Mdp 05 e-04 procedimiento de diseño para intercambiadores d

PDVSA N° TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

TRANFERENCIA DE CALOR

�1994

MDP–05–E–04 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARAINTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

INTERCAMBIADORES DE CALOR

AGO.950 26

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

ESPECIALISTAS

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TRANSFERENCIA DE CALORPROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA

INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBOAGO.950

PDVSA MDP–05–E–04

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Indice1 OBJETIVO 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Tipos de equipos y sus aplicaciones 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Ventajas de los intercambiadores de doble tubo 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Efecto de aletas longitudinales 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 METODOLOGIA DE DISEÑO 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Procedimiento de cálculo detallado 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Cálculos automatizados 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 NOMENCLATURA 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 APENDICE 17. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 1 Datos físicos para secciones comunes de doble tubo 18. . . . . . . Tabla 2 Constantes geométricas para secciones de doble tubo 19. . . . . . Tabla 3 Constantes Ft para secciones de doble tubo 20. . . . . . . . . . . . . . . Figura 1 Componentes típicos de unidades de doble tubo 21. . . . . . . . . . . Figura 2 Coeficiente de transferencia de calor en los tubos 22. . . . . . . . . . Figura 3 Caída de presión por fricción a través de los tubos 23. . . . . . . . . Figura 4 Valor de la función térmica para hidrocarburos líquidos 24. . . . . . Figura 5 (K (N° Prandtl) 1/3) 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6 Eficiencia de aletas longitudinales 26. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

http://www.intevep.pdv.com/santp

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/indice_mdp.htm

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/inter/indice_inter.htm

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1 OBJETIVOEl objetivo de este documento es proveer al ingeniero de proceso y diseño con unaherramienta de cálculo manual para el dimensionamiento de Intercambiadores decalor de doble tubo.

El tema “Intercambiadores de Calor “, dentro del area de “Tranferencia de Calor“, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientesdocumentos:

PDVSA–MDP– Descripción del Documento

05–E–01 Intercambiadores de Calor: Principios Básicos.

05–E–02 Intercambiadores de Calor: Procedimientos de diseño paraIntercambiadores de tubo y carcaza (Incluye vaporización,condensación, calor sensible).

05–E–03 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño paraEnfriadores de Aire.

05–E–04 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño paraIntercambiadores de doble tubo. (Este documento)

05–E–05 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño paraServicios Criogénicos.

Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Intercambiadoresde Calor”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son unaactualización de la Prácticas de Diseño “Intercambiadores de Calor”, presentadasen la versión de Junio de 1986 del MDP (Sección 9), modificadas para hacermención del uso de información y programas de HTRI.

2 ALCANCEEste Documento presenta el procedimiento manual de diseño recomendado parafijar el tamaño de intercambiadores de doble tubo. Refiérase al documentoPDVSA–MDP–05–E–01 para más información sobre unidades de doble tubo.

3 REFERENCIASManual de Diseño de Proceso (versión 1986)� Vol V, Subsección 9H “Intercambiadores de calor: Procedimiento de cálculo

cuando no hay cambio de fase”

Manual de Diseño de Proceso

� PDVSA–MDP–05–E–01 “Intercambiadores de calor: principios básicos”

Manual de Ingeniería de Diseño� PDVSA–MID–EA–EA–202–PR, “Equipo para intercambio de calor de doble

tubo”




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� PDVSA–MID–L–TP–2.1 “Intercambiadores de calor requisición, análisis deofertas y detalles de compra”

� PDVSA–MID–90617.1.041 “Guías de ingeniería para intercambiadores decalor de carcaza y tubos”

Otras Referencias

� Hewitt, G. F.; Shires, G. L. and Bott T. R.; Process Heat Transfer; First Edition;CRC Press, Inc. (1993).

� Kern, D.Q., Process Heat Transfer, McGraw Hill, New York 1950

� McKetta, J. J.; Heat Exchanger; First Edition; Marcel Dekker, Inc. (1991).

� Hagner, R.C., Petro/Chem Engineer, 27, August 1968 .

4 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

4.1 Tipos de equipos y sus aplicaciones

Los intercambiadores de calor de doble tubo consisten en uno o más tubos dentrode una carcaza de tubo. Las unidades casi siempre consisten de dos tubos rectosconectados en un extremo en forma de U o de “gancho de pelo” (“hairpin”). A estemontaje se le llama sección de doble tubo. A pesar de que algunas secciones dedoble tubo tienen tubos sencillos, la mayoría tienen aletas longitudinales en elexterior del tubo interior.

