Intercambiador de Doble Tubo - Ensayos de Colegas - 28Martin
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9/5/2015 Intercambiador De Doble Tubo Ensayos de Colegas 28Martin http://www.buenastareas.com/download/?id=17855967&token=2d09b26d16be2e841970850cfad10deb&format=text 1/11 Intercambiador De Doble Tubo By 28martin | buenastareas.com Diseño de Equipo Térmico IQ30312 Periodo: Agosto Diciembre del 2012 Integrantes: González Cabrera Alejandra González Mata Liliana Mendoza Núñez Martín Sánchez Ramírez Mariela Palomares Cervantes Sergio Fecha de entrega: 22 de Octubre de 2012 INTRODUCCIÓN El intercambiador de calor, se concibe como un dispositivo de ingeniería con un funcionamiento que podría considerarse elemental; sin embargo es uno de los artefactos necesarios para que la industria pueda llevar a cabo una infinidad de problemas. Es por ello que una de las labores que debe poder llevar a cabo un ingeniero es la correcta selección y probable diseño de un intercambiador de calor. En el presente trabajo se busca analizar un proyecto en el que se involucra el uso de un intercambiador de tubos concéntricos por el que fluye ortoxileno y alcohol butílico en diferentes configuraciones de flujo y con temperaturas previamente definidas. El objetivo del mismo es determinar la configuración de flujo más adecuada para el sistema; tomando en cuenta los factores de mantenimiento, corrosión y gastos másicos tomados en cuenta para el diseño de intercambiadores de calor. Se realizaron cálculos adicionales de caídas de presión dentro del intercambiador para el mejor arreglo que se determinó. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA PROBLEMA 6.3 (KERN) Ortoxyleno procedente de un tanque de almacenamiento que está a 100 0F, debe calentarse a 150 0F enfriando 18 000 lb/h de alcohol butílico de 170 a140 0F. Disponibles para este propósito hay cinco horquillas de 20 pies cuyos ánulos y tubos
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ejercicio resuelto
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IntercambiadorDeDobleTuboBy28martin|buenastareas.com
DiseodeEquipoTrmicoIQ30312
Periodo:AgostoDiciembredel2012
Integrantes:GonzlezCabreraAlejandraGonzlezMataLilianaMendozaNezMartnSnchezRamrezMarielaPalomaresCervantesSergioFechadeentrega:22deOctubrede2012
INTRODUCCINElintercambiadordecalor,seconcibecomoundispositivodeingenieraconunfuncionamientoquepodraconsiderarseelementalsinembargoesunodelosartefactosnecesariosparaquelaindustriapuedallevaracabounainfinidaddeproblemas.Esporelloqueunadelaslaboresquedebepoderllevaracabouningenieroeslacorrectaseleccinyprobablediseodeunintercambiadordecalor.Enelpresentetrabajosebuscaanalizarunproyectoenelqueseinvolucraelusodeunintercambiadordetubosconcntricosporelquefluyeortoxilenoyalcoholbutlicoendiferentesconfiguracionesdeflujoycontemperaturaspreviamentedefinidas.Elobjetivodelmismoesdeterminarlaconfiguracindeflujomsadecuadaparaelsistematomandoencuentalosfactoresdemantenimiento,corrosinygastosmsicostomadosencuentaparaeldiseodeintercambiadoresdecalor.Serealizaronclculosadicionalesdecadasdepresindentrodelintercambiadorparaelmejorarregloquesedetermin.PLANTEAMIENTODELPROBLEMAPROBLEMA6.3(KERN)Ortoxylenoprocedentedeuntanquedealmacenamientoqueesta1000F,debecalentarsea1500Fenfriando18000lb/hdealcoholbutlicode170a1400F.Disponiblesparaestepropsitohaycincohorquillasde20piescuyosnulosytubos
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estncolocadosenserie.Losintercambiadoressonde3por2plg.IPS.a)Culeselfactordeobstruccin?b)Lascadasdepresinc)Cmojustificaorefutasudecisinrespectoadondecolocarlacorrientecalienteylacorrientefra?
