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LABORATORIO TRANSFERENCIA DE CALOR (15833) CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERÍAS Departamento de ingeniería química Laboratorio de Ingeniería Química Reporte de práctica No. 03: Intercambiadores de calor. Equipo: #3 Integrantes: ● Álvarez González Silvia Citlali ● Bañuelos González ...

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LABORATORIO TRANSFERENCIA DE CALOR (15833) CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERÍAS

Departamento de ingeniería química Laboratorio de Ingeniería Química Reporte de práctica No. 03: Intercambiadores de calor. Equipo: #3 Integrantes: ● Álvarez González Silvia Citlali ● Bañuelos González Esmeralda ● Martínez Escalante Nayely Guadalupe ● Medrano Luna Luis Eduardo ● Mendoza Avelar Raúl ● Molina Guzmán Bertha Montserrat ● Ramos Plasencia Francisco

Nombre del maestro: Cajero Zul Leonardo Ramsés Fecha: 13 de Noviembre de 2018

Práctica No. 3 Intercambiadores de calor. 1. OBJETIVOS -Determinar experimentalmente los coeficientes globales de transmisión de calor en un intercambiador de calor de tubos concéntricos, y en un intercambiador de tubos de 2 pasos, en los tubos y uno en la coraza. -Valorar las desviaciones entre los valores experimentales y teóricos de los coeficientes globales de transferencia de calor -Realizar los balances de masa y energía en los intercambiadores de calor utilizados. 2. TEORÍA GENERAL Un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes: ● Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura. ● Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura. ● Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura. ● Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío. ● Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura. La función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. El calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. Tipos de intercambiadores de calor I.

Intercambiadores de doble tubo o de tubos concntricos: Un fluido fluye en el interior de una tubera y el otro lo hace en el espacio anular entre ambas tuber as. Los fluidos pueden circular en paralelo o a contracorriente. Son especialmente tiles para velocidades de flujo muy bajas. Su principal desventaja es la peque a superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple. Los coeficientes globales de transmisin de calor en este tipo de aparatos dependen de la naturaleza de los fluidos y de sus velocidades de circulacin.

Existen con flujo contracorriente y paralelo:

II.

Intercambiadores de tubo y coraza: Es el m s importante en los procesos que manejan grandes flujos. Constan de varios tubos en paralelo con uno de los fluidos circulando en su interior. Los tubos, distribuidos en forma de manojo, estn encerrados en una coraza y el otro fluido pasa por el exterior, dentro de la coraza. Un importante factor para determinar el n mero de pasos del flujo por el lado de los tubos es la cada de presi n permisible. Se usan deflectores transversales de tal manera que el fluido se ve forzado a fluir en forma perpendicular por la bater a de tubos en vez de hacerlo en paralelo. La turbulencia adicional, por el flujo transversal, aumenta el coeficiente de transferencia de calor de la coraza. El intercambiador consta de coraza y calandria, en la coraza se tiene conectada la entrada de vapor, en esa misma l nea y antes de la entrada tiene una salida para gases no condensables. Antes de la salida de los incondensables se instal un calormetro. Este sirve para investigar la calidad de vapor. La entrada de vapor se localiza en la parte alta del intercambiador y en la zona trasera. En la parte baja y cerca de la brida principal de la coraza se localiza un cople de 1” y 6000 kg/cm2 de presin para drenar los vapores condensables, pasando posteriormente por una trampa que finalmente expele el vapor condensado.

III.

Intercambiador de flujo cruzado: De uso ms comn cuando se va a calentar o enfriar un gas, como el aire. Un fluido l quido fluye dentro de tubos y el gas a trav s del manojo de tubos por conveccin forzada o natural. El fluido del interior de los tubos se considera sin mezcla, ya que est confinado. El flujo de gas en el exterior de los tubos est mezclado, dado que puede moverse libremente entre los tubos y habr  una tendencia a que la temperatura del gas se iguale en la direcci n normal al flujo. En el fluido no mezclado del interior de los tubos habr  un gradiente de temperatura paralelo y normal a la direccin del flujo.

Efectividad de un intercambiador de calor La efectividad de un intercambiador se define como la razn de la transferencia de calor lograda entre la mxima transferencia posible, si se dispusiera de rea infinita de transferencia de calor.