Las secciones de doble tubo están disponibles en todos los materiales comunesde construcción. También, los tubos, aletas y carcaza pueden ser de diferentesmateriales. Sin embargo, debido a que las aletas normalmente están soldadas alos tubos, la aleta y el tubo deben ser de materiales compatibles.

El uso de tubos aleteados en secciones de doble tubo normalmente es económicosi el coeficiente anular de transferencia de calor es menor que el 75% delcoeficiente interno del lado del tubo. Esta es una regla que puede tenerexcepciones. El punto en el cual empieza a ser o no económico es función delcoeficiente anular de transferencia y el material de la aleta; éstos a su vez afectanla eficiencia de la aleta. La eficiencia de la aleta se incrementa con la disminucióndel coeficiente anular y el aumento de la conductividad térmica de la aleta.Adicionalmente, las aletas cortas tienen mayor eficiencia.

Las secciones de doble tubo pueden ser combinadas en una variedad de arreglosen serie y/o en paralelo para proveer el área superficial requerida y mantenersedentro de las limitaciones de caída de presión. Las secciones instaladas en serienormalmente están una sobre otra. Las conectadas en paralelo normalmenteestán una al lado de la otra; los arreglos instalados en combinación serie/paraleloestán compuestos por secciones de lado a lado y una sobre otra.




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4.1.1 Unidades de tubo sencillo

Las secciones de doble tubo sencillo contienen un tubo interior o un tubo dentrode una carcaza de tubo. Existen en el mercado diferentes tamaños de carcazasde tubo, éstas van desde 50 a 100 mm (2 a 4 pulg). El tubo interior puede sersencillo o con aletas longitudinales, éste viene en diámetros externos de 19 a 64mm (3/4 a 2 1/2 pulg).

Las aletas, de 16 a 48 por tubo, tienen una altura de 12.7 a 25.4 mm (1/2 a 1 pulg)y un espesor de 0.89 a 1.27 mm (35 a 50 mils). En servicios donde existen cambiosde fase, las aletas frecuentemente contienen huecos, permitiendo así laredistribución de fluido a lo largo del tubo.

Las secciones de tubo sencillo usualmente son económicamente justificables sila superficie del área equivalente es menor que 30 m2 (300 pie2)aproximadamente. Sin embargo, este criterio no puede ser usado firmementedebido a que el costo del sistema es función del servicio, materiales e instalación.

4.1.2 Unidades multiples

Las secciones de doble tubo con tubos múltiples contienen de 7 a 64 tubos dentrode la carcaza del tubo externo. Los tubos pueden ser sencillos o con aletaslongitudinales. Normalmente, sólo los tubos sencillos son usados en seccionescon más de 19 tubos. Los tamaños de la carcaza de la sección de doble tubo varíande 100 a 400 mm (4 a 16 pulg). Los tubos internos vienen disponibles en diámetrosexternos de 15.9 a 25.4 mm (5/8 a 1 pulg). Las aletas de 12 a 20 por tubo, tienennominalmente una altura de 6.4 mm (1/4 pulg) y un espesor de 0.89 mm (35 mil).

Las secciones más comunes son aquellas que contienen 7 tubos. Sin embargo,la economía de estas secciones es difícil de definir debido al gran área superficialpor sección. Una o dos secciones normalmente son más económicas que el áreasuperficial equivalente en secciones de tubo sencillo. Pero si el servicio requiereporciones fraccionadas o tubos cortos en secciones múltiples, las secciones detubo sencillo son más económicas.

Las secciones que contengan más de 7 tubos por sección raramente son usadasdebido a que tienen, para la mayoría de los servicios, ventajas económicaslimitadas sobre otras secciones con menos tubos.

4.2 Ventajas de los intercambiadores de doble tuboComo se describió en la subsección 4.5.3 del documentoPDVSA–MDP–05–E–01, el rango de aplicación de los intercambiadores dedoble tubo es muy amplio. Estas unidades pueden ser diseñadas para operar aaltas temperaturas y presiones y fabricadas como módulos estandares,resultando así relativamente económicos.

Estas unidades son la forma mas simple de un intercambiador de calor,particularente ventajosas para aplicaciones de baja carga térmica. Con la adición




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de aletas mejoran la tranferencia de calor en el lado de la carcaza y pueden serusadas como módulos de construcción en arreglos paralelo–serie y multitubos,cubriendo asi un amplio rango de los requerimientos de un proceso.

