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INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA I (SISTEMA AGUA-VAPOR)
OBJETIVOS
Conocer el funcionamiento de los intercambiadores de calor de tubos y coraza.
Analizar los resultados experimentales comparándolos con los reportados en la literatura
Utilizar las correlaciones adecuadas para el cálculo del coeficiente global de la transferencia de calor.
INTRODUCCIÓN
Existen muchos procesos de ingeniería que requieren de la transferencia de calor. Para este proceso se necesitan los intercambiadores de calor, los cuales se utilizan para enfriar o calentar fluidos. El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas y separados por una pared sólida ocurre en muchas aplicaciones de ingeniería. Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importantes de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos químicos. Con el fin de incrementar el área para la convección relativa al volumen del fluido, es común diseñar intercambiadores con múltiples tubos dentro de un simple intercambiador. Con múltiples tubos es posible arreglar el flujo de manera que una región estará en paralelo y otra región en contracorriente.
GENERALIDADES
Cuando se requiere una superficie de calor grande, el tipo de intercambiador que se recomienda corresponde a la variedad de tubo y coraza. En este tipo, es posible obtener de manera económica y práctica, una gran superficie de transferencia de calor, colocando los tubos en un haz; los extremos se montan en un soporte. El haz de tubos resultante está encerrado en una cubierta cilíndrica coraza, con el segundo fluido alrededor y a través de los tubos. Los fenómenos de transferencia de calor se definen mediante el coeficiente global de transferencia de calor (U). Se denomina coeficiente global de transferencia de calor (U), a la rapidez de rapidez de transferencia de calor por unidad de área por unidad de temperatura. La resistencia global al flujo de calor desde el fluido caliente frío, es el resultado de la disposición en serie de tres resistencias separadas; en donde dos de las resistencias son las que se ofrecen los fluidos individualmente y la tercera corresponde a la pared de sólido que separa a los fluidos. El coeficiente global se puede evaluar a partir de los coeficientes individuales y la resistencia de la resistencia de la pared del tubo. ho=coeficiente individual del fluido que circula por fuera de los tubos. hi= coeficiente individual del fluido que circula por dentro de los tubos
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Comprobar disponibilidad de servicios
Abrir la válvula de agua helada para que circule por el equipo y tomar la temperatura del agua
Fijar la alimentación
Dejar pasar el vapor por el intercambiador de calor
Dejar que s e estabilice a P vap
Tomar lecturas de temperatura de salida del agua y presión a que se trabaja
Fijar 4 alimentaciones más diferentes y tomar lecturas de temperaturas de salida y presión de vapor
Abrir válvula de condensado
Cerrar todas las válvulas y Limpiar el equipo.
DIAGRAMA
Dónde:
Fluido frío= agua
Fluido caliente= vapor sat
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A continuación, se presentan en forma tabulada los resultados experimentales obtenidos durante la experimentación.
°C
°F
kg/cm^2
gal/min
ºF
°F
psi
ft^3/Hr
T ent
T salida
P
q
T ent
T sal
P
q
24
87
0.7
0.8
75.2
188.6
9.9563401
6.4166664
26
78
0.7
1.6
78.8
172.4
9.9563401
12.8333328
28
56
0.7
2.4
82.4
132.8
9.9563401
19.2499992
29
47
0.7
3.2
84.2
116.6
9.9563401
25.6666656
30
38
0.7
3.6
86
100.4
9.9563401
28.8749988
Para conocer los valores de U experimental de los cinco diferentes fluidos es necesario conocer el calor Q exp de cada corrida.
Donde los valores de las propiedades del agua se obtienen de tablas en base a valores de temperaturas promedio.
°F
°F
Btu/Lb°F
Lb/ft^3
Lb/Hr
Btu/Hr
ΔT
Tprom
CP
ρ
W
Q
63
55.5
0.998645
62.387771
400.321514
25186.0819
52
52
1.001703
62.401737
800.822258
41713.675
28
42
1.004066
62.424182
1201.66545
33783.4399
18
38
1.005361
62.425213
1602.24707
28995.0608
8
34
1.006928
62.421211
1802.41239
14519.196
A continuación, se hace un cálculo del flujo másico.
