15 enero 2014

Técnicas de diseño de intercambiadores de calor (2ª PARTE)


Ver 1ª PARTE

Diseño de tubos
El cálculo de tubos es bastante directo, ya que el flujo en el lado de los tubos representa un caso simple de caudal a través de un conducto circular. El coeficiente de transferencia de calor y la caída de presión varían con la velocidad en el lado del tubo, la segunda más fuertemente. Un buen diseño hará mejor uso de la caída de presión permitida, ya que producirá el coeficiente de calor más alto.
Si todo el fluido en el lado de los tubos fluye a través de todos los tubos (un pase de tubos), llevará una cierta velocidad. Usualmente, esta velocidad no es aceptablemente baja y por lo tanto tiene que incrementarse.
Coeficiente de transferencia de calor
El coeficiente de transferencia de calor es una función del número de Reynolds, el número de Prandtl, y el diámetro del tubo. Estos pueden descomponerse en los siguientes parámetros fundamentales: propiedades físicas (viscosidad, conductividad térmica, y calor específico); diámetro del tubo; y, muy importante, velocidad másica.
La variación en la viscosidad del líquido es bastante considerable: así, esta propiedad física tiene el efecto más dramático en el coeficiente de transferencia de calor.
La ecuación fundamental para la transferencia de calor turbulenta en el interior de los tubos es:

La viscosidad influye en el coeficiente de transferencia de calor de dos formas opuestas – como un parámetro del número de Reynolds, y como un parámetro del número de Prandtl. Así tenemos:

En otras palabras, el coeficiente de transferencia de calor es inversamente proporcional a la viscosidad a la potencia 0,47. Similarmente, el coeficiente de transferencia de calor es directamente proporcional a la conductividad térmica a la potencia 0,67.
Estos dos hechos llevan a algunas interesantes generalidades sobre la transferencia de calor. Una alta conductividad térmica promueve un alto coeficiente de transferencia de calor. Así, el agua de refrigeración (conductividad térmica de alrededor de 0,55 kcal/hmºC) tiene un coeficiente de transferencia de calor extremadamente alto de típicamente 6000 kcal/hm2ºC, seguido por líquidos hidrocarbonados (conductividad térmica entre 0,08 y 0,12 kcal/hmºC) a 250 – 1300 kcal/hm2 ºC, y luego los gases hidrocarbonados (conductividad térmica entre 0,08 y 0,12 kcal/hmºC) a 250-1300 kcal/hmºC, y luego gases hidrocarbonados (conductividad térmica entre 0,02 y 0,03 kcal/hmºC) a 50-500 kcal/hmºC.
El hidrógeno es un gas inusual, debido a que tiene una conductividad térmica excepcionalmente alta (mayor de la de los líquidos hidrocarbonados). Así, su coeficiente de transferencia de calor está en el límite superior del rango para líquidos hidrocarburos.
El rango de los coeficientes de transferencia de calor para los hidrocarburos líquidos es bastante grande debido a la gran variación de su viscosidad, desde menos de 0,1 cP para el etileno y propileno hasta 1.000 cP para la mayoría de los betunes. La gran variación en los coeficientes de transferencia de calor de los gases de hidrocarburos es atribuible a la gran variación en la presión de operación. Cuando la presión de operación se eleva, la densidad del gas se incrementa. La caída de presión es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad de la masa e inversamente proporcional a la densidad. Por lo tanto, para la misma caída de presión, una velocidad másica superior puede mantenerse cuando la densidad es más alta. Esta velocidad másica mayor se traslada a un coeficiente de transferencia de calor más alto.
Caída de presión
La velocidad másica influye fuertemente en el coeficiente de transferencia de calor. Para el caudal turbulento, el coeficiente de transferencia de calor del lado del tubo varía a la potencia 0,8 de la velocidad másica del lado de los tubos, mientras que la caída de presión del lado de los tubos varía con el cuadrado de la velocidad másica. Así, incrementando la velocidad másica, la caída de presión se incrementa más rápidamente de lo que hace el coeficiente de transferencia de calor. Consecuentemente, hay una velocidad másica óptima por encima de la cual será un derroche incrementar más la velocidad másica.
Además, las velocidades muy altas originan erosión. Sin embargo, la limitación de la caída de presión usualmente se controla antes de que se alcance la velocidad erosiva. La mínima velocidad del líquido recomendada en el interior de los tubos es 1,0 m/s, mientras que el máximo es 2,3 – 3,0 m/s.
La caída de presión es proporcional al cuadrado de la velocidad y la longitud total de desplazamiento. Así, cuando el número de pasadas de tubos se incrementa para un número dado de tubos y un caudal del lado de tubo dado, la caída de presión se eleva al cubo de este incremento. En la práctica actual, la elevación es algo menor debido a factores de fricción menores en número de Reynolds más alto, de forma que el exponente sería aproximadamente 2,8 en vez de 3.
La caída de presión en el lado de los tubos se eleva profundamente incrementando el número de pasadas de tubo. Consecuentemente, a menudo ocurre que para un número dado de tubos y dos pasadas, la caída de presión es mucho más baja que el valor permitido, pero con cuatro pases se excede la caída de presión permitida. Si en tales circunstancias tiene que emplearse un tubo estándar, el diseñador puede ser forzado a aceptar una velocidad bastante baja. Sin embargo, si el diámetro del tubo y su longitud pueden variarse, la caída de presión permitida puede ser mejor utilizada y se admite una mayor velocidad en el lado de los tubos.
Los siguientes diámetros de tubos son habitualmente usados en la industria química de procesos: 3/8, ½, 5/8, ¾, 1, 1 ¼, De estas, ¾” y 1 “ son las más populares. Los tubos más pequeños que ¾ “ no se usarán si hay riesgo de fouling. El uso de tubos de pequeño diámetro, tales como ½” se usará para intercambiadores de calor con áreas de transferencia de calor menores de 20 – 30 m2.
Es importante entender que debe respetarse la caída de presión total máxima para un chorro. La distribución de la caída de presión en varios intercambiadores de calor para un chorro dado en un circuito particular puede ser variada para obtener una buena transferencia de calor en todos los intercambiadores de calor. Consideremos un chorro de líquido caliente a través de varios intercambiadores de calor. Normalmente, se permite una caída de presión de 0,7 kg/cm2 por carcasa. Si hay cinco intercambiadores de calor de precalentamiento, se permitirá una caída de 3,5 kg/cm2 para el circuito. Si la caída de presión a través de estos dos intercambiadores de calor es de sólo 0,8 kg/cm2, el balance de 2,7 kg/cm2 estará disponible para los otros tres.
Bibliografía:

Effectively Design Shell-and-Tube Heat Exchangers. February 1998. Chemical Engineering Progress
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