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Laboratorio de Operaciones Industriales
Laboratorio de Operaciones Industriales Lab. N° 5 y 6 Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza en Flujo Contracorriente y Paralelo, Doble tubo en Contracorriente
Integrantes: Gonzales Salomé, Abel Saul
C12 – C12 – 4 4 - B
Santiago Vargas, Bervely Ariana
C12 – C12 – 4 4 - B
Tiveño Giraldo, Christian
C12 – C12 – 4 4 - B
Fecha de realización: 14 de Marzo del 2018 Fecha de presentación: 21 de Marzo del 2018 Profesor: Hinostroza Arrieta, Robert Producción y Gestión Industrial
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Resumen En este documento se pretende informar el comportamiento de un fluido en el intercambiar de calor con otro fluido el cual posee una temperatura más elevada, por ende se produce un intercambio de energía entre los fluidos, los cuales no se mezclan entre sí. Primero, se desarrolló de manera experimental el funcionamiento y configuración del equipo, ya sea en contracorriente o paralelo. Este procedimiento se realizó en dos tipos de intercambiador, tubos y coraza y doble tubo. Despues, se tomó los datos de las temperaturas de tres pruebas diferentes cada una con diferente caudal. Con la finalidad de determinar el coeficiente global de transferencia; a partir del calor que pierde el agua caliente, calor transferido del agua caliente al agua fría o calor ganado por el agua fría.
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1. Objetivos
Comprender el funcionamiento del intercambiador de calor de tubos y corazas en flujo contracorriente y paralelo, de doble tubo en flujo contracorriente de manera experimental.
Identificar las partes que componen el intercambiador de calor de tubos y corazas y doble tubo para un correcto del funcionamiento.
Realizar el balance de energías y determinar las perdidas.
Hallar el coeficiente global de calor de cada tipo de intercambiador
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2. Fundamento Teórico 2.1. ¿Qué es un intercambiador de calor? Es un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse, con el objetivo de enfriar una de ellas, calentar la otra o ambas cosas a la vez. 2.2. Tipos de Intercambiador 2.2.1. Tubos concéntricos Son equipos de construcción sencilla que se ocupan para cargas pequeñas a transferir. El tamaño no debiera exceder los 70 pies 2, ya que sobre ese tamaño se hacen más económicos los equipos más compactos. De construcción simple, una unidad está compuesta por dos secciones de tubos concéntricos unidas por curvas y tees para dar forma al equipo. Las uniones, normalmente roscadas son la mayor debilidad del equipo.
2.2.2. Tubos y Corazas Para disminuir los puntos conflictivos deposibles filtraciones se dispone de este tipo de equipo, que contiene un gran número de tubos en una carcasa de sección circular. Los tubos están fijos en una placa (hoja de tubos) que permiten su flujo hidrodinámico independiente del flujo que fluye por la carcasa. Para mejorar las condiciones detransferencia por el lado de la carcasa. Este tipo de intercambiador es ampliamente usado por sugran versatilidad, ya que se puede lograr con un solo equipo una gran variedad de configuraciones distintas. 2.2.3. Intercambiador de placas Consta de un conjunto de placas metálicas corrugadas, con orificios para permitir el paso de los dos fluidos entre los que se realiza la transferencia de calor. El conjunto de placas está montado entre una placa bastidor fija y otra de presión desmontable, y se mantiene apretado mediante pernos. La corrugación de las placas favorece la turbulencia del fluido y contribuye a que las placas resistan la presión diferencial. Las placas de intercambio térmico y placa de presión están suspendidas en una barra guía superior y se apoyan en una barra guía inferior. Ambas barras están fi jas a unacolumna de soporte. 2.2.4. Economizadores Es básicamente un intercambiador de calor que se coloca en la chimeneade una caldera para transferir el calor contenido en los gases de combustión alagua de la caldera.
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2.3. Disposición del fluido o tipo de operación 2.3.1. Paralelo Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los y el flujo externo ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproximan la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.
2.3.2. Contracorriente Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos, ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contrate con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.
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2.4. Ecuaciones Necesarias 2.4.1. Carga Términca (Q): La primera ecuación es el calculo de la carga térmica.
= ∗ ∗
Donde:
= Carga térmica o flujo de calor = Flujo másico = Calor específico del fluido = Variación de temperatura
2.4.2. Cálculo de la temperatura media logarítmica Permite caracterizar la transferencia de calor, en la etapa correspondiente con base en las temperaturas extremas del sistema.
