Proyecto Final Serpentin [PDF]

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INTERCAMBIADOR DE CALOR – SERPENTIN SUMERGIDO Galan Acosta Jenny Paola1; Escobar Páez Laura Marcela2; Cárdenas Torres Laura Daniela3 Trabajo Presentado Para Termoquímica II Docente: Yovanny Morales Universidad Jorge Tadeo Lozano. 1, 2,3,

Ingeniería Química, Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería, Ingeniería Química. 24 de Noviembre 2015 RESUMEN

En el presente trabajo, se presenta el contexto general y el diseño de un intercambiador de calor tipo serpentin sumergido, a lo largo de la investigación hecha y de los cálculos previamente presentados se busca analizar el comportamiento de los fluidos en el intercambiador en este caso, el petróleo y el agua; tomando en cuenta las condiciones del sistema operado y los diferentes factores que influyen en él. Por otro lado el objetivo principal se plantea como el estudio del diseño de dicho intercambiador, buscando unos parámetros diferentes a los visto durante las clases. Finalmente se profundizara en él y se planteara una propuesta de aplicación a nivel industrial que sea acorde al diseño realizado. Palabras claves: diseño, intercambiador, serpentin, petróleo, agua, aplicación

ABSTRACT In this paper, the general context and the design of a type heat exchanger coil immersed occurs, throughout the research done and the calculations previously presented are assessment of the behavior of fluids in the heat exchanger in this case, oil and water; taking into account the conditions of the operated system and the different factors that influence it. On the other hand, the main objective is presented as the study said exchanger design, looking to different parameters seen during class. Finally, it will deepen the proposed application and industrial level that is appropriate to the design made to be raised. Keywords: design, exchanger coil, oil, water, application

MARCO TEORICO 1. DEINICIÓN Bajo la denominación general de intercambiadores de calor, o simplemente cambiadores de calor, se engloba a todos aquellos dispositivos utilizados para transferir energía de un medio a otro, sin embargo, en lo que sigue se hará referencia única y exclusivamente a la transferencia de energía entre fluidos por conducción y convección, debido a que el intercambio térmico entre fluidos es uno de los procesos más frecuente e importante en la ingeniería. “Un intercambiador de calor es un dispositivo que facilita la transferencia de calor de una corriente fluida a otra”

1.1 TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor puede transmitirse de tres maneras. Puesto que el calor es la energía de la actividad molecular, una forma simple de transferencia del mismo, denominada conducción, será la comunicación directa de la energía molecular a través de una sustancia por medio de colisiones entre sus moléculas. Los metales contienen electrones "libres", que hacen de ellos buenos conductores de la electricidad; estos electrones contribuyen también poderosamente a la conducción del calor, por esto, los metales son magníficos conductores térmicos.  Conducción: La cantidad de calor que fluye a través de un cuerpo por conducción depende del tiempo, del área a través de la cual fluye, del gradiente de temperatura y de la clase de material.  Convección: La transferencia de calor por corrientes de convección en un líquido o en un gas, está asociada con cambios de presión, debidos comúnmente a cambios locales de densidad. Un aumento de temperatura en un fluido va acompañado por un descenso de su densidad.  Radiación: La transferencia de calor por radiación no requiere ningún medio material intermedio en el proceso. La energía se traslada desde la superficie del sol hasta la tierra, donde es absorbida y convertida en energía calorífica. La energía emitida por un filamento de lámpara eléctrica atraviesa el espacio entre filamento y bulbo aunque no tenga ningún gas en su interior.

1.2 TIPOS DE INTERCAMBIADORES Figura 1.

 Intercambiadores de calor de serpentines y chaqueta Son cambiadores de calor sencillos empleados para calentamiento o enfriamiento, se usan mucho como parte de los alambiques, los reactores y las ollas de cocción. Los cambiadores de calor de serpentín y de chaqueta están por lo general provistos de equipo de agitación para mejorar los coeficientes. Como en los otros cambiadores ya vistos la ecuación general de diseño es: 𝑄 = 𝑈𝑜 𝐴𝑜 ∆𝑇𝐼𝑛

 Serpentines Son tubos arrollados en espiral que se colocan en el interior de los tanques a los que se desea calentar o enfriar. Por lo general por el interior del serpentín se introduce el agua de enfriamiento o el vapor de calentamiento.

