Intercambiador Vertical de Coraza y Haz de Tubos PDF

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Practica para entender la transferencia de calor a través de un cuerpo de material metálico hacia otro cuerpo o materia con diferente temperatura. ...

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ESCUELA PREPARATORIA DE CUAUTLA LUIS RIOS ALVARADO LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR PRÁCTICA 4: ‘‘INTERCAMBIADOR VERTICAL DE CORAZA Y HAZ DE TUBOS’’ PROFESOR: ALUMNO

MATRÍCULA: GRUPO: SECCIÓN A EQUIPO 1 FECHA DE ENTREGA:

íNDICE

Introducción………………………………………………………………………………..3 Diagrama de bloques de operación………………………………………………….....6 Diagrama de un Intercambiador Vertical de Coraza y Haz de Tubos……….……...8 Datos experimentales…………………………………………….……………………....9 Cálculos…………………………………………………………………………………...10 Resultados………………………………………………………………………………..18 Conclusiones……………………………………………………………………………..19 Anexo……………………………………………………………………………………...20 Bibliografía………………………………………………………………………………..26

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Introducción Uno de los daños mas comunes que sufren los equipos industriales son los que provocan las altas variaciones de temperatura en los procesos que se lleven a cabo. Por esta razón surge la fabricación de distintos equipos especializados para el intercambio de calor que sirven para evitar el sobrecalentamiento de las máquinas y así mantener una temperatura ideal de operación ya sea mayor o por debajo de cierta temperatura que se requiera, para los fluidos empleados en la producción de alimentos, medicinas o en cualquier otra industria. Un intercambiador de calor es un equipo que consta de una superficie amplia la cual se utiliza para transferir energía en forma de calor, esta energía va de un fluido caliente a otro de menor temperatura.

El ejemplo más sencillo de estos equipos es el de un recipiente que contiene dos fluidos para su mezclado directo a distintas temperaturas, los cuales llegaran a un punto de equilibrio térmico donde la cantidad de calor transferida puede calcularse igualando la energía perdida del fluido caliente con la energía ganada por el fluido más frio. Algunos ejemplos de equipos o sistemas de transferencia de calor que emplean la mezcla directa de fluidos son los calentadores abiertos de agua, los inyectores de condensación y algunos enfriadores, siendo los condensadores los más comunes. 

Ejemplo de intercambiador de calor por contacto directo.

Estos condensadores cuentan con una pared que divide o separa a los fluidos que van en su interior, transfiriendo la energía o calor de uno a otro. Existen distintos modelos de condensadores, puede ser equipos que cuenten con un tubo doble concéntrico, solo concéntrico o evaporadores y condensadores de superficies muy grandes para una buena transferencia de calor.

3

Los intercambiadores de calor más compactos para dos o más fluidos son los más comunes en los procesos industriales de calentamiento, refrigeración, aire acondicionado, y esto es por el ahorro económico que conlleva su construcción y operación, así como su mantenimiento. Su uso dependerá del tamaño y tecnología con la que cuente y puede ser en plantas de procesamiento químico, plantas de potencia de vapor, calefacción y acondicionamiento de aire en edificios, refrigeradores domésticos o de escala industrial, radiadores, así como vehículos especiales.

Intercambiador vertical de coraza y haz de tubos.

El intercambiador de calor de coraza y haz de tubos es un equipo formado por una cubierta llamada coraza que cubre una multitud de tubos donde fluyen fluidos a distintas temperaturas y el flujo de estos puede ser a contracorriente o en paralelo con la finalidad de lograr un intercambio de energía entre estos fluidos por contacto. Estos equipos se clasifican por el numero de veces que pasa el fluido por la coraza y los tubos, lo cual se determina con las caídas de presión permisibles y el número de pasos puede ser desde dos hasta veinte o más, según se requiera.

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La cantidad de tubos y el diámetro de estos dependerá del diámetro del cilindro o coraza envolvente y son colocados de forma paralela, sostenidos por una placa deflectora perforada unida a los cabezales que cubre a la coraza donde su distribución puede ser cuadrada o triangular, siendo la cuadrada la que permite una mejor limpieza del equipo y menores caídas de presión, mientras que la triangular consigue una mayor superficie de transferencia. La posición del intercambiador puede ser horizontal o vertical, dependiendo de su aplicación y considerando la facilidad de limpieza, los soportes estructurales y en general los costos que implican. Generalmente la instalación y el mantenimiento de los intercambiadores verticales resulta ser más costoso.