4.2.1 Simplicidad de construcción

Para aplicaciones que requieren cargas calóricas relativamente bajas (porejemplo, <1000 kW) y donde la transferencia de calor no representa un problema(por ejemplo intecambiadores líquido–líquido), estas unidades con tubos lisosresultan muy ventajosas dada su simplicidad de construcción.

4.2.2 Facilidad de mantenimiento

El sello de los intercambiadores de doble tubo se logra mediante juntas bridadasy anillo de sello, lo cual permite separar el tubo interno y la carcaza para sulimpieza, tanto con tubos lisos como con tubos aleteados.

4.2.3 Flujo en contracorriente

Estas unidades permiten un patron de flujo completamente en contracorriente,donde el fluido frío puede ser calentado hasta temperaturas por encima de latemperatura de salida del fluido caliente. Esto elimina las restricciones impuestapor la temperatura de aproximación o la temperatura de cruce.

4.2.4 Factibilidad de tubos aleteados

Estas unidades son particularmente adaptables a aquellas aplicaciones querequieren mejorar la tranferencia de calor mediante el uso de superficiesextendidas en forma de aletas. Las aletas son usadas cuando el coeficiente detransferencia de calor en el lado de la carcaza (o ánulo) es muy bajo; usualmente,cuando el coeficiente para superficies no aleteadas es menor que la mitad alcorrespondiente en el lado de los tubos. Esta situación puede ocurrir cuando elfluido en el lado de la carcaza es un gas o un líquido de alta viscocidad.

4.2.5 Aplicacion en servicios de alta presión

Para una carga calórica dada, una serie de intercambiadores de doble tuborequerirán diametros mucho menores que las unidades equivalentes de tubo ycarcaza. Debido a ello, el espesor de pared de la carcaza es más pequeño y, paraaplicaciones de alta presión, esto es un factor significativo en la determinación delcosto e, inclusive, de su factibilidad.

4.3 Efecto de aletas longitudinalesComo se ha mencionado previamente, en muchas aplicaciones de unidades dedoble tubo, a la superficie externa del tubo central se le adicionan aletaslongitudinales con el propósito de mejorar la transferencia de calor. Estas aletastiene dos efectos principales:




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1. Reducen el area transversal de flujo en el lado de la carcaza, lo cual resultaen cambio en el diametro hidraulico del ánulo y la aleta e incremento de lavelocidad del fluido.

2. Incrementan el area de transferencia.

El efecto neto del uso de aletas longitudinales es un incremento tanto de latransferencia de calor como de la caida de presión.

5 METODOLOGIA DE DISEÑO

5.1 Procedimiento de cálculo manual detalladoEl procedimiento de cálculo siguiente está basado en flujos sin cambio de fase,tanto que en los tubos como en el espacio anular. Si el flujo cambia de fase encualquiera de los lados (condensación o vaporización), siga el procedimiento decálculo para el lado del tubo según el documento PDVSA–MDP–05–E–02, paraevaluar el coeficiente de transferencia de calor y caída de presión. Cuando elcambio de fase ocurre en el espacio anular, use el diámetro equivalente, de, en vezde di y dE.

La Tabla 1 contiene los parámetros geométricos más comunes disponibles ensecciones de doble tubo. Los parámetros geométricos para las secciones nopresentes en ésta, pueden ser calculados usando las ecuaciones en la Tabla 2.

Paso 1.– Información Mínima Requerida

De acuerdo con la guía general para diseño presentada en la subsección 5.3 dedocumento PDVSA–MDP–05–E–01, debe ubicarse la siguiente información:

1. Información mínima de proceso:

Fase y naturaleza del flujo: líquido, vapor, gas, bifásico, vapor de agua, agua,hidrocarburos, etc.

Flujos totales (entrando y saliendo de la unidad, mínimo por un lado): másicoo volumétrico, especificado por fase cuando se trata de flujo bifásico.

Propiedades de los fluidos: calor específico, calor latente, conductividadtérmica, viscosidad, peso molecular o gravedad específica o densidad.

Condiciones de operación: temperatura y presión a la entrada y/o salida dela unidad

Caidas de presión permisibles : máxima permitida en cada lado

Factores de ensuciamiento: preferiblemente basados en experienciasoperacionales.

Condiciones de diseño: temperatura y presión en cada lado de la unidad.




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Características de los fluidos: corrosivas y/o tóxicas y/o inflamables.

