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Se calculan los calores cedidos y ganados por corrientes de agua fria y caliente en un intercambiador de calor de tubos y corazas...

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Facultad de Ingeniería – Semestre 2020-II Realización: 30 de octubre de 2020 • Presentación: 13 de noviembre de 2020

Intercambiador de tubos y coraza sistematizado Systematized shell and tube exchangers Betsy Cabarcas De La Hoz1*, Gissel Centeno Polo1, Franklin Fortich Torres 1, Moises Gutierrez Trocha1, Camilo Rueda Martínez 1, Mario Sánchez Álvarez 1. 1

Universidad del Atlántico, Barranquilla,Colombia; [email protected]

Resumen— Se realizó el estudio del comportamiento de un intercambiador de calor, mediante el enfriamiento de agua, el cual se configuró a contra corriente en las primeras tres corridas, y a cocorriente en las siguientes tres. Adicionalmente se variaron los factores de caudal y temperatura inicial del fluido, con el objetivo de conocer la influencia de estos en la capacidad de absorción, cedencia y pérdida de calor en cada uno de los sistemas de intercambio, así como reconocer la configuración más eficiente para la realización del intercambio. Mediante el análisis de resultados se llegó a la conclusión de que hay una proporcionalidad directa entre el caudal del fluido caliente entrante y la cantidad de calor cedido hacia el refrigerante. Así mismo se apreció una eficiencia mayor para la configuración en contracorriente del intercambiador de calor. Palabras clave: intercambiador de calor de tubo y coraza, enfriamiento, eficiencia, flujo contracorriente. Abstract—A study of the behavior of a heat exchanger was carried out, by means of water cooling, which was configured countercurrent in the first three runs, and co-current in the next three. Additionally, the flow factors and initial temperature of the fluid were varied, in order to know their influence on the absorption capacity, yield and heat loss in each of the exchange systems, as well as to recognize the most efficient configuration for the completion of the exchange. By analyzing the results, it was concluded that there is a direct proportionality between the flow rate of the incoming hot fluid and the amount of heat transferred to the refrigerant. Likewise, a higher efficiency was observed for the countercurrent configuration of the heat exchanger. Keywords: Heat exchanger, cooling, efficiency, .countercurrent exchange.

I.

INTRODUCCIÓN

Los intercambiadores de tubos y coraza son uno de los dispositivos más utilizados en la industria, su función principal es la transferencia de energía en forma de calor de un fluido a otro, los métodos de transferencia de calor que rigen este artefacto son conducción y convección, la configuración típica es representada por tubos que transportan agua caliente que se ponen en contacto térmico con una coraza cilíndrica exterior la cual alberga en su interior agua fría fluyendo a través de los tubos [1], la segunda ley de la termodinámica se ve evidenciada en estos dispositivos ya que “siempre que exista un gradiente de temperatura, el calor fluirá de la región de mayor temperatura a la menor temperatura” (Frank Kreith) [2].

La clasificación es amplia, según su construcción mecánica podemos encontrar tipo tubo en U, tubo fijo y cabezal flotante; su aplicación depende la industria en la cual se vaya a desempeñar como por ejemplo alimentaria, farmacéutica, petrolera, energética, entre otras. Los parámetros que se toman en cuenta para su selección incluyen el cambio de temperatura deseado, las propiedades del fluido y la presión de operación requerida [1]. Además, cabe resaltar que el diseño de la placa y la disposición de los agujeros puede afectar la presión y la velocidad del fluido [3].

Intercambiador de tubos y coraza sistematizado

2

Figura 3. Partes del intercambiador.

Para el cálculo de los calores cedidos y absorbidos en el intercambiador de calor usaremos las siguientes ecuaciones: (1) Donde

es el calor absorbido por el líquido frío,

el flujo másico del líquido frío,

el calor específico

para el líquido frío, es la temperatura de entrada y la temperatura de salida. Figura 1. Esquema de un intercambiador de calor. El estudio se centra en el intercambiador con arreglo cuadrado, este es generalmente utilizado cuando el flujo es turbulento, se requiere una buena transferencia de calor y el líquido refrigerante no es tratado (en este caso agua directamente de la llave), ya que este arreglo nos permite tener un mejor acceso para limpieza externa de los tubos. Otra ventaja de este arreglo es la baja caída de presión. [4]

(2) Donde

es el calor cedido por el líquido caliente,

el flujo másico del líquido caliente, específico para el líquido caliente, de entrada y

el calor es la temperatura

la temperatura de salida

(3) Donde Figura 2. Arreglo cuadrado.

