Intercambiador Horizontal de Coraza y Haz de Tubos PDF

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REPORTE DE PRACTICA...

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Objetivos - Determinar la eficiencia térmica del equipo. - Determinar el comportamiento del equipo tomando en cuenta el tipo de condensación. - Analizar el comportamiento del intercambiador de acuerdo a las diferentes condiciones de operación. - Analizar la eficiencia térmica del equipo con respecto al horizontal (en las mismas condiciones de operación). - Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental (sucio) y coeficiente global de transferencia de calor teórico (limpio) para conocer el comportamiento del equipo.

Introducción Debido a que en el intercambiador vertical se calienta agua, empleando vapor saturado por el exterior de los tubos, ocurre el cambio de fase de dicho medio de calentamiento, por lo que se forma una película de condensado. En esta condensación por película, los coeficientes de transferencia de calor son más bajos que en la condensación por goteo (a las mismas condiciones de operación), el espesor de la película se ve afectado por la velocidad, viscosidad, densidad del fluido, así como el diámetro del tubo, la textura de la superficie por la que se efectúa la condensación y por la posición del condensador. Dependiendo de la aplicación, los equipos pueden ser colocados en forma horizontal o vertical. Para poder definir la posición de un intercambiador, debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimiento, el tipo de soportes estructurales y el costo que implica; generalmente es más costoso instalar un intercambiador de tipo vertical. La práctica se desarrolla utilizando un intercambiador de coraza y haz de tubos colocado en forma vertical con las mismas características que el intercambiador horizontal para poder comparar la eficiencia térmica de ambos equipos y los coeficientes de película correspondientes.

Aplicación en la Industria Los condensadores verticales se emplean en la industria cuando se desea en un proceso condensar una porción del vapor que se utiliza, para condensar el vapor de agua, para mantener una mezcla líquida en su punto de ebullición hasta completar una reacción química si es este caso, o tratar de concentrar una solución para obtener mejores productos. Es de igual manera un elemento intercambiador térmico, en cual se pretende que cierto fluido que lo recorre, cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor) con otro medio.

Diagrama de Bloques

Operación del Equipo

Ajustar el nivel del agua fría al tanque

Abrir todas las válvulas de la línea de vapor excepto la VRP

Cerrar las líneas de vapor

Dejar fluir agua para enfriar el intercambiador de calor

Verificar que todas las válvulas del sistema estén cerradas

Accionar la bomba, abrir la válvula del rotámetro hasta un 60%

Abrir la VRP hasta tener las condiciones de operación (0.5 a 1 kgf/cm2)

Modificar las condiciones de operación y repetir el experimento

Apagar la bomba y cerrar todas las válvulas de agua y cortar el suministro de energía eléctrica

Alimentar el tanque de agua fría

Abrir las válvulas que permitan el paso del agua por todo el equipo excepto la válvula del rotámetro

Operar el equipo hasta llegar al régimen permanente

Recolectar el condensado durante cierto tiempo y tomar datos de P,T, gastos de agua y condensado

Tabla de Datos Experimentales t af (°C) t ac (°C) Tv (°C) Tcc (°C) Tcf (°C) 24 45 105 105 20 25 45 102 102 21 25 46 104 105 21 25 46 106 106 21 25 47 106 107 21 Tabla 1: Registro de temperaturas hasta alcanzar el régimen permanente

Corrid a

1 2

Pv, man kgf/cm2

Lectura del rotámetr o% 50 59

Tv °C

Tcc °C

Tcf °C

taf °C

tac °C

ΔZa cm

0.8 105 105 21 25 46 0.8 103 104 23 25 44 Tabla 2: Datos experimentales para cálculos.

Δθa min

ΔZc cm

Δθc min

7 7

3.1

7 7

Secuencia de Cálculos Daf (m)

Dcf (m)

de (m)

0.56

0.39

0.0158

L (m)

di

e (m)

1.5 0.0134 0.0024 Tabla de datos del equipo

K (kcal/hm°C ) 42.99

dm (m) 0.0155

1. Gasto volumétrico del agua.

L 3 ∗1 m min ∗60 min 1000 L m3 Gva=9.1 =0.546 h 1h 2. Gasto masa del agua.

