INTERCAMBIADOR INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS DE PASO 1-1. 1 -1.
OBJETIVO Determinar experimentalmente el coeficiente global de trasmisión de calor (U).
INTRODUCCIÓN
Un intercambiador de calor es un dispositivo utilizado para trasferir calor de un líquido procesado a otro. Los intercambiadores de calor pueden ser clasificados en tres categorías importantes. 1.- Regeneradores: los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a través del mismo espacio seguido de uno frio de forma alternada, con tan poca mezcla física como sea posible entre las dos corrientes. Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y del flujo de las corrientes fluidas, y con la geometría del sistema, son cantidades que deben conocer para analizar o diseñar los regeneradores. 2.- intercambiadores de tipo abierto: son dispositivos en donde las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cámara abierta, y ocurre una mezcla física completa de las corrientes. Las corrientes caliente y fría que entran por separado que entran a este intercambiador salen mezcladas en una sola. El análisis de este tipo de intercambiadores, involucra la ley de la conservación de la masa y la primera ley de la termodinámica. 3.- intercambiadores de tipos cerrados o recuperadores: los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre si. La transferencia de calor ocurre por convección, desde el fluido más caliente a la superficie solida por conducción a través del sólido y de ahí por convección desde la superficie solida hasta el fluido más frio. Tenemos cuatro tipos de configuraciones más comunes en la trayectoria del flujo:
En la distribución distribuci ón del flujo en paralelo, los fluidos caliente y frio, entran por el ismo extremo del intercambiador, fluyen a través de el en la misma dirección y salen por el otro extremo. En la distribución en contra corriente, los fluidos caliente y frio entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas. En la distribución distribuc ión de flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.
1
En la figura 1# se aprecia un intercambiador de este tipo de un solo paso, en el, el fluido que fluye a través de los tubos entra al cabezal en donde se distribuye a través del banco de tubos siguiendo un flujo paralelo, y deja a la unidad a través del otro cabezal, para mejorar la transferencia de calor del fluido que va por los tubos se ponen desviadores de flujo en los cabezales tal que permite que el flujo regrese al interior del cambiador repentinamente, el numero de pasos del fluido por los tubos depende de factores económicos del diseño, de la operación y del espacio disponible.
FIGURA# 1 CAMBIADOR DE LA CA LOR DE CORAZA Y TUBOS DE UN UN SOLO PASO
El fluido externo que va por la coraza se alimenta por medio de boquillas tal que el fluido entra en dirección perpendicular a lo largo de los tubos y se distribuye a lo lkargo del cambiador en una forma de S debido a la presencia de mamparas que entre otras funciones se encuentran las siguientes: 1.- dar soporte a los tubos en posición vertical. 2.- evitar la vibración de los tubos debido a ala alta turbulencia causada por el flujo del vapor de la coraza. 3.- guiar el fluido que va por la coraza en dirección trasversal con relación a la banco de tubos, incrementando su velocidad y por lo tanto su coeficiente de transferencia de calor. Hay varios tipos de deflectores o mamparas que se emplean en el diseño de los cambiadores de calor, pero los mas comunes son los deflectores segmentados como los que se muestran en la figura #2, estos, son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75% del diámetro interior de la coraza y se conocen como deflectores o mamparas con un 25% de corte. El corte puede variar dependiendo del cambiador de calor o las características viscosas del fluido que va por la coraza, como es el caso de los módulos de transferencia de calor del laboratorio de ingeniería química que presentan deflectores con un 50% de corte.
2
FIGURA#2 DISTRIBUCIÓN DEL FLUIDO QUE VA POR LA CORAZA POR EFECTO DE LA PRESENCIA DE DEFLECTORES.
I .- CALOR TRANSFERIDO POR EL PROCESO
1.- Balance de energía global. Q fluido caliente = Q
fluido frio +
Q
periodo
2.- Calor cedido por el fluido caliente. Q caliente = M caliente Cp caliente (T1 – T2) 3.- Calor absorbido por el fluido frio. Qfrio = M frio Cpfrio (T2 –T1) y considerando que las perdidas de calor son despreciables, se tiene que; Q caliente = Qfrio. Q = - (mc)(CPC)(ΔTc) = (mf )(Cpf )(ΔTf )
(W)
II.- COEFICIENTE DE TRASFERENCIA DE CALOR
La expresión del coeficiente de transferencia de calor es igual para todos los cambiadores de calor está dada por:
U=
3
U = coeficiente global de transmisión de calor. ho = coeficiente global de transmisión de calor de vapor. Di = diámetro interior de los tubos. De = diámetro exterior de los tubos. e = espesor del tubo. k = conductividad térmica del tubo. Dm = diámetro medio del tubo. hi = coeficiente individual de transmisión de calor del liquido condensante.
