intercambiador doble tubo

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

ANTEPROYECTO DE UN

INTERCAMBIADOR DE CALOR TIPO

DOBLE TUBO PARA SU

FABRICACIÓN EN MÉXICO

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

ASESOR:

ING. SAÚL RIVERA ZAMORA

P R E S E N T A:

RODOLFO HERNÁNDEZ ALMASO ALVARO ARRIAGA JIMENEZ

MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE DE 2013

INGENIERO MECÁNICO

i

Índice General. Pág.

Índice de Figuras. Pág. iii

Índice de Tablas. Pág. iv

Resumen. v

Objetivo. vi

Justificación. vi

Introducción. vii

CAPÍTULO I 10

GENERALIDADES. 10

1.1. Intercambiador de calor. 11

1.2. Tipos de intercambiadores de calor según su construcción. 12

1.2.1. Doble tubo. 12

1.2.2. Tubo y coraza. 13

1.2.3. Intercambiador tipo plato. 17

1.3. Tipos de intercambiadores de calor según su operación. 18

1.3.1. Intercambiador de flujo paralelo o co-corriente. 19

1.3.2. Intercambiador en contraflujo. 19

1.3.3. Intercambiador de flujo cruzado. 20

1.3.4. Intercambiadores de un solo paso y de múltiples pasos. 21

1.3.5. Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos. 22

CAPÍTULO II 24

MARCO TEÓRICO. 24

2.1. Transferencia de calor. 25

2.2. Teorías del calor. 25

2.3. Mecanismos de la transferencia de calor. 26

2.3.1. Conducción. 26

2.3.2. Convección. 27

2.3.3. Radiación. 28

2.4. Procesos de transferencia de calor. 28

CAPÍTULO III. 31

DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO 31

3.1. Principales componentes de un intercambiador de calor tipo doble tubo. 32

3.2. Transferencia de calor en un intercambiador. 34

3.2.1. Número de Nusselt (Nu). 35

3.2.2. Número de Reynolds (Re). 35

ii

3.2.3. Número de Prandtl (Pr). 35

3.3. Coeficiente global de transferencia de calor. 36

3.4. Condiciones de flujo. 36

3.5. Velocidad media. 37

3.6. Diferencia de temperatura media logarítmica. 39

3.6.1. Intercambiador de calor de flujo paralelo. 40

3.6.2. Intercambiador de calor en contraflujo. 43

CAPÍTULO IV 45

MEMORIA DE CÁLCULO. 45

4.1. Criterios de diseño. 46

4.2. Cálculo Térmico. 47

4.3. Cálculo hidráulico. 57

4.4. Cálculo mecánico. 61

4.5. Soldadura. 67

4.5.1. Representación del intercambiador de calor. 71

CAPÍTULO V 73

ANÁLISIS ECONÓMICO 73

5.1. Costos de materiales. 74

5.2. Costos de ingeniería. 75

5.3. Costos de mano de obra. 76

5.4. Costo total del proyecto. 77

5.5. Evaluación del intercambiador de calor con y sin aislamiento. 77

5.5.1. Perdida de calor del intercambiador sin aislamiento. 77

5.5.2. Pérdida de calor del I.C. con aislamiento. 81

5.5.3. Comparación de datos obtenidos. 85

Conclusiones. 87

Nomenclatura. 88

Glosario. 90

Referencias bibliográficas. 92

Referencias electrónicas. 92

ANEXOS 93

iii

Índice de Figuras. Pág.

Fig. A) Arreglo de pasos en un intercambiador. viii

Fig. 1.1. Intercambiador de calor tipo doble tubo. 12

Fig. 1.2. Partes representativas de algunos componentes de un intercambiador de tubo y coraza. 13

Fig. 1.3. Nomenclatura de componentes para intercambiadores de calor, Asociación de

manufactureros de intercambiadores tubulares (TEMA). 15

Fig. 1.4. Partes y conexiones típicas de intercambiadores de calor. 17

Fig. 1.5. Intercambiador de calor de tipo plato. 18

Fig. 1.6. Intercambiador de calor de flujo paralelo. 19

Fig. 1.7. Intercambiador de Contraflujo. 20

Fig. 1.8. Intercambiador de calor de flujo cruzado. 20

Fig. 1.9. Intercambiador de un solo paso e intercambiador de múltiples pasos. 21

Fig. 1.10. a) Intercambiador regenerativo; b) Intercambiador no-regenerativo. 23

Fig. 2.1. Flujo de calor a través de una pared. 26

Fig. 3.1. Áreas de flujo en un intercambiador de calor tipo doble tubo. 32

Fig. 3.2. Intercambiador de calor de doble tubo. 1-Codo. 2, 3, 5, 6-Prensa estopa. 4-Cabezal de

retorno. 7-“T”. 32

Fig. 3.3. Intercambiador en serie (unión de dos o más horquillas. 33

Fig. 3.4. Desarrollo de la capa limite [4]. 37

Fig. 3.5. Balance global de energía para los fluidos caliente y frio de un intercambiador de calor [4]. 39

Fig. 3.6. Distribución de temperatura en flujo paralelo [4]. 41

Fig. 3.7. Distribución de temperatura en contraflujo [4]. 43

Fig. 4.1. Eficiencia de soldaduras. 67

Fig. 4.2. Símbolos para la representación de soldaduras. 69

Fig. 4.3 Símbolos graficos para representacion de soldaura. 70

Fig.4.4. Representación del intercambiador de calor ensamblado. 71

Fig. 5.1. Perfil del tubo exterior, es decir el de 2 pulgadas sin aislamiento. 78

Fig. 5.2. Perfil del cambiador de calor con aislamiento. 81

Fig. 5.3. Energía perdida al año. 85

Fig. 5.4. Costo de la energía perdida. 85

iv

Índice de Tablas. Pág.

Tabla 1.1. Descripción de los componentes principales de los intercambiadores de casco y tubo. 16

Tabla 1.2. Productos derivados del petróleo. 30

Tabla 2.1. Conexiones para intercambiadores de doble tubo. 33

Tabla 3.1. Tabulación de los resultados representativos del cálculo térmico. 56

Tabla 3.2. Tabulación de resultados representativos del cálculo hidráulico. 60

Tabla 3.3. Tabulación de resultados representativos del cálculo mecánico. 66

v

Resumen.

Mediante este anteproyecto, se demuestra que es posible fabricar intercambiadores de calor tipo

doble tubo, diseñados en México y fabricados con material y mano de obra nacional, con calidad

para lograr competir en el mercado tanto nacional como internacional, ya que en su mayoría son

diseñados, fabricados, vendidos y atendidos por grandes compañías de origen extranjero lo cual

eleva sus costos, debido a que en la adquisición de este tipo de equipos influyen diversos factores,

algunos de estos son: el pago de regalías, transporte, aduanas, seguros, bodegas, entre otros. Por lo

cual se ve la oportunidad de que los intercambiadores de calor sean fabricados en el país respetando

estándares de calidad, empleando normas de diseño y fabricación de este tipo de equipos.

vi

Objetivo.

Dimensionamiento de un intercambiador de calor tipo doble tubo para su fabricación en México,

con mano de obra y materia prima nacional, cumpliendo con las normas establecidas de diseño y

fabricación, con calidad de los equipos.

Justificación.

Los intercambiadores de calor son fabricados, vendidos y atendidos por grandes compañías no

necesariamente nacionales, por lo cual, es urgente fabricar y vender intercambiadores de calor de

calidad que sean manufacturados en México, para disminuir costos de adquisición, generar fuentes

de empleo y poder competir en el mercado.

Alcance.

Este anteproyecto comprenderá el dimensionamiento de un intercambiador de calor tipo doble tubo

fundamentándose en las áreas térmica, hidráulica y mecánica.

vii

Introducción.

La determinación de la rapidez de transferencia de calor a una diferencia de temperatura

especificada constituye el problema principal. Con objeto de estimar el costo, la factibilidad y el

tamaño del equipo necesario para transferir una cantidad específica de calor en un tiempo dado, debe

realizarse un detallado análisis de transferencia de calor. Las dimensiones de calderas, calentadores,

refrigeradores, condensadores e intercambiadores de calor, dependen no únicamente de la cantidad

de calor bajo condiciones dadas. La operación apropiada de los componentes del equipo tales como,

los tubos de un intercambiador de calor o las paredes de una cámara frigorífica, depende de la

conductividad térmica de ciertas partes metálicas y de los fluidos manejados dentro de los equipos,

retirando el calor de forma continua y con gran rapidez. Así mismo, el diseño de máquinas

eléctricas, calderas, radiadores y rodamientos debe hacerse un análisis de transferencia de calor con

objeto de evitar la condiciones que provocan sobrecalentamiento y daño al equipo.

En el cálculo de intercambiadores de calor, así como en otros, la solución adecuada requiere de

hipótesis e idealizaciones. Es casi imposible descubrir los fenómenos físicos en forma exacta, y para

expresar un problema en forma de ecuación que pueda resolverse, es necesario hacer algunas

aproximaciones. Para asegurar una operación satisfactoria del elemento, el diseñador aplicaría un

factor de seguridad a los resultados que obtuvo de su análisis.

Aproximaciones similares son también necesarias en los problemas de los condensadores. Las

propiedades físicas, tales como la conductividad térmica o la viscosidad cambian con la temperatura,

pero, si se seleccionan valores promedio convenientes los cálculos pueden ser considerablemente

simplificados sin introducir un error apreciable en el resultado final.

Cuando el calor es transferido de un fluido a una pared, como en un intercambiador de calor, se

forman incrustaciones debido a la operación continua y éstas reducen la rapidez del flujo de calor.

Con objeto de asegurar una operación satisfactoria por un largo periodo se debe aplicar un factor de

seguridad que contrarreste el riesgo.

El equipo de transferencia de calor se define por las funciones que desempeña en un proceso.

Los intercambiadores recuperan calor entre dos corrientes en un proceso. El vapor y agua de

enfriamiento son servicios y no se consideran en el mismo sentido que las corrientes de un proceso

recuperables. Los calentadores se usan primariamente para calentar fluidos de proceso y

viii

generalmente se usa vapor con este fin, aun cuando en las refinerías de petróleo el aceite caliente

recirculado tiene el mismo propósito. Los enfriadores se emplean para enfriar fluidos en un proceso,

el agua es el medio enfriador principal. Los condensadores son enfriadores cuyo propósito principal

es eliminar calor latente en lugar de calor sensible. Los hervidores tienen el propósito de suplir los

requerimientos de calor en los procesos de destilación como calor latente. Los evaporadores se

emplean para la concentración de soluciones por evaporación de agua. Si además del agua se

vaporiza cualquier otro fluido, la unidad es un vaporizador.

Una de las razones de que los equipos puedan dañarse es por efecto de las variaciones de

temperatura. A raíz de esto es que se ha podido fabricar distintos equipos especializados para el

intercambio de calor. Estos aparatos sirven para evitar el sobrecalentamiento de las máquinas y así

lograr mantener una temperatura ideal de trabajo. Por otro lado también hay dos tipos que fueron

construidos para mantener por debajo de ciertas temperaturas, ya sea, alimentos, medicinas, etc.

El desarrollo de intercambiadores de calor es variado y de una amplia gama de tamaños y tecnología

como plantas de potencia de vapor, plantas de procesos químicos, calefacción y acondicionamiento

de aire de edificios, refrigeradores domésticos, radiadores de automóviles, radiadores de vehículos

especiales, entre otros.

Fig. A) Arreglo de pasos en un intercambiador.

Entre estos extremos hay un extenso surtido de intercambiadores comunes de coraza y tubo. Estas

unidades se usan ampliamente, porque pueden construirse con grandes superficies de transferencia

de calor en un volumen relativamente pequeño, pueden fabricarse de aleaciones resistentes a la

corrosión, y son idóneas para calentar, enfriar, evaporar o condensar toda clase de fluido.

T1

t1

t2

T2

Tx Ty

1

2

IV

III

II

I

I

ix

El diseño de un intercambiador de calor, puede descomponerse en las siguientes fases:

1.- Diseño térmico.

