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Prac Tubo Concentrico LAB Tranferencia de calor...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVA

ACADEMIA DE OPERACIONES UNITARIAS

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO PROFESOR: RUBÉN CASTELAR BATALLA ALUMNO: AVALOS ALBINO ALDAIR OSWALDO GRUPO: 2IM51 EQUIPO 1 SECCIÓN A

Fecha De Entrega: 30 De Noviembre Del 2020

Contenido 1. Objetivos........................................................................................................................................ 3

2. Marco teórico................................................................................................................................. 3

3. Proceso Experimental..................................................................................................................... 6

4. Tabla de Datos Experimentales.......................................................................................................7

5. Secuencia de Cálculos....................................................................................................................7

6. Tabla de Resultados......................................................................................................................12

7. Conclusiones................................................................................................................................12

8. Bibliografía...................................................................................................................................12

9. Anexos..........................................................................................................................................13

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO 1. Objetivos 

Determinar la eficiencia térmica del equipo.



Aprender a operar el equipo de tubos concéntricos.



Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental, teórico y realizar análisis comparativo.

2. Marco teórico Intercambiadores de Calor de Doble Tubo. Un intercambiador de calor es un aparato que transfiere energía térmica desde un fluido a alta temperatura hacia un fluido a baja temperatura con ambos fluidos en movimiento, a través del aparato. En equipos comunes como intercambiadores de coraza y tubos, tubos concéntricos, radiadores, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que están separados por una pared metálica. En plantas de procesos químicos la consideración de costos es muy importante para determinar qué tipo de intercambiador podrá cubrir las necesidades del proceso. Entre los intercambiadores de calor más empleados en la industria moderna se encuentran los de doble tubo, debido fundamentalmente a su simplicidad de diseño y su capacidad para manejar fluidos a altas temperaturas y presiones. Un intercambiador de calor de doble tubo típico consiste de una tubería ubicada de forma concéntrica por dentro de otra tubería de mayor diámetro, conteniendo accesorios adecuados para dirigir el flujo desde una sección hacia la próxima.

En estos equipos, un fluido circula a través de la tubería interior (lado de los tubos), y el otro fluye a través del espacio anular (ánulo). La mayor aplicación que presentan los intercambiadores de calor de doble tubo consiste en el calentamiento o enfriamiento sensible de fluidos de proceso en donde se requieren pequeñas áreas de transferencia de calor (hasta 50 m 2).

La desventaja más notable que presentan radica en que son voluminosos y caros por unidad de área de transferencia de calor. Estos equipos también se denominan intercambiadores de calor de horquilla, y se emplean cuando una corriente es un gas, un líquido viscoso o presenta un pequeño volumen, y también bajo condiciones severas de incrustación debido a su facilidad de limpieza y mantenimiento. Estos intercambiadores pueden operar en dos arreglos que se describen a continuación.

Flujo paralelo. Cuando ambos fluidos se mueven en la misma dirección.

Flujo encontrado o contracorriente. Cuando los fluidos se mueven en paralelo pero en sentido opuesto.

Estos intercambiadores pueden conectarse en serie o en paralelo para aumentar el área de transferencia. Se usan para calentar o enfriar fluidos sin que se llegue a presentar un cambio de estado. En los intercambiadores de doble tubo, el área de transferencia de calor es el área del tubo interno, ya que el área del tubo externo sólo sirve como envolvente.

(a) Intercambiador de calor de doble tubo de una horquilla (b) Arreglo de tres horquilla en serie

Resistencias a la transferencia de calor que actúan en el tubo interno del intercambiador de calor.

3. Proceso Experimental Diagrama de tuberías e instrumentación para el desarrollo experimental.

Manual de operación del sistema.        