Debido a las diferencias físicas en relación al cambiador de tubos concéntricos, la evaluación de los coeficientes individuales hi y ho resulta ser ligeramente diferente.
A) INTERIOR DE TUBOS Para evaluar el coeficiente de transferencia de calor se pueden ocupar las correlaciones que para cambiadores de tubos concéntricos.
Para régimen laminar (Re<2100) Ecuación de Sieder y Tate Nui =
*+
Ecu. # 2
Para régimen transicional (2100
Nui =
= 0.116
Ecu. #3
Para régimen turbulento (Re> 10000) Ecuación de Sieder y Tate
4
Nui =
= 0.027
Ecua. #4
Donde la masa velocidad del fluido que va por los tubos esta dada por:
Gt =
=
Ecu. # 5
Y el área de flujo por los tubos se calcula como:
=
Ecu. #6
B) LADO DE LA CORAZA La información para evaluar el coeficiente del lado de la coraza aun esta muy restriñida. Kern propone una correlacion de amplio rango de numero de Reynolds que oscila entre 2000 y 1000000.
Un =
= o.36
Ecu. #7
El diámetro equivalente debe estimarse de acuerdo al arreglo que tiene la tubería dentro de la coraza, la figura #3 muestra dos de los arreglos mas comunes usados en el diseño de cambiadores de calor.
ΔTml =
*+
a) Circulación en paralelo
ΔTml =
*+
b) Circulación en contracorriente
ΔTml =
*+
5
Figura #2 Perfiles de temperatura en un intercambiador de calor.
Bowman, mueller y Tagle. Ha propuesto para cambiadores de calor con más de un paso, una corrección Ft a la diferencia de temperaturas media logarítmica en contracorriente, tal que el calor intercambiado puede estimarse como:
Q = U, A, F
*+
Ecu. #11
Para un cambiador de calor con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos el factor de corrección Ft pude estimarse a partir de la siguiente relación:
Ft =
+ √ * √ √
Ecu. #12
Siendo: R=
De =
y
S=
[]
De =
[ ( )]
Ecu. #8
6
Figura #3 Diámetros equivalentes más comunes en cambiadores de calor de coraza y tubos.
La masa velocidad del lado de la coraza G s se puede calcular como:
Gs =
Ecu. #9
Mientras que el área de flujo por la coraza estará determinada por: as =
Ecu. #10
El rango de aplicación de la ecuación #7, prácticamente abarca la mayoría de regímenes de flujo en los que puede operar un cambiador de calor convencional, únicamente es aplicables para cambiadores de calor con deflectores con 25% de corte. La aplicación de esta condición debe respetarse estrictamente ya que puede conducir a considerables errores en la estimación del coeficiente del lado de la coraza ho.
III.- DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA En los cambiadores de calor de coraza y tubos suele presentarse más de un paso por los tubos, lo que ocasiona que se rompa el arreglo contracorriente o paralelo puro como se aprendió en la práctica anterior, por lo que si se trata de un cambiador con más de un paso de cualquiera de los dos fluidos, la aplicación d la ecuaciones convencionales para evaluar las diferencias de temperaturas media logarítmica resulta un error.
7
Es importante aclarar que si se trata de un cambiador de calor con un paso por coraza y un paso por los tubos, el factor de corrección Ft toma el valor de 1.
ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO El equipo es un intercambiador 1-1, es decir un solo paso en la coraza como en los tubos. Posee siete tubos que se encuentran dispuestos en un arreglo triangular con un pitch de o.75in. La coraza es un tubo de diámetro 10.85 cm de diámetro interno y 11.39 cm de diámetro nominal de boro silicato. Los tubos son calibre 18 BWG para condensador de 0.0022 cm de diámetro interno y 0.0026m de diámetro nominal y de longitud 1m. La coraza cuenta con un 7 mamparas segmentadas de 1.86 in de altura. Cuenta con dos espejos uno en cada cabezal.