Existencia de ciclos térmicos: frecuencias de paradas y arranque, si es unaoperación por carga, etc.

2. Información mecánica mínima :

Materiales de construcción

Espesor de pared por consideraciones de corrosión.

Tolerancia por corrosión.

Especificaciones, códigos y estándares.

Tamaño o limitaciones de espacio.

3. Especificaciones dadas por el cliente.

4. Bases de diseño del proyecto.

Paso 2.–Criterios de diseño

Verificar que se cumplan los criterios de diseño típicos para este tipo de unidadesy servicios, los cuales se presentan en la sección 4. Otros criterios adicionales seencuentran en las subseccion 4.5 del documento PDVSA–MDP–05–E–01.

Paso 3.– Carga calórica

Determinar la carga calórica ( “duty” ) del intercambiador en base a los datos deproceso obtenidos en el paso 1.

Paso 4.– Selección del tipo

Se hace un estimado del tipo, tamaño, número y arreglo de las secciones. Pruebeprimero con una carcaza de 75 mm (3 pulg). Cambie a una carcaza de 100 mm(4 pulg) con tubos de 65 mm (2 1/2 pulg) para reducir la velocidad anular. Lassecciones pueden ser paralelas si se requiere.

Paso 5.– Arreglo del flujo

El fluido más viscoso usualmente pasa a través del espacio anular. El agua deenfriamiento normalmente pasa a través del lado del tubo.

Paso 6.– Calcule las condiciones terminales y la diferencia de temperaturamedia logarítmica efectiva

1. Determine las temperaturas siguientes:

a. La temperatura de entrada del fluido que va a ser enfriado, T1

b. La temperatura de salida del fluido que va a ser enfriado, T2

c. La temperatura de entrada del fluido que va a ser calentado, t1




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d. La temperatura de salida del fluido que va a ser calentado, t2

2. Determine la diferencia de temperatura media logarítmica, ∆tm

�tm ��T1–t2�–�T2–t1�

ln�T1–t2

��T2–t1

�Ec. (1)

Debido a que el flujo es en contracorriente (o en paralelo si se desea), el factor Fnde corrección no se aplica a ∆tm.

Si una (o las dos) de las corrientes cambia de fase, y la temperatura de punto derocío o del punto de ebullición está entre la temperatura de entrada y salida, diseñeel intercambiador como se indica en el documento PDVSA–MDP–05–E–02.

Paso 7.– Calcule el coeficiente de transferencia de calor en el lado del tubo

1. Calcule la velocidad en los tubos

Ec. (2)V � F6 � Mm NT d2

i

2. Evalúe el coeficiente de transferencia de calor, hio

El coeficiente de transferencia de calor se determina igual que enintercambiadores de tubo y carcaza, excepto que los cálculos se basan en eldiámetro interno del tubo. El valor de hi debe ser multiplicado por AI/AE paraponerlo en base al área externa.

a. Para agua:

1Rio

� hio � hi

AiAO

��F9

� (V)0.7

�di�0.3 �AE�AI�

�F10 tt � F11100

�0.26

Ec (3)

b. Para otros fluidos:

1. Evalúe el Número de Reynolds:

NRe ��F39

� * dimV

ZEc. (4)

2. Evalúe Yth de la Figura 1.

3. Evalúe K (cZ/k)1/3 de la Figura 3. o Figura 4.




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4. Evalúe hio:

1Rio

� hio � hiAiAE

�Yth

�di� �AE�AI�

K �CZK�1�3 � Z

ZW�0.14

Ec (5)

Asuma (Z/ZW)0.14 igual a 1 hasta que la temperatura de la pareddel tubo sea calculada

5. El factor de ensuciamiento en el lado del tubo:

rio = ri (AE/Ai) donde ri es el factor de ensuciamiento, ver Tabla 5del documento PDVSA–MDP–05–E–01.