Finalmente, dentro de los fenómenos a estudiar encontramos las pérdidas que se dan durante el proceso, el calor cedido y el absorbido. Estos pueden ser calculados por medio de ecuaciones que modelan la vida real, por lo tanto, son aproximadas, así mismo se calculará la eficiencia del intercambiador, para comparar los datos arrojados en la práctica con respecto a la eficiencia máxima teórica.

calor perdido,

líquido caliente, frío

es el calor cedido por el

es el calor absorbido por el líquido

(4) Donde

es la eficiencia del intercambiador de calor,

es el calor cedido por el líquido caliente, calor absorbido por el líquido frío II. 1. 2. 3. 4.

es el

METODOLOGÍA

Comprobar que las válvulas están abiertas y que tenemos configuración en flujo contracorriente. Comprobar que el depósito de calentamiento está lleno de agua, por encima del interruptor de nivel. Encender la bomba y la resistencia (alimentación del equipo). Fijar la temperatura del depósito y el caudal de agua caliente en los valores deseados.

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5.

6.

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Ajustar el caudal de agua fría hasta alcanzar condiciones de operación estacionarias, manteniéndose la temperatura fijada en el depósito constante. Completar la tabla de datos del experimento con las medidas de temperaturas y caudales de acuerdo con las condiciones indicadas. En cada caso, esperar a que el equipo haya alcanzado el estado estacionario. III.

RESULTADOS

Para esta práctica de laboratorio los datos que comúnmente se toman de forma experimental en el banco de prueba son entregados por el profesor, debido a la coyuntura que se vive actualmente. Dichos datos son representados en tablas como se observa a continuación. Tabla 1. Datos experimentales de ensayo con flujo en contracorriente

FLUJO EN CONTRACORRIENTE ENSAYO

1

2

3

ST16 (°C)

44.8

44.5

44

ST1 (°C)

44.6

42

40

ST2 (°C)

35.7

33.1

30.6

ST3 (°C)

34.9

32

30

ST4 (°C)

32.7

29.3

28.3

ST5 (°C)

30.9

28

26

ST6 (°C)

28.2

25.7

24

ST7 (°C)

19.7

19.4

19.2

SC1 (l/min)

3.2

2.4

1.5

SC2 (l/min)

1.5

1.5

1.5

ST3 (°C)

21.4

20.4

20

ST4 (°C)

28.1

27.1

25.9

ST5 (°C)

29.3

28.4

27

ST6 (°C)

31.1

29.8

28.3

ST7 (°C)

31.3

30

28.3

SC1 (l/min)

3.1

2.4

1.5

SC2 (l/min)

1.5

1.5

1.5

Con los datos de las tablas 1 y 2 se puede dar paso a calcular la transferencia de energía en forma de calor de las corrientes de agua caliente y fría en el intercambiador tanto como para cuando circulan en contracorriente y en co corriente o paralelo. Antes de proceder a realizar estos cálculos se determinan las propiedades del fluido de trabajo -que en este caso es agua- para cada uno de los ensayos. Los datos son presentados en las siguientes tablas. Tabla 3. Propiedades del agua en ensayo de contracorriente

Propiedades del agua en ensayo de contracorriente 1

2

3

𝐶𝑃ℎ(J/kg K)

4179

4178.5

4171.06

𝐶𝑃𝑐 (J/kg K)

4179.08

4179.72

4180.16

Ph (kg/m^3)

992.04

993.05

993.88

Pc (kg/m^3)

996.54

996.86

997.08

Ensayo

Tabla 4. Propiedades del agua en ensayo de cocorriente

Propiedades del agua en ensayo de cocorriente Tabla 2. Datos experimentales de ensayo con flujo en cocorriente o paralelo

FLUJO EN PARALELO

1

2

3

𝐶𝑃ℎ(J/kg K)

4178.79

4178.52

4178.23

𝐶𝑃𝐶 (J/kg K)

4179.46

4179.92

4180.34

Ensayo

ENSAYO

1

2

3

Ph (kg/m^3)

992.49

993.01

993.56

ST16 (°C)

44.4

44.8

45.5

Pc (kg/m^3)

996.73

996.96

997.17

ST1 (°C)

42.1

41.2

40.6

ST2 (°C)

35.8

34

31.7

Con estos datos y las fórmulas anteriormente descritas se calculan las magnitudes principales que permiten analizar los

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calores cedidos o absorbidos entre las corrientes y la eficiencia del intercambiador. Estos datos son tabulados a continuación.