2.- Diseño mecánico.

3.- Diseño de fabricación.

Diseño térmico. Se ocupa primordialmente de determinar el área de superficie necesaria para

transferir calor a una velocidad específica a determinados niveles dados de flujo y temperatura de

los fluidos.

Diseño mecánico. Obliga a considerar las temperaturas y presiones de operación, las características

de corrosión de uno o ambos fluidos, las expansiones térmicas relativas, los esfuerzos que

acompañan y la relación del intercambiador de calor con otro equipo que intervenga.

Diseño de fabricación. Exige traducir las características y dimensiones físicas a una unidad que

pueda construirse a bajo costo. Es preciso hacer la selección de materiales, acabados y cubiertas,

elegir el dispositivo mecánico óptimo, y especificar los procedimientos de fabricación.

Para obtener la máxima economía, la mayoría de los fabricantes han adoptado líneas estándar de

intercambiadores de calor. Las normas establecen los diámetros de los tubos y los dominios de

presión, además de promover el uso de modelos y procedimientos de fabricación estándar; sin

embargo, la estandarización no significa que estos mecanismos puedan fabricarse de modelos y

tipos uniformes, porque las necesidades de servicio varían demasiado.

Casi todo intercambiador requiere de cierto grado de diseño técnico especial, pero si las condiciones

de servicio lo permiten, el empleo de intercambiadores construidos de acuerdo con líneas estándar

economiza dinero. Por lo tanto, a menudo se pide al ingeniero encargado de instalar

intercambiadores de calor en plantas de potencia y equipos de proceso, que seleccione la unidad

cambiadora de calor adecuada para una ampliación en particular. La selección exige efectuar un

análisis térmico, para determinar si una unidad estándar, de geometría y tamaños específicos puede

satisfacer los requisitos de calentamiento o enfriamiento de un fluido dado a una velocidad

especificada. En este tipo de análisis el costo inicial debe equilibrarse con factores tales como la

vida útil del equipo, facilidad de limpieza y espacio que ocupa. También es importante cumplir las

exigencias de códigos de seguridad, para la cual deben consultarse las normas respectivas.

CAPÍTULO I

GENERALIDADES.

Un intercambiador de calor se puede describir

como un equipo en el que dos corrientes de fluido a distintas temperaturas transitan sin mezclarse, con el objeto de suministrar o retirar calor de una

de ellas, o ambas situaciones a la vez para hacer más eficiente un proceso, mediante los distintos

mecanismos de transferencia de calor.

CAPÍTULO I. GENERALIDADES

11

1.1. Intercambiador de calor.

En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de

un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son dispositivos que

permiten realizar dicha tarea. Un entendimiento básico de los componentes mecánicos de los

intercambiadores de calor es necesario para comprender como estos funcionan y operan para un

adecuado diseño.

Un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido

(líquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los

intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:

1. Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.

2. Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.

3. Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura.

4. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frio.

5. Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor

temperatura.

Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde

los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor

solo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor

temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos,

el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al

encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.

Algunas de las aplicaciones más comunes se encuentran en calentamiento, ventilación, sistemas de

acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de combustión interna, calderas,

condensadores, y pre-calentadores o enfriamiento de fluidos.


12

1.2. Tipos de intercambiadores de calor según su construcción.

Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y

tamaños, la construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las dos siguientes

categorías: coraza y tubo o plato. Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos

presenta ventajas o desventajas en su aplicación.

1.2.1. Doble tubo.

El tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntricos de diámetros

diferentes, llamado intercambiador de doble tubo. En un intercambiador de este tipo uno de los

fluidos pasa por el tubo más pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los 2

tubos. En un intercambiador de calor de doble tubo son posibles dos tipos de disposición del flujo:

en flujo paralelo los dos fluidos, el frio y el caliente, entran al intercambiador por el mismo extremo

y se mueven en la misma dirección. Por otra parte, en el contraflujo los fluidos entran en el

intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.

Fig. 1.1. Intercambiador de calor tipo doble tubo.

Estos intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de área de transferencia son pequeños.


13

1.2.2. Tubo y coraza.

La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo y coraza que

se muestra en la figura 1.2.

Fig. 1.2. Partes representativas de algunos componentes de un intercambiador de tubo y coraza.

Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El

flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el

interior del contenedor como fluido del casco o fluido externo. En los extremos de los tubos, el

fluido interno es separado del fluido externo de la carcasa por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se

sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos

fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace

circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de

la carcasa. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden

fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más


14

bajo. Las placas de soporte mostradas en Figura 1.2 también actúan como bafles para dirigir el flujo

del líquido dentro del casco hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.

Son los intercambiadores más ampliamente utilizados en la industria química y con las

consideraciones de diseño mejor definidas. Consisten en una estructura de tubos pequeños colocados

en el interior de un casco de mayor diámetro.

Las consideraciones de diseño están estandarizadas por la Asociación de Manufactureros de

Intercambiadores Tubulares (TEMA).

Parte delantera

Tipos de cabeza

estacionaria

Tipos de casco Tipos de cabeza del

extremo posterior

A

Canales y cubierta

desmontable

E

Casco de un paso

L

Placa de cabeza fija

tipo A

F

Casco de dos pasos

con bafle longitudinal

M

Placa de cabeza fija

tipo B

B

Tapa (con cubierta integrada)

G

Casco con división de

flujo

N

Placa de cabeza fija tipo N

H

Doble division de flujo

P

Cabeza flotante

C

Canal integral con tubo de

hojas y tapa desmontable

J

Salida con flujo dividido

S

Cabeza flotante con

dispositivo de respaldo

Haz de

tubos

removi

bles


15

Parte delantera

Tipos de cabeza

estacionaria

Tipos de casco Tipos de cabeza del

extremo posterior

N

Canal integral con tubo de

hojas y tapa desmontable

K

Tipo caldera

T

Cabeza flotante

U

Haz de tubo en U

D

Especial para cierre de alta presión

X

Flujo cruzado

W

Placa de tubos

flotante con sellado externo

Fig. 1.3. Nomenclatura de componentes para intercambiadores de calor, Asociación de manufactureros de

intercambiadores tubulares (TEMA).

Un intercambiador de calor de casco y tubo conforme a TEMA se identifica con tres letras, el

diámetro en pulgadas del casco y la longitud nominal de los tubos en pulgadas.

La primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los tipo A (Canal y cubierta

desmontable) y B (Casquete) son los más comunes.

La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La más común es la E (casco de un paso) la F de

dos pasos es más complicada de mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las pérdidas de

presión en el casco. El tipo K es el tipo de re-hervidor de caldera utilizado en torre de

fraccionamiento.

La tercera letra indica el tipo de cabezal del extremo posterior, los de tipo S, T y U son los más

utilizados. El tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el diámetro del cabezal es mayor

que el del casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal flotante sin contra-brida)

puede sacarse sin desmontar, pero necesita mayor diámetro de casco para la misma superficie de


16

intercambio. El tipo U (haz de tubo en U) es el más económico, pero a la hora de mantenimiento

necesita una gran variedad de tubos en stock.

Para el propósito de establecer la terminología estándar, la figura 1.4 ilustra partes y conexiones

típicas de intercambiadores de calor, solo para efectos ilustrativos, se enumeran para la

identificación en la tabla 1.1.

Tabla 1.1. Descripción de los componentes principales de los intercambiadores de casco y tubo.

1. Cabezal estacionario- canal 21. Cubierta del cabezal, exterior

2. Cabezal estacionario- casquete 22. Faldón de lámina de cierre tubular del flotador

3. Pestaña de cabezal estacionario, canal o casquete 23. Brida del prensa estopas

4. Cubierta de canal 24. Empaque

5. Tobera de cabezal estacionario 25. Anillo seguidor del empaque

6. Lamina estacionaria de tubo 26. Anillo de cierre hidráulico

7. Tubos 27. Bielas y espaciadores

8. Casco 28. Desviadores transversales o placas de apoyo

9. Cubierta del casco 29. Desviador de choque

10. Brida del casco, extremo del cabezal estacionario 30. Desviador longitudinal

11. Brida del casco, extreme del cabezal posterior 31. Separación de paso

12. Tobera del casco 32. Conexión de ventila

13. Brida de la cubierta del casco 33. Conexión de drenaje

14. Junta de expansión 34. Conexión de instrumentos

15. Lamina de cierre de tubular del flotador 35. Albardilla de soporte

16. Cubierta del cabezal flotador 36. Talón elevador

18. Brida del cabezal flotador 37. Ménsula de soporte

19. Dispositivo de apoyo del cabezal flotador 38. Vertedero

20. Anillo de cizalla dividida 39. Conexión de nivel de líquido

21. Brida de apoyo dividida


17

Fig. 1.4. Partes y conexiones típicas de intercambiadores de calor.

1.2.3. Intercambiador tipo plato.

El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la figura 1.5, consiste en placas en

lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan

entre cada una de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una

de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente

grande de transferencia térmica a cada uno de los líquidos. Por lo tanto, un intercambiador de placa

es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de tubo y coraza con

volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos.

El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho

más pequeño que el de casco y tubo para la misma capacidad de intercambio de calor.


18

Fig. 1.5. Intercambiador de calor de tipo plato.

Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente debido a la inhabilidad

de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas. Debido a este problema, el tipo

intercambiador de placa se ha utilizado solamente para aplicaciones donde la presión es pequeña o

no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para máquinas. Actualmente se cuentan

importantes avances que han mejorado el diseño de las juntas y sellos, así como el diseño total del

intercambiador de placa, esto ha permitido algunos usos a gran escala de este tipo de intercambiador

de calor. Así, es más común que cuando se renuevan viejas instalaciones o se construyen nuevas

instalaciones el intercambiador de la placa está substituyendo paulatinamente a los intercambiadores

de casco y tubo.

1.3. Tipos de intercambiadores de calor según su operación.

Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas, tamaños, materiales de

manufactura y modelos, estos son categorizados de acuerdo con características comunes. Una de las

características comunes que se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos

de fluido. Las tres categorías son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.


19

1.3.1. Intercambiador de flujo paralelo o co-corriente.

Como se ilustra en la figura 1.6, existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el

flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos

entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura

significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor

temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima una a la otra, es decir que uno disminuye su

temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.

Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más

caliente.

Fig. 1.6. Intercambiador de calor de flujo paralelo.

1.3.2. Intercambiador en contraflujo.

Como se ilustra en la figura 1.7, se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la

misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por

diferentes extremos, ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador

de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más

frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. En contraste con el intercambiador de

calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en

el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de

calor en el intercambiador.


20

Fig. 1.7. Intercambiador de Contraflujo.

1.3.3. Intercambiador de flujo cruzado.

En la figura 1.8 se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos

fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos

mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90◦ Los

intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usados donde uno de los fluidos presenta

cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico.

Fig. 1.8. Intercambiador de calor de flujo cruzado.

Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor,

donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcaza del

condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y

forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utilizar este tipo de

intercambiador de calor.


21

En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo paralelo,

contraflujo, o flujo cruzado; estos son comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de

intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de

intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La razón de incluir la

combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las

restricciones propias del diseño, que son: tamaño, costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos,

temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la complejidad del intercambiador.

1.3.4. Intercambiadores de un solo paso y de múltiples pasos.

Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el

desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de

un intercambiador de paso simple.

Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina

intercambiador de múltiple pasos. Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina

intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. En la figura 1.9 se muestra un ejemplo de

estos intercambiadores. Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del

flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U" en los extremos, es decir, el doblez en forma

de "U" permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador.

Fig. 1.9. Intercambiador de un solo paso e intercambiador de múltiples pasos.

Un segundo método para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del

intercambiador.


22

1.3.5. Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos.