Paso 8.– Calcule la caída de presión en el lado del tubo

1. Evalúe la caída de presión por fricción por pase de tubo, ∆Ptf:

a. Ytp de la Figura 3.

b. Calcular mV2/F18 (Ec. 6)

c. Ec. (6)�Ptf � Ytp L�di�mV2�F18

��Zw�Z��

Ø = 0.14 para flujo turbulento (NRe > 2100)

Ø = 0.25 para flujo laminar (NRe � 2100)

2. Evalúe la caída de presión por pase de tubo debido a los codos, entrada ysalida, ∆Ptr:

�Ptr � 3�mv2�F18� Ec. (7)

3. Evalúe la caída de presión por sección, ∆Pts:

�Pts � 2Ft ��Ptf � �Ptr� Ec. (8)

Para Ft, ver Tabla 3

Paso 9.– Calcule el coeficiente de transferencia de calor anular

1. Evalúe la velocidad en el espacio anular

V � M�mAA Ec. (9)

2. Evalúe el número de reynolds

NRe �F39 de mV

ZEc. (10)




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3. Evalúe el coeficiente anular, ho:

a. Yth de la Figura 2.

b. K (CZ/k)1/3 de la Figura 4. ó Figura 5.

c. 1�R0 � h0 �Yth

deK �CZ

k�1�3� Z

Zw�0.14

Ec. (11)

Asuma (Z/Zw)0.14 igual a 1 hasta que la temperatura de la pared del tubo seacalculada.

4. Factor de ensuciamiento anular, ro. ro es el factor de ensuciamiento, ver Tabla5 del documento PDVSA–MDP–05–E–01.

Paso 10.– Calcule la caída de presión anular

1. Evalúe la caída de presión por fricción por pase, ∆Ptf:

a. NRe �F39 d�e mV

ZEc. (12a)

b. Ytp de la Figura 3.

c. m V2�F18 Ec. (12b)

d. �Ptf � Ytp L�d�e �mV2

F18� �ZW

Z�� Ec. (12c)

Ø = 0.14 para flujo turbulento (Nre > 2100)

Ø = 0.25 para flujo laminar (Nre � 2100)

2. Evalúe la caída de presión por pase debido a los codos, entradas y salidas,∆Ptr

�Ptr �3mV2

F18Ec. (13)

3. Evalúe la caída de presión anular por sección, ∆Pas

�Pas � 2.4 ��Ptf � �Ptr� Ec. (14)

Paso 11.– Calcule el coeficiente global de transferencia de calor

1. Resistencia en la pared del tubo:

rW � ��KWAEAI

�Para los valores de �, ver Tabla 1� Ec. (15)




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(Este valor de resistencia de pared es levemente conservador. La relaciónAf/AI puede ser sustituida por el cociente dado por el área externa y el áreaexistente entre la mitad de di y dE. Sin embargo, esta diferencia no afectaapreciablemente el coeficiente global).

2. Eficiencia ajustada de aleta

La eficiencia de la aleta toma en consideración el hecho de que existe ungradiente de temperatura a través de la aleta, causando una reducción enla efectividad de la fuerza impulsora por diferencia de temperatura.

a. ha = 1/Ro+ro

b. Evalúe el parámetro correlacionado a la eficiencia de la aleta:

Hfha

F40 Kf Tf Ec. (16)

c. Eficiencia de la aleta, Ef, Figura 6.

d. Use el cociente entre el área total de las aletas y el área superficial totalexterna, Af/AE, para obtener la eficiencia ajustada de la aleta, Ew:

EW � Ef �AfAE��1–

AfAE� Ec. (17)

3. Coeficiente global, Uo

a. Rt � Rio � rio � rW�Ro � r0�EW

� Ec. (18a)

b. Uo � 1�Rt Ec. (18b)

Paso 12.– Temperaturas de la Pared del Tubo

1. Temperatura interna de la pared del tubo:

tWi � tt � U0�Rio � rio

� �ts–tt� Ec. (19)

2. Temperatura externa de la pared del tubo:

tWO � TS–UO�R0 � r0�EW

� �ts–tt� Ec. (20)

Devuélvase a los cálculos de los coeficientes de transferencia de calor para el ladode los tubos y el lado anular y corrija el efecto de viscosidad en la pared. Haga lascorrecciones necesarias en los cálculos del coeficiente global de transferencia decalor.




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Paso 13.– Número de secciones requeridas

1. Area por sección, As

2. Area total requerida, A:

A � Q�U0 �tm Ec. (21)

3. Número de secciones, Ns

NS � A�AS Ec. (22)

Paso 14.– Calcule la caída de presión total

1. La caída de presión total en el lado de los tubos, ∆Pt

�Pt � NS �Pts Ec. (23)

2. La caída de presión total en el espacio anular, ∆Ps

�PS � NS �Pas Ec. (24)

5.2 Cálculos automatizadosDebido a que HTRI no ofrece un programa para cálculos de transferencia de calorcon doble tubo, se usará el programa “HEXTRANTM ” (SIMSCI), comoprocedimiento oficial automatizado para cálculos con doble tubo. Remitimos allector al manual del programa“HEXTRANTM ”, sección 43 (“Doble pipeexchangers”). Es conveniente mencionar que el programa evalúa unaconfiguración predeterminada (la cual podría definirse siguiendo lo indicado en5.1), y permite flujo bifásico.