Antes de operar asegurarse que todas las válvulas estén cerradas. Energizar el tablero de control. Abrirlas válvulas VG1 y VC1 para entregar agua al tanque hasta llenarlo al 60% de su capacidad aproximadamente. Cerrar la VG1. Abrir todas las válvulas de la línea de suministro de agua. Energizar la bomba centrífuga. Ajustar el caudal de agua al 80% del rotámetro o más para evitar las incrustaciones dentro de la tubería interna. Purgar la línea del vapor abriendo la válvula de bola para drenar el líquido de la línea de suministro de vapor, cerrarla en el momento que salga solo vapor. Manipular la válvula reductora de presión para ajustar la línea a una presión de 0.8 kgf/cm2 aproximadamente.

    

Abrir la válvula de compuerta para que el vapor llegue al intercambiador. Verificar que el vapor condensado llegue al tanque especificado para recibirlo. Dejar en operación el equipo cerca de 40 mins o hasta que la variables del proceso, presión del vapor, el caudal de agua y las temperaturas, dejen de variar. Una vez alcanzado el estado estacionario registrar el incremento de nivel en el tanque de condensado en 10 mins. Apagar la bomba centrífuga, el tablero de control, cerrar todas las válvulas de la línea de vapor y de la línea de agua.

4. Tabla de Datos Experimentales Tabla 3.1 Datos Experimentales para Intercambiador de Tubos Concéntricos. Lectura Rotámetro L/min 8.64

Pv (kgf/cm2) 0.8

taf (°C) 22

Tv (°C) 111

Tc (°C) 110

tac (°C) 42

ΔZc (m) 0.028

5. Secuencia de Cálculos 1. 1.-- Gasto masa de agua ( G ma )

G va =8.64

[

][

]

1 m3 60 min m3 L · · = 0.5184 min 1000 L 1h h G ma=G va · ρa @ 32° C [ ¿] ρa @ 32°C =962.9273

(

G ma= 0.5184

)(

kg h

kg m3

)

kg kg m3 · 962.9273 3 =499.1815 h h m

2. 2.-- Gasto masa del vapor condensado ( G m vc )

Primero se requiere calcular el gasto volumétrico del condensado ( G v cf )

Tcf (°C) 22

Ɵc (h) 0.16666667

3 π ΔZc [ ] m ¿ Gvcf = D T . Cond 2 4 h Δθc

Δθa=1 0 min

( 601hmin) =0.16667 h

π m3 2 0.028 m Gvcf = (0.385 m) =0.01956 h 4 0.1667 h Del resultado anterior se puede calcular el gasto másico del vapor

G m vc =G v cf · ρcf [ ¿]

(

3

G m vc = 0.01956

m h

kg m3

)(962.9273 mkg )=18.8328 kgh 3

3. 3.-- Calor absorbido por el agua ( Q a )

t m=

t af +t ac 22 + 42 = =32° C 2 2

Q a=G ma C pa ( t ac −t af ) [ ¿ ] C pa @ 32° C =1.0051 Q a=499.182

kcal h

kcal kg ° C

kcal kg kcal · ( 42− 22 ) ° C=10034.547 ·1.0051 kg °C h h

4. 4.-- Calor cedido por el vapo vaporr ( Q v ).

Q v =G m vc λ v [ ¿ ]

kcal h

De tablas se obtiene el valor del calor latente a la presión absoluta de operación. Pabs = Pman + Patm = 0.8 + 0.795 = 1.595 kg f/cm2 -->

Q v =18.833

λv

= 543.96 kcal/kg

kcal kcal kg =10244.21 · 543.96 h kg h

5. 5.-- Eficiencia térmica del equipo ( η )

η=

Qa · 100 Qv

kcal h =97.95 % η= kcal 10244.21 h 10034.547

6. 6.-- Coeficiente global a la tranfe tranferencia rencia de calor ( U d )

Ud=

Qa kcal [¿] A TC · Δ T ML h m2 °C

Para la temperatura media logarítmica

∆ T ML =

( 111−22 ) ° C−( 110 −42 ) °C ln 111−22 110 −42

(

)