𝑈𝑂 =

1 1 𝑥 𝐷𝑜 𝐷𝑜 + 𝑅𝑑𝑜 + + 𝑅𝑑𝑖 𝐷𝑖 ℎ𝑜 𝑘𝑤 𝐷𝑊𝑚

El coeficiente interno hi, dependerá del fenómeno que se produzca, que en general está dado por: a) Convección forzada sin cambio de fase. b) Convección con cambio de fase (Condensación)  Serpentines sumergidos Los serpentines sumergidos son ampliamente utilizados en la industria para calentar líquidos confinados en tanques. Para el calentamiento por lo general se emplea vapor de agua y los serpentines se colocan ya sea en el piso del recipiente o a los lados. Figura 2.

Serpentín para colocarse en el fondo de un tanque.

INTRODUCCION Este es un de los métodos más simples y económicos de obtener superficie tanto para enfriamiento como para condensación. Una serie de tubos se conectan mediante conexiones estándar y se someten en tanque de concreto o madera con agua que circula respecto a los tubos. Enfriadores de este tipo son de valor considerable cuando el fluido caliente es corrosivo o erosivo como sucede cuando arrastran partículas abrasivas. Los cálculos para el lado del tanque son, naturalmente, solo aproximados, pero ya que el agua fluye en el tanque, no es la resistencia limitante, excepto cuando el serpentín se usa para condensar vapor de agua.

2. CARACTERISTICAS DEL INTERCAMBIADOR 2.1DIFERENCIA DE TEMPERATURA EN EL ENFRIADOR DE SERPENTIN SUMERGIDO Puesto que el flujo de agua por fuera del serpentín es casi exclusivamente a lo largo del eje de los tubos, la verdadera diferencia de temperatura depende del arreglo de los tubos. El tanque usualmente se arregla para un solo paso. Si los tubos se conectan mediante un cabezal en cada extremo y con un solo paso, de manera que el fluido

dentro del tubo este en contracorriente con el agua, la verdadera diferencia de temperatura está dada por MLTD .Si los tubos se conectan por codos a 180° en un arreglo de múltiple paso, la trayectoria de flujo puede traerse como un flujo contracorriente paralelo, aplicando la corrección para el intercambiador 1-2 siempre que el líquido dentro del tanque se mezcle razonablemente en todos los puntos de la longitud de los tubos. Para arreglos a flujo cruzado se puede obtener una corrección correspondiente del a figura#1 o #2, siempre y que cualquiera de estos tipos de flujo se aplique. Los coeficientes para el lado del tubo pueden obtenerse de la figura #3.

Fig. #2: Factor de corrección de la diferencia media de temperatura para un trombón en espiral de dos pasos. Fig. #1: Factores de Corrección y diferencia de Temperatura

2.1COEFICIENTES E TRANSFERENCIA DE CALOR EN TANQUES O CANALETAS Los coeficientes de transferencia de calor en tanques o canaletas usualmente son difíciles de evaluar. No hay arreglos convencionales y solo pocos datos hay publicados para este tipo de equipo. En instalaciones donde no se cuenta con deflectores, gran parte del agua de enfriamiento entra en corto circuito entre el serpentín y las paredes del recipiente. Debido a la baja velocidad del agua con que generalmente se cuenta, los serpentines tienden a taparse a gran velocidad debido al crecimiento de algas y mohos y otro tipo de incrustaciones. El uso de grandes factores de obstrucción es un requisito no solamente desde el punto de vista de la obstrucción, si no como un medio de proveer un factor adicional de seguridad .Se debe evitar factores de obstrucción menores de 0.01 en cuyo caso el máximo valor del coeficiente total de diseño será menor de 100. De ordinario hay espacio libre considerable en la sección transversal del tanque o canaleta, de manera que la velocidad lineal del agua sobre el serpentín puede ser extremadamente pequeña. A velocidades extremadamente pequeñas el coeficiente del tanque se aproximara al de convección libre de tubo a agua. Para estimar el coeficiente mínimo posible puede usarse la fig. #4. Sin embargo si hay cualquier forma de distribución del agua, no debe dudarse en usar algún múltiplo del valor obtenido de la fig. #4.

