Banco De Tubos

Banco de tubos en tresbolillo – Ejercicio de diseño

Jorge E. Barrera Villarreal

Rolnan J. Gil Araújo

Departamento de Ingeniería Mecánica

Universidad del Atlántico

Kilómetro 7, Antigua Vía Pto Colombia

Barranquilla, Colombia

jor-bavil2906@hotmail.com

rogil_92@outlook.com

RESUMEN

Teniendo en cuenta el sistema de tubos en tresbolillo para los intercambiadores de calor se aplicaron las fórmulas necesarias para el hallazgo del calor trasferido por cada tubo, es se realizó con determinados datos dados por el docente a cargo, y basándonos en un nuevo calor trasferido por unidad de longitud, se va a reconfigurar todo el sistema, en realidad sólo los parámetros de D (diámetro), NL (Número de filas), NT (Número de tubos por fila) ST y SL (distancia transversal y longitudinal entre tubos respectivamente).

Se desarrollará un problema de diseño de un banco de tubos escalonado, donde se desea que haya una transferencia de calor de 2 KW/m, variando parámetros geométricos del mismo y conservando unas limitaciones de espacio estipuladas.

Para darle solución a este problema se utilizó la herramienta solver de Excel, desarrollamos un programa de cálculo del flujo de calor con las ecuaciones y las consideraciones apropiadas y al final variamos los parámetros geométricos q fueron necesarios para adquirir el resultado deseado.

INTRODUCcIOn

(Wilbur.1985), señala que mientras existe una enorme variedad de las características específicas de diseño que se manejan en los intercambiadores de tubo y coraza, el número de componentes básicos es relativamente pequeño; así mismo hace la siguiente descripción de estos y sus características.

El intercambiador térmico más simple es aquel en el cual los fluidos frío y caliente se mueven en iguales u opuestas direcciones en un tubo concéntrico. Cuando los flujos tienen iguales direcciones se le denomina flujo paralelo, en este caso ambos fluidos entran por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y abandonan el equipo por el extremo opuesto; en el caso contrario, flujos en direcciones opuestas, se le conoce como contracorriente, los fluidos frío y caliente entran por extremos opuestos y salen por extremos opuestos.

Otra configuración, la que nos ocupa en nuestro caso, son los intercambiadores de tubo y coraza. Estos difieren de los demás en el número de corazas, de tubos y pasos de tubos, además de poseer otros aditamentos como los deflectores, que tienen un objetivo específico dentro del equipo.

Los tubos, A en la figura 1, son los componentes básicos de los intercambiadores de tubo y coraza, proveen la superficie de transferencia de calor entre el fluido que fluye por dentro del tubo y otro fluido que fluye a través del exterior de los mismos. Los tubos se construyen sin costura o soldados a lo largo de la superficie. Los materiales más empleados son aceros de bajo contenido de carbono, aceros de bajas aleaciones, aceros inoxidables, cobre, cobre-níquel, aluminio (en forma de aleaciones), titanio, y otros materiales para aplicaciones específicas.

Los tubos pueden ser lisos o con pequeñas aletas en la superficie exterior. Estas aletas son usadas cuando el fluido en el lado de la coraza tiene un coeficiente de transferencia de calor mucho menor que el del lado de los tubos.

Los tubos son arreglados en un patrón regular, usualmente uno de los mostrados en la figura 2. Estas configuraciones están caracterizadas por la relación de distancia de centro a centro de tubos adyacentes con respecto al diámetro del tubo. Un pequeño valor de esta relación significaría un gran valor del área de transferencia por unidad de volumen.

Nomenclatura

Q ̇⁄L : Calor transferido por unidad de longitud. Unidades [kW/m]

m ̇ : Flujo másico del aire. Unidades [kg/s]

S_T , S_L ,S_D : Distancia transversal, longitudinal y diagonal entre tubos respectivamente. Unidades [m]

N_L: Número de filas.

N_T: Número de tubos por filas.

D: Diámetro de tubo. Unidades [m].

T_i: Temperatura de entrada del aire. Unidades [°C]

T_w: Temperatura de pared de los tubos. Unidades [°C]

V: Velocidad del aire. Unidades [m/s]

L: Longitud de cada tubo. Unidades [m]

ρ: Densidad del aire. Unidades [kg/m3]

Cp: Calor específico del aire. Unidades [J/kgK]

k: Conductividad térmica. Unidades [W/mK]

μ: Viscosidad. Unidades [kg/ms]

Pr: Número de Prandtl.

〖Pr〗_w: Número de Prandtl a la temperatura de pared.

V_máx: Velocidad máxima del flujo. Unidades [m/s]

Re: Número de Reynolds.

Nu: Número de Nusselt.

C: Factor de corrección.

〖Nu〗_C: Nusselt corregido.

h ̅: Coeficiente de transferencia de calor por convección. Unidades [W/m2K]

A: Área superficial. Unidades [m2]

T_out: Temperatura de salida del aire. Unidades [°C]

∆TLM: Diferencia de temperatura media logarítmica. Unidades [°C]

Q ̇: Flujo de calor transferido. Unidades [W]

ECUACIONES

S_d=√(〖S_T〗^2+(S_L/2)^2 ) (1)

V_máx=(S_T/(S_T-D))V →2(S_D-D)>(S_T-D) (2)

Re=(V_máx ρD)/μ (3)

Nu=0,35(S_T/S_L )^0,2 〖Re〗^0,6 〖Pr〗^0,36 (Pr/〖Pr〗_w )^0,25→S_T/S_L >2 (4)

〖Nu〗_C=NuC (5)

h ̅=(〖Nu〗_C k)/D (6)

A=πDLN_L N_T (7)

m ̇=ρVLS_T N_T (8)

T_out=T_w-(T_w-T_in ) e^(-(h ̅A)/(m ̇Cp)) (9)

∆TLM=(∆T_in-∆T_out)/ln⁡((∆T_in)/(∆T_out )) (10)

Q ̇=h ̅A∆TLM (11)

Q ̇=m ̇Cp(T_out-T_in ) (12)

Q ̇⁄L=Q ̇/(LN_T N_L ) (13)

DESCRIpCIóN DEL SISTEMA

Intercambiador de calor con tubos escalonados o en tresbolillo

La ubicación de los tubos en tresbolillo (figura 3) o en escalones es un diseño muy eficiente debido a que el fluido que pasa a través de ellos está en contacto con un área superficial más grande.

La situación presente en este documento muestra la configuración en tresbolillo de un intercambiador y pide que teniendo un flujo de calor por unidad de longitud (de cada tubo) se reconfiguren los datos inicialmente dados. Los pasos a seguir para hallar el flujo de calor por unidad de longitud (2kW/m) son los presentados a continuación:

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