Los intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su función en un sistema

particular en:

1. Intercambiador regenerativo.

2. Intercambiador no-regenerativo.

Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el

fluido frío es el mismo) como se muestra en lo figura 1.10. Esto es, el fluido caliente abandona el

sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los

intercambiadores regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas

donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y éste es posteriormente

integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido del proceso principal contiene energía

(energía interna, mal llamado calor), el calor del fluido que abandona el sistema se usa para

recalentar (regenerar) el fluido de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frío

lo que mejora la eficacia del intercambiador.

El término "regenerativo/no-regenerativo" sólo se refiere a "cómo" funciona el intercambiador de

calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador (casco y tubo, plato, flujo paralelo,

contraflujo).

En un intercambiador no-regenerativo, como se muestra en la figura 1.10, el fluido con mayor

temperatura es enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía (calor) removida, no es

regresada al sistema.


23

Fig. 1.10. a) Intercambiador regenerativo; b) Intercambiador no-regenerativo.

a) b)

24

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO.

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

25

2.1. Transferencia de calor.

La ciencia de la termodinámica trata de las transiciones cuantitativas y reacomodos de energía como

calor en los cuerpos de materia. La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón

de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor. Cuando se

vaporiza una libra de agua o se condensa una libra de vapor, el cambio de energía en los dos

procesos es idéntico. La velocidad a la que cualquiera de estos procesos puede hacerse progresar con

una fuente o recibidor independiente es, sin embargo, inherentemente muy diferente. Generalmente,

la vaporización es un fenómeno mucho más rápido que la condensación.

2.2. Teorías del calor.

El estudio de la transferencia de calor se facilita grandemente mediante una cabal comprensión de la

naturaleza del calor. Sin embargo, esta es una ventaja que no está fácilmente disponible para

estudiantes de transferencia de calor o termodinámica, ya que se han descubierto muchas

manifestaciones del calor, lo que ha impedido que una teoría simple las cubra a todas ellas. Las

leyes que pueden aplicarse a transiciones de masa pueden ser inaplicables a transiciones moleculares

o atómicas, y aquéllas que son aplicables a las bajas temperaturas pueden no serlo a las temperaturas

altas. Para propósitos de ingeniería es necesario comenzar el estudio con información básica acerca

de unos cuantos fenómenos. Las fases de una sustancia simple, sólida, líquida y gaseosa, están

asociadas con su contenido de energía. En la fase sólida, las moléculas o átomos están muy

cercanos, dando esto rigidez. En la fase líquida existe suficiente energía térmica para extender la

distancia de las moléculas adyacentes, de manera que se pierde la rigidez. En la fase de gas, la

presencia de energía térmica adicional resulta en una separación relativamente completa de los

átomos o moléculas, de manera que pueden permanecer en cualquier lugar de un espacio cerrado.

También se ha establecido que, dondequiera que ocurra un cambio de fase fuera de la región crítica,

se involucra una gran cantidad de energía en esa transición.

Para una misma sustancia en sus diferentes fases, sus varias propiedades térmicas tienen diferente

orden de magnitud. Por ejemplo, el calor específico por unidad de masa es muy bajo para los

sólidos, alto para los líquidos y, usualmente, de valores intermedios para los gases. Asimismo, en


26

cualquier cuerpo que absorba o pierda calor, deben guardarse especiales consideraciones respecto a

si el cambio es de calor latente, o sensible, o de ambos. Más aún, se conoce también que una fuente

caliente es capaz de grandes excitaciones subatómicas, a tal grado que emite energía sin ningún

contacto directo con el recibidor, y éste es el principio fundamental de la radiación. Cada tipo de

intercambio exhibe sus propias peculiaridades.

2.3. Mecanismos de la transferencia de calor.

Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al recibidor, aun cuando

muchas de las aplicaciones en la ingeniería son combinaciones de dos o tres. Estas son, conducción,

convección y radiación.

2.3.1. Conducción.

La conducción es la transferencia de calor a través de un material fijo tal como la pared estacionaria

mostrada en la Fig. 2.1.

Fig. 2.1. Flujo de calor a través de una pared.

La dirección del flujo de calor será a ángulos rectos a la pared, si las superficies de las paredes son

isotérmicas y el cuerpo es homogéneo e isotrópico. Supóngase que una fuente de calor existe a la

izquierda de la pared y que existe un recibidor de calor en la superficie derecha. Es conocido y

después se confirmará por una derivación, que el flujo de calor por hora es proporcional al cambio


27

de temperatura a través de la pared y al área de la pared A. Si t es la temperatura en cualquier punto

de la pared y x es el grueso de la pared en dirección del flujo de calor, la cantidad de flujo de calor

es dada por

( t

) t ⁄ (1.1)

El término t ⁄ se llama gradiente de temperatura y tiene un signo negativo si se supuso una

temperatura mayor en la cara de la pared en dónde y menor en la cara donde . En otras

palabras, la cantidad instantánea de transferencia de calor es proporcional al área y a la diferencia de

temperatura t que impulsa el calor a través de la pared de espesor . La constante de

proporcionalidad es peculiar a la conducción de calor por conductividad y se le conoce por

conductividad térmica. Esta conductividad se evalúa experimentalmente y está básicamente definida

por la Ecuación 1.1. La conductividad térmica de los sólidos tiene un amplio rango de valores

numéricos dependiendo de si el sólido es relativamente un buen conductor del calor, tal como un

metal, o un mal conductor como el asbesto. Estos últimos sirven como aislantes. Aun cuando la

conducción de calor se asocia usualmente con la transferencia de calor a través de los sólidos,

también es aplicable a gases y líquidos, con sus limitaciones.

2.3.2. Convección.

La convección es la transferencia de calor entre partes relativamente calientes y frías de un fluido

por medio de mezcla. Supóngase que un recipiente con un líquido se coloca sobre una llama

caliente. El líquido que se encuentra en el fondo del recipiente se calienta y se vuelve menos denso

que antes, debido a su expansión térmica. El líquido adyacente al fondo también es menos denso que

la porción superior fría y asciende a través de ella, transmitiendo su calor por medio de mezcla

conforme asciende.

La transferencia de calor del líquido caliente del fondo del recipiente al resto, es convección natural

o convección libre. Si se produce cualquiera otra agitación, tal como la provocada por un agitador, el

proceso es de convección forzada. Este tipo de transferencia de calor puede ser descrito en una

ecuación que imita la forma de la ecuación de conducción y es dada por

t (1.2)


28

La constante de proporcionalidad es un término sobre el cual tiene influencia la naturaleza del

fluido y la forma de agitación, y debe ser evaluado experimentalmente. Se llama coeficiente de

transferencia de calor. Cuando la Ecuación 1.2 se escribe en su forma integrada, t se le

conoce como la ley del enfriamiento de Newton.

2.3.3. Radiación.

La radiación involucra la transferencia de energía radiante desde una fuente a un recibidor. Cuando

la radiación se emite desde una fuente a un recibidor, parte de la energía se absorbe por el recibidor

y parte es reflejada por él. Basándose en la segunda ley de la termodinámica, Boltzmann estableció

que la velocidad a la cual una fuente da calor es

T (1.3)

Esto se conoce como la ley de la cuarta potencia, T es la temperatura absoluta. es una constante

dimensional, pero es un factor peculiar a la radiación y se llama emisividad. La emisividad, igual

que la conductividad térmica o el coeficiente de transferencia de calor , debe también

determinarse experimentalmente.

2.4. Procesos de transferencia de calor.

Se ha descrito a la transferencia de calor como el estudio de las velocidades a las cuales el calor se

intercambia entre fuentes de calor y recibidores, tratados usualmente de manera independiente. Los

procesos de transferencia de calor se relacionan con las razones de intercambio térmico, tales como

los que ocurren en equipo de transferencia de calor, tanto en ingeniería mecánica como en los

procesos químicos. Este enfoque realza la importancia de las diferencias de temperatura entre la

fuente y el recibidor, lo que es, después de todo, el potencial por el cual la transferencia de calor se

lleva a efecto. Un problema típico de procesos de transferencia de calor involucra las cantidades de

calor que deben transferirse, las razones a las cuales pueden transferirse debido a la naturaleza de los

cuerpos, la diferencia de potencial, la extensión y arreglo de las superficies que separan la fuente y

el recibidor, y la cantidad de energía mecánica que debe disiparse para facilitar la transferencia de

calor. Puesto que la transferencia de calor considera un intercambio en un sistema, la pérdida de


29

calor por un cuerpo deberá ser igual al calor absorbido por otro dentro de los confines del mismo

sistema.

Muchas de las ilustraciones de los siguientes capítulos, se refieren a líquidos derivados del petróleo.

Esto es completamente razonable, puesto que la refinación del petróleo es una industria de

primordial importancia, los productos de petróleo son combustibles importantes para la industria de

generación de energía, y los derivados de petróleo son el punto de partida para muchas síntesis en la

industria química.

El petróleo es una mezcla de gran variedad de compuestos químicos. Algunos se pueden aislar

fácilmente y los nombres de los hidrocarburos presentes en el petróleo, se pueden identificar en el

Apéndice. -Muy frecuentemente no hay necesidad de obtener compuestos puros, puesto que el uso

último de una mezcla de compuestos similares tendrá el mismo resultado que el uso de compuestos

puros. Así, los aceites lubricantes son una mezcla de compuestos de alto peso molecular, todos ellos

apropiados como lubricantes.

Similarmente, la gasolina, que en última instancia se quema, estará compuesta de cierto número de

compuestos volátiles combustibles. Todos estos productos de petróleo que son comunes en él,

estaban presentes en el aceite crudo cuando se extrajo de la tierra o se formaron por reacciones

subsecuentes y se separaron por destilación. Cuando se habla de ellos en un proceso o se venden

como mezclas, estos productos se llaman fracciones o corte. A éstos se les dan nombres comunes o

se denotan por una operación de la refinería por la cual se producen, y su gravedad específica se

define por una escala establecida por el American Petroleum Institute, y se les llama ya sea grados

API o °API. Los °API se relacionan con la gravedad especifica por:

t ⁄ (1.4)

Debido a que las fracciones de petróleo son mezclas de compuestos, no hierven isotérmicamente

como sucede con los líquidos puros, sino que tienen rangos de ebullición característicos. A presión

atmosférica, la temperatura menor a la que empieza la ebullición del líquido, se llama punto de

ebullición inicial (PEI, °F). En seguida se da una lista de las fracciones más comunes del petróleo

derivadas del aceite crudo:


30

Tabla 2.1. Productos derivados del petróleo.

Un método para definir el carácter químico del petróleo y correlacionar las propiedades de las

mezclas, fue introducido por Watson, Nelson y Murphy. Ellos observaron que, cuando un aceite

crudo de característica de destilación uniforme se destila en cortes muy próximos, la razón de la raíz

cúbica del promedio de los puntos de ebullición absolutos a las gravedades específicas, es una

constante.

T

1 ⁄

(1.5)

Donde k= Factor de caracterización.

T = Punto de ebullición promedio, ° R. s= Gravedad específica a ⁄ .

Fracciones del aceite crudoAprox.

°API

Aprox.

PEI, °F

Productos ligeros y gases 114

Gasolina 75 200

Nafta 60 300

Keroseno 45 350

Aceite para absorción 40 450

Straw oil 40 500

Destilado 35 550

Gasoil 28 600

Aceite lubricante 18-30

Parafina

Fuel oil 2535 500

Asfalto

31

CAPÍTULO III.

DISEÑO DEL

INTERCAMBIADOR

DE DOBLE TUBO

Los intercambiadores de doble tubo tienen

una gran aplicación dentro de los procesos industriales los cuales requieren de superficies de transferencia de calor pequeña

(no más de 200 2). Además que su

construcción se puede realizar con piezas

estándar según sea la necesidad.

CAPÍTULO III DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

32

El intercambiador de doble tubo está constituido por dos tubos concéntricos, en el cual un fluido

circula por el tubo interior y el otro por el ánulo que queda entre ambos tubos, la transferencia se

realiza a través de la pared del tubo interior.

Fig. 3.1. Áreas de flujo en un intercambiador de calor tipo doble tubo.

