Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Laboratorio de Ingeniería Química II Profesor scar !ern"nde# Melende# $ru%o & Miércoles ' ( )) *rs
Pr"ctica +,Características de la operación de intercambiadores de calor en cocorriente y contracorriente
Ló%e# .ega Lidia Alicia 1
Problema: /eterminar gr"ficamente el menor flu0o de la corriente caliente 1con 2 3&&456 7ue se necesita %ara elevar a 8945 la tem%eratura de una corriente fría de )&: L;* 7ue entra a tem%eratura ambiente< /etermina también la ra%ide# de transferencia de calor asociada al %roceso< Para encontrar tu res%uesta= utili#a tres intercambiadores de calor conectados en serie= con dirección de los flu0os ena6 5ocorriente b6 5ontracorriente >l e7ui%o 7ue se em%lea se muestra en la Figura )-
Figura 1. Equipo de intercambiadores de calor
Resultados Experimentales: •
Arreglo en 5ocorrienteTabla 1. Temperaturas de corrientes calientes.
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Tabla 2. Temperatura de las corrientes frías.
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Arreglo en 5ontracorrienteTabla 3. Temperatura de las corrientes calientes.
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Tabla 4. Temperatura de las corrientes frías.
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lculos: •
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Arreglo en 5ocorrienteTabla 5. Cp
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Tabla 6. Densidad
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Tabla 7. Perles de Temperatura
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Tabla . !apide" de transferencia de calor.
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Arreglo en contracorrienteTabla #. Cp
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Tabla 1$. Densidad
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Tabla 11. Perles de Temperatura.
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4
Tabla 12. !apide" de transferencia de calor.
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uestionario: •
Arreglo en 5ocorriente)< $r"fica )A- Perfiles de 2em%eratura< 2ra#a %ara Cc 3 ': L;* los valores de 2 D t en función de la longitud de los tres intercambiadores= ignorando los tramos de las mangueras entre ellos< 140 120
Temperatura ')C( 100
WC 80
80 60 0
wc80
1
2
%on&itud 'm(
*r+ca 1., Perles de temperatura para -c $ %/0
@< /escribe los %erfiles de tem%eratura de ambas corrientes D ex%lica %or 7ué tienen esas formas< En la corriente caliente la temperatura va descendiendo mientras que en la corriente fría la temperatura se va incrementando. Como se puede observar en la Gráfica 1 aunque la temperatura de la corriente caliente va disminuyendo gradualmente la temperatura de la corriente fría no lo hace tan pronunciadamente, es decir que llega a un punto en donde la diferencia es casi imperceptible, esto se debe a que al tener la misma dirección de fluo ambas corrientes los gradientes de temperatura cada ve! serán menores. 8< EPueden llegar a unirse los %erfiles en el extremo %or el 7ue salen ambas corrientes del sistema de tres intercambiadores EGa0o 7ué condiciones "í, siempre y cuando el gradiente inicial entre ambas corrientes sea peque#o.
5
?<
$r"fica @A- Perfiles de H$ < 2ra#a los valores de 2(t en función de la longitudJ 1ignorando los tramos de las mangueras6 %ara Cc 3': L ; *< >x%lica la forma del %erfil encontrado< 60 40
Tt ')C(
20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
%on&itud 'm(
*r+ca 2., Perfiles de T
%. $rafica 8
n una gr"fica de barras= muestra %ara cada intercambiador= los valores de ra%ide# de transferencia de calor Qi, %ara Cc 3 ': L ; *< E5u"l es la relación 7ue existe entre las gr"ficas 8A D @A Como se puede observar en las gráficas & y ' comportamiento que presenta la rapide! de transferencia de calor (Gráfica ') y el comportamiento de la *$ para la corriente caliente (Gráfica +) presentan el mismo patrón. or ello podemos decir que el cambio en el gradiente de temperatura en la corriente caliente es proporcional a la rapide! de transferencia de calor. 3000.0 2500.0 2000.0
'T/0(
1500.0
Q1 Q2 Q3
1000.0 500.0 0.0
*r+ca 3., !apide" de transferencia de calor para cada intercambiador.
