01 noviembre 2011

Diseño de camisas para recipientes a presión



El revestimiento depósitos es un método excelente en términos de calidad de la eficiencia, el control y el producto. Se puede utilizar en todos los líquidos así como con vapor y otros circulando a alta temperatura.  La temperatura y la velocidad de los medios de transferencia de calor puede ser controlada con precisión.
Los diferentes tipos de camisas utilizados en la industria de proceso son:


1.       Camisas espiral en forma de deflector / Camisas convencionales
2.       Camisas con perforaciones.
3.       Serpentines de tubería parcial / Camisas con perforaciones
4.       Tipo de panel / Camisas con serpentines de tipo placa.
Los medios más comúnmente usados para transferir calor incluyen agua, vapor (varias presiones), aceite caliente (tal como Therminol) y vapor Dowtherm.
Acoplando tipos de camisas para transferir calor
Agua: Dependiendo de la temperatura del proceso, las grietas de corrosión por tensiones puede ser a veces una preocupación debido a los cloruros usualmente encontrados en el agua. Las camisas con perforaciones requieren el uso de aleaciones de alto contenido de níquel, que son muy caras. Los serpentines de media tubería pueden usar acero al carbono con un espesor de ¼ para el revestimiento, pero su economía en comparación con las camisas convencionales debe tenerse en consideración. Con servicios que incluyen grandes volúmenes de agua (se usan para mantener una diferencia de temperatura alta) la chaqueta convencional por lo general ofrece la mejor solución.
Vapor de agua: Tanto las camisas con medio serpentín como las perforadas son bien convenientes con el vapor a alta presión. Las camisas perforadas están generalmente limitadas a presiones de diseño de 300 psig mientras que las camisas con medio serpentín pueden usarse con presiones de diseño de hasta 750 psig. Para las camisas con serpentines de media tubería, la tasa de flujo de calor más alta puede requerir múltiples secciones de camisas para evitar tener condensado cubriendo demasiada área de transferencia de calor. Para las camisas convencionales de servicios de vapor a baja presión hay muchas elecciones más económicas.
Aceites calientes y fluidos de transferencia de calor: Aunque las presiones son usualmente bajas cuando se usan fluidos de transferencia de calor o aceite, las temperaturas son usualmente altas. El resultados son unos valores de tensión bajos para el material del interior del recipiente. Por lo tanto las camisas con de media tubería y las perforadas pueden proporcionar buenas soluciones. Las camisas convencionales requieren una mayor expansión a lo largo de las uniones de expansión para eliminar las tensiones inducidas por la diferencia en la expansión térmica cuando la camisa no está fabricada por el mismo material.
Vapores Dowtherm: La capacidad para variar la distancia entre las paredes del recipiente exterior e interior hace las chaquetas convencionales ideales para manejar Dowtherm. Asimismo ya que el vapor Dowtherm tiene baja entalpía (1/10 de la del vapor) se necesita un gran espacio de camisa para un flujo de calor dado. Si usamos como referencia de diseño el código ASME, el máximo espacio permitido está limitado por la sección UA-104, párrafo c y s.
Camisas convencionales
Las camisas convencionales pueden dividirse en dos categorías: Con o sin deflector. Las camisas con deflector a menudo utilizan lo que se spirally wound bafle. El bafle consiste en una franja metálica alrededor de la pared del recipiente desde la entrada de la instalación de la camisa a la salida de la instalación. El deflector dirige el caudal en una trayectoria en espiral con una velocidad del fluido de 1-4 ft/s. Los métodos de fabricación no permiten pérdidas internas pequeñas o bypass alrededor del deflector. Generalmente, el caudal en bypass puede exceder 1/3 a ½ del caudal de circulación total.
Las camisas con deflectores convencionales usualmente se aplican con pequeños recipientes usando altas temperaturas donde la presión interna es más de dos veces la presión de la camisa.
Las camisas con deflectores en espiral están limitadas a una presión de 100 psig debido a que el espesor de la pared del recipiente es más grande y la transferencia de calor en gran medida se reduce. En el caso de un reactor de aleación, puede dar como resultado un recipiente muy costoso. Para las aplicaciones de alta temperatura, el diferencial de expansión térmica debe considerarse cuando se eligen materiales para el recipiente y camisa.
Coeficientes de transferencia de calor
(hj De / k) = 1.02 (NRe) 0.45 (NPr) 0.33 (De/ L) 0.4 (Djo/ Dji) 0.8 (NGr) 0.05
Donde:
  • hj = Coeficiente de transferencia de calor local del lado de la chaqueta.
  • De = Diámetro hidráulico equivalente.
  • DRE = Número de Reynolds.
  • NPr = Número de Prandtl.
  • L = Longitud del paso de la camisa.
  • Djo = Diámetro exterior de la camisa.
  • Dji = Diámetro interior de la camisa.
  • NGr = Número de Graetz


El número de Reynolds se define como:

Donde D es el diámetro equivalente, V es la velocidad del fluido,

es la densidad del fluido, µ es la viscosidad del fluido.


