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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

MANUAL DEL ALUMNO PRÁCTICAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Intercambiador de placas

Periodo 19/1

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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Índice

Periodo 19/1

Introducción a Transferencia de Calor

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Intercambiador de Doble Tubo o Tubos Concéntricos

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Intercambiador Horizontal de Coraza y Haz de Tubos

24

Intercambiador Vertical de Coraza y Haz de Tubos

32

Intercambiador de Calor de Camisa

40

Intercambiador de Calor de Serpentín

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Bibliografía

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Anexos

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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

INTRODUCCIÓN A LA TRANSFERENCIA DE CALOR Objetivos  Adquirir los conocimientos básicos relacionados con la transferencia de calor  Adquirir los conceptos básicos de transferencia de calor  Comprender el comportamiento dela transferencia de calor en términos de consumo energético y eficiencia.  Comprender la transferencia de calor como una operación unitaria para conocer sus diferentes aplicaciones industriales Conceptos Básicos Energia (E) La energía es una parte intrínseca de la materia que puede ser convertida para realizar un trabajo. Cuando decimos que un objeto tiene energía, se quiere dar a entender que es capaz de ejercer una fuerza sobre otro objeto para realizar trabajo sobre él. Las diferentes formas de energía pueden ser: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear, y su suma constituye la energía total (E) de un sistema. La unidad internacional de energía es el Joule (J) o el kilojoule (kj = 1000 joule). En el sistema inglés la unidad de energía es la Unidad Térmica Británica (BTU = British Tthermal Unit) Calor (Q). Es la energía de transición (movimiento) de un cuerpo o sistema debido a una diferencia de temperatura entre los cuerpos o sistemas. Se entiende por calor, a una forma de energía que se manifiesta por la presencia de una diferencia de temperatura, fluyendo del cuerpo de mayor temperatura (cuerpo caliente) al cuerpo de menor temperatura (cuerpo frío). Tres unidades son la caloría, la kilocaloría y la unidad térmica británica (British termal unit). Flujo de calor. Es una forma de transferencia de energía que se lleva a cabo únicamente como una consecuencia de una diferencia de temperaturas. La energía interna de una sustancia es una función de su estado y por lo general aumenta al aumentar su temperatura. Una caloría (cal). Es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua de 14.5 ºC a 15.5 ºC. Periodo 19/1

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Principio de Equilibrio Térmico. El principio de equilibrio térmico dice que siempre y cuando varios objetos se coloquen juntos dentro de un recipiente aislado, alcanzarán finalmente la misma temperatura. Lo anterior es el resultado de una transferencia de energía térmica de los cuerpos calientes a los fríos. Si la energía se conserva, se dice que el calor perdido por los cuerpos calientes debe ser igual al calor ganado por los cuerpos fríos. Es decir, Calor perdido = Calor ganado Esta ecuación expresa el resultado neto de transferencia de calor dentro de un sistema. Diferencia de temperatura ( T). Es la fuerza que impulsa a la transferencia de calor, se refiere a las diferencias de temperatura de un fluido o de un sólido desde la entrada a la salida del proceso, sus unidades son las de la temperatura, oC, oF, °K, °R. Calor latente ( ). Calor desprendido o absorbido en un cambio físico de la materia, se mide en kcal/kg o en BTU/lb, por ejemplo: en su cambio del estado vapor a líquido, o de líquido a vapor, se expresa por el número de calorías absorbidas o desprendidas por gramo. Cantidad de calor requerida para lograr el cambio de estado físico de una sustancia sin que existan variaciones en su temperatura. Calor latente de vaporización ( v). El calor latente de vaporización de una sustancia es la cantidad de calor por unidad de masa que es necesaria para cambiar la sustancia de líquido a vapor a la temperatura de ebullición. El calor de vaporización del agua es de 540 cal/g. Es decir, un gramo de agua absorbe 540 cal de energía térmica al formar un gramo de vapor de agua a 100 ºC. Calor latente de condensación ( c). Cantidad de calor cedido por un gramo de un vapor para transformarse en líquido a la temperatura de ebullición y presión atmosférica, sus unidades son kcal/kg.

