INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA PETROLERA
LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
PRACTICA No. 4 “INTERCAMBIADOR DE CALOR CAMISA Y SERPENTIN”
PROFESOR ING. JUAN INFANTE MARTINEZ
ALUMNO OCTAVIO ORTIZ HERNANDEZ
GRUPO 5PV1
FECHA DE ENTREGA MIERCOLES 2 DE MAYO DE 2012
Objetivo En esta practica se estudiara la transmisión de calor a través de tanques con dos tipos diferentes de calentamiento: uno provisto de una chaqueta alrededor de él y otro un serpentín sumergido dentro del liquido a calentar. En ambos casos se trabajara en régimen permanente con agitación mecánica del liquido, de tal manera que se obtengan datos suficientes para la comparación de la eficiencia de ambos equipos y determinar cual de los dos tiene mejor transmisión de calor, comparando el valor de sus respectivos coeficientes globales.
Desarrollo de experimentación 1. Verificar que todas las válvulas del sistema se encuentren cerradas al comenzar las pruebas experimentales 2. Verificar el suministro de agua fría y vapor en este orden 3. Llenar el tanque de agua fría 4. Mediante el encendido del motor de la bomba alimentar de agua fría l intercambiador de calor, regulando cuidadosamente con las válvulas el flujo para obtener un régimen permanente de operación 5. Suministrar agua alas enfriadores de condensado 6. Abrir parcialmente la válvula de alimentación general del vapor y purgar perfectamente el equipo de alimentación de vapor para eliminar el condensado y los gases incompensables que pueda contener. 7. Manteniendo cerrada la válvula de alimentación el cambiador de calor, abrir completamente la válvula de alimentación general de vapor y regular la presión de trabajo, con la lectura indicada en el manómetro correspondiente. Como la respuesta no es instantánea en el manómetro, al variar la abertura de la válvula reguladora se deberá esperar unos segundos para verificar la lectura. 8. Estabilizar el sistema para lograr el régimen permanente, manteniendo constantes los parámetros anteriores. 9. Por medio de los termómetros respectivos, anotar cada una de las y temperaturas del sistema a intervalos periódicos cada 5 minutos, hasta obtener anotaciones aprox constantes con respecto ala anteriores. Cuando se ha logrado este se pueda decir que es sistema esta operando a régimen permanente y puede procederse a tomar varios datos. 10. Cerrar las descargas de los tanques de medición y efectuar la lectura de las diferencias de nivel en un tiempo lo suficientemente grande para evitar errores (15 a 20 minutos). Anotar también la presión de vapor de calentamiento.
Una vez que se hayan tomado los datos experimentales se procede a parara el equipo mediante la secuela siguiente: 1-.Cerrar el suministro de vapor, permitiendo que e la gua fría continúe circulando para que se enfrié el equipo. 2-. Cortar la circulación de agua al cambiador de calor desconectando el motor de la bomba, y al enfriador, cerrando la válvula. 3.- descargar los tanques empleados. 4.- verificar que todas las válvulas estén en posición de cerrado y los switches en apagado.
