpie2°F
M =
To =
k =
lb/h
Xi =
°F
Pi =
BTU/hpie2°F
M =
To =
k =
lb/h
Xi =
°F
Pi =
BTU/hpie2°F
2. Carga de calor
Qa = 103 Ma cpa (Ti–To)a =
Qb = 103 Mb cpb (To–Ti)b =
Qc = 103 Mc cpc (To–Ti)c =
Note que:
Qa = Qb + Qc
Qa = Qab + Qac
Qb = Qab – Qac
Qc = Qac + Qbc
3. Especificaciones de rendimiento
a. Operación en contracorriente
Para corrientes a y b
DTML ab +
ǒT ia * T obǓ * ǒT oa * T ibǓ
ƪ
ƫ
ǒTia*TobǓ
ln
ǒToa*TibǓ
+ DTMeab +
Para corrientes b y c
DTML ac +
(T ia * T oc) * (T oa * T ic)
ƪ
ǒT *TocǓ
ln ǒ ia
Toa*TicǓ
ƫ
+ DTMeac +
,
psia
Xo=
cp =
lb/pie3
,
BTU/lb
,
psia
Xo=
cp =
lb/pie3
,
BTU/lb
,
psia
Xo=
cp =
lb/pie3
,
BTU/lb
ρ =
ρ =
ρ =
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 41
Indice norma
TABLA 4.B (CONTINUACION)
Para corrientes b y c
ǒT ib * T icǓ * ǒT ob * T ocǓ
DTML bc +
ƪ
ƫ
ǒTib*TicǓ
ln
ǒTob*TocǓ
+ DTMeab +
b. Operación con flujo transversal
P+
T ob * T ia
+
T ia * T ib
R+
T ia * T oa
+
T ob * T ia
de la Figura 5, determine F =
DTML ab +
ǒT ia * T obǓ * ǒT oa * T ibǓ
ƪ
ƫ
ǒTia*TobǓ
ln
ǒToa*TibǓ
DTMe + F ǒDTML abǓ
+
+
4. Evaluación de la Transferencia Total de Calor
(U oA)ab +
Q ab
+
DTMe ab
(U oA)ac +
Q ac
+
DTMe ac
(U oA)bc +
Q bc
+
DTMe bc
5. Geometría del Cuerpo del Intercambiador
Primer Tanteo
a. Seleccione el tamaño estándar
del cuerpo del intercambiador
de la Figura 3
Ancho total máx.
Ancho efectivo máx.
Altura total máx.
Longitud total máx.
Espesor de la lámina separadora
=
=
=
=
=
b. Selecciones el tipo de aleta de
la Tabla 2
(1) Para la corriente a Altura, b
Espaciado de aleta, n
Espesor de aleta, Xf
=
=
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 42
Indice norma
TABLA 4.B (CONTINUACION)
Primer Tanteo
A’x
A”F
AF/AT
Dh
=
=
=
=
(2) Para la corriente, b
Altura, b
Espaciado de la aleta; n
Espesor de la aleta; Xf
A’x
A”F
=
=
=
=
=
A”T
AF/AT
Dh
=
=
=
(3) Para la corriente, c
Altura, b
Espaciado de la aleta; n
Espesor de la aleta; Xf
A’x
A”F
=
=
=
=
=
AT
AF/AT
Dh
=
=
=
c. Número y Arreglos de
Canales de flujo
Para la corriente a, Na
Para la corriente b, Nb
Para la corriente c, Nc
=
=
=
=
Rab =
Número de interfaces “a–b”
No total de interfaces “a”
=
Rac =
Número de interfaces “a–c”
No total de interfaces “a”
=
Rba =
Número de interfaces “b–a”
No total de interfaces “b”
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 43
Indice norma
TABLA 4.B (CONTINUACION)
Primer Tanteo
Rbc =
Número de interfaces “b–c”
No total de interfaces “b”
=
Rca =
Número de interfaces “c–a”
No total de interfaces “c”
=
Rcb =
Número de interfaces “c–b”
No total de interfaces “c”
=
6. Area de Flujo
Ax = A’x (N) W
Para la corriente a, Ax
Para la corriente b, Ax
Para la corriente c, Ax
=
=
=
=
7. Velocidad Másica
G = M/Ax
Para la corriente a, G
Para la corriente b, G
Para la corriente c, G
=
=
=
=
8. Número de Reynolds
Re= Dh G/ 2.42 Z
Para la corriente a, Re
Para la corriente b, Re
Para la corriente c, Re
=
=
=
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
Si cuaquier Re > 10000, el área adicional de flujo debe ser provista, cambiando la geometría del cuerpo del
intercambiador, la configuración de flujo de éste o las dos.