,< Marca sobre la gr"fica )A= los segmentos corres%ondientes a los intervalos de tem%eratura Ic e If. E5u"l es el significado físico de estos segmentos
6
9< /ibu0a sobre la $r"fica )A los %erfiles de 2 D t= a*ora %ara Cc 3)&: L;*K adem"s= marca los segmentos corres%ondientes a los nuevos intervalos de tem%eratura %ara ambas corrientes< A continuación re%ite el mismo %rocedimiento %ara Cc 3@': L ; *< Utili#a diferentes colores o ti%os de línea %ara cada valor de Cc<
'< >x%lica el cambio de los %erfiles de 2 D t en función de Cc< Por otro lado= Ecómo afecta el cambio de Cc a los intervalos de tem%eratura de ambas corrientes - medida que el fluo se incrementa la corriente fría incrementa su temperatura drásticamente, mientras que el descenso en la temperatura de la corriente caliente casi se vuelve lineal. < /ibu0a sobre la gr"fica @A= los %erfiles de 2Bt %ara Cc 3 )&: D @': L ; *< E>xiste alguna diferencia significativa entre los %erfiles de H2 %ara los tres valores de Cc >x%lica %or 7ué es así<
7
60 50 40 Wc 80 L/h
Tt ')C( 30 20
Wc 150 L/h
10
Wc 220 L/h
0 0
Wc 275 L/h 0.5
1
1.5
2
%on&itud 'm(
o e/iste diferencia significativa entre cada uno de los perfiles para $0t de los diferentes fluos, esto se debe a que el comportamiento trmico del intercambiador de calor es el mismo independientemente de las temperaturas a las que se est trabaando. ):< >n la gr"fica 8A= aade los blo7ues %ara los Qi corres%ondiente a Cc 3)&: D @': L ; *< E5ómo son com%arativamente los blo7ues %ara los distintos valores de Cc 2os bloques son proporcionales, es decir a medida que el fluo crece los bloques tambin lo hacen. "in embargo para el fluo mayor (&3% 24h) se puede observar que los valores de 51 comien!an a disminuir. 4500.0 4000.0 3500.0 3000.0 2500.0
'T/0( 2000.0 1500.0 1000.0 500.0 0.0 1
2
3
4
))< >n la gr"fica 8A= aade los blo7ues corres%ondientes a Q2 %ara los tres flu0os< E5ómo es la de%endencia de Q2 con res%ecto a Cc >x%lica este com%ortamiento< - mayor fluo, mayor 5$. -unque en la gráfica del inciso 16 se puede observar que la tendencia del 51 es que a mayor fluo comien!a a disminuir podemos observar en esta gráfica que el valor de la 5 total no se ve afectada por este comportamiento pues su tendencia a crecer se mantiene.
8
10000.0 8000.0 6000.0
'T/0(
4000.0 2000.0 0.0 1
2
3
4
)@< $r"fica ?A- >labora una gr"fica de Q2 en cal ;min versus Cc< A continuación= tra#a en la misma gr"fica 1utili#ando otra escala6= los valores de Ic e If versus Cc< 12000.0
60
10000.0
50
8000.0
40
6000.0
30
4000.0
20
2000.0
10
0.0 50
100
150
200
250
0 300
*r+ca 4., !elacin de total T con el 8lu9o
)8< elaciona el com%ortamiento de Ic e If en función de Cc dado en tu res%uesta a la %regunta a la %regunta '= con el com%ortamiento de los %erfiles de Ic e If encontrados en la gr"fica ?A< El comportamiento que presenta 7c es que a medida que el fluo se incrementa estos intervalos van disminuyendo, por el contrario la tendencia de los intervalos de if es a crecer. Esto se debe a que al incrementar el fluo de agua caliente se transmite mayor calor hacia la corriente fría, lo que causa incremento en su temperatura. )?< /e acuerdo con los tres %erfiles mostrados en la gr"fica ?A= enuncia la manera en 7ue un incremento en Cc afecta los valores de Ic= If D Q2 %ara el arreglo en cocorriente< E5onsidera 7ue se obtendr" com%ortamiento similar de estas variables %ara el caso de flu0os en contracorriente - medida que se incrementa el 8c el intervalo de temperatura de la corriente caliente disminuye mientras que el intervalo de la corriente fría se incrementa, por lo tanto el valor del calor intercambiado tambin se incrementa al incrementar el fluo dela corriente caliente. o considero que el comportamiento en el fluo a contracorriente sea el mismo que en este caso.