Marco teórico
Un intercambiador de calor es un dispositivo construido para la transferencia de calor eficiente de un medio a otro. El medio puede ser separado por una pared sólida, de modo que nunca se mezclan, o pueden estar en contacto directo. Son ampliamente utilizados en la calefacción , refrigeración , aire acondicionado , plantas de energía , plantas químicas , plantas de petroquímica , petróleo refinerías , y procesamiento de gas natural . Un ejemplo común de un intercambiador de calor es el radiador en un coche, en el que la fuente de calor, fluidos de ser un motor caliente-frío, el agua, la transferencia de calor al aire que fluye a través del radiador (es decir, el medio de transferencia de calor). El rol del serpentín es el mismo que la chaqueta. Por lo general, es de un material que no pueda dañar al sistema que se encuentra en el tanque, y que perdure en la vida útil del bioproceso, entre los materiales está: cobre, vidrio, acero inoxidable, que por referencias, nos ha indicado que tiene buenos resultados. Según el diseño o necesidades del bioproceso, se lo coloca en distintas ubicaciones al interior del biorreactor, sabiendo que este método es mucho mejor cuando se trata de biorreactores de mayor capacidad donde la chaqueta ya no resulta la mejor opción. Las chaquetas son menos eficientes que los serpentines, tienen mayor costo inicial y resultan bastante difícil su limpieza mecánica debido a que el acceso al interior de la misma es complicado. En comparación con los serpentines las camisas son una elección ineficiente, ya que un serpentín de la misma superficie
presenta un mayor intercambio de calor alrededor de 125% superior en comparación con la chaqueta En la industria un medio muy usado para la transmisión de calor lo constituyen las camisas y serpentines de calentamiento ya sea en reactores, tanques de almacenamiento y otros equipos lo que hace importante su estudio. Los recipientes encamisados en la industria son utilizados para procesar lotes en donde la diferencia de temperatura de calentamiento o enfriamiento no es constante. La camisa en un recipiente provee método adecuado de calentamiento o enfriamiento en términos de control, eficiencia y calidad del producto. Existen varios tipos de camisas destacando en su uso la camisa convencional, la de ojuelos y la de tubo de media caña. Es una cubierta extra alrededor de un recipiente en un espacio anular generalmente concéntrico entre la pared exterior del recipiente y el interior de la camisa. Este tipo de recipiente asegura la transferencia de calor en clarea máxima del recipiente generalmente usa deflectores para asegurar el flujo de calentamiento. Los materiales que se pueden usar para su fabricación es acero al carbón, acero inoxidable, níquel, monel (aleación), etc. Estos equipos son económicos y generalmente utilizan agitadores para acelerar la transferencia de calor. El serpentín de tubos proporciona uno de los medios más baratos para superficies de transferencia de calor, pueden ser de diferentes tipos, siendo el más común el serpentín bafleados y el serpentín helicoidal. Los materiales de construcción más usados son acero inoxidable, monel, acero al carbón, y diferentes tipos de aleaciones.
Tabla de datos experimentales (camisa) No. De corrida experimental
Temperaturas (°C) ta1 ta2
1
23
tv
Presión del Vapor (kg/cm2)
tc
77 105 92.43
Lectura del Rotámetro 3 M /hr
0.4
0.3
Diferencia de Niveles
(∆Z)a
(∆Z)c
-----
0.126m
ϴa ------
ϴc 15min
Tabla de datos experimentales (serpentín) No. De corrida experimental
Temperaturas (°C) ta1 ta2
1
23
tv
Presión del Vapor (kg/cm2)
Lectura del Rotámetro
(∆Z)a
tc
76 105 92.43
Diferencia de Niveles
0.4
3
0.3 m /hr
----
ϴa
ϴc
(∆Z)c 0.124m
-----
Cálculos (camisa) 1) Gasto masa de agua Se dispone de diferencia de niveles o de pesadas, del tiempo respectivo y los datos del equipo de tal forma se tiene que:
( ) 2) Gasto maso del vapor de calentamiento.
La densidad se evalúa ala temperatura que tiene el condensado al llegar el tanque colector.
15min
3) Calor aceptado por el agua.
() ) ( )( ) ( 4) Calor suministrado por el vapor
( )
] [
También se puede calcular así:
5) Cálculo de la eficiencia térmica del equipo.
Este valor nunca será superior al 100%. Primer método:
Segundo método:
6) Gradiente de temperatura.
7) Coeficiente global de transmisión de calor experimental se despeja de la conocida ecuación de Fourier:
( ) 8) coeficiente de película Estos coeficientes de transmisión de calor se calculan mediante una ecuación teorica-empirica apropiada a las condiciones específicas de cada ocasión. Este cálculo requiere de mucho cuidado para seleccionar la ecuación adecuada, tomando en cuenta su rango de aplicación.
() ( ) ( ) ( )
9) coeficiente global de transmisión de calor teórico Se utilizan los coeficientes de película y las propiedades de la pared por las que atraviesa el calor:
10) porciento de error Es una medida relativa de comparación entre los valores experimentales y teórico del coeficiente global de transmisión de calor.