Fig. #4: Convección libre fuera de tubería y tubos

2.1 LODOS Y SUSPENSIONES Los serpentines hechos con tubos se están haciendo muy comunes en los procesos catalíticos modernos. El catalítico es a menudo un polvo finamente dividido que forma un lodo o suspensión con el líquido de acarreo. Debido a la posibilidad de que el sólido se asiente, los lodos se desplazan a altas velocidades para mantener turbulencia y la posibilidad de que el sólido se asiente, los lodos se desplazan a altas velocidades para mantener turbulencia y la posibilidad de que los sólidos se separen en los codos se minimizan usando conexiones de diseño aéreo dinámico. Muchas suspensiones son extremadamente erosivas, los sólidos tienen acción abrasiva sobre el metal, y en este respecto los serpentines de tubos son ideales, puesto que es posible usar tubo de acero doble extra pesado en la construcción del serpentín .Si la erosión continua, causa contaminación seria del producto o envenena el catalítico, es posible usar aleaciones fabricando la tubería de acuerdo con las dimensiones IPS. Muy a menudo se dispone de datos separados respecto al líquido de acarreo y al sólido y no cuando forman una suspensión. Con un lodo es muy común considerar el coeficiente de película controlante, aquel que existe entre el líquido y la pared del tubo. La trasferencia de calor del líquido a las partículas del catalítico se considera que no ofrece una resistencia apreciable. El coeficiente de película puede consecuentemente calcularse para la carga térmica combinada de la manera convencional usando la siguiente ecuación:

O la figura #5 teniendo como base las propiedades de del líquido solo, excepto por la viscosidad. La presencia del solido cambia la viscosidad. La presencia del solido cambia la viscosidad del líquido de una manera apreciable, puesto, que a bajas concentraciones, algunos tienden a absorber grandes cantidades de líquido aumentado grandemente la viscosidad. Otros solidos parecen estar solo superficialmente mojados y no cambian la viscosidad. Otros solidos parecen estar solo superficialmente mojados y no cambian la viscosidad significativamente. En el uso de arcillas y catalíticos similares pueden suponerse que la concentración de 2 a 3 lb de solidos por galón de mezcla no aumenta la viscosidad del líquido más de 100% y este valor sugiere en ausencia de datos de viscosidad real. Ecuación #1 1

ℎ𝑖∗ 𝐷 𝐷𝐺 𝐶𝜇 𝐷 3 𝜇 = 1,86 ∗ [( ) ∗ ( ) ∗ ( )] ∗ ( )0,14 𝑘 𝜇 𝐾 𝐿 𝜇𝑤 Grafica #5 : Curva de Transferencia de calor lado de tubos

1. CALCULO DE UN SERPENTIN ENFRIADOR SUMERGIDO PARA LODOS 1.1 ENUNCIADO Un catalítico usado sale del recipiente de reacción como un lodo disperso en petróleo cuyas propiedades corresponden a gasoil de 28°API. La arcilla está dispersa a razón de 1 lb/gal. Entra al serpentín sumergido a 675°F y sale a 200°F. La viscosidad de la mezcla a 400°F es 2.3 centipoise. El flujo combinado es 33100lb/h y el enfriamiento se efectuara, mediante agua de bajo contenido mineral de 120 a 140 °F. La longitud del tubo será de 24pies de largo y de 3pulg de diámetro de acero grueso. 1.2 DATOS INICALES DEL PROBLEMA Tabla #1: Datos fluidos CARACTERISTICAS DE LOS FLUIDOS Viscosidad (CP) 2,3 Viscosidad (b/pie2*h) 5,566 Ti petróleo 675 To petróleo 200 Ti Agua 120 To Agua 140 Flujo másico petróleo 33100 Flujo másico Agua 503120 Cp. (petróleo) 0,64 Cp.(Agua) 1

Tabla #2: Datos tubería CARACTERISTICAS TUBERIA Largo 24 Diámetro 3 Material Acero extra grueso conductividad

1.3 SUPOCISIONES INICIALES 1. El fluido Caliente será enviado por los tubos, en este caso se hace referencia al Petróleo. 2. El fluido frio se enviara por el tanque (Agua)

1.4 CALCULO Q 𝑞 = 𝑀𝑝𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒𝑜 ∗ 𝐶𝑝−𝑝𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒𝑜 ∗ (𝑇𝑖 𝑝𝑒𝑡𝑟𝑜𝑒𝑙𝑜 − 𝑇𝑜 𝑝𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒𝑜 ) 𝐸𝑐(2)

𝑚ℎ =

𝑞𝑝𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒𝑜 𝐶𝑝−𝐴𝑔𝑢𝑎 ∗ (𝑇𝑖 𝑎𝑔𝑢𝑎 − 𝑇𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 )

