Ejercicio intercambiadores de carcasa y tubos.

Un flujo de 30000 kg/h de alcohol etílico (Cp=3840 J/Kg K) se necesita enfriar a 78°C a 44°C.  Se tiene disponible un intercambiador (1:2) consistente en 35 tubos de cada paso. Los tubos son de acero inoxidable (λ= 19 W/m K), de 33 mm de diámetro externo, 26 mm de diámetro interno y tienen una longitud total de 15 m considerando ambos pasos. Se dispone de agua de enfriamiento (Cp= 4179 J/Kg K) a 9°C y un flujo de 24665 g/h.

1. Calcule la temperatura de salida del agua de enfriamiento.  Dibuje un diagrama temperatura-entalpia del sistema con sus respectivas etiquetas.

Balance de entalpia

-Qp(alcohol)=Qg(agua)

-(30000 Kg)(3840 J/Kg K)(44-78)=(24665 Kg)(4179 J/Kg K)(T2 – 282.15 K)

T2=320.15 K ≈ 47°C

[pic 1]

[pic 2]

Los cambiadores de carcasa y tubos son los más empleados en la industria. El patrón de flujo es una  mezcla de contracorriente  y  paralelo, es la componente del flujo perpendicular a los tubos la que contribuye en mayor medida a la transferencia de calor.

1. El agua se hace fluir dentro de los 35 tubos. El área seccional de cada tubo es 5.309x10-4 m2. Muestre que el coeficiente de transferencia de calor en el lado de los tubos es de alrededor de 1700 W/m2 K. Encuentre valores apropiados de las propiedades termo-físicas del agua en tablas de vapor.

Calculando el Reynolds:

G=  =368.72[pic 3][pic 4]

Re=  = 11478.383[pic 5][pic 6]

Interpolando el prandtl de las tablas de propiedades del agua

Pr=5.708

Utilizando la siguiente correlación de Dittus-Boelter  

[pic 7]

[pic 8]

[pic 9]

[pic 10]

1. El valor del coeficiente convectivo del lado de la carcasa es 900 W/m2 K, y el valor de los factores de ensuciamiento en cada lado del tubo es 0.00018 m2K/W cada uno. Calcule el coeficiente global de transferencia de calor basado en el área exterior de los tubos.

U limpio= =  = 505.46999[pic 11][pic 12]

Rf= -        Rf=0.00018[pic 13][pic 14]

= 1.978356x10-3+0.00018[pic 15]

 Limpio = 463.3154 W/m2 K[pic 16]

1. Use una gráfica adecuada del factor de corrección Ft y calcule el área total de transferencia de calor necesaria. ¿Será adecuado el intercambiador de calor disponible para esta carga de calor?

[pic 17]

[pic 18]

[pic 19]

[pic 20]

[pic 21]

[pic 22]

[pic 23]

[pic 24]

[pic 25]

Como la longitud requerida es de 33.09474 y la propuesta por el problema es de 15 m se concluye que el intercambiador de calor no va a funcionar. Además Ft = 0.75 es menor que 0.8 por lo cual es termodinámicamente inoperable y se necesitaría utilizar varios intercambiadores interconectados.

1. Use un diagrama -NUT para un intercambiador (1:2) y determine si el intercambiador puede proveer la carga para el enfriamiento de la corriente de etanol. [pic 26]

Capacidad térmica del flujo caliente:

[pic 27]

Capacidad térmica del flujo frío: 

[pic 28]

Puesto que C>c, entonces cmin=c

[pic 29]

Donde

[pic 30]

[pic 31]

[pic 32]

En la gráfica ε -Nut se encuentra ε= 48%

[pic 33]

Comparando las ε, se deduce que no se puede proveer el calor de enfriamiento ya que la ε encontrada en la gráfica es menor a la requerida.

1. ¿Cómo sería el desempeño del intercambiador si no hubiera ensuciamiento?

Coeficiente global sin suciedad

[pic 34]

[pic 35]

[pic 36]

[pic 37]

[pic 38]

En la gráfica ε -Nut se encuentra ε= 48%

Se concluye que el intercambiador tendrá más eficiencia así trabajara como sucio.

...