=
− (/)
Donde:
= Temperatura media logarítmica = La diferencia entre las temperaturas de entrada y salida del fluido caliente = La diferencia entre las temperaturas de entrada y salida del fluido frío
2.4.3. Coeficiente global de transferencia de calor: Biene a ser el calor transferido de un fluido a otro a través de la pared de un tubo.
=
∗
Donde:
= Coeficiente global de transferencia de calor = Carga térmica o flujo de calor = Área de transferencia = Temperatura media logarítmica
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3. Datos obtenidos Se tomaron las temperaturas de entrada y salida de tres pruebas diferentes variando el caudal. Prueba N° 1.
Fluido Caliente Frio
Caudal (Q) 200 200
Se obtuvo las siguientes temperaturas y luego la promediamos:
Temperatura T1 T5 T9 T10
Caudal (Q) 200 200 200 200
5 min 49.4 45.5 29.1 33.7
10 min 51.2 47.3 29.0 34.2
15 min 50.0 46.2 29.1 33.7
Promedio 50.20 46.33 29.07 33.87
Prueba N° 2.
Fluido Caliente Frio
Caudal (Q) 100 200
Se obtuvo las siguientes temperaturas y luego la promediamos:
Temperatura T1 T5 T9 T10
Caudal (Q) 100 100 200 200
5 min 50.9 45.3 29.2 30.9
10 min 49.3 43.7 29.1 32.1
15 min 49.5 44.2 29.3 32.5
Promedio 49.90 44.40 29.20 31.83
Prueba N° 3.
Fluido Caliente Frio
Caudal (Q) 200 100
Se obtuvo las siguientes temperaturas y luego la promediamos:
Temperatura T1 T5 T9 T10
Caudal (Q) 200 200 100 100
5 min 48.9 45.2 29.9 35.8
10 min 49.6 47.2 30.3 37.0
15 min 51.1 47.9 30.6 36.8
Promedio 49.87 46.77 30.27 36.53
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4. Càlculos y Resultados Grafica 1.
Prueba 1 55 50.2
50
46.33
45 40 35
33.87
30
29.07
25 1
2
Interpretación: Según lo mencionado por (Welty, 1991, pág. 25) ” Los dos fluidos se mueven en sentidos opuestos, lo que permite que el sistema pueda mantener un gradiente casi constante entre ellos a lo largo de la ruta de movimiento ” Se puede interpretar en nuestra gráfica, como la g ráfica que describe el fluido caliente y el fluido frio de manera cosntante con un poco de variación a medida que se van tomando más datos. Calculamos la variación de temperaturas:
= 50,20 − 33,87 = ,
= 46,33 − 29,07 = ,
Luego, calculamos la temperatura media logarítmica
Ln(∆t1/∆t2) -0,056
∆t1 - ∆t 2 -0,93
∆ tLOG 16,80
Despues, se realizó el balance de energía
Qp = Mcaliente ∗ Cp ∗ (T1−T5) =>
200*1*(50,20-46,33) = 773,33
Qg = Mfrio ∗ Cp ∗ (T10−T9)
=>
200*1*(33,87-29,07) = 960
960 -773.33 = 26.77
Q ambiente
Por último, se halló el coeficiente global de transferencia de calor con el Qg (Energìa ganada por el fluido de menor temperatura).
= ∗
=>
= 190, 48 K cal/h, m 2 ºC ,∗, Página | 8
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Gráfica 2.
Prueba 2 55 50
49.9
45
44.4
40 35 31.83 30
29.2
25
1
2
Interpretación: Según lo mencionado por (Carcine, 1996, pág. 35) ” A medida que la ruta de flujo sea más larga y que la velocidad del movimiento de los fluidos sea más lenta, la tasa de transferencia será menor,” Se puede interpretar en nuestra gráfica como la disminución de temperatura que se irá dando a lo largo de nuestra toma de datos debid o a las perdidas de calor propieas de la máquina y del procedimiento Calculamos la variación de temperaturas:
= 49,90 − 31,83 = ,
= 44,40 − 29,20 = ,
Luego, calculamos la temperatura media logarítmica
∆t1 - ∆t 2 2,87
Ln(∆t1/∆t2) 0,173
∆ tLOG 16,59
Despues, se realizó el balance de energía
Qp = Mcaliente ∗ Cp ∗ (T1−T5) =>
100*1*(49,90-44,40) = 550
Qg = Mfrio ∗ Cp ∗ (T10−T9)
=>
200*1*(31,83-29,20) = 526, 67
=>
550-526.67 = 23.33
Q ambiente
Por último, se halló el coeficiente global de transferencia de calor con el Qg (Energìa ganada por el fluido de menor temperatura).