1.MARCOTERICO:ANLISISDEDISEODEUNINTERCAMBIADORDETUBOSCONCNTRICOSIPS.Losintercambiadoresdecalor,comosunombreloindica,sondispositivosmecnicos,quesebasanenlaconduccinyenlaconveccin(fenmenosdetransportedecalor),paraintercambiarenergaenformadecalorentredosfluidosqueseencuentranadiferentetemperatura,sinmezclarlos.Elusoprcticodeestosdispositivosesmuycomnytieneunaampliagamadeaplicacioneslossistemasdecalefaccin,airesacondicionadosparaelhogarylosradiadoressonejemplosclarosdesuusocotidiano.Enunintercambiadordecalorparticipandosomscorrientesdeproceso,unasactancomofuentesdecalorylasotrasactancomoreceptoresdecalor,elcualsetransfiereatravsdelasparedesmetlicasdelostubosqueconformanelequipo(contactoindirecto).Losequiposutilizadosparacalentarfluidosempleangeneralmentevaporcomofuentedecalentamiento,losequiposutilizadosparaenfriarfluidosempleanusualmenteaguacomofluidodeenfriamiento.Segnlasdiferentesaplicacionesdelatransferenciadecalor,losintercambiadoresrequierendediferentesconfiguracionesyaccesoriosparadesarrollarbiensusfunciones.Deacuerdoalacopledelosaccesoriosyasuconfiguracinfsicalosintercambiadoressepuedenclasificarcomo:Detubosconcntricosodetubodoble,detipocompacto,decorazaytubos,ydeplacasyarmazn.Enestetrabajoesdeinterselintercambiadordetubosconcntricos,yaqueelejercicioasignadoessobreunintercambiadordeestetipo.INTERCAMBIADORESDETUBOSCONCNTRICOSEstosintercambiadoresconstansimplementededostubosconcntricosdediferentedimetro.Porunodelostubossehacepasarelfluidofroyporelotroelcalienteynuncasemezclan.Esteintercambiadorsepuedetrabajardedosmaneras:Conlosflujosenparalelo,enelcuallosdosfluidosvanenlamismadireccin,oconlosflujos
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encontracorriente,endondelosfluidosvanendireccionesopuestas.Laventajaprincipaldetenerunintercambiadordetubosconcntricos,opuestoalintercambiadordetubosycoraza,eslasimplicidaddesudiseo,graciasalocualelinteriordeambassuperficiesesmuyfcildemantenerydelimpiar,haciendoesteintercambiadoridealparafluidosquegeneranincrustaciones.Adicionalmente,suconstruccinrobustapermitequepuedasoportaraltaspresionesdeoperacin.Losintercambiadoresdetubosconcntricostambinproducencondicionesturbulentasatasasdeflujobajas,incrementandoelcoeficientedetransferenciadecaloryporlotantolatasadetransferenciadecalor.Lasdosdesventajasmssignificativassonsualtocostoenproporcinalreadetransferenciadecalorylasmedidastangrandesrequeridasparaaltastasasdetransferenciadecalor,queresultanpocoprcticasyhacenquesegenerengrandesprdidasdecaloralambiente.Laformamssimpledediseosonseccionesdetubosdentrodeunacorazaexterna,aunquehayotrasalternativascomotuboscurvosqueconservanelespaciomientrasmaximizanelreadetransferenciadecalorporvolumen.Estosintercambiadorestambinpuedenserarregladosenserieoenparalelo,dependiendodelosrequerimientosdetransferencia.INTERCAMBIADORDETUBOSCONCNTRICOSIPS.Sonuntipodeintercambiadordetubosconcntricosconarreglodehorquillasenserieynulosenparaleloqueposeengeometradeterminadayseencuentrantabuladosenbibliografa.
