Calculo de equipos de intercambio de calor

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De esta expresión se definen cada uno de los factores de corrección, en primera instancia tenemos al factor JC, que nos muestra el factor de corrección por el flujo atreves de los deflectores, es decir el flujo axial atreves del equipo, en la figura 4 podemos observar esta área en la denominada área de ventana o Aw por donde atraviesa el flujo de forma axial, por ende este factor de corrección es función de la fracción de área que cubre el deflector es decir el área que no está cortada, dicha relación se denomina Fc y se calcula con la siguiente ecuación:

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Este factor involucra la relación entre los cortes debido a los deflectores por lo que para este caso se denomina un corte de 25% para cada uno de ellos, el termino Lc es la relación de corte o área generada (Aw) por dicho corte así que se calcula multiplicando la sección de corte por el diámetro interno de la coraza de lo cual se obtiene el siguiente valor:

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Lo que indica que existe un 65% de área donde el flujo es totalmente cruzado con los tubos y un 35% por donde el flujo es paralelo.

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Fig. 4. Áreas de flujo por donde atraviesa el fluido en la coraza del intercambiador de calor.

Con esta fracción, podemos calcular el factor de corrección a través de los deflectores, de la figura 14-45 podemos obtener dicho valor, obteniendo un valor de 0.97, y por medio de la correlación lineal que se maneja se obtiene un valor de 0.966 lo cual indica una buena correlación de la función, además de que este valor es cercano a 1.0 lo que indica que la perdida de trasferencia de calor en esta etapa es mínima.

El segundo factor de corrección el denominado JL relaciona las fugas que se presentan entre los deflectores y la coraza relacionando las áreas que se generan en estos casos, en la figura 5 podemos observar las rutas de flujo correspondientes a las rutas E y A que son con respecto al as de tubos y los deflectores con respecto a la coraza del equipo. Siendo Ssb el área correspondiente a las fugas entre la coraza y el deflector y Stb el área correspondiente entre los tubos y los deflectores.

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Fig. 5 rutas de flujo a través del intercambiador de forma longitudinal y transversal.

El área correspondiente a las fugas entre la coraza y el deflector se calcula con la siguiente ecuación, la cual involucra el diámetro de la coraza y el espacio entre la coraza y los tubos además del factor de relación entre el corte de los deflectores que se manejó en el factor de corrección JC.

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Por otro lado el área correspondiente a las fugas entre los deflectores y los tubos, se calcula involucrando el área de flujo ideal del equipo (Sm) y el espacio correspondiente al final de los tubos (Ds-DOTL), es decir el espacio al final del haz de tubos y los deflectores, y al expresión que lo involucra es:

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Para este caso de estudio obtenemos:

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El factor JL que involucra estos dos espacios se calcula finalmente mediante la figura 14-46, pero para dicho cálculo se utilizan dos relaciones que muestran relaciones entre áreas, la primera nos muestra la relación entre estas dos áreas de fuga con respecto al área teórica (Sm) de flujo calculada anteriormente y la segunda relación nos muestra la importancia entre el área de fuga de los tubos deflectores con respecto a la suma de las áreas que involucra el factor JB de corrección (Ssb y Stb) como se muestra a continuación:

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Finalmente con estos datos se obtiene un valor de JL:

JL= 0.58

Finalmente el factor de corrección JB indica las fugas existentes entre el haz de tubos y los deflectores por los orificios que se generan en por los mismos, es decir las rutas E que se muestran en la figura 5, para calcular dicho factor primero definimos una fracción de área por donde el flujo esta cruzado en relación a la fuga correspondiente a la ruta E, este factor denominado Fbp se calcula mediante la ecuación:

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Que involucra la relación entre las separación entre deflectores y el espacio generado entre la coraza y el haz de tubos (Ds-DOTL) con respecto al área teórica calculada para el flujo cruzado (Sm), calculando con este valor y la relación entre el espacio limitante y el flujo cruzado con la figura 14.57 se obtiene el factor JB.

Para este caso en particular obtenemos un relación Fbp=0.2673 y por lo tanto un JB=0.945 para el caso de estudio en cuestión.

Con los datos de cada uno de los factores de corrección calculados obtenemos el coeficiente de transferencia de calor en la coraza real para dicho proceso, obteniendo un valor de:

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- Calculo de la caída de presión.

Para el cálculo de la caída de presión en la coraza se suman las caídas de presión en cada uno de los efectos que presenta este equipo, dividiendo principalmente en tres tipos de caída, los cuales son la caída de presión en la zona de flujo cruzado, la caída de presión en la zona de ventana, y la caída de presión en la zona final, por lo procederemos a calcular cada uno de estos valores.

Primero tenemos la caída de presión en la zona de flujo cruzado la cual se calcula con la siguiente expresión:

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Que involucra 3 factores, el valor constate de Ka que indica la perdida de presión de un fluido entre la entrada y salida del haz de tubos, generalmente tiene un valor de 1.5, la constante Kf involucra las perdidas por fricción en el momento que pasa por los tubos y se calcula con las relaciones de Zukauskas y Ulinskas, o datos obtenidos de la tabla 14.10, para este caso de estudio utilizando estas correlaciones y las tablas se tiene un valor de Kf=0.24.

Finalmente el valor de Nc que es el número de filas en los que el flujo pasa cruzado y se estima con la relación:

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