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6 NOMENCLATURA

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Enunidades

SI


Enunidadesinglesas

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

AÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Area total del intercambiadorÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

m2 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie2ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁAA

ÁÁÁÁÁÁ=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁArea de flujo en el espacio anular

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁm2 ÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁpie2ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

AfÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Area superficial de la aleta por unidadde longitud de tubo

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

m2/mÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie2/pie

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

AiÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

= ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Area superficial interna por unidad delongitud de tubo


m2/m ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie2/pie


AE ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Area superficial externa por unidad delongitud de tubo


m2/m ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie2/pie


As ÁÁÁÁÁÁ

= ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Area por sección ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

m2 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie2


C ÁÁÁÁÁÁ


Calor específico del fluido a latemperatura promedio de la masa

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

kJ/kg °C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

BTU/lb °F


deÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Diámetro hidráulico para cálculos detransferencia de calor


mmÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pulg


d’eÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Diámetro hidráulico para cálculos decaída de presión


mm ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pulg


di ÁÁÁÁÁÁ


Diámetro interno del tubo interior ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

mm ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pulgÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

dE ÁÁÁÁÁÁ


Diámetro externo del tubo interior ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ



d2 ÁÁÁÁÁÁ


Diámetro interno del tubo exterior ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ



EF ÁÁÁÁÁÁ


Eficiencia de la aleta ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

AdimensionalÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

EwÁÁÁÁÁÁ


Eficiencia ajustada de la aleta ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

AdimensionalÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

FiÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas (Ver tabla al final)


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁFt ÁÁÁ

ÁÁÁ= ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Factor de corrección de la caída depresión en el lado del tubo


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Hf

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Altura de la aletaÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

mmÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pulgÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

hio

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Coeficiente películar anular internobasado en el área externa


W/m2 °CÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

BTU/hpie2

°FÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

hoÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Coeficiente pelicular anularÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


BTU/hpie2


KfÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Conductividad térmica del material dela aleta, ()


W/m °C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

BTU/hpie2

°F/pieÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Kw ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Conductividad térmica de la pared deltubo


W/m °C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

BTU/hpie2

°F/pie


K ÁÁÁÁÁÁ


Conductividad térmica del fluido atemperaturas térmicas


W/m °C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

BTU/hpie2

°F/pieÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁL

ÁÁÁÁÁÁ=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁLongitud de la sección de tubo

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁm

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁpieÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁlÁÁÁÁÁÁ=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁEspesor de la pared del tubo, m (pie)

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁm

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁpie




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M ÁÁÁÁÁÁ


Flujo másico ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

kg/s ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

lb/hÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

m ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Densidad del fluido a temperaturaspromedio de la masa


kg/m3 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

lb/pie3


NF ÁÁÁÁÁÁ


Número de aletas por tubos ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

adimensional


NRe ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Número de Reynolds ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

adimensional


Ns ÁÁÁÁÁÁ


Número de secciones ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

adimensional


Nt ÁÁÁÁÁÁ


Número de tubos por sección ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

adimensional


DPas ÁÁÁÁÁÁ


Caída de presión anular por sección ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

kPa ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

psi


DPs ÁÁÁÁÁÁ


Caída de presión total anular ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


psi


DPt ÁÁÁÁÁÁ


Caída de presión total del lado deltubo



psi

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁDPtf

ÁÁÁÁÁÁ=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁCaída de presión por fricción

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁkPa

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁpsiÁÁÁÁÁÁÁ


DPtr

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Caída de presión por codos, entrada ysalida


kPaÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

psi


DPtsÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Caída de presión por sección en ellado del tubo


kPaÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

psi


Q ÁÁÁÁÁÁ


Velocidad de transferencia de calor ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

W ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

BTU/hÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

RioÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Resistencia pelicular interna basadaen el área externa


m2 °C/WÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

hpie2

°F/BTUÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Ro ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Resistencia pelicular anular ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


hpie2

°F/BTU


Rt ÁÁÁÁÁÁ


Resistencia total a la transferencia decalor


m2 °C/WÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

hpie2

°F/BTUÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

riÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Resistencia interna porensuciamiento, basado en el áreasuperficial interna


m2 °C/WÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

hpie2

°F/BTU


rio ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Resistencia interna porensuciamiento, basado en el áreasuperficial externa



hpie2

°F/BTU


roÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Resistencia anular por ensuciamientoÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


hpie2

°F/BTUÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

rwÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Resistencia de la pared del tuboÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


hpie2

°F/BTUÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

TfÁÁÁÁÁÁ


Espesor de la aleta ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


pulgÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

T1ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Temperatura de entrada del fluido queva a ser enfriado


°C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°F


T2 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Temperatura de salida del fluido queva a ser enfriado, °C (°F)



°F


Ts ÁÁÁÁÁÁ


Temperatura promedio de la masa delfluido en el espacio anular, °C (°F)


°C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°F


TtÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Temperatura promedio de la masa delfluido en el lado de los tubos


°CÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°F




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Twi ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Temperatura interna de la pared deltubo



°F


Two ÁÁÁÁÁÁ


Temperatura externa de la pared deltubo



°F


t1ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Temperatura de entrada del fluido queva a ser calentado


°CÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°F


t2ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Temperatura de salida del fluido queva a ser calentado



°F


Dtm ÁÁÁÁÁÁ


Diferencia de temperatura media ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ



Uo ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Coeficiente global de transferencia decalor



BTU/hpie2

°FÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

V ÁÁÁÁÁÁ


Velocidad ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

m/s ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie/s


Yth ÁÁÁÁÁÁ


Factor de correlación de transferenciade calor

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Adimensional


YtpÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Factor de correlación de caída depresión

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Adimensional


ZÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Viscosidad del fluido a su temperaturapromedio, ()


Pa.sÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

cP


ZwÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Viscosidad del fluido a la temperaturade la pared, Pa.s (cP)


Pa.s ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

cP




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FACTORES QUE DEPENDEN DE LAS UNIDADES USADASÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


En unidadesÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

En unidadesÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


SI ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

inglesasÁÁÁÁÁÁÁÁ

F6ÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Ec. (2) ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

1.274x106 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

1/19.625ÁÁÁÁÁÁÁÁ

F9ÁÁÁÁ



1.27x104 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

368ÁÁÁÁÁÁÁÁ

F10ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁF11ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁF16ÁÁÁÁ



103 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

12ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

F18ÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Ecs. (6), (6a), (7),(12b), (12c) y (13)


2000 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

9270


F39 ÁÁÁÁÁÁ


Figs. (2), (3)

Ecs. (4), (10) y (12a)


10–3 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

119.619


F40 ÁÁÁÁÁÁ


Fig. (6)

Ec. (16)


500 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

6

ÁÁÁÁÁÁÁÁ

F41 ÁÁÁÁ



1/2.5x107 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

576ÁÁÁÁÁÁÁÁ

F42 ÁÁÁÁ



4x103 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

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7 APENDICETabla 1 Datos físicos para secciones comunes de doble tuboTabla 2 Constantes geométricas para secciones de doble tuboTabla 3 Constantes Ft para secciones de doble tubo (Tabla nueva)Figura 1 Componentes típicos de unidades de doble tuboFigura 2 Coeficiente de transferencia de calor en los tubosFigura 3 Caída de presión por fricción a través de los tubosFigura 4 Valor de la función térmica para hidrocarburos líquidosFigura 5 (K (N° Prandtl) 1/3)Figura 6 Eficiencia de aletas longitudinales




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PRACTICAS DE DISEÑO


INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBOMAR.780

PDVSA PD–SEC–9H

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TABLA 1. DATOS FISICOS PARA SECCIONES COMUNES DE DOBLE TUBO (1)

Tamaño

Nominal Areapor

D.I.