3.1. Principales componentes de un intercambiador de calor tipo doble tubo.

Los intercambiadores son aparatos que recuperan calor entre dos corrientes de fluido en un proceso,

la imagen industrial de este aparato es el intercambiador de doble tubo, que se muestra en la figura

3.2.

Fig. 3.2. Intercambiador de calor de doble tubo. 1-Codo. 2, 3, 5, 6-Prensa estopa. 4-Cabezal de retorno. 7-“T”.

Las principales partes que lo componen (figura 2.2) son: dos juegos de tubos concéntricos, dos “tes”

conectoras (7), un cabezal de retorno (4) y un codo en “U” (1). Donde la tubería interior se soporta

en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada

localizada en la parte externa del intercambiador. Las “tes” tienen boquillas o conexiones roscadas

que permiten la entrada y salida del fluido del anulo que cruza de una sección a otra a través del


33

cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente

expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor.

Cuando se arregla en dos pasos, como en la figura 3.2 la unidad se llama horquilla. Los

intercambiadores de doble tubo están constituidos por varias horquillas interconectadas (figura 3.3)

para obtener el área de transferencia deseada o requerida según el cálculo de su diseño.

Fig. 3.3. Intercambiador en serie (unión de dos o más horquillas .

El intercambiador de doble tubo es extremadamente útil, ya que se puede ensamblar en cualquier

taller de plomería a partir de partes estándar, proporcionando superficies de transferencia de calor a

bajo costo. Los tamaños estándares de tes y cabezales de retorno, se dan en la tabla 3.1.

Tabla 3.1. Conexiones para intercambiadores de doble tubo.

Tubo exterior (pulg) Tubo interior (pulg)

2 1 1/4

2 1/2 1 1/4

3 2

4 3

Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 o

20 pies, la longitud efectiva es la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor y

excluye la prolongación del tubo interior después de la sección del intercambio. Cuando las

horquillas se emplean en longitudes mayores de 20 pies, correspondientes a 40 pies lineales

efectivos o más de doble tubo, el tubo interior se vence tocando el tubo exterior, por lo que hay una

mala distribución en el ánulo. La principal desventaja en el uso de los intercambiadores de doble


34

tubo es la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple. Cuando se

usa con equipo de destilación en un proceso industrial, se requiere gran número de ellos. El tiempo y

gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles limpieza periódica son prohibitivos comparados

con otro tipo de equipos. Sin embargo, los intercambiadores de doble tubo encuentran su mayor uso

en donde la superficie total de transferencia requerida es pequeña, 100 a 200 pies² o menos.

3.2. Transferencia de calor en un intercambiador.

La transferencia de calor suele estar ligada a la convección en cada fluido y la conducción a través

de la pared que los separa. Para su análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente

trabajar con un coeficiente total de transferencia de calor que toma en cuenta la contribución de

todos estos efectos sobre dicha transferencia.

La transferencia de energía por convección es un fenómeno complicado en donde participan un gran

número de efectos, no hay suficiente información para permitir la formulación, ya sea de las

ecuaciones diferenciales que lo gobiernan, o de una noción clara y completa del fenómeno al cual se

le puedan aplicar leyes fundamentales. El análisis debe ser experimental y la correlación de las

observaciones será un acercamiento empírico a la ecuación que describa correctamente el proceso.

Una herramienta que es utilizada en fenómenos tan complicados es el análisis adimensional, esta

metodología permite obtener una relación entre un conjunto de ciertos números adimensionales, que

de alguna forma, incluyen toda la información necesaria para describir el fenómeno con un cierto

rigor.

Cada número adimensional es una medida del comportamiento del sistema en cierto aspecto, por

ejemplo el número adimensional conocido como número de Reynolds es una medida de la

importancia de las fuerzas inerciales frente a las viscosas en un fluido en condiciones dadas.

A través de correlaciones, cuya forma matemática es obtenida a través del análisis dimensional, y

sus factores y exponentes a través de la determinación experimental, se puede describir un fenómeno

como la convección, de estas expresiones participan los números adimensionales, que como se dijo

introducen la información que describe la situación.


35

3.2.1. Número de Nusselt (Nu).

Expresa la relación entre la transferencia de energía por convección y la transferencia que habría

únicamente por conducción bajo una situación dada en un fluido:

t

t

(3.1)

Es decir, un número de Nusselt alto significa que en la situación en análisis es predominante la

transferencia por convección. En el caso de Nu muy bajos la transferencia por conducción cobra

importancia, es el caso concreto de los metales líquidos.

Dos fluidos con diversas características pero que tienen igual Nu presentan similar comportamiento

en cuanto a las importancias relativas de la transferencia por convección y por conducción.

3.2.2. Número de Reynolds (Re).

Expresa la relación entre el valor de las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas en un dado fluido

en movimiento. Esta relación determina el tipo de escurrimiento (laminar o turbulento).

(3.2)

Altos valores de Re implican un escurrimiento turbulento. Las velocidades individuales de las

partículas tienen direcciones diversas, no coincidentes con la del escurrimiento, generando un

mezclado. Para bajo valores de Re el escurrimiento es laminar.

3.2.3. Número de Prandtl (Pr).

Es la razón de dos propiedades de transporte molecular, la viscosidad cinemática que afecta la

distribución molecular y la difusividad térmica que afecta el perfil de la temperatura. En otras

palabras es un número que relaciona la distribución de temperatura y la velocidad.

(3.3)


36

3.3. Coeficiente global de transferencia de calor.

Este coeficiente se define en términos de la resistencia térmica total para la transferencia de calor

entre dos fluidos.

Durante la operación normal de un intercambiador de calor, a menudo las superficies están

sometidas a la obstrucción por impurezas, formación de moho, u otras reacciones entre el fluido y el

material de la pared. Esta deposición forma una película o incrustación sobre la superficie y puede

aumentar en gran medida la resistencia a la transferencia de calor entre los fluidos. Este efecto se

puede tratar mediante la introducción de una resistencia térmica adicional, denominada factor de

impureza (o factor de ensuciamiento). Su valor depende de la temperatura de operación, velocidad

del fluido, y tiempo del servicio del intercambiador de calor.

Para los intercambiadores de calor tubulares, sin aletas, se tiene la siguiente ecuación:

(3.4)

(3.5)

Donde los subíndices i y o se refieren a las superficies interna y externa del tubo ( ,

) que se pueden exponer al fluido caliente o al frío.

El coeficiente global de transferencia de calor se puede determinar a partir del conocimiento de los

coeficientes de convección de los fluidos caliente y frio, de los factores de impureza y de los

parámetros geométricos apropiados, pudiéndose estimar de las correlaciones del flujo interno para

un cilindro.

3.4. Condiciones de flujo.

Considerando flujo laminar en un tubo circular de radio donde el fluido entra al tubo con

velocidad uniforme. Sabemos que cuando el fluido hace contacto con la superficie, los efectos

viscosos se vuelven importantes y se produce una capa limite al aumentar x (su distancia). Este

desarrollo ocurre a expensas de una región de flujo no viscoso que se contrae y concluye con la

unión de la capa limite en la línea central. Después de esta unión, los efectos viscosos se extienden

sobre toda la sección transversal y el perfil de velocidad ya no cambia al aumentar x. Entonces se


37

dice que el flujo está completamente desarrollado. Como se muestra en la imagen el perfil de

velocidad completamente desarrollado es parabólico para el flujo laminar en un tubo circular. En el

caso de flujo turbulento, el perfil es más plano debido a la mezcla turbulenta en la dirección radial.

Fig. 3.4. Desarrollo de la capa limite [4].

Cuando se trata con flujos internos, es importante conocer la extensión de la región de entrada, que

depende de si el flujo es laminar o turbulento. Lo cual el número de Reynolds para el flujo en un

tubo circular se tiene como:

(3.6)

donde es la velocidad media del fluido sobre la sección transversal del tubo y D es el diámetro

del tubo. En un flujo completamente desarrollado, el número de Reynolds crítico que corresponde al

inicio de turbulencia es

3.5. Velocidad media.

Como la velocidad varía sobre la sección transversal y no hay un flujo libre bien definido, es

necesario trabajar con una velocidad media cuando se trata con flujos internos. Esta velocidad se

define de tal manera que cuando se multiplica por la densidad del fluido y por el área de la sección

transversal del tubo proporciona el flujo de masa a través del tubo.

(3.7)


38

Para el análisis de condiciones de flujo turbulento se tiene una expresión para calcular el número de

Nusselt local para un flujo turbulento completamente desarrollado (hidrodinámica y térmicamente)

en un tubo circular a partir de la analogía de Chilton-Colburn la cual relaciona parámetros clave

como capaz límites de velocidad o hidrodinámica, térmica y de concentración donde se tiene:

t

2 ⁄ (3.8)

Donde:

t

t t t

t

Al sustituir en la ecuación anterior la analogía queda de la siguiente forma.

t

2 ⁄

2 (3.9)

Y sustituyendo para el factor de fricción la ecuación queda de la siguiente forma:

⁄ 1

⁄ (3.10)

Aunque esta ecuación sólo es aplicable para diferencias de temperaturas pequeñas a moderadas, con

todas las propiedades evaluadas en T.

Para flujos que se caracterizan por variaciones grandes de las propiedades, se utiliza la siguiente

ecuación:

⁄ 1

⁄

1 (3.11)

[

]

Donde todas las propiedades excepto se evalúan en T.


39

3.6. Diferencia de temperatura media logarítmica.

Para diseñar o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, es esencial relacionar la

transferencia total de calor con cantidades tales como las temperaturas de entrada y salida del fluido,

el coeficiente global de transferencia de calor, y el área superficial total para transferencia de calor.

Estas relaciones se pueden obtener fácilmente al aplicar balances globales de energía a los fluidos

caliente y frío.

Fig. 3.5. Balance global de energía para los fluidos caliente y frio de un intercambiador de calor [4].

Si es la transferencia total de calor entre los fluidos caliente y frío y hay transferencia de calor

insignificante entre el intercambiador de calor y sus alrededores, así como cambios de energía

potencial y cinética despreciables por la aplicación de un balance se obtiene:

( ) (3.12)

Y

( ) (3.13)

Donde:

I= entalpia del fluido

Los subíndices h y c se refieren a los fluidos caliente y frío, en tanto que i y o designan las

condiciones de entrada y salida del fluido. Si los fluidos no experimentan un cambio de fase y se

suponen calores específicos constantes, las expresiones se reducen a:

(T T ) (3.14)

Y

(T T ) (3.15)


40

Donde las temperaturas que se tienen en las ecuaciones se refieren a las temperaturas medias del

fluido en las posiciones que se señalan. Estas últimas dos ecuaciones son independientes del arreglo

del flujo y del tipo de intercambiador de calor.

Se puede obtener otra expresión útil al relacionar la transferencia de calor total q con la diferencia de

temperaturas T entre los fluidos caliente y frío donde:

T T T (3.16)

Con el uso del coeficiente global de transferencia de calor U en lugar del coeficiente de convección

h. Pero como T varía con la posición en el intercambiador de calor es necesario trabajar con una

ecuación de flujo de la forma

T (3.17)

Donde T es una diferencia de temperatura media. Esta ecuación se puede usar con las ecuaciones

(2.14 y 2.15) para llevar a cabo el análisis de intercambiador de calor. Pero antes de realizar dicho

análisis se debe establecer la forma específica de la T dependiendo del tipo de flujo a utilizar en

cada caso.

3.6.1. Intercambiador de calor de flujo paralelo.

La distribución de temperaturas caliente y fría asociadas con un intercambiador de calor de flujo

paralelo se muestra en la figura 2.6. La diferencia de temperaturas T es grande al principio pero

decae rápidamente al aumentar x, y se aproxima a cero de forma asintótica. Cabe señalar que, para

tal intercambiador, la temperatura de salida del fluido frío nunca excede la del fluido caliente. En la

figura los subíndices 1 y 2 designan los extremos opuestos del intercambiador de calor. Para un flujo

paralelo se tiene que:

T T 1 T T 2 T T 1 T T 2 (3.18)

La forma de T se determina mediante un balance de energía para elementos diferenciales en los

fluidos caliente y frio. Cada elemento es de longitud y area superficial de transferencia de calor

como se muestra en la figura. Los balances de energía y el análisis subsecuente están sujetos a

las siguientes suposiciones.