Gma=Gva∗ρaf =

kg h

Gma=0.546

kg m3 kg ∗997 . 13 3 =544.4329 h h m

3. Gasto volumétrico del condensado frío.

π ∗( Dcf )2∗∆ Zcf 3 m 4 Gvcf = = h ∆ θc 4. Gasto masa del vapor de agua.

0.39 m ¿ ¿ π Gva= ∗¿ 4

Gmcf =Gvcf ∗ρcf =

kg h

Gma=0.0187

kg kg m3 ∗998.08 3 =18.6640 h h m

5. Calor ganado o absorbido por el agua (Qa).

Qa=Gma∗Cp (t 2−t 1 )= Qa=544.4329

kcal h

kcal kg ( 46 −25 ) =11431.948 kcal ∗0.9999 h h kg∗°C

6. Calor (cedido) por el vapor de agua (Qv).

Pabs=0.80

kg kg kg +0.7956 2 =1.5959 2 2 cm cm cm

Qv =Gmvc∗λv=

kcal h

Qv=18.664

kcal kcal kg ∗528.3973 =9862.0072 h kg h

7. Eficiencia térmica del equipo.

Qa ŋ= ∗100 % Qv

kcal h ∗100 %=115.91 % ŋ= kcal 9862.0072 h 11431.948

8. Coeficiente global de transferencia de calor experimental o sucio (Ud).

Ud=

Qa kcal = ATC∗∆T ML h∗m2∗°C

Media logarítmica de las diferencias de temperaturas.

∆ T ML =

∆ T 1− ∆ T 2 =° C ∆T 1 ln ∆T 2

∆ T ML=

80−59 =68.96° C 80 ln 59

∆ T 1=Tv −taf

∆ T 1=105 ° C−25 °C =80 ° C

∆ T 2=Tv −tac

∆ T 2=105° C −46 ° C =59 °C

Área de transferencia de calor.

A tc =π∗De∗ L∗N t =m 2

A tc =π∗0.0158 m∗1.5 m∗5=0.3722 m2

kcal kcal h =447.1470 Ud= 2 0.3722 m ∗68.96 °C h∗m 2∗°C 11431.948

9. Coeficiente de película interior.

hi=

(

0.023∗k Di∗ v∗ ρ ∗ Di μ

tm=

t af −t ac 2

) ( 0.8

∗

tm=

) ( )

Cp∗ μ 13 μ ∗ μ¿ k

0.14

=

kcal h∗m2∗°C

25 + 46 =35.5 °C 2

Propiedades del agua a diferentes temperaturas Temperatura

ρ

kg m3

Cp

993.905 994.255

35.5°C 34.5

kcal kg∗° C

0.9999 0.9999

λv kcal/k

k

g 551.8968 532.7612

kcal h∗m∗°C

0.5710 0.5712

μ

kg m∗h

2.5668 2.6172

3

G va

v= π 5∗ ∗Di2 4

(

)

0.546

m = h

v=

(

m h

)

π 2 5∗ ∗0.0134 4

=774.3247

m h

(

m kcal 0.0134 m∗774.3247 ∗993.905 kg3 h h∗m∗° C m ∗ 0.0134 m kg 2.5668 m∗h

0.023∗0.5710 hi=

)( 0.8

)

kg 13 kcal ∗2.5668 m∗h kg∗°C ∗ kcal 0.5710 h∗m∗° C

0.9999

∗

10. Coeficiente de película exterior.

he=0.943

(

ρ f 2∗k f 3∗ λv ∗ g μf ∗ L∗∆ t f

)

1 4

Temperatura de película (Tf).