∆ T ML =78.03 ≅78 ° C Para el área normal a la transferencia de calor si se toma como referencia el área externa del tubo interior del intercambiador se obtiene como sigue:

A TC =π d e L

Si L=2 ·( 1.5 )=3 m ;d e =0.021336 m A TC =π ( 0.021336 m ) ( 3 m )=0. 2011 m

2

kcal kcal h Ud= =639.52 2 2 hm °C 0.2011 m · 78 °C 10034.547

7.- Coeficientes de película interior y exterior 7.1 .1..- Coeficiente de película interior ( hi ).

( )( )( )

k d i vρ hi=0.0225· di μ

0.8

Cpμ k

0.4

μ μ¿

0.14

[¿ ]

kcal h m2 ° C

Para efectos prácticos, se considera que, para el agua, el factor de corrección por viscosidad, aparte el fluido de trabajo, el agua, no es tan relativamente viscoso

( ) μ μ¿

0.14

,es igual a 1.

Para este cálculo las propiedades físicas se evalúan a temperatura media del agua igual a 32°C.

k @ 32 °C =0.532

kcal h m °C

ρ@ 32° C =995.26

kg m3 ❑

μ@ 32° C =2.7432

kg hm

Cp@ 32°C =1.006

kcal kg ° C

Del equipo se tiene que:

0.5184

v=

m3 h

G va m = =2644.399 π 2 π h 2 ( 0.0158 m ) di 4 4

(

kcal 0.016 m·2644.399 m · 995.26 kg 0.532 3 h h m° C m hi=0.36 · 0.016 m kg 2.7432 hm

hi=3,235.022

)( 0.52

kg kcal ·2.7432 hm kg ° C kcal 0.532 h m° C

1.006

)

1 3

kcal h m2 °C

7.2 .2..- Coeficiente de película exterior

[

2

3

ρ k λv g he =0.725 · d e μΔT f

]

0.25

[¿]

kcal kcal ; donde λ v @ 111 ° C =543.96 2 kg hm °C

Se toma el valor de aceleración de la gravedad al nivel de la Ciudad de México.

g=9.78

m m =126748800 2 2 s h

Temperatura de película ( T f )

T f =Tv −0.75 ΔT f ΔT f =T v −T ¿ T ¿=

T v +t ac ( 116 + 40 ) ° C = =71.25 ° C 2 2

Sustituyendo valores

ΔT f =111 ° C−71.25 ° C =39.75 °C ≅ 40 ° C

T f =103 ° C−0.75( 39.75 )=81.19 ° C ≅81 ° C Para el cálculo se ocuparán las propiedades físicas a la temperatura de la película ( T f =81° C )

k @ 81 °C =0.577

kcal h m° C

ρ@ 81° C =971.83 μ@ 81° C =1.285

[

(

)(

kg m3 ❑ kg hm

)

m kcal kg 2 kcal 3 · 126,748,800 2 ·543.96 971.83 3 · 0.577 kg h m °C h m he =0.725 kg 1.285 ·0.02134 m·40 ° C hm he =7503.897

]

1 4

kcal h m2 °C

8. 8.-- Coeficiente global de transfere transferencia ncia de calor calor.. Del intercambiador de calor de chaqueta.

d e =0.02134 m d i=0.0158 m d m=0.01857 m e=0.00277 m 3600 s 1 kcal J kcal Kacero galvanizado=60 =51.625 · · 1h 4184 J h m° C smK

(

)(

)

U c=

1 kcal [ ¿] 2 ° C de e de 1 hm + + hi d i K d m he

U c=

1 0.02134 m 0.00277 m· 0.02134 m 1 + + kcal kcal kcal · 0.0158 m 51.625 3235.0215 ·0.0186 m 7503.897 2 h m ° C h m °C h m2 ° C

U c =1633.0623

kcal h m2 °C

9. 9.-- Diferencia porcentual de los coeficientes

%D=

Ud y

Uc .