Cálculos (serpentín) 1)Gasto masa de agua Se dispone de diferencia de niveles o de pesadas, del tiempo respectivo y los datos del equipo de tal forma se tiene que:
( ) 2) Gasto maso del vapor de calentamiento.
La densidad se evalúa ala temperatura que tiene el condensado al llegar el tanque colector.
3) Calor aceptado por el agua.
() ) ( )( ) (
4) Calor suministrado por el vapor
( )
[ ]
También se puede calcular asi:
5) Cálculo de la eficiencia térmica del equipo.
Este valor nunca será superior al 100%. Primer método:
Segundo método:
6)Gradiente de temperatura.
7) Coeficiente global de transmisión de calor experimental se despeja de la conocida ecuación de Fourier:
( ) 8) coeficiente de película Estos coeficientes de transmisión de calor se calculan mediante una ecuación teorica-empirica apropiada a las condiciones específicas de cada ocasión. Este cálculo requiere de mucho cuidado para seleccionar la ecuación adecuada, tomando en cuenta su rango de aplicación.
() ( ) ( ) ( ) Se llevaron acabo dos cálculos uno con L y otro con d ext, para asi determinar cual es el correcto. Con L
Con dext
Se determino que he dext es el correcto por lo cual es el que se ocupa para calcular la Uteorica
9) coeficiente global de transmisión de calor teórico Se utilizan los coeficientes de película y las propiedades de la pared por las que atraviesa el calor:
10) porciento de error Es una medida relativa de comparación entre los valores experimentales y teórico del coeficiente global de transmisión de calor.
Tabla de resultados (camisa) No. Corrid a exp.
1
Gma (kg/hr)
Gmc (kg/hr)
Hi (Kcal/hr 2 m ⁰C)
He (Kcal/hr 2 m ⁰C)
Eficiencia (%)
97.1362
Uexp (Kcal/hr 2 m ⁰C)
Uteo (Kcal/hr 2 m ⁰C)
Error (%)
Tabla de resultados (serpentín) No. Corrid a exp.
1
Gma (kg/hr)
Gmc (kg/hr)
Hi (Kcal/hr 2 m ⁰C)
He (Kcal/hr 2 m ⁰C)
Eficiencia (%)
96.8780
Uexp (Kcal/hr 2 m ⁰C)
valor 536.3 kcal/kg 0.5749 0.587 973.324 kg/m3 954.69 1.3381 0.972
Variables ocupadas en la camisa obtenidas de tablas Variable λ K agua fria K agua caliente ρ agua fria ρ agua caliente μ agua fría μ agua caliente
Error (%)
Variables ocupadas en la camisa obtenidas de tablas Variable λ K agua fría K agua caliente ρ agua fría ρ agua caliente μ agua fria μ agua caliente
Uteo (Kcal/hr 2 m ⁰C)
valor 536.3 kcal/kg 0.5742 0.587 973.324 kg/m3 954.69 1.3381 0.972
Conclusiones Se cumplió el objetivo de la practica ya que se determino el coeficiente de transferencia de calor del equipo, así como también se determino que el equipo se encuentra en gran estado y funciona correctamente, esto se pudo demostrar al obtener en resultados que la eficiencia del equipo esta por encima del 97%, lo cual es un gran resultado. Conforme a los datos obtenidos se determino que en la camisa se obtuvo mayor eficiencia, fue muy mínima pero fue mayor que el equipo de serpentin. El intercambiador de que se encuentra conformado por los dos equipos, camisa y serpentín, es un gran equipo ya que su puede llevar acabo la transferencia de calor de un fluido frio a un fluido caliente a una gran rapidez.
Observaciones En el equipo se encuentran dos precalentadores que no se encuentran en funcionamiento. Mientras se llevaba acabo la operación del equipo, fue cerrada una válvula de circulación del agua la cual impidió que pasara flujo por el rotámetro, por lo tanto tuvo que detener la operación del equipo. Se trabajo en orden y con buena organización para trabajar con el equipo.
Bibliografía https ://www.u-cursos.cl/ingenieria/2006/2/IQ53D/1/.../104422