= ∗
=>
, = 105, 82 K cal/h, m 2 ºC ,∗, Página | 9
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Gráfica 3.
Prueba 3 55 50
49.87 46.77
45 40 36.53
35
30.27
30 25 1
2
Interpretación: Según lo mencionado por (Carcine, 1996, pág. 34) “Si los dos fluidos no son los mismos, por ejemplo si el calor está siendo transferido del agua al aire o vice-versa, entonces la conservación de la masa o energía requiere que las corrientes vayan con concentraciones o temperaturas diferentes” Se puede interpretar en nuestra gráfica como la similitud de nuestros dos fluido en algún sentido lo cual hace que exista este descenso de la temperatura y la transferencia de calor no sea de un estado gaseoso a uno liquido sino de liquido a liquido. Calculamos la variación de temperaturas:
= 49,87 − 36,53 = ,
= 46,77 − 30,27 = ,
Luego, calculamos la temperatura media logarítmica
Ln(∆t1/∆t2) -0,213
∆t1 - ∆t 2 -3,17
∆ tLOG 14,86
Despues, se realizó el balance de energía
Qp = Mcaliente ∗ Cp ∗ (T1−T5) =>
200*1*(49,87-46,77) = 620
Qg = Mfrio ∗ Cp ∗ (T10−T9)
=>
100*1*(36,53-30,27) = 626,67
Q ambiente
=>
626.67-620= 16,67
Por último, se halló el coeficiente global de transferencia de calor con el Qg (Energìa ganada por el fluido de menor temperatura).
= ∗
=>
, = 140, 57 K cal/h, m 2 ºC ,∗, Página | 10
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5. Análisis de Resultados
Según lo mencionadao por (Arias Jaramillo, 2007, pág. 11) “En un intercambiador se tienen dos flujos de fluido, uno con mayor temperatura que el otro, pudiéndose así que el calor se tranasfiera del fluido caliente al fluido frio ”. Se interpreta en nuestras tablas obtenidas que hay una variación en la temperatura entre los dos fluidos en dos extremos (de entrada y de salida) del intercambaidor que esta dada por ∆t1 - ∆t 2.
Según lo mencionadao por (Alvarado Gonzalez, 2007, pág. 20)”El intercambiador de tubo y coraza prácticamente se amolda a cualquier tipo de servicio, por lo general es el primer intercambiador que se considera en una determinada aplicacion”. Esto se interpreta en nuestra tablas como una variación de las temperaturas promedios no tan notoria propia de l intercambiador de tubos y coraza donde la transferencia de calor se da con gran eficiencia.
Según lo mencionadao por (Kern, 1974, pág. 40)”El flujo de un intercabiador de calor es generalmente en contracorriente y parcialmente en corriente paralelas” Se puede interpretar en nuestras gráficas como el fluido caliente se enfria mientras que el fluido f río se calienta. Es decir en el exrremo de calor tenemos un fluido caliente entrando que cede energía a los fluido de temperatura templada. Calentándolos a través de la longitud de intercambio.
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6. Concluciones
Se logró comprender el funcionamiento del intercambiador de calor de tubos y corazas en flujo contracorriente de manera experimental.
Se consiguió realizar el balance de energias y deter minar las perdidas.
Se concluyo que existe una energía perdida en el ambiente que no logra ser transmitida del fluido al otro.
Se logró identificar una disminución en las temperaturas promedio a lo largo del recorrido del fluido
Se logró calcular el coeficiente del intercambiador de calor global.
7. Bibliografia
Alvarado Gonzalez, M. (2007). Intercambiadores de Calor. Mexico: Edamex. Arias Jaramillo, O. (2007). Intercambadores de calor. Mexico: Antilope. Carcine, R. (1996). Intercambiadores de Calor en las industrias. Mexico: Pelicano. Carciner Royo, E. (1996). Bombas Centrifugas Segunda Edición. Madrid: Paraninfo. Colombia, B. d. (20 de Agosto de 2002). Bombas Centrifugas y equipos de presión manual practico 1, pág. 12. Hernandez, J. (2016). El Manual ABC de Las Bombas Centrifugas. Washington: Createspace Independent Publishing Platform. J, K. (1980). Bombas centrifugas: seleccion, operación y mantenimiento. Mexico: Continental. Kern, D. R. (1974). Procesos de Tranferencia de calor, 8° i mpresion . Mexico: CECSA. Rosa, L. G. (2008). Guia de intercambiadores de Calor. Bogota: UNEFM. Welty, C. S. (1991). Fundamentos de transferencia de calor. México: Limusa.
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