PROCEDIMIENTO
El experimento consiste en condensar vapor mediante agua de enfriamiento a una determinada temperatura. El vapor condensara en el exterior de los tubos el agua de enfriamiento circula por los tubos en un arreglo en contra corriente.
1) Verificar que todos la válvulas se encuentren cerradas
2) 3) 4) 5)
6) 7)
a) Abrir la válvula del agua fría y fijar el flujo regulando el gasto en el rotámetro al 50%. inicialmente el agua se tira al drenaje. Purgar la línea por medio de la válvula y así mismo purgar el condensador para sacar cualquier cantidad de condensado que este acumulado. Alimentar vapor hasta lograr una presión manométrica de 1kg f /cm2. Tomar lectura de las temperaturas de entrada y salida de ambas corrientes hasta alcanzar el régimen permanente. Con los promedios de temperatura y con los volúmenes de condensado y agua de enfriamiento (calculados por la diferencia de niveles al inicio y al final del régimen permanente en medidores), se procederá a hacer los cálculos. Repetir el experimento modificando el flujo de alimentación de agua. Una vez concluido el experimento, cerrar la alimentación de vapor y posteriormente la del agua fría.
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Cálculos INTERCAMBIADOR DE CALOR (POSICIÓN HORIZONTAL)
Datos obtenidos 1. Coeficiente global de transferencia de calor teórica y experimental para el flujo. Entrada (°C) 113 0C 200C
Caliente Fría
Salida (°C) 280C 24.50C
Coeficiente global de transferencia de experimental para el flujo.
Tubo interno
Datos del Agua a 24.5 ºC Kg/m3 µ=0.9132x10-3 Kg/m.s Vol = 1.47 L t= 900 s ρ=997.2
k=0.6052 W/m.K Pr= 6.314
( )
Calculo de la velocidad
9
) ( ( ) ( ) ( )
Calculo del número de Reynolds
Calculo del nuero de Nusselt (para flujo laminar)
Calculo del coeficiente individual de transferencia de calor
Tubo externo
Datos del Agua a 28ºC Kg/m3 µ=0.8724x10-3 Kg/m.s Vol = 1.47 L t= 900 s ρ=996.8
k=0.6086 W/m.K Pr= 5.996
( ) 10
) ( ( ) ( ) ( )
Calculo de la velocidad
Calculo del número de Reynolds
Calculo del número de Nusselt (para flujo laminar)
Calculo del coeficiente individual de transferencia de calor
Coeficiente global de transferencia de calor experimental para el intercambiador en posición horizontal
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2.- Obtener el flujo de calor para cada combinación de flujo, usando el coeficiente teórico y experimental.
Tubo interno
T a 24.5 ºC
) ( ) (
Tubo externo
T a 28ºC
) ( ) (
3.- Realizar las gráficas de temperatura contra el área total para el flujo.
Área superficial de transferencia de calor Datos: N=número de tubos= 7 D interior =0.1085m
L =1.30m
12
Temperatura en el tubo interno
30 25 20 15 10 5 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Se presenta flujo en paralelo y contracorriente debido a que experimentalmente se notó el mismo comportamiento en ambas posiciones de entrada y salida de la temperatura con la diferencia del tiempo.
4.- Calcular el gato masa en función del volumen del condensado, su densidad y el tiempo que duro la experiencia
Tubo interno
T a 24.5 oC ρ=997.2
Kg/m3
Volumen obtenido= 1.47 L Tiempo= 900 s
13
( )
Tubo externo
T a 28.5 oC Kg/m3 Volumen obtenido= 1.47 L Tiempo= 900 s ρ=996.8
( ) 5.- Calcular los coeficientes individuales de transferencia de calor
Tubo interno
T a 24.5 oC k=0.6052 W/m.K L=1m
14
Tubo externo
T a 28.5oC k=0.6086 W/m.K L=1m
7.- Calcular las caídas de presión
Tubo interno
T a 24.5 oC Kg/m3 µ=0.9132x10-3 Kg/m.s ρ=997.2
v=
D=.022m L=1.3m
( ) ( ) () 15
( ) ( )
Tubo externo
T a 28 oC Kg/m3 µ=0.8724x10-3 Kg/m.s ρ=996.8
v=
D=.022m L=1.0m
( ) ( ) () ( ) ( ) 16
INTERCAMBIADOR DE CALOR EN POSICIÓN HORIZONTAL
Cálculos Datos obtenidos Entrada (°C) 0 C 0 C
Caliente Fría
Salida (°C) 0 C 0 C
7. Coeficiente global de transferencia de calor teórica y experimental para el flujo. U0 (W/m2.K) Teórico Experimental
Flujos en contra corriente (horizontalmente ) 850-1700 W/m2.K
Flujos en contra corriente (verticalmente ) 850-1700 W/m2.K
Coeficiente global de transferencia de experimental para el flujo.