41

1. El intercambiador de calor está aislado de sus alrededores, en cuyo caso el único intercambio

de calor es entre los fluidos caliente y frío.

2. La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante.

3. Los cambios de energía potencial y cinética son despreciables.

4. Los calores específicos del fluido son constantes.

5. El coeficiente global de transferencia de calor es constante.

Fig. 3.6. Distribución de temperatura en flujo paralelo [4].

Los calores específicos pueden cambiar, como resultado de variaciones de temperatura, y el

coeficiente global de transferencia de calor también podría modificarse debido a variaciones en las

propiedades del fluido y condiciones de flujo. Sin embargo para esta aplicación la variación no es

significativa.

Al aplicar un balance de energía a cada uno de los elementos diferenciales de la figura se obtiene

que:

T T (3.19)

Y

T T (3.20)


42

Donde y son las capacitancias térmicas de los flujos caliente y frío. Estas expresiones se

pueden integrar a lo largo del intercambiador de calor para obtener los balances globales de energía

dados por las ecuaciones (3.14 y 3.15). La transferencia de calor a través del área superficial

también puede expresarse como

T (3.21)

Para determinar la forma integrada de la ecuación comenzamos por sustituir las ecuaciones en la

forma diferencial de la ecuación.

T T T (3.22)

Para obtener:

T (

) (3.23)

Al sustituir para de la ecuación (2.21), e integrar a lo largo del intercambiador de calor se

obtiene.

∫ T

T

2

1

(

)∫ 2

1

(3.24)

( T2

T1

) (

) (3.25)

( T2

T1

) (T T

T T

) (3.26)

[(T T ) (T T )] (3.27)

Al reconocer que para el intercambiador de calor de flujo paralelo de la figura 2.7, T1 T T

y T2 T T se obtiene entonces.

T2 T1

( T2 T1

) (3.28)


43

Al comparar la expresión con la ecuación se concluye que la diferencia de temperaturas promedio

apropiada es una diferencia de temperaturas media logarítmica T por lo que se puede escribir de

la manera:

T (3.29)

Donde se conoce que

T T2 T1

( T2 T1

) (3.30)

Recordando que para el intercambiador de flujo paralelo las temperaturas a utilizar vienen dadas de

la siguiente manera

[ T1 T 1 T 1 T T

T2 T 2 T 2 T T ] (3.31)

3.6.2. Intercambiador de calor en contraflujo.

Las distribuciones de temperatura de los fluidos caliente y frío asociadas con un intercambiador de

calor en contraflujo se muestran en la fig. 3.7 . En contraste con el intercambiador de flujo paralelo,

esta configuración mantiene transferencia de calor entre las partes más calientes de los dos fluidos

en un extremo, así como entre las partes más frías en el otro.

Fig. 3.7. Distribución de temperatura en contraflujo [4].


44

Por esta razón el cambio en la diferencia de temperaturas T T T con respecto a no es tan

grande en ningún lugar como lo es para la región de entrada del intercambiador en flujo paralelo.

Las ecuaciones se aplican a cualquier tipo de intercambiador de calor y por tanto se pueden usar

para el arreglo en contraflujo por lo cual el análisis anterior es igualmente utilizable lo que

demuestra que la ecuación de T también se aplica en este caso. Sin embargo para el

intercambiador en contraflujo las diferencias de temperaturas en los puntos de los extremos cambian

de la siguiente manera:

[ T1 T 1 T 1 T T

T2 T 2 T 2 T T ] (3.32)

|

CAPÍTULO IV

MEMORIA DE

CÁLCULO.

El cálculo del intercambiador de calor se divide en térmico el cual nos generara el

coeficiente total de transferencia de calor así como el área requerida, el cálculo hidráulico el cual debe cumplir con una caída de presión

solicitada y el cálculo mecánico que nos proporciona si el tubo a utilizar soportara las

presiones manejadas por los fluidos.

CAPÍTULO IV MEMORIA DE CALCULO.

46

México es un país en el cual la industria ha ido creciendo en los últimos años, por lo cual las

necesidades han cambiado y con ello la manera de satisfacerlas, aunque para cubrir algunas de ellas

es necesario importar equipos de otros países generando un mayor costo a causa de impuestos,

traslado, seguros, instalación, regalías, entre otros, a comparación de que si se fabricaran en el país.

La importancia de la fabricación de intercambiadores de calor en México radica en la necesidad que

se presenta dentro de la industria química, petrolera y en aquellas en las cuales se lleve a cabo la

transferencia de calor, teniendo su mayor aplicación al calentar, enfriar o recuperar calor entre dos

fluidos de un mismo proceso, dichas aplicaciones tienen como objetivo hacer más eficientes los

procesos en donde se van a aplicar al igual que generar un ahorro económico para la industria.

4.1. Criterios de diseño.

Para demostrar que los intercambiadores de calor fabricados en México serán más económicos que

los importados y de una excelente calidad se realizaran los cálculos térmicos, hidráulicos y

mecánicos con forme a los estándares más reconocidos en esta área. Basándose en las variables que

se pueden obtener al analizar el proceso en el cual se implementara el intercambiador de calor.

Las principales variables que se deben obtener para realizar el diseño son:

Fluido caliente: Temperatura de entrada, Temperatura de salida, Calor específico del fluido,

viscosidad cinemática, constante de conductividad térmica, gravedad especifica

Fluido frio: Temperatura de entrada, Temperatura de salida, Calor especifico del fluido,

viscosidad cinemática, constante de conductividad térmica, gravedad especifica.

El flujo másico de alguno de los fluidos.

Caída de presión permitida en las corrientes según se requiera en el proceso a implementar,

o en su defecto pueden ser datos requeridos directamente por el cliente.

Factor de obstrucción mínimo deseado según los fluidos que se manejen en el

intercambiador de calor, o en su defecto pueden ser datos requeridos directamente por el

cliente.

El diámetro y largo de tubos se debe proponer según sean los requerimientos del lugar en el

que se instalara adaptándose a las necesidades del cliente sin que esto intervenga con los

requerimientos solicitados.


47

De un proceso de refinación se obtiene 18000 ⁄ de gasolina ligera la cual se requiere enfriar de

una temperatura de 150 a 130°F calentando keroseno de 70 a 100°F para así aprovechar el calor

que ya no se necesita en el primer fluido mencionado, por ser los dos fluidos fracciones de petróleo

los requerimientos para el intercambiador de calor se obtendrán de tablas y normas ya

estandarizadas.

4.2. Cálculo Térmico.

1. Se realiza el cálculo de (diferencia de temperatura media logarítmica) para con ello

seleccionar el tipo de arreglo necesario a utilizar para el intercambiador de calor tipo doble

tubo.

Fluido caliente: Gasolina 56 °API.

1

2

Fluido frio: Keroseno 42 °API.

1

2

a) Flujo a contracorriente

b)Flujo paralelo

2 1

2 1

1 2 1

2 1 2

2 1

2 1

1 1 1

2 2 2

Para las mismas temperaturas de proceso, a flujo paralelo la temperatura media logarítmica es menor

0

100

200

1 2 3 4Tem

pe

ratu

ra °

F

Distancia recorrida en el IC DT "X"

Gasolina

Keroseno 0

100

200

1 2 3 4Tem

pe

ratu

ra °

F


Gasolina

Keroseno


48

que en flujo a contracorriente, por lo cual se selecciona el arreglo a contracorriente ya que en flujo

paralelo demandaría una mayor área de transferencia de calor.

Existen ciertas condiciones para poder emplear el medio aritmético de las temperaturas 1, 2 y 1,

2 en lugar de las temperaturas calóricas , para evaluar las propiedades físicas de los fluidos y

estas son:

1. La viscosidad en los extremos fríos de cada fluido debe ser menor que 1cp.

2. Si el rango de temperatura no excede de 50 a 100 °F.

3. Si la diferencia de temperaturas de la aproximación es menor de 50°F, por lo cual para

fluido no viscoso (

)

1

puede tomarse como 1.

Si no cumple 1 de las limitaciones antes mencionadas será necesario evaluar los fluidos utilizando la

temperatura calórica de cada fluido.

Fluido caliente: Gasolina 56 °API. Fluido frio: Keroseno 42 °API.

1

2

1

2

2. Se obtiene las propiedades de los fluidos evaluados con la temperatura del lado frio en cada

uno de ellos para corroborar que las condiciones se cumplan.

2

Ver ANEXO A [1]

1

Ver ANEXO A [1]

*No cumple limitación de viscosidad expuesto en el punto 1.

Rangos

1 2 1 2

Rangos

1 2 2 1

*Cumple límites de rango R= de 50 a 100°F expuesto en el punto 2.

Diferencias de temperaturas. Diferencias de temperaturas.


49

1 2 1

2 1 2

1 1 1

2 2 2

*No cumple límite de diferencia de temperaturas en los dos arreglos posibles ∆t ≤ 50 °F expuesto en

el punto3.

Por lo cual, al no haber cumplido una condición es necesario obtener la temperatura calórica de los

fluidos para evaluar sus propiedades.

3. Obtención de la temperatura calórica.

2 1 2 1 2 1

Donde es el factor de corrección de la temperatura calórica.

Para la obtención de es necesario conocer las diferencias de temperatura del lado caliente y del

lado frio y con ello obtener que representa la temperatura promedio del fluido. Después de ello es

necesario entrar a la tabla del anexo L.

Ver ANEXO L [1]

2 1

1 2

| |

Sustituyendo el factor de corrección en la siguiente ecuación se obtiene la temperatura calórica de

ambos fluidos.

0

50

100

150

200

1 2 3 4

Tem

pe

ratu

ra °

F


Gasolina

Keroseno0

50

100

150

200

1 2 3 4

Tem

pe

ratu

ra °

F


Gasolina

Keroseno


50

2 1 2

( )

1 2 1

( )

4. Lectura de propiedades evaluadas con las temperaturas calóricas obtenidas.

Ver ANEXO B [1]

Ver ANEXO C [1]

Ver ANEXO D [1]

Ver ANEXO E [1]

Ver ANEXO B [1]

Ver ANEXO C [1]

Ver ANEXO D [1]

Ver ANEXO E [1]

Se realiza el balance de materia y energía del sistema para la obtención del calor del sistema y el

flujo másico del keroseno.

1 2

2 1

2 1

5. Los diámetros de tubería para este tipo de intercambiadores de calor son propuestos según las

principales áreas de flujo utilizados y los arreglos más comunes se dan a conocer en el anexo M


51

[1] (únicamente para intercambiadores de calor de doble tubo).

Del anexo M [1] se seleccionó el arreglo de 2” x 1 ¼” de tubería comercial, obteniéndose las

siguientes áreas de flujo, con lo cual se evaluara el área de transferencia de calor necesaria. El

arreglo deberá cumplir con las condiciones para la caída de presión y dado el caso de que no cumpla

dichas condiciones se seleccionará otro arreglo.

Tubo comercial 1 1/4" ced 40

2

2 2

2

2 2

2 2

Tubo comercial 2" ced 40

(

2 2)

2 2 2

2

2 2

2 2

Con el área obtenida y la masa manejada del

fluido se procede a calcular el flujo másico.

2

2

Con el área obtenida y la masa manejada del

fluido se procede a calcular el flujo másico.

2

2

El flujo mayor se arreglará en el tubo interno.

En este apartado no se requiere del cálculo del

diámetro puesto que para la obtención del número

de Re se emplea el diámetro interno de la tubería

de menor diámetro.

El flujo menor se arreglará en el ánulo.

Se obtendrá un diámetro equivalente el cual es

requerido para el cálculo del número de Re

puesto que el fluido correrá en el ánulo.

2 2

2 2 2


52

Se calcula en número de Reynolds para obtener el

tipo de flujo que se tiene en la corriente interna.