2.TABLASDEDATOSYRESULTADOS
3.1TABLA1:DATOSDEENTRADAYSALIDADELASSUSTANCIASDELINTERCAMBIADOR
|ORTOXYLENO(Acalentarse)|ALCOHOLBUTLICO(Aenfriarse)|UNIDADES|Temperaturaentrada|100|170|0F|Temperaturasalida|150|140|0F|Flujomsico|17370.62|18000|Lb/hr|Flujovolumtrico|355.966|315.835|Ft3/hr|Presininicial|14.696|14.696|psi|
3.2TABLA2:DATOSESTRUCTURALESDELINTERCAMBIADORLosdatospresentadosenlasiguientetablaseobtienenmediantelecturadirectadelos
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datostcnicosparaunintercambiador3x2IPSCdula40
DATOSINTERCAMBIADOR3X2IPS||#Horquillasdisponibles|5||Longitudporhorquilla|40ft||Longitudportramo|20ft||DIMETROSDETUBERAS||TUBERAEXTERNA|3IPS|TUBERAINTERNA|2IPS||Dimetrointerno(Di)|0.256ft|Dimetrointerno(di)|0.172ft|||Dimetroexterno(do)|0.198ft||*Losdatosanterioresfueronobtenidosdelatabla11(apndice),Kern,ProcesosdeTransferenciadeCalor
DATOSESTRUCTURALES|readeflujo(ai)|0.023ft2|reaanular(ao)|0.02ft2|Dimetrodetransferenciadecalor(deq)|0.131ft|Dimetrohidrulico(dh)|0.057ft|Dimetromediologartmico(dw)|0.185ft|Grosordelatuberainterna(x)|0.013ft|*Ladeterminacindelosvaloresanterioressedeterminaronelapartado4.43.3TABLA3:NOMENCLATURADELASTEMPERATURASDELSISTEMA
NOMENCLATURADETEMPERATURAS|T1|Temperaturadelalcoholisobutlicoenlaentrada|T2|Temperaturadelalcoholisobutlicoenlasalida|t1|Temperaturadelortoxylenoenlaentrada|t2|Temperaturadelortoxylenoenlaentrada|
3.4TABLA4:CLCULOSDELFLUJODECALORYDIFERENCIASDETEMPERATURAENELINTERCAMBIADOR
Q(calor)|372600|BTU/hr|T1|T1t2|20|oF|T2|T2t1|40|oF||Tml|28.85|oF|
3.5TABLA5:CLCULODELOSCOEFICIENTESCONVECTIVOSYLOSDATOSPARASUCLCULO
|CASO1:ALCOHOLBUTILICOPORTUBOS|CASO2:ALCOHOLBUTILICO
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PORNULOS|Unidades|FAB|355.963|Ft3/h|Forto|315.835|Ft3/h|Vab|1.53*10^4|1.741*10^4|Ft/h|Vorto|1.545*10^4|1.358*10^4|Ft/h|Reab|5.008*10^5|1.897*10^5|adimensional|Reorto|3.356*10^5|8.861*10^5|adimensional|Nuab|1.053*10^3|484.268|adimensional|Nuorto|522.817|1.137*10^3|adimensional|hi|517.399|504.205|BTU/hft2oF|ho|358.677|312.315|BTU/hft2oF|*Losdatosanterioresseobtuvieronmedianteelapartado4.4Y4.6NOMENCLATURADETABLA5|Fab|Flujovolumtricodelalcoholisobutlico|Forto|Flujovolumtricodelortoxyleno|Vab|Velocidaddelalcoholisobutlico|Vorto|Velocidaddelortoxyleno|
3.6TABLA7:DATOSCOEFICIENTESDETRANSFERENCIADECALORPARALASDOSCONFIGURACIONESDEFLUJO.
|CASO1:ALCOHOLBUTILICOPORTUBOS|CASO2:ALCOHOLBUTILICOPORNULOS|Unidades|Ao|124.617|Ft2|Uexp|103.625|BTU/hft2oF|Ulimpio|180.713|176.683|BTU/hft2oF|Rd|4.117*10^3|3.99*10^3|hft2oF/BTU|*Losdatosseobtuvieronenelapartado4.6
Sernecesarioutilizarlascincohorquillasdisponibles?...