En un proceso a contracorriente, es aparente que conforme se aumenta el rea del intercambiador, la temperatura de salida del fluido frío se aproxima a la temperatura de entrada del fluido caliente en el lmite conforme el rea se aproxima al infinito. En el caso del flujo paralelo, un rea infinita significa que la temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto. Cuando los fluidos caliente y fr o de un intercambiador de calor de tubo conc ntrico o de un paso en la coraza y un paso en los tubos; circulan con flujo a contracorriente o en paralelo, debe usarse la media logartmica de las diferencias de temperaturas en los extremos del intercambiador.

Cuando se trata de un intercambiador de calor de pasos múltiples, es necesario obtener otra expresión para la medida de la diferencia de temperatura, que depende de la configuracin de los pasos por tubos y coraza. La deducci n matem tica de la ecuacin para la temperatura media adecuada, es bastante compleja. El procedimiento comn es usar en factor de correcci n FT que también se define de modo cuando se multiplica por Tml, el producto es el gradiente correcto de la temperatura media Tm, que debe usarse. Al usar los factores de corrección FT, es intrascendente si el fluido más caliente fluye a través de los tubos o de la coraza. La ecuación para un intercambiador es:

Para determinar la mxima transferencia de calor posible para el cambiador, se admite en primer lugar que este valor mximo se alcanzara si uno de los fluidos experimentase una variacin de temperatura igual a la diferencia m xima de temperaturas que se da en el cambiador, que es la diferencia entre las temperaturas de entrada de los fluidos caliente y fro. El fluido con la capacidad trmica mnima puede ser tanto el fr o como el caliente, dependiendo

de

los

flujos

msicos

y

los

calores

especficos.

Con los valores de Tml es posible determinar el área superficial del intercambiador si además se conoce el coeficiente total de transferencia de calor U.

Los valores de h para el agua se obtienen por medio de correlaciones empíricas de transferencia de calor dentro de tubos:

Los datos de calor transferido para agua se obtienen por medio de:

Si las temperaturas de los fluidos que salen del intercambiador no se conocen y se va a usar un intercambiador determinado, es necesario utilizar un procedimiento por prueba y error. En estos casos se utiliza el m todo llamado eficacia del intercambiador de calor (ε), que no implica ninguna de las temperaturas de salida.

Aplicaciones de los intercambiadores de calor ●

Precalentador: A bordo nos podemos encontrar precalentadores en varias instalaciones, generalmente para preparar la temperatura de agua de camisas de los motores principales para reducir el choque térmico previo a la puesta en marcha o en sistemas de vapor a gran escala que necesitan calentamiento en varias etapas en lugar de un solo calentamiento para así aumentar la eficiencia del sistema.

●

Radiador: El radiador tiene como objetivo transferir calor a partir de un fluido térmico a otro fluido, esto no implica que necesariamente el intercambio debe ser de líquido a líquido sino que también se puede producir de aire a líquido o viceversa.

●

Aire Acondicionado (Evaporador/Condensador): Todos

los sistemas de

aire

acondicionado están conformados mínimo por dos intercambiadores de calor; Un evaporador y un condensador, el líquido refrigerante fluye por el intercambiador de calor, ya sea transfiriendo calor o expeliendo al medio frío. ●

Generador de Agua Dulce (Evaporador/Condensador): En los sistemas de generación de agua dulce (evaporador-condensador) contamos con dos intercambiadores de calor, un evaporador en la parte baja del sistema donde se introduce el fluido a vaporizar (agua de mar) y un condensador en la parte alta del sistema que condensa el vapor resultante del agua de mar vaporizada.

3. 1.

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA Primeramente, cerciorarse que la caldera funcione correctamente

y prenderla 30

minutos antes de comenzar la práctica. 2.

Abrir las válvulas del intercambiador de tubos concéntricos para trabajar en alguna de las configuraciones del intercambiador, paralelo o contracorriente.

3.

Regular el flujo de vapor y agua con las llaves, cuidando que los barómetros marquen 0.2 en las entradas de vapor correspondientes a lo largo de la práctica. Para el agua, abriendo de manera mesurada para obtener un flujo continuo.