Se calcula en número de Reynolds para obtener

el tipo de flujo que se tiene en la corriente

anular.

2

2

Cálculo del coeficiente de convección mediante la

utilización de los números adimensionales para el

fluido caliente: Gasolina 56°API.

Cálculo del coeficiente de convección mediante

la utilización de los números adimensionales

para el fluido frio: Keroseno 56°API.

1

⁄

1

⁄

2

1

⁄

1

⁄

2

2

2

6. Corrección por viscosidad, esta se realiza cuando no cumple con la condicion de que la viscocidad en la terminal fria debe ser menor o igual a 1 cp.


53

Se obtiene la temperatura de la pared exterior del tubo.

(

)

(

2

2

)

Con la temperatura de pared se evalua la viscosidad de cada fluido para obtener el factor de correccion por vicocidad y asi obtener el factor de conveccion real en cada corriente.

Fluido caliente: Gasolina 56 °API.

Ver ANEXO F [1]

(

) 1

(

)

1

(

)

2

2

(

)

2

2

Fluido frio: Keroseno 42 °API.

Ver ANEXO F [1]

(

) 1

(

)

1

(

)

2

2

7. Se realizará el cálculo del coeficiente total de transferencia de calor limpio con los factores

de convección corregidos.


54

(

2

)2

2

2

8. Se obtendrá el cálculo del coeficiente de transferencia de calor sucio.

∑

2

2

2

2

2

9. Se calculará el área de transferencia necesaria para que el intercambiador transfiera el calor

requerido en el sistema, de la cual se obtrendrá la longitud requerida.

2

2 2

2

10. Se realizará el cálculo del número de horquillas requeridas tomando en cuenta que las

longitudes recomendadas por algunos fabricantes son de 12, 15 y 20 pies. En este caso se empleo una longitud de tuberia de 20 pies para la transferencia de calor.


55

11. Se recalcula el área de transferencia de calor utilizando la longitud total de las dos horquillas, es decir, 80 pies y con ello obtener el coeficiente total real sucio de transferencia de calor.

2

2

2

2

∑

∑

2

2

12. Finalmente se obtiene el coeficiente de ensuciamento real con el coeficiente total de transferencia de calor sucio y limpio.

∑

2

(

2 )

2

2

2

2

13. Finalmente se puede observar que el coeficiente de ensuciamiento obtenido es mayor que el requerido, garantizando que no se vera afectada la transferencia de calor a corto plazo.

(

)


56

Nota: El cálculo térmico cumple con las especificaciones requeridas pues el coeficiente de

ensuciamiento es mayor al solicitado.

Tabla 4.1.Tabulación de los resultados representativos del cálculo térmico.

150 65.556

130 54.444

70 21.111

100 37.778

190800 55871.157

18000 8164.663

13250 6010.099

1.49571 0.0009650

1.19136 0.0007686

1732953.63 8461034.071

1601528.56 7819359.846

629.015 3566.515

323.5584 1834.576

523.0408 2965.641

199.8989 1133.427

133.2884 755.745

26.099 0.24246764

60.0547 18.305

80 24.384

100.058 567.873

0.005 0.000880989

0.0025 0.000440494

Sistema Inglés Sistema Internacional

⁄

⁄ ⁄

⁄ ⁄

2 2

2 2

2 ⁄ 2 ⁄

2 ⁄ 2 ⁄

2 ⁄ 2 ⁄

2 ⁄

2 ⁄

2 ⁄

2 ⁄

2 ⁄ 2 ⁄

2 ⁄ 2 ⁄

2 2

2 ⁄ 2 ⁄

∑ 2 ⁄ 2 ⁄

2 ⁄ 2 ⁄

1 2

1 2


57

4.3. Cálculo hidráulico.

1. En este apartado se evalúa el proyecto hidráulicamente para verificar que cumpla con los

requerimientos.

Fluido caliente: Gasolina 56 °API en tubo

Datos:

2

Esta ecuación describe la presión en función de

pies columna de fluido en la tubería recta.

2

2

2

2 2

2

2

Se obtienen el número de Reynolds para

conocer el tipo de flujo.

Fluido frio: Keroseno 42 °API en ánulo

Datos:

2

Esta ecuación describe la presión en función de

pies columna de fluido en la tubería recta.

2

2

2

2 2

2

2

Se obtienen el número de Reynolds para

conocer el tipo de flujo.

No se requiere de calcular otro diámetro puesto

que la corriente fluye dentro del tubo interior.

Se utiliza un diámetro equivalente puesto que

esta corriente fluye por el espacio anular, ver

página 134 de la bibliografía [1] para

diferenciar los diámetros equivalentes para

transferencia de calor y caída de presión.


58

2

2

El Factor de fricción es evaluado mediante el diagrama de Moody y la ecuación de Darcy

Weisbach “The CRC Handbook of Thermal Engineering” Págs. 2-44 á 2-48.

(

2 )2

2 (

)

2

(

2 )2

2 (

)

2

Se calcula la caída de presión en pies columna

de líquido que se presenta en las vueltas.

( 2

)

2

(

2

2

)

Se calcula la caída de presión en pies columna

de líquido que se presenta en las vueltas.

( 2

)

2

(

(

)

2

2 )

Se realiza el cálculo de la altura total, es decir la suma de la altura del tubo recto y las vueltas.


59

2

Fluido caliente: Gasolina 56 °API en tubo

Se calcula el peso específico de cada fluido

para con ello obtener la caída de presión en

PSI.

2

2

2

2

Fluido frio: Keroseno 42 °API en ánulo

Se calcula el peso específico de cada fluido

para con ello obtener la caída de presión en

PSI.

2

2

2

Nota: Cumple con las especificaciones hidráulicas requeridas para el proceso, las cuales son

que la caída de presión en los dos lados sea menor a 10 PSI.


60

Tabla 4.2. Tabulación de resultados representativos del cálculo hidráulico.

26.8175 8.173974

7.7814 2.37177072

10.7347 3.27193656

8.8183 2.68781784

3.5787 1.09078776

2.415 0.736092

30.3962 9.26476176

10.1964 3.10786272

9.4733 65316.1015

3.575 24648.7563

Sistema Inglés Sistema Internacional

⁄ ⁄

⁄ ⁄


61

4.4. Cálculo mecánico.

Para la evaluación mecánica del cambiador de calor tipo doble tubo se utilizó como referencia el

código ASME y de las normas de la asociación de manufactureros de intercambiadores de calor

tubulares TEMA.

Tubo comercial 1 1/4" ced 40

Gasolina

Tubo comercial 2" ced 40

Keroseno

Datos de tubería.

Temperaturas manejadas en cada tubería.

1

2

Temperatura de diseño para evaluar

propiedades del material.

Consideraciones de la temperatura del material

según:

TEMA RCB-1.41 y RCB-1.42

ASME UG-20 TEMPERATURA DE DISEÑO

La temperatura de diseño no debe exceder la

temperatura de 650 ° F (345 °C) ni bajar

menos de -20 ° F.

Datos de tubería.

Temperaturas manejadas en cada tubería.

1

1

Temperatura de diseño para evaluar

propiedades del material.

Consideraciones de la temperatura del material

según:

TEMA RCB-1.41 y RCB-1.42

ASME UG-20 TEMPERATURA DE DISEÑO

La temperatura de diseño no debe exceder la

temperatura de 650 ° F (345 °C) ni bajar

menos de -20 ° F.


62

Temperatura de diseño se encuentra en el

rango a utilizar.

Temperatura de diseño se encuentra en el rango

a utilizar.

Presión de operación lado tubo 90 PSI.

Revisar anexo N apartado RCB-1.21 TEMA y

anexo O, ASME UG-21 PRESION DE

DISEÑO.

La se refiere a la presión de calibración la

cual es utilizable cuando se conectan válvulas

de presión, tomando así en cuenta un margen

de sobrepresión para instrumentos certificados,

así como para instrumentos comerciales, en

este caso la será la utilizable para la

evaluación del espesor.

Usar

Presión de operación lado ánulo 100 PSI.

Revisar anexo N apartado RCB-1.21 TEMA y

anexo O, ASME UG-21 PRESION DE

DISEÑO.

La se refiere a la presión de calibración la

cual es utilizable cuando se conectan válvulas

de presión, tomando así en cuenta un margen

de sobrepresión para instrumentos certificados,

así como para instrumentos comerciales, en

este caso la será la utilizable para la

evaluación del espesor.

Usar

Se realiza el cálculo por presión interior.

Se utiliza el material ASTM A 106 Gr B, por

sus propiedades mecánicas satisfacen las

necesidades del proyecto.

Valor obtenido en la tabla UCS-23 código

ASME. Rangos de -20 @ 650 °F.

S= 17100 PSI

E=1 tubo extruido (sin costuras)

Se realiza el cálculo por presión interior.

Se utiliza el material ASTM A 106 Gr B, por

sus propiedades mecánicas satisfacen las

necesidades del proyecto.

Valor obtenido en la tabla UCS-23 código

ASME. Rangos de -20 @ 650 °F.

S= 17100 PSI

E=1 tubo extruido (sin costuras)


63

Para el cálculo del espesor es necesario revisar

ASME UG-27 y el APENDICE-1 ver anexo P.

Para el cálculo del espesor es necesario revisar

ASME UG-27 y el APENDICE-1 ver anexo P.

El espesor de envolventes sometidas a presión

interna no deberá ser menor que el calculado

con las siguientes formulas

( )

El espesor de envolventes sometidas a presión

interna no deberá ser menor que el calculado

con las siguientes formulas

( )

Para el factor de corrosión revisar

ASME UG-16 SECCIÓN DE CORROSIÓN

Para los recipientes en los que sea predecible el

desgaste por corrosión, la vida esperada del

recipiente será la que determine el margen y si

el efecto de la corrosión es indeterminado. Un

desgaste por corrosión de 5 milésimas de

pulgada por año (1/16 de in en 12 años) será

suficiente.

Se calcula el espesor nominal que es igual al

espesor calculado en la ecuación anterior más

la corrosión.

Para el factor de corrosión revisar

ASME UG-16 SECCIÓN DE CORROSIÓN

Para los recipientes en los que sea predecible el

desgaste por corrosión, la vida esperada del

recipiente será la que determine el margen y si

el efecto de la corrosión es indeterminado. Un

desgaste por corrosión de 5 milésimas de

pulgada por año (1/16 de in en 12 años) será

suficiente.

Se calcula el espesor nominal que es igual al

espesor calculado en la ecuación anterior más

la corrosión.

Se le aumenta un factor de 12.5% que es la

Se le aumenta un factor de 12.5% que es la


64

tolerancia de fabricación para tubería de línea.

Se realiza el cálculo del espesor real que se

tiene de la tubería seleccionada y restándole la

corrosión esperada.

Por lo que se puede concluir que el espesor

mínimo calculado ya con el factor de corrosión

cumple y tiene un considerable margen de

seguridad.

Obtenemos la presión máxima de trabajo

utilizando el espesor real menos el factor de

corrosión esperado.

(

)

Con lo anterior se puede concluir que el

espesor puede soportar mayor presión que la

presión de trabajo.

tolerancia de fabricación para tubería de línea.

Se realiza el cálculo del espesor real que se

tiene de la tubería seleccionada y restándole la

corrosión esperada.

Por lo que se puede concluir que el espesor

mínimo calculado ya con el factor de corrosión

cumple y tiene un considerable margen de

seguridad.

Obtenemos la presión máxima de trabajo

utilizando el espesor real menos el factor de

corrosión esperado.

(

)

Con lo anterior se puede concluir que el

espesor puede soportar mayor presión que la

presión de trabajo.


65

Cálculo por presión exterior.

Se supone una condición en vacío para la

condición crítica en el caso de que fallara la

bomba del fluido interno y con ello evitar que

se presente un fenómeno de aplastamiento

debido a la presión que se ejerce en el ánulo.

Para el cálculo por presión exterior revisar UG-

28.

in

Se obtienen las siguientes relaciones:

Para la condición

es necesario revisar

ASME UG-28 (c).