U c −U d · 100 Uc

kcal kcal −639.52 2 h m °C h m2 ° C · 100=60.84 % kcal 1633.0623 h m2 °C

1633.0623 %D=

10. 10.-- Fa Factor ctor de incrustación ( Rd ).

Rd =

U c −U d U c · Ud

kcal kcal −639.52 2 h m2 ° C h m °C h m2 °C Rd = =0.00095 kcal kcal kcal 1633.0623 · 639.52 2 2 hm °C h m °C 1633.0623

6. Tabla de Resultados Tabla 5.1 Resultados Experimentales para el Intercambiador de Tubos Concéntricos. P (kgf/cm2)

Gma (kg/h)

Gmv (kg/h)

Qa (kcal/h)

Qv (kcal/h)

%Eficiencia

1.595

499.182

18.833

10034.55

10244.21

97.95%

ΔTML (°C)

Ud (kcal/hm2°C)

hi (kcal/hm2°C)

he (kcal/hm2°C)

Uc (kcal/hm2°C)

Rd (kcal/hm2°C)

%D

78.03

639.52

3235.0215

7503.897

1633.0623

0.00095

60.84%

7. Conclusiones De la tabla de resultados 5.1 se puede concluir que la transferencia de calor para un intercambiador de calor de doble tubo de una horquilla en paralelo, es bastante eficiente, cercano

al 98%. Podemos atribuirlo a la gruesa capa de aislante que se añade a la carcasa del intercambiador precisamente para evitar pérdidas de energía con los alrededores. La diferencia porcentual entre el coeficiente global de transferencia de calor limpio contra el coeficiente sucio es del 60.84%, esto indica la presencia de bastante incrustación en el tubo interno por la precipitación del contenido de Ca y Mg del agua circulante y dificulta la transferencia de calor. Se podría disminuir esta diferencia incrementando la velocidad del flujo de agua en el tubo interno del intercambiador disminuyendo el diámetro de la tubería.

8. Bibliografía

Los coeficientes de transmisión de calor deben ser mayores conforme se aumenta la velocidad de 

agitación, debido a que la agitación del agua provoca una mayor turbulencia en el sistema facilitando la transferencia de calor, del mismo modo se necesita

menos tiempo para que se de toda la transmisión de calor y se llegue antes al estado estacionario. Conforme aumenta el grado

de turbulencia, la velocidad de transferencia, como el calor transferido es mayor, aumenta, perdiéndose calor, por lo tanto es menos efectiva.

Los valores teóricos aumentan conforme las revoluciones del agitador son mayores. Durante el desarrollo de la practica se pudo llevar a cabo la

eficiente de cada 1. Cengel, Y., Transferencia de calor. Un enfoque práctico, 2ª Ed., Mc. Graw Hill, México, 2004. 2. Perry, R., Manual del Ingeniero Químico, Volumen 1, 7ª Ed., Mc. Graw Hill, México, 2001. 3. Kern, D., Procesos de Transferencia de Calor, 6ª Ed., Thomson, Madrid, 2002. Consultado en: https://vdocuments.mx/procesos-de-transferencia-de-calor-donaldq-kern.html 4. Cengel, Y., Termodinámica, 4ª Ed, Mc. Graw Hill, México, 2003. 5. McCabe. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. 1974. Madrid

9. Anexos Tablas de Propiedades Físicas. Cengel, Y., Transferencia de calor. Un enfoque práctico, 2ª Ed., Apéndice 1, Mc. Graw Hill, México, 2004. Consultado el 13 de noviembre de 2020 en: https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2012/01/tablas-cengel.pdf Tabla 8.1 Propiedades físicas del acero galvanizado.

Tabla 8.2 Propiedades físicas del agua líquidas a diferentes temperaturas

Tabla 8.3 Propiedades del agua saturada....