4.

Hacer corridas de 10 minutos, dos en cada configuración.

5.

A lo largo de la corrida recoger el condensado y pesarlo, esto con el objetivo de calcular el flujo másico de vapor. También tomar 3 muestras de 10 segundos del agua que circula y pesarlas para calcular el flujo másico de agua.

6.

En cada muestreo para el flujo másico de agua tomar las temperaturas del condensado, la temperatura de la entrada de agua (es decir la del tinaco) y la temperatura de salida (la de la muestra de 10 segundos).

7.

Recircular el agua de los muestreos de 10 segundos a la entrada, es decir, el tinaco.

8.

Al finalizar la práctica se abren todas las válvulas para permitir la purga del equipo.

9.

Se pasa a operar el intercambiador de tubos y coraza, se cuida otra vez que el manómetro de la entrada de vapor marque 0.2.

10.

Se hacen corridas de 5 minutos, repitiendo el proceso descrito para las hechas en el intercambiador de tubos concéntricos.

4. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Intercambiador de calor de tubos en U de dos pasos en tubos y uno en coraza: Consiste de las siguientes partes: 1) Una cámara que contiene a los tubos de prueba. 2) Válvulas para control de flujos. 3) Manómetro para determinar la calidad del vapor. 4) Medidor de desplazamiento para cuantificar el flujo del material de prueba. 5) Trampa de vapor para eliminación de condensados. 6) Medidores de temperaturas en las diferentes secciones de los aparatos. 7) Material aislante.

El intercambiador consta de coraza y calandria, en la coraza se tiene conectada la entrada de vapor, en esa misma línea y antes de la entrada tiene una salida para gases no condensables. Antes de la salida de los incondensables se instaló un calorímetro. Este sirve para investigar la calidad de vapor. La entrada de vapor se localiza en la parte alta del intercambiador y en la zona trasera. En la parte baja y cerca de la brida principal de la coraza se localiza un cople de 1” y 6000 kg/cm2 de presin para drenar los vapores condensables, pasando posteriormente por una trampa que finalmente expele el vapor condensado. En la zona de la coraza se localiza un cople con una T en la cual se instaló un manómetro, el otro brazo sirve de ventila. En la boquilla de una y media pulgada localizada a 180 grados (parte baja del equipo) se encuentra la entrada de agua (a la temperatura ambiente), esta agua sale calentada después de haber pasado por los tubos, por la boquilla que se encuentra a 0 grados. Intercambiador de calor de tubos concéntricos: Consiste de las siguientes partes: 1) Línea de alimentación de vapor. 2) Línea de alimentación de agua como fluido calentante. 3) Línea de alimentación de agua como medio de prueba. 4) Válvula de servicio. 5) Válvula de paso de vapor. 6) Inyector de vapor (mezclador.) 7) Válvula de seguridad. 8) Líneas de distribución y descarga con válvulas de bola. 9) Intercambiador de tubos concéntricos. 10) Tubo de descarga del fluido calentante. 11) Tubo de dren del fluido calentante. 12) Elementos de medición de temperatura y de presión. 13) Elementos indicadores de flujo (rotámetros).

5. DIAGRAMA DEL EQUIPO Intercambiador de calor de tubos concéntricos:

Tipo de válvula

VA

Válvula de asiento

VB

Válvula de esfera (bola)

VC Fluido que pasa

A

Agua

V

Vapor

I Instrumentos

Válvula check

PI

Incondensables Indicador de presión

TI

Indicador de temperatura

TT

Trampa termodinámic a de vapor

Intercambiador de calor de tubos en U de dos pasos en tubos y uno en coraza:

6.

DIAGRAMA DE FLUJO

Nota: El diagrama aplica para ambos intercambiadores, solo cambia que en el intercambiador de tubos concéntricos es contracorriente y paralelo, y en U solo contracorriente.

7.