Tabla#3: Valores de Q y Mh CALCULO Q 10062400

Calculo Mh 503120

1.5 CALCULO ΔTML Puede suponerse que una corriente lleva todo el líquido de la tubería si se trata de un flujo cruzado o un flujo paralelo –contracorriente, no se ha derivado las relaciones de verdadera diferencia de temperatura entre ellos. Un caso muy relacionado al del serpentín de tubos se tratara para el enfriado de trombón de dos o más pasos. De cualquier forma la verdadera diferencia de temperatura será casi la misma que MLTD, puesto que las temperaturas se salida de ambas corrientes no son muy cercanas y las temperaturas promedio son muy distintas. ∆𝑇𝑀𝐿 =

∆𝑇𝑖 − ∆𝑇𝑜 ∆𝑇 𝑙𝑛 ∆𝑇𝑜 𝑖

𝐸𝑐(3)

1.6 CALCULOS PARA EL FLUIDO CALIENTE Inicialmente se calculara por medio de los datos del Petróleo ya que es nuestro fluido caliente: 

Se inicia tomando el valor para el área de flujo del tubo el cual se determina por medio de tablas de la siguiente figura : Figura #6: Dimensiones de tubería de Acero

Según el valor reportado en la figura: 𝑝𝑢𝑙𝑔2 𝑎𝑡 = 6.61 𝑡𝑢𝑏𝑜 Y se realiza la conversión ya que los valores se están trabajando en unidades de sistema internacional 𝑝𝑢𝑙𝑔2 𝑎𝑡 = 6.61 = 0,0459𝑝𝑖𝑒𝑠 2 𝑡𝑢𝑏𝑜 

Determinado el área de flujo en los tubos se determina la velocidad de la masa : 𝑙𝑏 33100 𝑚𝑝𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒𝑜 𝑙𝑏 ℎ = 721089,2587 = 2 𝑎𝑡 𝑝𝑒𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒𝑜 0,0459 𝑝𝑖𝑒𝑠 ℎ ∗ 𝑝𝑖𝑒𝑠 2

𝐸𝑐(4)



La viscosidad se da a 400°F que es la suficiente para este cálculo estimado en el enunciado y con un valor de 2,3 Centipoise. Por ende se realiza la conversión para el manejo las unidades. 𝑙𝑏 2,3 ∗ 2,42 = 5,56 𝑝𝑖𝑒 ∗ ℎ



Para estimar el Diámetro se obtiene de la figura #6 , mostrada anteriormente, y también es necesario realizar la conversión de unidades : 2,9𝑝𝑢𝑙𝑔 = 0,242 𝑝𝑖𝑒𝑠 12



Se realiza el cálculo del Re petróleo con la siguiente ecuación: 𝐷∗ 𝐺𝑡 𝜇



=

𝑙𝑏 ℎ∗𝑝𝑖𝑒𝑠2

0,242𝑝𝑖𝑒𝑠 ∗ 721089,2587 5,56

𝑙𝑏 𝑝𝑖𝑒∗ℎ

= 31308,52273

Ec(5)

Obteniendo el valor de Re poemos estimar en la siguiente grafica el valor para Jh: Grafica #6: coeficientes de transferencia de calor para serpentines

Obteniendo así el valor de 100 =Jh 

Para el cálculo del coeficiente de actividad se realiza la siguiente ecuación que luego se juntara para el cálculo final del calculo ℎ𝑖 1

𝐶𝑢 3 𝐵𝑡𝑢 𝑘 ∗ ( ) = 0,245 °𝐹 𝑘 ℎ ∗ 𝑝𝑖𝑒 2 ∗ 𝑝𝑖𝑒

𝐸𝑐(7)

Calculando de la siguiente manera el valor del coeficiente de actividad del petróleo: 1

𝐶 3 𝐽ℎ ∗ [𝑘 ∗ ( 𝑢 ) ] 𝑘 ℎ𝑖 = 

𝐷

=

100 ∗ 0,245 𝐵𝑡𝑢 = 101,37 0,242 ℎ ∗ 𝑝𝑖𝑒 2 ∗ °𝐹

𝐸𝑐(8)

Para este tipo de intercambiador es necesario convertir el hi en hio de la siguiente manera, hio hace referencia al valor de hi referido al diámetro exterior. ℎ𝑖𝑜 =

ℎ𝑖 ∗ 𝐷𝑖 101,37 ∗ 2,9 𝐵𝑡𝑢 = = 84 𝐷𝑒 3,5 ℎ ∗ 𝑝𝑖𝑒 2 ∗ °𝐹

𝐸𝑐(9)

1.7 CALCULOS PARA EL FLUIDO FRIO 

Inicialmente se estima un valor para ho el cual tomaremos como 150

𝐵𝑡𝑢 ℎ∗𝑝𝑖𝑒 2 ∗°𝐹

1 1 = + 𝑅𝑑𝑖 + 𝑅𝑑𝑜 𝑈𝐷 𝑈𝑐

𝐸𝑐(10)

El coeficiente que incluye la resistencia de lodos se llama de diseño o coeficiente total de lodos 𝑈𝐷 en lugar de 𝑈𝑐 , proporciona las bases en las cuales el equipo debe ser hecho en última instancia. La correlación entre los dos coeficientes totales 𝑈𝑐 y 𝑈𝐷 es la ecuación anteriormente descrita. 