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Diagrama de bloques de la operación

6

7

Diagrama de Intercambiador Vertical de Coraza y Haz de Tubos

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Datos Experimentales

T agua fría (°C)

25

T agua caliente (°C)

T vapor

T

T

(°C)

condensad o caliente

condesado frio (°C)

Presión manométric a Kg/cm^2

% Rotámetro

45

104

25

0.5

23

(°C)

103

Datos para el Rotámetro: 100% = 18.2 L/min 23% = 4.186 L/min

Para el tanque de alimentación: Δz= 3.5 cm = 0.035 m Tiempo= 120 segundos = 0.0333 horas Diámetro= 56 cm = 0.56 m

Para el taque de condensado: Δz= 2.5 cm = 0.025 m Tiempo= 15 minutos = 0.25 horas Diámetro= 39.5 cm = 0.395 m

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Cálculos

1. Gasto volumen del agua D tanq af ¿ ¿ π G v agua = ¿ 4 0.56 m ¿ ¿ π G v agua = ¿ 4

2. Gasto masa del agua

G ma=Gva∗ρ af =

(

)

kg kg 0.2588 m3 997.07 3 =258.1162 h h m

3. Gasto volumétrico del condensado frio Dtc ¿ ¿ π Gvcf = ∗¿ 4 0.395 m ¿ ¿ π Gvcf = ∗¿ 4 4. Gasto masa de vapor de agua

(

)

kg kg 0.012254 m 3 997.07 3 =12.2182 h h m 5. Calor ganado por el agua (Qa) G mv =Gvcf∗ρ cf =

10

kcal h kcal kg kcal ∗( 45−25 )=5157.1616 Qa=258.1162 ∗0.999 h h kg ° C Qa=Gma∗Cp ( t 2−t 1 )=

6. Calor cedido por vapor de agua (Qv)

Qv =Gmv∗ λv = kcal / h

*Cálculo de la presión para encontrar λvapor

Pabs= Pman + Patm = 585 mmHg + 0.5

Pabs= 952.91 mmHg (

kg cm2

1 mmHg ( 0.001359 kg ) 2 cm

kg kg cm2 ¿=1.295 2 1 mmHg cm

0.001359

Del apéndice 6 del Mc Cabe: Temperatura °C 105 110

Presión de vapor Kg/cm^2 1.2319 1.4608 1.295

Calor latente λ Kcal/kg 535.6 532.3 535.4443

Por interpolación se obtiene:

y=535.6+

532.3−535.6 ( 1.295−1.2319 ) 1.4608−1.2319

y=535.4443

kcal → kg

λ v@ P=1.295 Kg/ cm

2

11

Qv=12.2182

kg kcal kcal ∗535.4443 =6542.16 h kg h

7. Eficiencia térmica kcal Qa h η= ∗100= ∗100 =78.82% Qv kcal 6542.16 h 5157.161

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

Qa kcal = ATc∗∆ T ML h m2 °C

*Cálculo de Media Logarítmica de las diferencias de temperatura ∆ T ML =

∆ T 1−∆ T 2

( )

∆T1 ln ∆T2

=° C

Donde: ∆ T 1=T v −t af =104 −25 =79 °C ∆ T 2=T v −t af =104 − 45=59 ° C ∆ T ML =

79−59 =68.5141 °C 79 ln 59

( )

Datos del intercambiador: Coraza: Diámetro ext= 6 plg Tubos: N=5 tubos L=1.5 m Diámetro int=5/8 plg = 0.01339m 12

*Cálculo para el área transversal del condensado. A Tc=π∗( D ext ) ( L ) (N ) 2 A Tc=π∗( 0.0158 m )(1.5 m ) (5 )=0.3722 m 5157.1616 kcal /h kcal Ud= =202.2341 2 2 0.37722 m ∗68.5141 °C hm ° C

9. Coeficiente de película interior *Para flujo turbulento con Re≥10000 1

di∗v∗ρ μ ¿ ¿ cp∗μ k ¿ ¿ μ μsup ¿ ¿ 0.023∗k hi= ∗¿ di

*Las propiedades deben ser evaluadas a temperatura media (Tm):

Tm=

T af −T ac 25 + 45 = =35 ° C 2 2

Del apéndice 14 del Mc Cabe: T °C 35

ρ Kg/m^3

994.06

μ centipoise 0.723

k Kcal/hm°C 0.535 13

Ajuste de la viscosidad: kg m∗s

cp∗1 x 10−3 1 cp

μ=0.723

∗3600 s =2.6028

1h

kg mh

*Cálculo de la velocidad del flujo del agua v=

Gv a = N∗Af

Gv a

( π4 ∗di )

5∗

0.2588 v=

=

2

m3 h

5∗π ∗(0.01339 m )2 4

m h

=367.5726

m h

kg m ∗994.06 3 h m kg 2.6028 mh ¿ ¿ kcal kg 1 ∗2.6028 mh kg °C kcal 0.535 mh°C ¿ ¿ kcal 0.023∗0.535 mh ° C ∗¿ hi= 0.01339 m