El número de Prandtl se define como:
NPr = C / k
Donde Cp es el calor específico, µ es la viscosidad, y k es la conductividad del fluido.
El Número de Graetz se define como:
NGr = (m Cp) / (k L)
Donde m es el caudal másico, Cp es el calor específico, y k la conductividad térmica, y L es la longitud de paso de la camisa.
El diámetro equivalente se define como:
De = Djo-Dji para el flujo laminar
De = ((Djo)2 - (Dji)2)/Dji
Para el flujo turbulento.
Camisas convencionales con deflectores
Para camisas convencionales con deflectores, lo siguiente puede usarse para calcular el coeficiente de transferencia de calor.
hj De/k= 0.027(NRe)0.8 (NPr)0.33 (µ/µw)0.14 (1+3.5 (De/Dc) ) (Para NRe > 10000)
hj De/k = 1.86 [ (NRe) (NPr) (Dc/De) ] 0.33 (µ/µw)0.14 ( For NRe < 2100 )
Dos nuevas variables se introducen. Dc se define como el diámetro de la línea central del paso de la camisa. Se calcula como
Dji + ((Djo-Dji)/2)
La viscosidad en la pared de la camisa se define ahora como µw. Cuando calculando los coeficientes de transferencia de calor, se tomará un caudal másico efectivo de 0.60 x caudal másico para considerar el bypass sustancial que se espera. De se define como el espaciamiento de camisas 4x. El área transversal del caudal se define como el espacio del espacio del deflector x espaciamiento de la camisa.
Coeficientes de transferencia de calor: Camisas de serpentines de media tubería
Las camisas de serpentines de media tubería  se fabrican con ángulos de 180º o 120º (Dci):
Para un ángulo central de 180 º: Diámetro de transferencia de calor, De = 0,708Dci
El área de la sección transversal, Ax = 0,154 (Dci2)
Usando la misma nomenclatura previa, los coeficientes de transferencia de calor se calculan como sigue:
hj De/ k= 0.027(NRe)0.8 (NPr)0.33 (µ/µW)0.14 (1+3.5 (Dc/De) ) (For NRe>10,000)
hj De/ k = 1.86 [ (NRe) (NPr) (Dc/De) ] 0.33 (µ/µW)0.14 (For NRe<2,100)
No debe confundirse Dci con Dc, Dc se define como Dji + ((Djo-Dji)/2).
Radio hidráulico de las camisas de serpentín de media tubería

Con relación a la figura anterior:

Camisas perforadas y serpentines de placas
El diseño de camisas perforadas permite la construcción de metales de medidas ligeras sin sacrificar la resistencia requerida para resistir la presión especificada. Esto da como resultado un considerable ahorro de costes comparado con las camisas tradicionales. El cálculo de diseño comienza con una velocidad de caudal asumida entre 2 y 5 ft/s. Como norma general la presión de la camisa estará gobernando cuando la presión interna del recipiente sea menor de 1,67 veces la presión de la camisa.
En tales condiciones, las camisas perforadas son típicamente más económicas que otras elecciones. Sin embargo en recipientes pequeños (menos de 10 galones) no es práctico aplicar camisas perforadas.
Coeficientes de transferencia de calor: Camisas perforadas
hj Do/k= j (NRe) (NPr)0.33 (Para 1000 < NRe < 50 000)
Donde
j = 0.0845 (w/x)0.368 (Amin/Amax)-0.383 NRe-0.30
  •  w = distancia de centro a centro entre perforacion
  • x = distancia de centro a centro entre perforaciones paralelas al caudal
  • (w/x) es igual a uno por el espaciamiento al cuadrado como a menudo es el caso.


Do = (d1 + d2)/2 Amin = z (w-Do) Amax = zw
Todas las otras variables son como se han definido anteriormente.
Caída de presión: Camisas perforadas
La pérdida de presión en una camisa puede estimarse con la siguiente ecuación para fluidos similares al agua:

 La estimación anterior se usará para velocidades que van de 1,5 a 6 ft/s
Bibliografía
Jacketed Vessel Design.  Cheresources
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