W= (ρ)(q)
W= (62.387771 Lb/ft^3)( 6.4166664 ft^3/Hr)= 400.321514 Btu/Hr
Cálculo del calor
Q= (400.321514 Lb/Hr)( 0.998645 Btu/Lb°F)( 63 °F)= 25186.0819 Btu/Hr
Obtenemos LMTD a partir de los siguientes datos para el cálculo de Uexp
°F
°F
T vap
ΔT1
ΔT2
LMTD
192.953
168.953
105.953
135.012063
192.953
166.953
114.953
139.339589
192.953
164.953
136.953
150.519197
192.953
163.953
145.953
154.778597
192.953
162.953
154.953
158.919441
Para las temperaturas se tomó la siguiente relación:
Para LMTD
LMTD=(105.953-168.953)°FLn168.953°F105.953°F=135.012063°F
Entonces, al conocer el valor de LMTD, Q y el A, es posible calcular el U experimental, correspondiente a este flujo:
Q= 25186.0819 Btu/Hr
ATotal=123 ft0.1963ft2=7.0668 ft2
Para el cálculo de Uexp se emplea la siguiente relación:
Uexp
26.3976482
42.3624557
31.7606349
26.5088153
12.9283392
Uexp=25186.0819Btuh7.0667ft2*(135.012063°F)=26.3976482 Btuft2 h °F
A continuación, se presentan los datos y cálculos de los parámetros para obtener el Uteo:
ft^2
Ft^2
Lb/ Hr Ft^2
Lb/Ft Hr
Ft
af
at
G
μ
Dint
Re
0.334
0.00695
57600.2178
2.901204
0.1707
3389.06095
0.334
0.00695
115226.224
2.901204
0.1707
6779.63924
0.334
0.00695
172901.504
2.901204
0.1707
10173.1167
0.334
0.00695
230539.146
2.901204
0.1707
13564.3796
0.334
0.00695
259339.913
2.901204
0.1707
15258.9487
BTU/Hr Ft °F
Ft
K
Pr
hi
Dext
hio
Uteo
0.35996255
8.04881756
76.0959875
0.1963
66.1721093
35.3939647
0.35996255
8.07346424
132.649658
0.1963
115.350467
61.698356
0.35996255
8.0925094
183.672942
0.1963
159.71967
85.4304394
0.35996255
8.10294676
231.306854
0.1963
201.141518
107.586049
0.35996255
8.11557637
254.28088
0.1963
221.119441
118.271788
A continuación, se explica la memoria de cálculo para la obtención del Uteo:
Para el coeficiente global de transferencia de calor teórico tenemos que utilizar una serie de correlaciones que nos llevan a establecer con precisión la influencia que tienen las resistencias de los fluidos en los tubos con
Uteorico=hi0h0hi0+h0
Para ello las correlaciones que utilizaremos serán:
Es necesario primeramente calcular los Reynolds para cada corrida. Estos se determinan en base a la siguiente ecuación:
El valor de af1 tubo se lee de las tablas del Kern para una tubería de ¾" BWG= 18 se lee un af por un tubo de 0.334 (nt=2/np=4). Entonces:
Entonces para el primer flujo determinado se calcula el valor del no. de Reynolds obteniéndose así:
G=400.321514 lbh0.00695ft2=57600.2178lbh ft2
Del mismo modo que en el caso anterior las propiedades tales como K, μ, se toman en base a una temperatura promedio.
Entonces calculándose el número de Reynolds se obtiene:
Re=0.1707 ft(57600.2178 lbh ft2)2.901204lbft h=3389.06095
Posteriormente se procede a calcular el No. de Prandlt para poder utilizar la expresión que permite calcular el valor de hi. Esto con los valores proporcionados anteriormente.
Pr=0.998645Btulb °F(2.901204 lbft h)0.35996255Btuh ft °F=8.04881756
Entonces con los valores necesarios es posible determinar hi:
hi=0.35996255 Btuh ft °F0.1707 ft0.0027*(3389.060950.88.0488175613=76.0959875
Una vez obtenido el valor de hi se puede calcular el valor de hio conociendo los diámetros int y externos:
Dint= 0.1707ft Dext= 0.1963 ft
hi0=76.0959875Btuh ft2°F0.17070.1963=66.1721093Btuh ft2°F
Entonces se calcula los valores del Uteo una vez obtenidos los valores de hio y hi con la expresión indicada al principio.
Uteorico=66.1721093Btuh ft2°F76.0959875Btuh ft2 °F(66.1721093Btuh ft2°F)+76.0959875Btuh ft2 °F=35.3939647Btuh ft2°F
Se realizó el mismo procedimiento para las demás corridas.
Se muestra la gráfica de Uexp y Uteo vs Re:
Conclusión.
Aunque los valores de U presentan cierta discrepancia entre los obtenidos experimentalmente y los calculados teóricamente, dichos valor se encuentran cercanos al rango de U para un sistema en donde el fluido caliente es vapor de agua y el fluido frío es agua, también se puede observar que el comportamiento empírico se desfasa del comportamiento teórico, ya que en lugar de incrementar U a mayor gasto, los valores de U comienzan a decrecer, esto quizá a que a un mayor flujo, el calor que se transfiere entre ambos fluidos es menor, ya que experimentalmente el vapor suministrado no cambia, en cambio la alimentación de agua es la que se incrementa, provocando el comportamiento observado en la curva, reflejado experimentalmente en las temperaturas de salida medidas.
BIBLIOGRAFÍA
KERN D.Q., "Procesos de Transferencia de Calor", CECSA, México, (1997).
Perry R. H. Manual del Ingeniero Químico Uteha, 5° Edición México, 1997.
Re
U exp y teorico