Tabla 5. Resultados ensayo de corriente en contracorriente

CORRIDA

𝑸𝒉󰇗 (W)

𝑸󰇗 𝒄 (W)

𝑸󰇗𝒑 (W)

ε

1

1983.632

1588.05

395.582

80.10%

2

1487.546 1316.612

170.934

88.50%

3

980.199

1128.643 -148.444

115.10%

energía perdida, es debido a una interacción con el ambiente, además debido a la proporcionalidad existente del caudal con la velocidad, está inducirá mayores pérdidas por fricción de tuberías, esto se puede percibir al analizar las tablas 5 y 6 que cuando existe una disminución del caudal de la corriente de agua caliente, existirá también una disminución en la cedencia de calor debido a la proporcionalidad matemática que existe entre ellas, lo que podemos observar mediante la ecuación 2 y a su vez comparte un relación con la eficiencia del intercambiador de calor. Finalmente, podemos notar que el intercambio de calor en contraflujo es más eficiente, debido a que el gradiente de temperatura se mantiene casi constante, mientras que en el intercambio de calor en flujo en paralelo solamente se intercambia energía en forma de calor hasta una cierta sección del tubo, ya que a medida que se avanza por el tubo, el gradiente de temperatura disminuye hasta cero, porque se alcanza un equilibrio térmico entre los dos fluidos.

Tabla 6: Resultados ensayo de corriente en cocorriente

CORRIDA

𝑸󰇗 𝒉 (W)

𝑸󰇗 𝒄 (W)

𝑸󰇗𝒑 (W)

Ε

1

1360.196 1034.416

325.78

76.00%

2

1203.414 1003.181

200.233

83.40%

3

929.656

62.236

93.30%

867.421

Como aclaración de las unidades, se observa que en los datos experimentales se da la magnitud del caudal que está en lt/min, de modo que se necesitan llevar las unidades del sistema internacional cuya unidad debe ser 𝑚 3 /s. Dado esto, se usa la siguiente conversión. 1 𝑙𝑡 1 𝑚𝑖𝑛 1 𝑚3 × × 𝑚𝑖𝑛 1000 𝑙𝑡 60 𝑠 Ya teniendo el caudal en unidades del SI, se divide este por la densidad del agua cuyas unidades están en kg/𝑚 3 , obteniendo el flujo másico en kg/s . En consecuencia, el apropiado uso de las unidades al calcular los flujos de calor estos se expresan en Watts [𝑘𝑔 × 𝑚 2 /𝑠2 ] . IV.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

A pesar de las fluctuaciones de temperatura inicial, podemos realizar una comparación general en la capacidad de absorción y cedencia de calores en nuestros sistemas, y basados en los datos obtenidos en cada uno de los experimentos, podemos resaltar que el ensayo en contracorriente es capaz de disipar una mayor cantidad de energía en forma de calor del flujo entrante (corriente de agua caliente).

V.

CONCLUSIONES

De acuerdo a los datos calculados, encontramos un dato atípico, que arroja una eficiencia del 115%,como bien se sabe, viola el segundo principio de la termodinámica, que describe que ninguna máquina puede tener una eficiencia mayor o igual al 100%. Por lo tanto, se infiere que al momento de la toma de los datos que no se llegó a una condición de equilibrio o cabe la posibilidad de que hubo mediciones erróneas al momento de la toma de datos. Además, se puede decir que los intercambiadores de calor en contracorriente presentan mayor eficiencia que aquellos que configuran el fluido caliente y el fluido de enfriamiento en el mismo sentido. Para concluir, confirmamos la dependencia planteada al inicio, del calor con el flujo másico, las características del fluido de trabajo y de las variaciones a las cuales se someten debido a la temperatura por lo tanto debido a esta misma proporcionalidad, se hace posible controlar esta cedencia o absorción del calor es a través del caudal que se le está induciendo al sistema.

REFERENCIAS [1]

[2] [3] [4]

Cavallo, c., n.d. All About Shell And Tube Heat Exchangers - What You Need To Know. (Noviembre 22 de 2020) Direccion online:https://www.thomasnet.com/articles/process-equipment/shelland-tube-heat-exchangers/ Kreith, F., Manglik, R. and Bohn, M., 2013. Principios De Transferencia De Calor. Mxico: Cengage Learning, pg 9. Brogan, R., 2011. SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGERS. (Noviembre 22 de 2020) Direccion online: http://thermopedia.com/content/1121/ Burbano Rojas, S. P. 2014, Diseño de un módulo de intercambiador de calor de coraza y tubos. (Noviembre 22 de 2020) Direccion online: https://repository.usta.edu.co/handle/11634/719

Por otro lado, se observa una mayor cantidad de calor perdido en los intercambiadores, es decir, una cantidad de calor que es cedida por el flujo caliente, y no es absorbida por la corriente de agua de enfriamiento. teorizamos que esta cantidad de

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ANEXOS

Anexo 1.Tabla A-3 propiedades del agua saturada.

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