Para determinar si este valor es razonable de ho se determinan Tw , Temperatura media de la película (Tf) y diferencia de temperatura a través de la película (Δt), de la siguiente manera : 1 𝑇𝑎𝑣 = (675 + 200) = 437,5 °𝐹 2

𝑡𝑤 = 𝑡𝑎𝑣 + ℎ

ℎ𝑖𝑜

83,7

𝑖𝑜 +ℎ0

𝑡𝑓 =

∗ (𝑇𝑎𝑣 − 𝑡𝑎𝑣 ) = 130 + 83,7+150 ∗ (437,5 − 130) = 240°𝐹

1 1 ∗ (𝑡𝑤 + 𝑡𝑎𝑣 ) = ∗ (240 − 130) = 185,19°𝐹 𝑐 2 2 ∆𝑡 = 𝑡𝑤 − 𝑡𝑎𝑣 = 240 − 130 = 110°𝐹



𝐸𝑐(11) 𝐸𝑐(12)

𝐸𝑐(13)

𝐸𝑐 (14)

Dividiendo el valor obtenido de la ecuación #14 entre el diámetro externo (3,5 pulg) con el valor obtenido se observa la fg.#4 y se determina el valor de ℎ𝑜 ∆𝑡 110°𝐹 °𝐹 = = 31,42 𝑑𝑜 3,5𝑝𝑢𝑙𝑔 𝑝𝑢𝑙𝑔



Analizando la gráfica se puede determinar que el valor para ho es aproximado a 150, por lo tanto coincide con la suposición realizada inicialmente.

Posterior a determinar este cálculo, podemos obtener el valor para Ud ,Rd y finalmente el área requerida para este sistema, de la siguiente manera. 𝑈𝑐 =

ℎ𝑜∗ ℎ𝑖𝑜 150 ∗ 83,7 𝐵𝑡𝑢 = = 53,8 ℎ𝑜 + ℎ𝑖𝑜 150 + 83,7 ℎ ∗ 𝑝𝑖𝑒 ∗ °𝐹

𝐸𝑐(15)

𝑅𝑑 = 0,010 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑠𝑢𝑐𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 ℎ𝑑 = 𝑈𝐷 =

1 = 100 0,010

𝐸𝑐(16)

𝑈𝑐ℎ𝑑 53,8 ∗ 100 = = 35,0 𝐸𝑐(17) 𝑈𝑐 + ℎ𝑑 53,8 + 100

Obtenidos estos valores se puede determinar el valor el área con la siguiente ecuación y de esta manera finalizar el calculo . 𝐴=

𝑄 10200000 = = 1267.080 𝑝𝑖𝑒 2 𝑈 ∗ 𝛥𝑡 35,0 ∗ 230

De acuerdo a la superficie externa por pie lineal exterior =0,917pies, este valor se obtiene de la fig #6 para determinar los tramos requeridos con a siguiente ecuación: 𝑇𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜𝑠 =

𝐴 1267,080 = = 57,5736 ≈ 58 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝑆𝑙 ∗ 𝐿 0,917 𝑝𝑖𝑒𝑠 ∗ 24

Donde L= longitud del tubo, Sl = superficie lineal.

1.8 PLANTEAMIENTO SEGÚN EL RESULTADO OBTENIDO Estos tramos deben arreglarse en serie ya sea una sola espiral de 29 tubos, o si no se dispone de espacio, en hileras más cortas. En realidad, tiene lugar algo de ebullición en la parte de los tubos donde 𝑡𝑤 > 212°𝐹 es tan grande para aumentar el coeficiente del tanque AQUÍ PUEDE IR LA PROPUESTA DEL DISEÑO 2. CONCLUSIONES

Marco terorico http://www.oocities.org/colosseum/loge/3802/Transmisiondecalor.html.tmp

http://www.academia.edu/5393054/Cambiadores_de_calor_de_serpentines_y_c haqueta ojo mirar