Donde la Presión se obtiene según las

siguientes ecuaciones.

(

)

Al obtener las relaciones nos centramos en la

figura ASME UGO-28 para obtener el factor A

Ver ANEXO G [5]


66

ASME UCS-28.2 para obtener los datos

faltantes requeridos para calcular la presión.

Ver ANEXO H [5]

Tabla 4.3. Tabulación de resultados representativos del cálculo mecánico.

180 82.2222222

130 54.4444444

99 682580.943

110 758423.27

123.75 853226.179

137.5 948029.088

0.00604956 0.00015366

0.00971089 0.00024666

0.06854956 0.00174116

0.07221089 0.00183416

0.077118 0.0019588

0.081237 0.00206342

1658.6357 11435890.1

1474.8184 10168514.5

0.0775 0.0019685

240 6.096

140 965265.98

971.084 6695388.21

Sistema Inglés Sisema Internacional

Presión interna

Presión externa

180 82.2222222

130 54.4444444

99 682580.943

110 758423.27

123.75 853226.179

137.5 948029.088

0.00604956 0.00015366

0.00971089 0.00024666

0.06854956 0.00174116

0.07221089 0.00183416

0.077118 0.0019588

0.081237 0.00206342

1658.6357 11435890.1

1474.8184 10168514.5

0.0775 0.0019685

240 6.096

140 965265.98

971.084 6695388.21

Sistema Inglés Sisema Internacional

Presión interna

Presión externa


67

4.5. Soldadura.

La eficiencia para soldadura en base a experiencia de los fabircantes de recipientes E=1 en cuerpo y

0.85 en tapas.

La selección de la eficiencia de la union cuando la junta esta radiografiada:

El tipo de union según UW-12 al 100% en cuerpo y 85% en la tapas ya que se utilizara por puntos.

Fig. 4.1. Eficiencia de soldaduras.


68

El procedimiento mas utilizado actualmente en la fabricacion de recipientes a presion es el de

soldadura.

Todas las soldaduras serán aplicadas mediante el proceso de arco eléctrico sumergido el cual puede

ser manual o automatico. En cualquiera de los dos casos debera tener penetración completa y se

deberá eliminar la escoria dejada por un cordón de soldadura, antes de aplicar el siguiente.

Con el fin de verificar si una soldadura ha sido bien aplicada se utilizan varias formas de inspeccion,

entre ellas está el de radiografo, prueba de liquidos penetrantes y algunas ocasiones ultrasonido.

Antes de aplicar cualquier soldadura en recipientes a presión, se debe preparar un procedimiento de

soldadura para cada caso, el cual nos indica la preparacion y el diametro del electrodo para cada tipo

y espesor de material. Las pruebas y procedimientos deben apegarse a las recomendaciones heschas

por el codigo ASME Seccion IX.

El material de aporte, de la soldadura, deberá ser compatible con el material base a soldar. Los

electrodos mas comúnmente utilizados para soldar recipientes a presión de acero al carbón, son el

6010 y el 7018.

Se deben de evitar los cruces de dos o más cordones de soldadura.La distancia mínima entre dos

cordones paralelos será de 5 veces el espesor de la placa, sin embargo cuando sea inevitable el cruce

de dos cordones, el codigo ASME recomienda radiografiar una distancia minima de 102 mm a cada

seccion.


69

Fig. 4.2. Símbolos para la representación de soldaduras.


70

Fig. 4.3 Símbolos graficos para representacion de soldaura.


71

4.5.1. Representación del intercambiador de calor.

El presente intercambiador de calor se ensamblo con los siguientes elementos.

Tubería 2 “ ced. 40

Tubería 1 1/4 “ ced. 40

Brida 2” acero clase 150

Reducción Bushing 2 X 1 ¼”

Codo 90° 1 ¼”

Tees 2”

Tuerca unión 1 ¼”

Fig.4.4. Representación del intercambiador de calor ensamblado.


72

Fig. 4.5. Vista frontal del intercambiador de calor.

CAPÍTULO V

ANÁLISIS

ECONÓMICO

El análisis económico abarca el costo total del proyecto que comprende el costo

de los materiales, el costo de ingeniería y el costo de mano de obra, para con ello verificar así la viabilidad que se tiene

para realizarlo.

CAPÍTULO V ANÁLISIS ECONÓMICO

74

En el presente capitulo se dan a conocer los costos aproximados del proyecto tomando en cuenta la

experiencia del asesor del proyecto así como bibliografía sobre evaluación de proyectos.

La estimación de costos del proyecto, presenta un pronóstico de los gastos que pueden incurrir en la

manufactura del producto.

5.1. Costos de materiales.

Estas se refieren al costo de los componentes que constituyen el proyecto las cuales se enlistan a

continuación:

Tabla 5.1. Costos de materiales.

Material Tamaño EspecificacionU. medida Cantidad $/unidad Total Empresa

Tubo 2 inS/C 106 Gr B

C40metros 25 $148 3700 TREVISA

Tubo 1 1/4 inS/C 106 Gr B

C40metros 26 $89 2314 TREVISA

Tees 2 in ASTM 234 pieza 8 $60 480 TREVISA

Codo 1 1/4 in 90 ASTM 234 pieza 6 $25 150 TREVISA

Reducción

bushing2-1 1/4 in Acero al carbón pieza 8 28.11 224.88 RIBSA

Tuerca unión 1 1/4 in Acero al carbón pieza 6 169.24 1015.44 TREVISA

Fibra de

vidrio ASJDiámetro 2 in Espesor 1 in

Medias cañas

de 91 cm de

longitud

30 $91 2730POLIPRODUCTOS

TÉRMICOS

Lámina de

aluminio lisoCalibre 26 piezas 29 $75 2175

POLIPRODUCTOS

TÉRMICOS

Brida 2 inWelding neck

150#piezas 2 $139 278.68 TREVISA

Soldadura3/16

diámetroAWS E 7018 kg 3 $33.19 99.57 ESAB

Total 13167.57

Total mas

16% IVA 15274.38


75

5.2. Costos de ingeniería.

Los costos de ingeniería se refieren al precio de la mano de obra del ingeniero (diseño cálculos y

dibujos) los cuales se miden en Horas-Hombre ing.

El presente proyecto abarco un periodo de 2 semestres aproximadamente, lo que equivale a 12

meses de los cuales se trabajó una hora diaria efectiva, pero a lo cual también debemos de restar los

días que pudieron ser de ocio a causa de días festivos y así como tomar en cuenta que

esencialmente se utilizó solo un semestre para la realización de los cálculos.

Con lo cual:

Tenemos 120 horas de las cuales le restaremos 20 horas por días festivos que se hayan presentado

dejando como tal 100 horas efectivas.

Según estudios del observatorio laboral de México a partir del 1 de Enero de 2013 el ingreso

promedio mensual de un ingeniero mecánico recién egresado es de $ 13 000.00 M.N., para jornadas

laborales de 8 horas por día [12] (consultado el 25 de octubre de 2013) con lo cual se puede

establecer que el salario por hora de un ingeniero mecánico recién egresado es de:

Con lo anterior se obtiene el costo de ingeniería:

Puesto que el proyecto se llevó acabo por dos ingenieros el costo total asciende a:


76

5.3. Costos de mano de obra.

El costo de mano de obra se refiere a la inversión necesaria para ensamblar los componentes del

proyecto, tomando en cuenta que debe de ser por personal técnico calificado.

El presente proyecto se estima su ensamble en una semana con un horario de 8 horas al día tomando

en cuenta 6 días efectivos. Considerando la colocación del aislamiento.

De acuerdo a la experiencia del asesor y la dificultad del proyecto se hace referencia a que el

ensamble del intercambiador será realizado por un técnico (soldador), un ayudante general y un

técnico en trazo y corte y otro técnico para la colocación del aislamiento.

La Secretaria de Trabajo y Previsión Social a través de la Comisión Nacional de Salarios Mínimos a

partir del 1º de Enero de 2013 establece que el salario mínimo para un técnico calificado(soldador)

es de $93.26, para un técnico calificado $90, para un ayudante general el salario es de $84.75, todos

para una jornada laboral de 8 horas al día[13] ( consultado el 25 de Octubre de 2013) por tanto se

establece que el salario por hora de trabajo para un técnico calificado es de $11.65, y para un

ayudante general es de $10.59 y para el técnico calificado de $11.25.

Con lo anterior se puede estimar el costo de mano de obra teniendo en cuenta así:


77

5.4. Costo total del proyecto.

El costo total del proyecto de ingeniería es la suma de los elementos antes calculados.

Precio total del intercambiador de calor con aislamiento.

Costo del equipo tomando el 30% del costo total.

5.5. Evaluación del intercambiador de calor con y sin aislamiento.

Los intercambiadores de calor sin aislamiento tienden a perder energía al medio ambiente lo cual se

ve reflejado a largo plazo en pérdidas monetarias por lo que es necesario colocar un aislamiento que

disminuya estas pérdidas en mayor medida posible.

5.5.1. Perdida de calor del intercambiador sin aislamiento.

Se calcula la perdida de calor que puede tener el intercambiador si no se recubre con algún tipo de

aislante, con lo cual hay pérdida de energía y así mismo se refleja en pérdidas monetarias.

Nota: Para facilidad los cálculos de la pérdida de calor sin aislamiento y con aislamiento se harán en

Sistema internacional de unidades.

Cálculo del Intercambiador de calor sin aislamiento.

Datos del sistema.

1

Longitud del tubo= 6.096 m

Calor total del sistema


78

1. Cálculo del flujo de calor.

Fig. 5.1. Perfil del tubo exterior, es decir el de 2 pulgadas sin aislamiento.

Ecuación para el flujo de calor.

1

Donde:

1

Donde K= 49.8 W/m °C (constante de conductividad del material para aceros al carbón-

silicio en un rango de temperatura de 400 K), obtenido del anexo I [4].

Cuando las superficies son lisas como en este caso se usa la siguiente ecuación para obtener

el coeficiente de convección para el área de la película de aire.

2

2

2

2


79

2. Cálculo de las resistencias a oponerse.

Cálculo de la resistencia interior debido a la película de fluido.

2

Cálculo de la resistencia 1 debida al material del tubo.

1

2

1

Cálculo de la resistencia exterior debido a película de aire.

2

Suma de resistencias

3. Cálculo del calor fugado del sistema (un tubo) de mayor temperatura al de menor

temperatura.

1


80

El valor del calor calculado se obtuvo con signo negativo ya que es calor perdido del sistema

4. Cálculo de tasa de transferencia de calor en las 4 tuberías.

| |

| |

5. Tasa de pérdida de calor, referenciándolo al calor total menos la tasa de transferencia de

las tuberías.

6. Tasa porcentual.

Porcentaje perdido de calor en el sistema

Cálculo del costo de energía perdida al año del intercambiador sin aislamiento.

Los cargos fijos de la energía en la región central por la Comisión Federal de Electricidad (CFE)

son de

Costo de la energía anual=

2

1

1


81

5.5.2. Pérdida de calor del I.C. con aislamiento.

Se calcula la perdida de calor que puede tener el intercambiador con recubrimiento (aislante), con lo

cual la pérdida de energía debe de disminuir así como también las perdidas monetarias por la

energía fugada, con esto último se debe analizar si es viable realizar el aislamiento de la tubería con

el fin de que la inversión se recupere.

Cálculo del Intercambiador de calor con aislamiento.

Datos del sistema.

Longitud del tubo= 6.096 m

Calor total del sistema

1. Cálculo del flujo de calor.

Fig. 5.2. Perfil del cambiador de calor con aislamiento.

𝑘1

𝑘2 𝑘

𝑇𝑎𝑚𝑏

𝑇𝐾


82

1 2

Dónde:

1

2

2

2

2

Cálculo de resistencias a oponerse en el flujo de calor.

Resistencia por película de fluido.

2

2

Resistencia por pared de casco.

Donde 1= 49.8 W/m °C (constante de conductividad del material para aceros al carbón-silicio en

un rango de temperatura de 400 K), Ver ANEXO I [4].