|Horquillasmnimas|Unidades|Ao|71.458|Ft2|Lmin|114.684|Ft|Tramos|5.734~6||#Horquillasmnimas|3|||Horquillasnecesarias|Unidades|UTOT|130.268|BTU/hft2oF|
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Ao|99.142|Ft2|Lmin|159.094|Ft|Tramos|7.955~8||#Horquillasmnimas|4||
3.7TABLA8:CADASDEPRESINAsumiendoquelastuberasdelintercambiadorestnconstruidasenaceroinoxidableLarugosidadrelativaseobtuvodegrficasysedeterminelfactordefriccinfDCADASDEPRESIN||Para6tubos|Para8tubos|Longitud(L)|120ft|160ft|Nmerodevueltas(n)|5|7|Pretorno|0.154kg/cm2=314.828lb/ft2|0.215kg/cm2=440.759lb/ft2|Porto|0.386kg/cm2=790.731lb/ft2|0.515kg/cm2=1.054x103lb/ft2|Pab|0.092kg/cm2=187.911lb/ft2|0.122kg/cm2=250.547lb/ft2|Panular|0.54kg/cm2=1.106x103lb/ft2|0.73kg/cm2=1.495x103lb/ft2|
*Losclculossemuestranenapartado4.73.8TABLA9:PROPIEDADESTERMODINMICASYFISICOQUMICASDELALCOCHOLBUTLICODATOSALCOHOLBUTLICOa14.696psi,1550F|Cpab|0.69|BTU/lb.0F|ab|0.266|lb/ft.hr|ab|50.567|lb/ft3|Prab|2.169|adimensional|Kab|0.085|BTU/ft.0F.hr|
3.9TABLA9:PROPIEDADESTERMODINMICASYFISICOQUMICASDELORTOXYLENODATOSORTOXYLENOa14.696psi,1550F|Cporto|0.429|BTU/lb.0F|orto|0.145|lb/ft.hr|orto|54.999|lb/ft3|Prorto|0.692|adimensional|Korto|0.09|BTU/ft.0F.hr|
3.PROPIEDADESDELOSFLUIDOSDETRABAJOLaspropiedadesrequeridasparaeldiseodelintercambiadorsetomaronalatemperaturamedia,tambinllamadatemperaturabulkcorrespondienteparacadafluido.Paraelbutanoles1550Fyparaelortoxileno1250F.
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4.CLCULOSYMODELOSDECLCULOSi.BalancedecalorQG=QPQorto=ortoCportoTQab=abCpabti.EcuacindeDiseoQ=U0A0TMLTML=T1t2T2t1lnT1t2T2t1ii.CoeficientesConvectivosCalentamiento:Nui=hidik=0.023Re0.8Pr0.4Enfriamiento:Nuo=hodeqk=0.023Re0.8Pr0.31U0=d0hidi+1ho+xkwd0dw+d0dihdi+1hd0Paradatosdelatuberareadeflujoai=di24reaanulara0=Di24d024DimetroHidrulicodh=Did0Dimetroequivalenteparaelcalordeq=Di2d02d0DimetromedioLogartmicodw=dodilndodiEspesordetubointeriorx=dodi2iii.CadasdepresinPTotal=Pretorno+PortoPortoorto=fDVorto2L2gdiDondeLpuedeser:L6tubos=120ftL8tubos=160ft
5.10FLUJODECALORDELINTERCAMBIADORConsiderandoquenosepresentancambiosdefasedentrodelsistemadelintercambiadorycalculandolaspropiedadesdecadafluidoalatemperaturaintermediaentrelaentradaylasalidapuedehacerseusodelasiguienteexpresin:Q=mCpT5.11CALCULODELCALORCEDIDOPORELALCOHOLBUTLICOQAB=18000lbhr0.69BTUlbF170F140F=372600BTUhr
5.12CALCULODELFLUJOMSICODELORTOXYLENOConsiderandoquenoexistenperdidasdecalorhaciaelambiente,puededeterminarsequeelcalorganadoporelortoxylenoesigualalcedidoporelbutanol,porlotantohaciendousodelaecuacinpreviamentecitada,yconociendolamagnituddelaenergacedidasetieneque:
ORTO=372600BTUhr0.429BTUlbF170F140F=17370.62lbhr
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5.13CALCULODELFLUJOSVOLUMTRICOSDELALCOHOLBUTLICOYDELORTOXYLENO
FlujoVol.ORTO=17370.62lbhr54.999lbft3=315.835ft3hr
FlujoVol.AB=18000lbhr50.567lbft3=355.963ft3hr