DATOS OBTENIDOS Tubos internos Acero inoxidable, T-304

Cobre, Tubing

Cédula

40 Tipo

Dnom [in]

½

D [m]

0.0157988

Área de sección

0.000196

transversal [m2]

Dnom [in]

D [m]

Área de sección

3.048

Long. total, Lt [m]

2.00E-06

Rugosidad, ε[m]

Tubo externo

Área de transferencia

Acero inoxidable

interna, Ai [m2]

Dnom [in]

50 ¿? 2

0.151282585 Área de transferencia

D [m]

0.0492506

externa, Ae [m2]

Dh [m] (De-Di)

0.0279146

0.267298329

Área de sección

0.000612002

transversal [m2]

Long. total, Lt [m]

¾

0.018923

0.000281235

transversal [m2]

Long. total, Lt [m]

Cédula

K

Kacero-inox [cal/hr·m·°C]

13416.88337

3.048

3.048

Intercambiador de tubos concéntricos Cocorriente

t (seg)

m (kg)

Tsal (°C)

Tent (°C)

Tcond (°C)

Corrida 1

10

4.71

49

25

58

m= 2.245kg

10

5.23

51

25

65

10

5.18

54

32

66

Corrida 2

10

5.53

47

36

78

m= 3.34kg

10

5.45

50

38

80

10

4.96

50

37

84

Contracorr.

t (seg)

Corrida 1

10

m= 4.36kg

10 12

Corrida 2

10

m= 5.0kg

9 10

Intercambia dor en U Corrida 1 m= 3 kg

t (seg) 300

m (kg) 5.670 5.460 6.140 5.960 4.480 5.440 m (kg) 7.1

Tsal (°C)

Tent (°C)

Tcond (°C)

50

39

75

55

39

81

56

39

79

54

40

80

55

39

78

54

41

85

Tsal (°C) 60

Tent (°C) 37

Tcond (°C) 52

8.

CÁLCULOS Y RESULTADOS Paralelo Q1/Q2 X100

hL

hv

ΔTml

ΔT1

ΔT2

1.1

4.388233544

33108.588

176.7872473

29.118

1.2

2.316468654

34874.267

180.2310222

23.285

55 55

13.0 7.0

1.3

1.878489261

33997.136

177.1633851

25.114

48

11.0

2.1

3.876339413

34698.778

230.8630848

41.021

53

31.0

2.2

2.956092623

33154.032

239.8033933

39.576

51

30.0

2.3

1.64222976

31902.457

239.9536344

42.365

52

34.0

U (W/m2 K)

120.732 122.352 120.919 143.752 147.139 147.170

U vs REYNOLDS 160.000 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0.000

U (W/m2 K)

Contracorriente Q1/Q2 X100

hL

hv

ΔTml

ΔT1

ΔT2

1.1

7.325361699

33266.008

275.8408995

37.480

39

36.0

1.2

5.231136805

32201.628

290.2279843

37.859

34

42.0

1.3

5.253412322

30219.878

277.3823729

36.388

33

40.0

2.1

7.954052923

30873.870

304.038409

40.992

42

40.0

2.2

7.577370318

28104.556

336.2603119

39.992

41

39.0

2.3

9.243837147

30282.560

336.8256084

42.498

42

43.0

U vs Reynolds 180.000 175.000 170.000 165.000 160.000 155.000 150.000

U (W/m2 K)

U (W/m2 K)

159.964 164.672 160.404 168.990 178.396 178.636

Intercambiador de calor en U Resultados

Corrida

m/s 1 2-

Corrida

9.

Medio de Prueba Diferencia de Temperatura Calor Reynolds Temperatura media ganado °C W 0.084 23 48.5 2275.31 2422.36 -

Velocidad

Temperatura Coeficiente de Media Pelicula Logaritmica °C W/m-°C 1 23.987 2-

Factor de Correccion P -

R 0.746

-

W 0.8

-

14.249

Temperatura media

Calor Latente

Calor cedido

Calor máximo

°C

J/Kg

W

W

44 -

122 -

2270200 -

Coeficientes Globales de Transferencia Coeficiente Coeficiente Convectivo convectivo interno Coeficiente Global interno Ui externo he hi W/m2 K W/m2 K W/m2 K 22702.00 471.974 471.420 250.611 -

Calor cedido por el vapor

F grafico 0.523

-

Medio de Calentante Diferencia de Temperatura °C

Nusselt

-

22702.00 -

Efectividad

1252.48 -

Coeficiente Coeficiente Global externo global de Ue Transferencia W/m2 K W/m2 K 187.958...