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Calor de fusión ( f). El calor latente de fusión de una sustancia es la cantidad de calor por unidad de masa requerida para cambiar la sustancia de la fase sólida a la fase líquida a la temperatura de fusión, sus unidades son kcal/kg. El término latente se origina en el hecho de que la temperatura permanece constante durante el proceso de fusión. El calor de fusión para el agua es de 80 cal/g. Esto significa que 1 gramo de hielo absorbe 80 cal de energía térmica al formar un gramo de agua a 0 ºC. Calor sensible (Qs). El calor contenido en el agua se conoce como calor sensible. Calor que puede recibir o ceder un cuerpo sin que cambie su estado de fase, sus unidades son kcal. Es el calor que produce una elevación de temperatura en un cuerpo, sus unidades son kcal/kg. En la Figura 1 se muestran gráficamente los calores antes mencionados.

FIGURA 1. Representación Gráfica de los Calores Latente y Sensible para una sustancia pura.

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Cambio de fase. Cuando una sustancia absorbe una cantidad dada de calor, la velocidad de sus moléculas generalmente se incrementa y su temperatura se eleva; dependiendo del calor específico de la sustancia, el aumento de temperatura es directamente proporcional a la cantidad de calor suministrado e inversamente proporcional a la masa de la sustancia. Vapor. El vapor es una fase intermedia entre la líquida y la gaseosa. Los vapores tienen características semejantes a los gases puesto que llenan por completo las paredes del recipiente que los contiene pero no siguen la ley de los gases perfectos. Es una forma económica y conveniente para transportar grandes cantidades de energía de un lugar a otro, es versátil y fácil de controlar, se hace de un recurso abundante el agua, a la cual se le agrega calor para provocarles cambio de estado y convertirla en vapor. Área de Flujo (Af). Es la sección transversal determinada por donde fluye o circula un fluido determinado, para una sección circular, como es el caso de una tubería, se determina como sigue: Af 

 4

d i2

Donde: Af = Área de flujo. di = Diámetro tubería

interior

 m2 de

la  m

Flujo de calor en Régimen Permanente. En régimen permanente, la temperatura (T), el calor (Q), y el gradiente de temperatura (∆T) de los cuerpos que intervienen en la transferencia de calor permanece constante con respecto al tiempo.

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 T , Q, T  0  Criterio del Número de Reynolds (Re). El Sr. Osborne Reynolds determinó una relación adimensional llamada Número de Reynolds, con el cual se puede verificar en qué Régimen o Patrón de Flujo está fluyendo un fluido. Su expresión es la siguiente: Expresión de Osborne Reynolds Re 

di v 



Propiedades Físicas de los Fluidos. Calor específico (Cp). Es la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia específica, a presión constante, sus unidades son kcal/kg-°C, BTU/lb-ºF. (pag. 7 Yunus). Capacidad calorífica (C). La capacidad calorífica de un cuerpo es la razón de la cantidad de calor suministrado con el correspondiente incremento de temperatura del cuerpo. Capacidad calorífica específica (c). La capacidad calorífica específica o calor específico de un material es la cantidad de calor necesario para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa. Conductividad térmica (k). La conductividad térmica de un material se puede definir como la velocidad de transferencia de calor a través de un espesor unitario del material por unidad de área por unidad de diferencia de temperatura. La conductividad térmica de un material es una medida de la capacidad del material y/o sustancia para conducir calor (pag. 20 Yunus), sus unidades son kcal/h-m2-ºC/m, BTU/h-pie2-ºF/pie. Mecanismos de Transferencia de Calor. Transferencia de calor por conducción. Es el proceso en el que la energía térmica se transfiere por colisiones moleculares adyacentes a través del medio material. El medio en sí no se mueve. Periodo 19/1

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 Es de particular importancia en los sólidos, se origina por el movimiento de electrones “libres” en los metales puros.  Se presenta por la interacción molecular en el cual las moléculas de niveles energéticos mayores (indicados por su temperatura) ceden energía a las moléculas adyacentes de nivel inferior.  La conducción es un fenómeno molecular y fue Fourier quién estableció la primera expresión cuantitativa para calcular el calor transferido.

 dT  dQ  K A     dx  Q = Cantidad de flujo de calor. K = Conductividad térmica. A = Área de transferencia de calor. dT/dx = Gradiente de temperatura. La conductividad térmica es una propiedad muy importante de un material o medio. En gran parte, el valor de la conductividad determina la adaptabilidad de un material para un uso determinado.

Transferencia de calor por convección. Es el proceso en el cual el calor se transfiere mediante el movimiento real de un fluido. Se llama corriente de convección a una corriente de líquido o de gas que absorbe energía térmica en un lugar y luego se mueve hacia otro sitio, donde libera el calor a la porción más fría del fluido.