5.14CALCULODELOSDIAMETROSEQUIVALENTES,HIDRALICOSYDETRASNFERENCIADECALOREldimetrohidrulicocorrespondealadiferenciadedimetrosprovenientedelasiguienteecuacin,estedimetrohidrulicoseusaparacalcularelReynolds:Dido=0.058ftEldimetroequivalenteparacalorseutilizaparacalcularloscoeficientesconvectivosysecalculadelasiguientemanera:
deq=0.25620.19820.198=0.131ft
5.15ANLISISDECASOSCASO1ALCOHOLBUTILICOPORTUBOS
Vab1=355.963ft3hr0.0232ft2=1.53x104fthr
Vorto1=315.835ft3hr0.0204ft2=1.545x104fthr
Reab1=0.172ft1.53x104fthr50.567lbft30.266lbfthr=5.008x105
Reorto1=0.058ft1.53x104fthr54.999lbft30.145lbfthr=3.356x105
Prab=0.69BTUlbF0.266lbfthr0.085BTUhrftF=2.169
Prorto=0.429BTUlbF0.145lbfthr0.090BTUhrftF=0.692
Nuiab1=0.023(5.008x105)0.8(2.169)0.3=1.053x103
Nuiorto1=0.023(3.356x105)0.8(0.692)0.4=522.817hi1=1.053x103(0.085BTUhrftF)0.172ft=517.399BTUhrft2Fho1=522.817(0.090BTUhrftF)0.131ft=358.677BTUhrft2FCalculodelcoeficienteglobalexperimental:A0=0.198ft200ft=124.617ft2
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Uexp=372600BTUhr124.617ft2(28.85F)=103.813BTUhrft2FUlimpio1=10.198ft0.172ft(517.399BTUhrft2F)+1358.677BTUhrft2F+0.013ft26.879BTUhrftF0.198ft0.185ft=180.713BTUhrft2FRd1=1103.813BTUhrft2F1180.713BTUhrft2F=4.099x103BTUhrft2FCASO2ALCOHOLBUTILICOPORANULOS
Vab2=355.963ft3hr0.0204ft2=1.741x104fthr
Vorto2=315.835ft3hr0.0232ft2=1.358x104fthr
Reab2=0.058ft1.741x104fthr50.567lbft30.266lbfthr=1.897x105
Reorto2=0.172ft1.358x104fthr54.999lbft30.145lbfthr=8.861x105
Prab2=0.69BTUlbF0.266lbfthr0.085BTUhrftF=2.169
Prorto2=0.429BTUlbF0.145lbfthr0.090BTUhrftF=0.692
Nuoab2=0.023(1.897x105)0.82.1690.3=484.268
Nuiorto2=0.023(8.861x105)0.8(0.692)0.4=1.137x103ho2=484.268(0.085BTUhrftF)0.131ft=312.315BTUhrft2Fhi2=1.137x103(0.090BTUhrftF)0.172ft=504.206BTUhrft2FCalculodelcoeficienteglobalexperimental:A0=0.198ft200ft=124.617ft2Uexp=372600BTUhr124.617ft2(28.85F)=103.813BTUhrft2FUlimpio2=10.198ft0.172ft(504.206BTUhrft2F)+1312.315BTUhrft2F+0.013ft26.879BTUhrftF0.198ft0.185ft=176.683BTUhrft2FRd2=1103.813BTUhrft2F1176.683BTUhrft2F=3.973x103BTUhrft2F5.16CLCULODELASCADASDEPRESINClculodelascadasdepresinpara6tubos(3horquillasnecesarias)L6tubos=120ftConn=5vueltas
Pretorno6tubos=4nVab2ab2g=451.53104fthr2(50.567lbft3)2(4.17108fthr2)=314.828lbft2
Deldiagramaseleyeronlossiguientesfactoresdefriccin
fDorto=0.024fDab=0.019
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Porto6tubos=fDortoVorto2L6tubosorto2gdh=0.0241.545104fthr2120ft(54.999lbft3)2(4.17108fthr2)(0.057ft)=790.731lbft2
Pab6tubos=fDabVab2L6tubosab2gdi=0.0191.53104fthr2120ft(50.567lbft3)2(4.17108fthr2)(0.172ft)=187.911lbft2
Panular6tubos=Pretorno6tubos+Porto6tubos=1.106103lbft2
Clculodelascadasdepresinpara8tubos(4horquillasnecesarias)L8tubos=160ftConn=7vueltas
Pretorno8tubos=4nVorto2orto2g=47(1.545104fthr)2(54.999lbft3)2(4.17108fthr2)=440.759lbft2
Porto8tubos=fDortoVorto2L8tubosorto2gdh=0.0241.545104fthr2160ft(54.999lbft3)2(4.17108fthr2)(0.057ft)=1.054103lbft2