Tf =( 105 −0.75∗34.75 ) ° C =¿ 78.93 °C

Tf =Tv −0.75∗ ∆Tf

∆ Tf = ( 105 −70.25) °C =34.75 °C

∆ Tf =Tv −Tsup

Tsup=

Tv + Tcc + taf + tac 4

Tsup=

(105 + 105 + 25 + 46 ) ° C =70.25° C 4

Propiedades del condensado a diferentes temperaturas Temperatura

Cp

kcal kg∗° C

ρ

kg m3

μ

kg m∗h

k

kcal h∗m∗° C

λv

kcal kg

0.9999 0.9999

78.93°C 77.5

he=0.943

(

972.2685

972.2685 973.155

1.2924 1.3176

0.5770 0.5779

551.8968 552.7612

1 kcal 3 kg 2 kcal 8 4 ∗0. 5770 ∗551.8968 ∗1.27 x 10 kg h∗m∗° C m3 kcal =3496.16 kg h∗m 2∗° C ∗1.5 m∗34.75° C 1.2924 m∗h

)

11. Coeficiente global de transferencia de calor teórico o limpio (Uc).

Uc=

1 kcal = eDe 1 h e∗m2∗°C De + + hi∗Di kDm he

Dm=

(0.0158 + 0.0134 )m =0.0146 m 2

e= (0.0158 −0.0134) m=0.0024 m

Uc=

kc 1 =542.2525 0.0024∗0.0158 m 0.0158 m 1 h∗m + + kcal kcal kcal 1235.9889 ∗0.0134 m 42.99 ∗0.0146 m 3496.16 h∗m∗° C h∗m 2∗°C h∗m 2∗°C

12. Diferencia porcentual de los coeficientes Uc y Ud.

%D=

Uc −Ud ∗100 Uc 542.2525

%D=

kcal kcal −447.1470 2 h∗m ∗° C h∗m 2∗° C ∗100=17.53 % kcal 542.2525 h∗m 2∗°C

13. Factor de incrustación.

Rd=

Uc −Ud ∗100 Uc∗Ud

kcal kcal −447.1470 2 h∗m ∗° C h∗m 2∗° C Rd= ∗100=0. 0392 kcal kcal 542.2525 ∗447.1470 2 h∗m 2∗°C h∗m ∗°C 542.2525

Corr ida 1 2

Gma

Gmv

Qa

Qv

ŋ

ΔT

Ud

hi

he

Uc

Rd

%D

542.2 525 841.7 592

0.03 92 0.08 87

17. 53 42. 76

ML

Kg/h 544.4 329 642.3 511

Kg/h 18.6 640 32.1 381

Kcal/h 11431. 948 12203. 45

Kcal/h 9862.0 072 16981. 685

% 115. 91 71.8 6

°C 68. 96 68. 05

447.1 470 481.7 524

Kcal/hm2°C 1235.9 3496.1 889 6 1398.8 3512.4 135 559

Tabla de Resultados

Análisis de Resultados Comparando la corrida con el porcentaje de rotámetro menor con la corrida de flujo de rotámetro mayor y comparándolas con los resultados obtenidos, se puede observar que de igual manera aumentaron proporcionalmente Gma, Gmv, Qa y el Qv; siendo lo contrario con la eficiencia la cual disminuyo también proporcionalmente. Las variables que también aumentaron al aumentar el flujo del rotámetro son Ud, hi, Uc y %D mientras que he y Rd disminuyeron.

Conclusiones En la experimentación de esta práctica se comprobó que a mayor flujo de agua que pasa por el equipo es más el calor de vapor que se requiere ya que es más difícil transmitir el calor a un volumen de agua mayor y al contrario en un flujo de agua menor. En cuanto a los coeficientes de transferencia de calor los cuales son fuertemente influenciados por la forma de corrugaciones de las placas, los parámetros de trabajo y las

propiedades del fluido así mismo las condiciones del equipo; se puede observar que son muy diferentes los valores obtenidos ya que estos influyen directamente en el calor. Lo cual en una experimentación ideal no debe ser, pero tomando en cuenta de que el equipo presentaba algunas fallas como fugas de vapor y malas lecturas de temperatura lo cual pudo influir en los resultados obtenidos y en la alta eficiencia obtenida en la experimentación lo cual prácticamente es muy complicado.

Bibliografía. -Manual de Prácticas de Transferencia de calor. -Transferencia de Calor y Masa, Yunus A. Cengel, Cuarta Edición. -Fundamentos de Transferencia de Momento, Calor y Masa, Welty, Segunda Edición....