Este mecanismo se describe por la ecuación de la Ley de enfriamiento de Newton que es: Q = h A ∆T Q = Cantidad de flujo de calor convectivo. h = Coeficiente de calor convectivo (coeficiente de película). A = Área de transferencia de calor. T = Gradiente de temperatura (es la fuerza motriz de la temperatura). Hay dos clases de procesos convectivos, que son la convección forzada en que se forza el movimiento de un fluido por una superficie debido al efecto de un agente externo tal como un ventilador o bomba y la

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convección natural o libre en que los cambios de densidad en el fluido a consecuencia del intercambio de energía provocan un movimiento natural. Transferencia de calor por radiación. La transferencia de calor por radiación no requiere de un medio para propagarse. De hecho, el intercambio radiante entre las superficies es máximo cuando no hay material que ocupe espacio intermedio. El intercambio de energía radiante puede ocurrir entre dos superficies, entre una superficie y un gas o medio participante, o puede involucrar una interacción compleja entre varias superficies y fluidos participantes. La transferencia de energía por radiación es un fenómeno electromagnético cuya naturaleza exacta no se conoce. Sin embargo, es posible tratar este tema tan complejo con razonable exactitud. Se llama cuerpo negro a un cuerpo perfectamente emisor o absorbente. La razón a la que emite energía radiante un cuerpo negro está dada por la Ley de la Cuarta Potencia. La relación que gobierna este mecanismo la estableció Boltzman y es: Q =   AT4 Ecuaciones Básicas. Análisis de un Equipo de Transferencia de Calor Simple. Tomando como modelo de estudio un equipo de doble tubo (similar al refrigerante usado en los laboratorios de química). Salida del fluido

Salida del fluido “A” a T2

Entrada del fluido

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Entrada del fluido

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L = Longitud de intercambio de calor. t2  t1 (el fluido frío “B” incrementa su temperatura al recorrer la longitud (L) de intercambio y recibe el calor que le suministra el fluido “A”. T1  T2 (el fluido caliente “A” disminuye su temperatura al ceder su calor a “B”. Para el caso de los equipos de laboratorio la Ecuación de Fourier permite calcular la cantidad de calor que fluye por el mecanismo de transferencia de calor por conducción a través de la pared de un tubo.

Determinación del coeficiente de película. El coeficiente de película es una medida del flujo de calor por unidad de superficie y por unidad de diferencia de temperatura, indica la razón o velocidad a la cual los fluidos, que tienen una variedad de propiedades físicas y bajo diferentes condiciones de su transporte, transfieren calor. El coeficiente de película se evalúa experimentalmente pero no es práctico efectuar un experimento cada vez que se vaya a transferir calor de un fluido. Las correlaciones usadas para el cálculo del coeficiente de película se determinan por ”Análisis dimensional”.

p

 d v    Cp   hd    i    k     k 

p

hd  d v    Cp      i    k     k 

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q

q

Para convección forzada

  g T d i3  2    Ecuación General 2   

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 Cp     k  k 

hd

q

  g  T di3  2    Para convección natural 2  

hd p q    Re Pr  Gr k

De

hd k

Es el número de Nusselt (Nu) Valor adimensional

di v  

Es el número de Reynolds (Re) Valor adimensional

Cp  k

Es el número Prandtl (Pr) Valor adimensional Es el número de Grashof (Gr) Valor adimensional

 g T d 3  2 2 i

acuerdo a la naturaleza del fluido (tipo de régimen). Para la convección natural Para la convección forzada

Nu =  (Pr, Gr). Nu =  (Re, Pr).

Para convección forzada dentro de tubos

Nu  0.0225 Re 0.8 Pr n n = 0.4 para calentamiento. n = 0.3 para enfriamiento. La ecuación anterior es válida para: Re  10 000 Pr oscila entre 0.7 a 160

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INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO O TUBOS CONCÉNTRICOS