INTERCAMBIADOR DE CALOR (EN POSICIÓN VERTICAL)
Agua a 24ºC Kg/m3 µ=0.9132x10-3 Kg/m.s Vol= 1.19 L T= 900 s ρ=997.2
k=0.6052 W/m.K Pr= 6.314
( )
Calculo de la velocidad
17
) ( ( ) ( ) ( )
Calculo del número de Reynolds
Calculo del nuero de Nusselt (para flujo laminar)
Calculo del coeficiente individual de transferencia de calor
Agua a 26ºC Kg/m3 µ=0.8724x10-3 Kg/m.s Vol= 1.19 L Tiempo= 720 s ρ=996.8
k=0.6086 W/m.K Pr= 5.996
( ) Calculo de la velocidad 18
) ( ( ) ( ) ( )
Calculo del número de Reynolds
Calculo del numero de Nusselt (para flujo laminar)
Calculo del coeficiente individual de transferencia de calor
Coeficiente global de transferencia de calor experimental para el intercambiador en posición vertical
8. Obtener el flujo de calor para cada combinación de flujo, usando el coeficiente teórico y experimental Vertical a 24ºC
( )( )
19
Vertical 26ºC
( ) ( ) 9. Realizar las graficas de temperatura contra el área total para el flujo.
Área superficial de transferencia de calor Datos: N=numero de tubos= 7 D interior =0.1085m
L =1.30m
20
30
25
20
15
10
5
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Se presento flujo en paralelo y contracorriente debido a que experimentalmente se noto el mismo comportamiento en ambas posiciones de entrada y salida de la temperatura con la diferencia del tiempo.
10. Calcular el gato masa en función del volumen del condensado, su densidad y el tiempo que duro la experiencia
INTERCAMBIADOR DE CALOR ( EN POSICIÓN VERTICAL)
Agua a 24ºC Kg/m3 Volumen obtenido= 1.19 L Tiempo= 900 s ρ=997.2
( ) 1.
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INTERCAMBIADOR DE CALOR ( EN POSICIÓN VERTICAL)
Agua a 26ºC Kg/m3 Volumen obtenido= 1.19 L Tiempo= 720 s ρ=996.8
( ) 11. Calcular los coeficientes individuales de transferencia de calor
INTERCAMBIADOR DE CALOR (EN POSICIÓN VERTICAL)
Agua a 24ºC Kg/m3 µ=0.9132x10-3 Kg/m.s Vol= 1.19 L T= 900 s ρ=997.2
k=0.6052 W/m.K Pr= 6.314
( )
Calculo de la velocidad
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) ( ( ) ( ) ( )
Calculo del número de Reynolds
Calculo del nuero de Nusselt (para flujo laminar)
Calculo del coeficiente individual de transferencia de calor
Agua a 26ºC k=0.6086 W/m.K L=1m
12. Calcular las caídas de presión
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INTERCAMBIADOR EN POSICIÓN VERTICAL
Temperatura de entrada a 24ºC Kg/m3 µ=0.9132x10-3 Kg/m.s ρ=997.2
v=
D=.022m L=1.0m
( ) ( ) () ( ) ( )
Temperatura de salida a 26ºC Kg/m3 µ=0.8724x10-3 Kg/m.s ρ=996.8
v=
D=.022m L=1.0m
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( ) ( ) () ( ) ( )
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RESULTADOS
Posición horizontal
Coeficiente global de transferencia de calor Flujo de calor
Gasto de masa
Coeficientes individuales de transferencia de calor
Calcular la caída de presión
Posición vertical
Flata tem
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Bibliografía
• Manual del Ingeniero Químico, sexta edición, Perry R y D Green, Mc Graw Hill, México 1984. • Operaciones unitarias en Ingenieria Química , Sexta edición , Mc Cabe W.L y J.C.Smith, Mc Graw Hill, México 2002. • Transferencia de calor, Yunus A Cengel, Segunda Edición. Editorial Mc Graw Hill, México 2004. NOMENCLATURA Y SIMBOLOGIA
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