0.01339m∗367.5726

hi=648.04692

10.

kcal hm2 °C

Calculo del coeficiente de película exterior

14

(

he=0.943∗

)

kcal ρ2∗k 3∗ λ∗ g = 2 μ f∗L∗∆ T f hm °C

T v +T cc +t af +t ac =° C 4 104 + 103 + 25 + 45 =69.25 °C Tsup= 4 Tsup=

∆ Tf =T v −T ¿ =° C ∆ Tf =104 −69.25 =34.75 ° C

Tf =T v −0.75∗∆T f =° C Tf =104 −0.75∗34.75=77.9375 ° C

Gravedad: m 2 ∗3600 s 2 s m 9.81 =127.13 x 10 6 2 2 1h h

Del apéndice 14 del Mc Cabe:

Por interpolación se obtuvieron las siguientes propiedades a T=77.9375°C

T °C 70 80 77.9375

μ centipois e 0.406 0.357 0.3671

k kcal/mh° C 0.570 0.577 0.5755

ρ kg/m^3

λ kcal/kg

977.81 971.83 973.067

556.9 554 554.6

Ajuste de la viscosidad: 15

−3

cp∗1 x 10

kg m∗s

1 cp

μ=0.3671

∗3600 s =1.32156

1h

kg mh

kcal mh °C ¿ ¿ kcal m ¿ 3 554.6 ∗1.27 x 108 2 kg h 2 0.25 kg 973.06 3 ¿ m ¿ he=0.943 ¿ 0.5755

(

)

(

)

he=3475.5669

kcal hm2 ° C

11. Calculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico o limpio (Uc)

Uc=

kcal 1 = 2 e∗de 1 hm ° C de + + hi∗di k∗dm he

Espesor:

∫ ¿=0.0158 m−0.01339 m=2.41 x 10−3 m e=Dext −d ¿

Diámetro medio (Dm): Dm=

0.0158 + 0.01339 =0.01459m 2 16

De la Tabla No. 5 de Propiedades térmicas de algunas aleaciones (anexo), se obtiene la k del material: w ∗1 m cal w m° C =0.30592 =1.28 k =128 seg cm° C cm °C 100 cm

Ajuste de la K para unidades en kcal/hm°C

1

w cal =0.239 cm °C seg cm °C

cal ∗1 kcal seg cm° C ∗3600 seg 1000 cal ∗100 cm kcal 1h k =0.30592 =110.13 hm ° C 1m

Uc=

1 0.0158m 2.41 x 10 m∗0.0158 m 1 + + kcal kcal kcal ∗0.01459m 3475.56 110.13 648.0469 2 hm ° C h m2 °C hm ° C −3

Uc=468.9872

12.

kcal h m2 ° C

Diferencia porcentual de los coeficientes Uc y Ud

%D=

Uc −Ud ∗100 Uc 17

%D=

13.

468.9872−202.2341 ∗100=56.87 % 468.9872

Factor de incrustación Rd=

Uc −Ud ∗100 Uc∗Ud

Rd=

468.9872−202.2341 ∗100= 0.2812% 468.9872∗202.2341

Tablas de resultados

Gma Kg/h

Gmv Kg/h

Qa Kcal/h

Qv Kcal/h

ƞ %

ΔTML °C 18

258.1162

Ud 202.2341

12.2182

5157.1616

hi he Kcal/hm^2°C 648.0492 3475.5669

6542.16

78.82

68.5141

Uc

Rd %

%D

468.9872

0.2812

56.87

Conclusiones La eficiencia en este intercambiador vertical podría considerarse como aceptable pues resulto ser del 79% aproximadamente, esto puede considerarse así, si analizamos solamente la cantidad de flujo volumétrico que hubo en la alimentación al sistema y el tiempo que tardo en aparecer todo el condensado, que fueron 15 minutos según los datos experimentales. 19

Sin embargo, los cálculos muestran que el calor ganado por el agua fría (Qa) (que fue de 5157.16 kcal /h) le lleva una diferencia de más de 1000 kcal/h en relación al calor cedido por el vapor de agua, el cual fue de Qv= 6543.16 kcal/h, y como el factor de incrustación (Rd) fue de 0.2285% se puede concluir que el funcionamiento del equipo en general es aceptable, pues si hubo una transferencia de energía considerable, pero también hubo perdidas de calor además de que el equipo se encuentra sucio pues por ese 0.22% las incrustaciones ya pueden ser un impedimento de una buena transferencia de energía.

Anexo

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Bibliografía

 Warren L. Mc Cabe - 2007: Operaciones básicas de Ingeniería Química - Vol. II. México D.F.

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