Objetivos  Determinar la eficiencia térmica del equipo.  Analizar el comportamiento del intercambiador de calor a diferentes condiciones de operación.  Aprender a operar el equipo de tubos concéntricos.  Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental, teórico y realizar análisis comparativo. Introducción En la industria química la transmisión de calor se efectúa por medio de intercambiadores de calor y el más sencillo está formado por 2 tubos de diferentes diámetros de tal manera que uno está dentro del otro, al espacio entre ambos se le denomina ánulo o sección anular por donde uno de los fluidos circula, el otro fluido circula dentro del tubo interior. Este intercambiador se conoce como intercambiador de tubos concéntricos. Los intercambiadores se clasifican normalmente de acuerdo con el arreglo de los flujos: Paralelo y contracorriente. T1

T1 T0

T0 entrada

T0

T0 T1 entrada (a) FLUJO EN CONTRACORRIENTE

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T1 salida (b) FLUJO EN PARALELO

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Entrada del fluido por el espacio anular Cabezal de retorno Prensa estopa

Prensa estopa

Codo

“T”

Prensa estopa Salida del fluido por el tubo interior

Entrada del fluido por el tubo interior

Salida del fluido por el espacio anular

Usos: Debido a que la sección transversal es pequeña estos cambiadores manejan poco volumen de fluido, tienen la ventaja a trabajarse a presiones y temperaturas elevadas, debido a que la relación entre el diámetro y espesor es alto, lo que le da una alta resistencia mecánica.

Estos intercambiadores presentan poca área de transferencia de calor, si se desea aumentarla se unen varios tramos de estos equipos Actualmente su uso es limitado por el espacio que ocupan. El intercambiador de calor de tubos concéntricos instalado en el laboratorio de operaciones unitarias está constituido de las siguientes partes:

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Equipo  Un intercambiador de calor de tubos concéntricos de una horquilla, de acero galvanizado de ½ y 1¼ de pulgada de diámetro nominal cédula 40 y una longitud de paso de 1.5 m.  1 tanque atmosférico de 57 cm de diámetro interior para el manejo de agua fría  1 tanque atmosférico de 38.5 cm de diámetro con indicador de nivel de vidrio para la recepción del condensado frío.  1 enfriador de serpentín de acero inoxidable tipo A- 304 para subenfriar el condensado.  Una bomba centrífuga de 1HP. Instrumentos  Un manómetro Bourdon de carátula de 4 1/2 plg tipo C.  Un rotámetro con tubo de vidrio con una capacidad a determinar durante la sesión operativa.  Termómetros y termopares tipo J de hierro-constantan. Válvulas     

Una válvula reductora de presión. Una trampa de vapor tipo cubeta invertida. Válvulas de compuerta. Válvulas de globo. Válvulas de esfera (bola).

Accesorios  Un filtro tipo Y.

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Instructivo de operación general del equipo            

     

Verificar que todas las válvulas del sistema estén cerradas. Abrir válvula de alimentación general del agua. Alimentar el tanque de agua fría. Abrir todas las válvulas que permitan el paso del agua por el equipo, asegurándose de la apertura total de la válvula de recirculación, así como la del enfriador del condensado, excepto la válvula de globo que está después del rotámetro. Energizar el tablero de control. Accionar la bomba y abrir gradualmente la válvula de globo del rotámetro para fijar el gasto de operación. Ajustar la alimentación de agua fría al tanque de tal manera que éste entre un 70% - 80% de la altura del mismo. Abrir todas las válvulas de la línea de vapor y condensado, excepto la válvula reductora de presión. Abrir lentamente la válvula reductora de presión y de purga hasta que salga vapor de manera franca y cerrar ésta última en ese momento. Ajustar la válvula reductora de presión a las condiciones de operación del equipo (0.5 a 1 kgf/cm2) vigilando que no rebase el valor superior indicado. Operar el equipo hasta obtener las condiciones de régimen permanente, es decir hasta que presión, temperaturas y gasto permanezcan constantes. Una vez alcanzado el régimen permanente, recolectar el condensado durante un cierto intervalo de tiempo especificado y tomar los datos experimentales de presión, temperaturas, gastos de agua y condensado. Modificar las condiciones de operación (se puede cambiar la presión de vapor o gasto de agua o ambos) hasta alcanzar nuevamente el régimen permanente. Se obtienen los nuevos datos experimentales. Para finalizar la operación se suspende el flujo del fluido caliente cerrando todas las válvulas de la línea de vapor. Se deja fluir el agua por el intercambiador de calor hasta que éste se enfríe (aproximadamente de 3-5 min) Se suspende el funcionamiento de la bomba y se cierran todas las válvulas de la línea de agua. Se suspende la alimentación de energía eléctrica al equipo.