Pab8tubos=fDabVab2L8tubosab2gdi=0.0191.53104fthr2160ft(50.567lbft3)2(4.17108fthr2)(0.172ft)=250.547lbft2
Panular8tubos=Pretorno8tubos+Porto8tubos=1.495103lbft2
ANLISISDERESULTADOSLasprdidasporfriccindelfluidotienenmagnitudesuntantosimilaresparalasdossituacionesdeestudioesdecirhaciendopasarelfluidoaenfriarseporelnulo,oporeltubointeriorporendeestenoseconsideracomounelementovlidoparadecidirlaconfiguracindeflujo,perosipodemosdarnosunaidea.Elcoeficienteglobaldetransferenciadelintercambiadorpresentavaloressuperiorescuandoelfluidocalientesedesplazaporelnulo,porende,sisedeseaaumentarlatransferenciadecalorestainformacinpodradeterminarelcorrectodireccionamientodelflujo.Losfactoresdeincrustamientopresentanmagnitudesconsiderablementesimilaresyademssondemagnitudbaja.
CONCLUSIONESEneldiseodeintercambiadoresdecalorlaseleccindelaconfiguracindeflujoserealizatomandoencuentaunaseriedefactorescomolacorrosividaddelosfluidosdetrabajolaspresionesdeflujo,loscoeficientesconvectivosyelgastomsico.Elfluidomscorrosivodebemoversedentrodeltubointeriordeldispositivopuestoqueresultamssencilloefectuarelmantenimientoocambiodelosmismoselorto
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xilenoesuncompuestousadoenlaindustriaparainhibirlacorrosinendeterminadosequiposoprocesoseinclusoseusaparatransportarsustanciascorrosivas.PorlotantoybajoesteestamentoelOrtoxylenodebellevarseporelnuloesdecirporfueradeltubointerior.Elfluidoquepresentemenorgastomsicoyporlotantounamenorvelocidadmediayunmenorcoeficienteconvectivosasociadodebedesplazarseporfueradelatuberainterior,puestoqueesmsfcildisearelementosexternosqueayudenalatransferenciadecalortalescomoaletas.Evaluandolosrespectivoscoeficientesglobalesdetransferenciadecalorlimpiosylosfactoresdeincrustacincorrespondientessepuededecirqueelalcoholbutlicodebefluirporelanulopuestoquepresentavaloresmuchomayoresdecoeficienteglobaldetransferenciadecalorlimpioygeneraramenorincrustacinaunquedicharesoluciniraencontradeloselementospreviamenteplanteadosdecorrosividadsinembargocomoloquesebuscadeunamanerauotraeslamejortransferenciadecalorpuededecirsequeelalcoholbutlicodebeirpordentrodelostubos.Losintercambiadoresdetubosconcntricossonequiposconrequerimientosespacialesrelativamentealtosquetienencomoprincipalventajalaeconomaensudiseo,construccinymantenimientosinembargoslodebenserusadosenaplicacionesquerequierandeunreasuperficialpequea.Losintercambiadoresdetubosconcntricospresentanademsprdidasfriccinalesyporaccesoriosrelativamentebajaspuestoquenotienenelementosdediseotalescomoaccesoriosdegeometracomplicada,odeflectorescomoeselcasodelosintercambiadoresdetubosycoraza.stecomportamientoesidealcuandonosedisponedeequiposdebombeodealtacapacidadocuandoserequiereeconomaendichosentido.REFERENCIAS*Yaws,CL(1995)Handbookofconductivity.GulfPubCo.EEUU.*Incropera,F(1999)Fundamentosdelatransferenciadecalor.Pearson.*Kern,D(1950)ProcesosdeTransferenciadeCalor.McGrwHill.*Felder(2000)Principioselementalesdelosprocesosqumicos.LimusaWiley.