9. Coeficiente de Transferencia de Calor
a. Una sola fase
(1) Pr = 2.42 cp z/k
Para la corriente a, Pr
Para la corriente b, Pr
Para la corriente c, Pr
=
=
=
(2) El factor j de la Figura 4
Para la corriente a, j
Para la corriente b, j
Para la corriente c, j
=
=
=
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 44
Indice norma
TABLA 4.B (CONTINUACION)
Primer Tanteo
(3) h =
103
j G
cp/Pr2/3
Para la corriente a, h
Para la corriente b, h
Para la corriente c, h
=
=
=
b. Cambio de fase
Hirviendo
h = 200 BTU / hpie2°F
Condensado
h =400 BTU / hpie2°F
Para la corriente a, h
Para la corriente b, h
Para la corriente c, h
=
=
=
10. Area superficial por metro de longitud
A’T = AT/L = A”T (N) (W)
Para la corriente a, A’T
Para la corriente b, A’T
Para la corriente c, A’T
=
=
=
11. Evaluación de la Transferencia de Calor por Unidad de Longitud
A’T = AT/L = A”T (N) (W)
a. Fm = 0.025
np
b
ǸXh
f
Para la corriente a, Fm
Para la corriente b, Fm
Para la corriente c, Fm
=
=
=
b. De la Figura 6, determine ηf
Para la corriente a, ηf
Para la corriente b, ηf
Para la corriente c, ηf
=
=
=
c. ηo = 1 – (Af/AT) (1–η)
Para la corriente a, ηo
Para la corriente b, ηo
Para la corriente c, ηo
=
=
=
d. Evaluación de la transferencia de calor, hηo A”T
Para la corriente a, hηo A’T
Para la corriente b, hηo A’T
Para la corriente c, hηo A’T
=
=
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 45
Indice norma
(4)
TABLA 4.B (CONTINUACION)
Primer Tanteo
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
12. Evaluación del Coeficiente Total de Transferencia de Calor por Unidad de Longitud
ǒU 1AȀǓ
o
ǒU 1AȀǓ
o
ǒU 1AȀǓ
o
+
1
1
)
ǒhh o AȀ TǓ R ab ǒhh o AȀ TǓ R ba
a
b
=
+
1
1
)
ǒhh o AȀ TǓ R ac ǒhh o AȀ TǓ R ca
a
c
=
+
1
1
)
ǒhh o AȀ TǓ R bc ǒhh o AȀ TǓ R cb
b
c
=
ab
ac
bc
13. Longitud Efectiva Requerida
L ab +
(Uo A) ab
(Uo AȀ) ab
=
L ac +
(Uo A) ac
(Uo AȀ) ac
=
L bc +
(Uo A) bc
(Uo AȀ) bc
=
Si es necesario la geometría del cuerpo del intercambiador debe ser ajustada de tal manera que las longitudes
efectivas se balanceen entre 5% y 10%
14. Caída de Presión
a. Pérdida por fricción, ∆Pf
(1) Flujo de una fase
Densidad promedio de la
corriente a, ρm
Densidad promedio de la
corriente b, ρm
=
Densidad promedio de la
corriente c, ρm
=
=
(2) Densidad promedio para un cambio de fase, ρm
ò mix + X
1
m
òg
)
(1*X m)
òl
Para la corriente a, h
Para la corriente b, h
Para la corriente c, h
=
=
=
PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
.Menú Principal
Indice manual
Indice volumen
Página 46
Indice norma
TABLA 4.B (CONTINUACION)
Primer Tanteo
(3)
ǒ
Ǔ
2
DP f + 1 x f L G
ò
500
Dh m
Para la corriente a, ∆Pf
Para la corriente b, ∆Pf
Para la corriente c, ∆Pf
=
=
=
b. Pérdida por Impulsión, ∆Pm
ǒ
Ǔ
DP m + G 2 ò1 ò1
o
l
Para la corriente a, ∆Pm
Para la corriente b, ∆Pm
Para la corriente c, ∆Pm
=
=
=
c. Caída de presión total en el cuerpo del intercambiador
DP 6 + DP f ) DP m
Para la corriente a, ∆P6
Para la corriente b, ∆P6
Para la corriente c, ∆P6
=
=
=
d. Caída de presión total
DP t + 1.25 ǒ3ńLǓ DP 6
Para la corriente a, ∆Pt
Para la corriente b, ∆Pt
Para la corriente c, ∆Pt
=
=
=
Segundo Tanteo
Tercer Tanteo
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 47
Indice norma
Fig 1. ENSAMBLAJE DE INTERCAMBIADORES DE LAMINAS ALETEADAS
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 48
Indice norma
Fig 2. ARREGLOS DE FLUJO PARA INTERCAMBIADORES DE LAMINAS ALETEADAS
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Fig 3. CORRUGACIONES DE ALETAS
Página 49
Indice norma
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 50
Indice norma
Fig. 4A FACTOR DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y CAÍDA DE PRESIÓN
(ALETAS PLANAS)
Fig 4.
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 51
Indice norma
Fig. 4B FACTOR DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y CAÍDA DE PRESIÓN
(ALETAS TIPO LANZAS)
Fig 5.
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 52
Indice norma
Fig. 4C FACTOR DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y CAÍDA DE PRESIÓN
(ALETAS PERFORADAS)
Fig 6.
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 53
Indice norma
Fig. 4D FACTOR DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y CAÍDA DE PRESIÓN
(ALETAS ONDULADAS)
Fig 7.
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Página 54
Indice norma
Fig. 5 FACTOR DE CORRECCIÓN DE DTML PARA INTERCAMBIADORES DE FLUJO
TRANSVERSAL
Fig 8.
PDVSA
.Menú Principal
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA MDP–05–E–05
INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA
SERVICIOS CRIOGENICOS
REVISION
FECHA
0
OCT.95
Indice manual
Indice volumen
Fig. 6 EFICIENCIA DE LA ALETA
Fig 9.
Página 55
Indice norma