de lacarcaza

Sección (2) NominalAE AF

mm 3.05 m 6.10 m mm di, mm de, mm x103, m NF Ai AE AAx103, m2 de,mm d’e,mm

75 4.65 9.38 40 40.9 48.3 3.69 24(3) 5.93 0.801 2.65 13.92 10.54

100 5.30 10.59 40 40.9 48.3 3.69 28(3) 6.72 0.824 2.60 12.07 9.40

6.60 13.10 40 40.9 48.3 3.69 36(3) 8.30 0.858 2.51 9.42 7.65

100 8.36 16.72 40 40.9 48.3 3.69 24(4) 10.65 0.890 5.84 17.04 13.84

9.57 19.14 40 40.9 48.3 3.69 28(4) 12.25 0.905 5.76 4.63 12.17

12.08 24.15 40 40.9 48.3 3.69 36(4) 15.40 0.925 5.56 11.25 9.70

100 5.11 10.22 65 62.71 73.02 5.15 24(3) 4.26 0.727 1.93 9.22 6.65

6.97 13.94 65 62.71 73.02 5.15 36(3) 5.80 0.800 1.80 6.30 4.93

8.83 17.65 65 62.71 73.02 5.15 48(3) 7.36 0.841 1.66 4.60 3.76

100 9.94 19.79 20 14.83 19.05 2.11 16(6) 4.95 0.740 4.52 11.23 9.35

100 12.17 24.25 22 18.01 22.22 2.11 20(6) 5.01 0.753 3.65 7.37 6.35

100 3.07 6.04 22 18.01 22.22 2.11 –– 1.23 –– 5.50 45.0 27.2

100 3.53 6.87 25 18.59 25.90 3.41 –– 1.37 4.66 33.5 21.2

NOTAS:

(1) Los datos dados son para aletas de tubo, marca Brown, de secciones de tubería de pesoestándar. Los datos presentados están limitados a los tipos de secciones usadas comúnmente. Sinembargo, existe una gran variedad de diseños de disponibilidad inmediata que no estan tabulados.(2) Area por sección (m2 (pie2)) está basada en una sección de horquilla o gancho de pelo (2longitud de tubo) la cual tiene las distancias nominales indicadas.(3) Altura de las aletas = 12.7 mm (0.50 pulg), espesor de las aletas = 0.89 mm (0.035 pulg).(4) Altura de las aletas = 25.4 mm (1.00 pulg), espesor de las aletas = 0.89 mm (0.035 pulg). (5)7 tubos de sección(6) Altura de las aletas = 5.3 mm (0.21 pulg), espesor de las aletas = 0.89 mm (0.035 pulg).(7) Para convertir de mm a pulgadas, divida entre 25.4.(8) Para convertir de m a pie, divida entre 0.3048.




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TABLA 2. CONSTANTES GEOMETRICAS PARA SECCIONES DE DOBLE TUBO

Area de flujo anular, AA, m2

AA= �2. 5x10–7� �d 2–NT�� d 2+4NF HF TF

�

Area de superficie aleteada pro metro de longitud de tubo, Af, m2/m

AF= �10–3� NF�2HF+TF

�

Area de superficie interna por metro de longitud de tubo, Ai, m2/m

Ai= �10–3� � di

Area de superficie externa por metro de longitud de tubo, AE, m2/m

AE= �10–3� �� dO+2NF HF�

Area por sección, As, m2

AS= 2NT AE L

Diámetro hidráulico para cálculos de transferencia de calor, de, mm

de ��4x103� AA

NT AE

Diámetro hidráulico para cálculos de caída de presión, de’, mm

d�e ��4x103� AA

NT AE � �10–3� � d2

NOTAS:

Para convertir de mm a pulg, divida entre 25.4Para convertir de m a pie, divida entre 0.3048




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TABLA 3. FACTOR DE CORRECION DE LA CAIDA DE PRESION POR EL LADO DELTUBO

Tubos de AceroFt

Tubos de Aleaciones no FerrosasFt

mm pulg t (mm) (1) Sencillo Aleteado Sencillo Aleteado

19.05 (3/4) 1.24 1.28 1.35 1.14 1.19

1.65 1.34 1.42 1.17 1.23

2.11 1.41 1.53 1.20 1.30

2.77 1.53 1.74 1.26 1.39

25.40 (1) 1.65 1.24 1.28 1.10 1.12

2.11 1.28 1.33 1.12 1.15

2.77 1.35 1.43 1.15 1.19

3.40 1.43 1.19

38.10 (1 1/2) 2.11 1.18

2.77 1.21

3.40 1.25

4.19 1.31

NOTA:

(1) Para convertir de mm a pulg, divida entre 25.4




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Fig 1. COMPONENTES TIPICOS DE UNIDADES DE DOBLE TUBO




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Fig 2. COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN TUBOS




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Fig 3. CAIDA DE PRESION POR FRICCION A TRAVES DE LOS TUBOS




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Fig 4. VALOR DE LA FUNCION TERMICA PARA HIDROCARBUROS LIQUIDOS




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Fig 5. (K (N° PRANDTL) 1/3)




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Fig 6. EFICIENCIA DE ALETAS LONGITUDINALES




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