9
)&< >n la gr"fica ?A= encuentra inter%olando si es necesario= el valor de Cc 7ue %ermite alcan#ar la t deseada< >n la misma gr"fica encuentra el valor de Q2 asociado al %roceso< "e requiere determinar el menor fluo de la corriente caliente que se necesita para elevar a '39C la temperatura de una corriente fría de 1%6 24h En la gráfica +.- se puede observar que el intervalo de corriente fría que llega a los '39C se encuentra en un fluo de corriente caliente de &&6 24h al cual corresponde una 5 total de :;6+.1 <$=4h
•
Arreglo en 5ontracorriente)< $r"fica )G- >labora una gr"fica de 2 D t versus Cc 1similar a la gr"fica )A6= %ara Cc 3 ':= )&: D @': L; *< Utili#a diferentes colores o ti%os de línea %ara cada valor de Cc< Marca adem"s= los segmentos de Ic e If corres%ondientes< 140 130 120
Temperatura ')C(
WC 80
WC150
110
WC220
WC275
100
wc80
wc150
wc220
wc275
Ic 80
If 80
Ic 150
If 150
70
Ic 220
If 220
60
Ic 275
If 275
90 80
0
1
2
3
%on&itud 'm(
*r+ca 1. T t :s -c se&mentos de ;c e ;f
@< >x%lica el com%ortamiento de los %erfiles de 2 D t en función de Lc< 5om%ara estos %erfiles con los de gr"fica )A< En la corriente caliente a medida que el fluo se incrementa la pendiente que e/iste en el comportamiento de la temperatura es menor por otra parte en la corriente fría sucede lo contrario pues a mayor fluo la pendiente en el comportamiento de la temperatura se incrementa. En este caso a diferencia del cocorriente los perfiles parten de puntos distintos y se dirigen a punto distintos. 8< E/e acuerdo con la gr"fica )G= cómo cambian los valores de Ic e If en función de Lc 5om%ara este com%ortamiento con el res%ectivo encontrado a %artir de las gr"ficas )A D ?A %ara el arreglo en cocorriente< 10
En este caso no e/iste diferencia entre los perfiles de 7c07f encontrados para el arreglo en cocorriente y en contra corriente pues en ambos casos 7c tiende a ir disminuyendo mientras que 7f tiende a ir creciendo. ?< $r"fica @G- >labora una gr"fica de 2Bt versus Cc ( similar a la gr"fica @A6 %ara Cc 3 ':= )&: D @': L;*< E5ómo cambian los %erfiles de H $ al incrementar Cc >x%lica el com%ortamiento de estos %erfiles usando la información contenida en la gr"fica )G< 60 50 40
Tt ')C(
30
W 80 L/h
20
W 150 L/h
10
W 220 L/h
0
W 275 L/h 0
0.5
1
1.5
2
%on&itud 'm(
*r+ca 2. Perles de
En este caso a diferencia del arreglo en cocorriente que el perfil simplemente tendía a disminuir, se presenta un comportamiento diferente pues inicialmente la ∆$ disminuye para luego incrementarse. &< $r"fica 8G- >labora una gr"fica de barras %ara Qi D Q $ 1similar a la gr"fica 8 A6= %ara Cc 3 ':= )&: D @': L;*< E5ómo es el valor Qi en los segmentos 1intercambiadores6 individuales con res%ecto a cada valor de Cc= D como es la de%endencia de Q2 con res%ecto a la misma variable En este caso la rapide! de transferencia de calor para el segundo intercambiador es mínima en comparación con el del arreglo en cocorriente, sin embargo los demás intercambiadores presental el comportamiento muy similar en ambos arreglos. 12000.0 10000.0 8000.0
'T/0(
6000.0 4000.0 2000.0 0.0 1
11
2
3
4
*r+ca 3. !apide" de transferencia de calor para cada intercambiador en los diferentes =u9os.
,< $r"fica ?G- e%resenta en una misma gr"fica 1similar a la gr"fica ? A6 los valores de Q2 en cal ; min D de Ic e If en 45= en función de Cc< 12000.0
60
10000.0
50
8000.0
40
6000.0
30
4000.0
20
2000.0
10
0.0 50
100
150
200
250
0 300
*r+ca 4. !elacin de total T con el =u9o
9< >n la gr"fica ?G encuentra= inter%olando si es necesario= el gasto de Cc 7ue %ermite alcan#ar la t deseada= D la Q$ asociada al %roceso< es%onde a la %regunta del %roblema %lanteado "e requiere determinar el menor fluo de la corriente caliente que se necesita para elevar a '39C la temperatura de una corriente fría de 1%6 24h En la gráfica +.< se puede observar que el intervalo de corriente fría que llega a los '39C se encuentra en un fluo de corriente caliente de &&6 24h al cual corresponde una 5 total de 16:1>.: <$=4h.
onclusiones: Oe alcan#ó el ob0etivo de determinar gr"ficamente el flu0o de una corriente caliente necesaria %ara elevar la tem%eratura de una corriente fría< Para el arreglo en cocorriente se re7uiere un flu0o de @@: L;* de agua caliente %ara elevar a 8945 la tem%eratura del agua fría= %ara el arreglo en contracorriente se obtuvo 7ue también se re7uiere un flu0o de @@: L;* de agua caliente %ara alcan#ar la misma tem%eratura en el agua fría= con un calor de ':?<) G2U;* D ):),< G2U;* res%ectivamente<
12