1

2

1

2

1

Resistencia por aislamiento (Vitroform ASJ plus) espesor 1 in Ver ANEXO J, obtenido de catálogo.

2

2

2


83

Donde 2 es la constante de conductividad del material ver anexo J.

2

2

2

2

2

Dónde:

2

Resistencia por acabado (lamina de aluminio calibre 26 espesor 0.5 mm).

Donde = 186 W/m °C (constante de conductividad del material para aleación de aluminio) ver

ANEXO K [4], para aleaciones de aluminio en un rango de temperatura de 400 K.

2

2

2

2

Resistencia por película de aire.

2

2

2

Suma de resistencias.

1 2


84

Cálculo del flujo de calor perdido.

Tasa de calor transferido en total de los peines (las 4 tuberías).

24.384 m

Tasa porcentual.

Costo de energía pérdida.

Los cargos fijos de la energía en la región central por la Comisión Feder al de Electricidad (CFE)

son de

Costo de la energía anual=

2

1

1


85

5.5.3. Comparación de datos obtenidos.

Con los datos obtenidos en el punto 4.5.1 y 4.5.2 se puede visualizar la diferencia de perdida de

energía que se tiene en el intercambiador de calor, lo cual en las siguiente grafica se puede percibir

de una manera más clara.

Fig. 5.3. Energía perdida al año.

Fig. 5.4. Costo de la energía perdida.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Sin aislamiento Con aislamiento

Energia perdida al año en KW

Energia perdida al año en KW

$0.00

$5,000.00

$10,000.00

$15,000.00

$20,000.00

$25,000.00

$30,000.00

$35,000.00

$40,000.00

$45,000.00

Sin aislamiento Con aislamiento

Costo de la energia perdida al año

Costo de la energia perdida alaño


86

Con lo anterior se puede observar el ahorro importante tanto de energía como de dinero en efectivo

que se tendrá al año si se utiliza aislamiento en el intercambiador de calor, también llegando a la

conclusión que en menos de un año se pagara el costo del material del aislante así como de su

instalación.

Puesto que como se puede observar el ahorro de dinero es:

Con lo que se puede observar la viabilidad del proyecto para su instalación.

CONCLUSIONES

87

Conclusiones.

Los intercambiadores de calor son equipos utilizados para incrementar la eficiencia de un proceso,

reduciendo a su vez el costo que tendría si estos equipos no se utilizaran, ya que sería obligatorio

emplear otros sistemas como lo son calderas para la generación de vapor el cual ayudaría a

incrementar la temperatura de algún fluido, o por el contrario utilizar plantas de bombeo para enfriar

los fluidos que salen del proceso a altas temperaturas, todo esto genera perdida de calor lo cual

significa perdida de dinero. En el desarrollo del proyecto se hizo la comparación de las pérdidas en

el intercambiador de calor sin aislamiento perdiendo el 3.79 % del calor total que se aprovecha,

generando a su vez un costo de durante un año, lo cual se puede observar que es

una pérdida considerable y a largo plazo sería un total despilfarro de dinero, por otro lado si se

utiliza algún recubrimiento que impida la perdida de energía, la tasa porcentual se reduce al 0.27 %,

con un costo de que comparándolo con la anterior perdida se refleja una gran

diferencia, y si se toma en cuenta el costo total del intercambiador de calor se puede dar uno cuenta

que la recuperación de la inversión se logra en 1 año con dos meses. Con lo cual se puede verificar

la viabilidad del proyecto y a largo plazo generara ganancias necesarias para el mantenimiento del

equipo y/o reemplazo.

La fabricación del equipo será en México, puesto que si se requiriera comprar uno con las mismas

características en el extranjero considerando que costara lo mismo, su precio aumentaría

considerablemente por factores como los impuesto que se pagan en la aduana, tales impuestos son:

el IGI (impuesto general de importación), el DTA (derechos de trámite aduanero), el IVA y regalías

sumándole a ello el costo del transporte del producto y el seguro del producto por mencionar

algunos.

NOMENCLATURA

88

Nomenclatura.

Sistema Internacional Sistema Inglés

Coeficiente total de transferencia

de calor (L=limpio; s=sucio)

2 ⁄

T

t2

Coeficientes de transferencia

de calor por convección

2 ⁄

T

t2

L = Longitud Ft

= Conductividad térmica ⁄

T

t2 t

Densidad

t

t

Velocidad ⁄ t

⁄

Diametros t

Viscosidad dinámica 2

t

= Calor especifico T

Número de Nusselt Adimensional Adimensional

Número de Reynolds Adimensional Adimensional

Número de Prandt Adimensional Adimensional

= Áreas (t=tubo; a=ánulo) 2 t2

=Área por unidad de longitud 2

t2

t

Factor de incrustación 2

t2

T

Resistencia total al flujo de calor 2

t2

T

Radio t

= Velocidad media ⁄ t

⁄

= Área transversal 2 t2

Gasto másico

NOMENCLATURA

89

t Número de Stanton Adimensional Adimensional

T1 T2 t1 t2= Temperatura de fluidos caliente

y frio °F

T t = Temperatura calórica de fluidos

caliente y frio °F

Flujo de calor KJ T

=Entalpia T

T Diferencia de temperatura

Adimensional Adimensional

t t

2

T

t

t t 3.1416 3.1416

Adimensional Adimensional

Temperatura promedio del fluido Adimensional Adimensional

Factor de temperatura calórica Adimensional Adimensional

gravedad especifica Adimensional Adimensional

Flujo masico 2 t2

gravedad (0= del lugar) 2 t 2

factor de fricción Adimensional Adimensional

presión de altura m columna de liquido ft columna de liquido

diferencia de presión Pa psi

presión (c=calibración) Pa psi

t espesor (n= con factor de

corrosión, rn=más el 12.5 % por tolerancia

de fabricación, r= real)

m in

T presion máxima de trabajo Pa Psi

costo de la energía $M.N. $M.N.

Nota: Los subíndices i y o se refieren a las superficies interna y externa del tubo, así como los

subíndices h y c se refieren a el lado caliente y el lado frio en los tubos.

GLOSARIO

90

Glosario.

Anulo. Parte delimitada por el diámetro exterior del tubo interno y el diámetro interior del tubo

externo.

Balance de energía. El balance de energía es un principio físico fundamental al igual que la

conservación de masa, que es aplicado para determinar las cantidades de energía que es

intercambiada y acumulada dentro de un sistema.

Calor. El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que

componen un cuerpo.

Capacitancia térmica. Cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de una

sustancia

Cople. Casquillo que se utiliza para unir dos tubos.

Coraza. Elemento estructural hecho para circundar un espacio. La mayoría de los cascos son

generados por la revolución de una placa plana.

Corrosión. Erosión química causada por agentes con o sin movimiento. Es la destrucción gradual

de un metal o aleación debido a procesos químicos como la oxidación o a la acción de un agente

químico.

Destilación. Proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles

pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en

forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una

mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los

materiales volátiles de los no volátiles.

Estoperos (prensaestopas). Aro de material absorbente que rodea los vástagos de los grifos,

válvulas y acoplamientos, para evitar fugas. Generalmente es regulable.

Fluido. Sustancia cuyas moléculas presentan gran movilidad y se desplazan libremente debido a la

poca cohesión existente entre ellas: los fluidos (es decir, los líquidos y los gases) adoptan la forma

del recipiente que los contiene.

GLOSARIO

91

Flujo laminar. Las partículas se desplazan siguiendo trayectorias paralelas, formando así en

conjunto capas o láminas de ahí su nombre, el fluido se mueve sin que haya mezcla significativa de

partículas de fluido vecinas.

Flujo turbulento. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy

altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas.

La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o por la

existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades.

Oxidación. Desprendimiento de escamas de los metales, es el fenómeno que ocurre a altas

temperaturas y cuando hay entrada de aire.

Presión de diseño. Presión que se usa para determinar el espesor mínimo permitido o las

características físicas de las diferentes partes del depósito (tubo)

Presión de operación. La presión a la que está sometido normalmente el tubo y que se localiza en la

parte superior, no debe exceder de la presión máxima de trabajo permitida.

Sistema termodinámico. Se define como la parte del universo que es el objeto de estudio. Un

sistema termodinámico puede ser una célula una persona, el vapor de una maquina etc.

TEMA. Asociación de Manufactureros de Intercambiadores Tubulares

Temperatura. La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que

este contiene o puede rendir).

Transferencia de calor. Proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos

cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

Tubos en stock. Se le conoce a si al conjunto de tubos que se tienen en un intercambiador de calor

de coraza y tubo.

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calor_Cantidad.html

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

92

Referencias bibliográficas.

[1] Procesos de transferencia de calor, Donald Q. Kern, Ed. Grupo patria cultural.

[2] Applied process design for chemical and petrochemical plants, volume 3, Ernest E. Ludwig,

Originally published by Gulf Publishing Company, Houston, TX.

[3] Transferencia de calor y masa, Yunus A. Cengel, Ed. Mc Graw Hill.

[4] Fundamentos de Transferencia de calor, Frank P. Incropera, Ed. Pearson Education.

[5] Código ASME sección VIII.

[6] Manual TEMA novena edición, 2007.

[7] Handbook of Thermal Engineering “Handbook Series for Mechanical Engineering” Editado por

Frank Kreith.

[8] Mecánica de los fluidos, Víctor L. Streeter Ed. Mc Graw Hill.

[9] Mecánica de fluidos, Robert L. Mott 6ta Edición, Pearson Education, México 2006.

[10] Pressure vessel design manual, Dennis R. Moss, Gulf Professional Publishing.

[11] Manual de recipientes a presión diseño y calculo, Eugene F. Megyesy, Limusa Noriega

Editores.

Referencias electrónicas.

[12] http://www.observatoriolaboral.gob.mx/ola/content/common/reporteIntegral/busquedaReporte.j

sf;jsessionid=40201b1c0df0734f38acffbb7a49

[13] http://www.conasami.gob.mx/nvos_sal_2013.html

http://www.observatoriolaboral.gob.mx/ola/content/common/reporteIntegral/busquedaReporte.jsf;jsessionid=40201b1c0df0734f38acffbb7a49

http://www.observatoriolaboral.gob.mx/ola/content/common/reporteIntegral/busquedaReporte.jsf;jsessionid=40201b1c0df0734f38acffbb7a49

http://www.conasami.gob.mx/nvos_sal_2013.html

ANEXOS

93

ANEXOS

ANEXOS

94

ANEXO A Viscosidades para gasolina a temperatura de 130°F y keroseno a 70°F.

ANEXOS

95

ANEXO B Viscosidades para gasolina a temperatura calórica de 140.2 °F y keroseno a 85.3°F.

ANEXOS

96

ANEXO C Calores específicos a la temperatura calórica obtenida.

ANEXOS

97

ANEXO D Conductividad térmica de gasolina y keroseno.

ANEXOS

98

ANEXO E Gravedades específicas de gasolina y keroseno evaluados a la temperatura calórica.

ANEXOS

99

ANEXO F Para la viscosidad a utilizar para la corrección por viscosidad utilizando la temperatura de la pared

del tubo.

ANEXOS

100

ANEXO G Obtención del factor A, aproximadamente 0.0026.

ANEXOS

101

ANEXO H Obtención del factor B se tomó un valor de 15600.

ANEXOS

102

ANEXO I Conductividad térmica del acero SA 106 GR B.

ANEXOS

103

ANEXO J Conductividad térmica del aislante VITROFORM ASJ.

Co

nd

uctivid

ad t

érm

ica

a la

te

mp

erat

ura

de

trab

ajo

ANEXOS

104

ANEXO K Conductividad térmica del aluminio.

ANEXOS

105

ANEXO L Factor de corrección de temperatura calórica.

ANEXOS

106

ANEXO M

ANEXOS

107

ANEXO N

Recomendaciones para presión de diseño según TEMA.

ANEXOS

108

ANEXO O

ANEXOS

109

ANEXOS

110

ANEXO P

Utilizar la ecuación del 1-1.

intercambiador doble tubo

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