1. NOMBRE DE LA PRÁCTICA Intercambiador de calor (Tubos en U)
. INTRODUCCIÓN Definimos los intercambiadores de una de dos corrientes eEFlicamos su funcionamientoG anali#aremos adem-s eemFlos Farticulares de intercambiadores de una sola corrienteH el condensador de aFor lo lar2o de este teEto %aremos referencias a los intercambiadores de calor en reFetidas ocasiones .Eiste una 2ran ariedad de intercambiadores de calor e Fresenta una clasificacin de esos disFositios resFecto a la confi2uracin de fluo de la suFerficie de transferencia de calor e aFlica el FrinciFio de conseracin de la ener2a a un intercambiador considerado como un sistemaJ a fin de obtener balances de ener2a del intercambiador dem-s se reisa amFla el conceFto de coeficiente 2lobal de transferencia de calor .l tema clae es intercambiadores de calor de fluo estacionario de dos corrientesJ en el Kue se estudia usando la formulacin de la diferencia lo2artmica media de la temFeratura la formulacin de efectiidadCnmero de unidades de transferencia Los re2eneradores son intercambiadores de dos corrientes no estacionarias en los cuales las corrientes fluen de manera alternada a tra"s de una matri# de 2ran caFacidad de almacenamiento de calor e Fresenta un eemFlo de an-lisis de un re2enerador .l an-lisis t"rmico de los intercambiadores de calorJ es decirJ los m"todos Fara calcular la transferencia de calor en el intercambiador las temFeraturas de salida de los fluidos Veremos una introduccin al tema m-s amFlio del diseMo de 3
intercambiadores de calor e destacan dos asFectos del diseMo de un intercambiador
.n Frimer lu2arJ se eEamina la imFortancia de la cada de Fresin de las corrientesJ lo Kue nos llea al conceFto de diseMo t"rmicoC%idr-ulicoH un intercambiador de calor debe satisfacer los reKuerimientos de funcionamiento en cuanto a la transferencia de calor Kue esFecifica el diseMoJ dadas ciertas restricciones sobre la cada de Fresin de una de las corrientes o de ambas e Fresta Farticular atencin a los intercambiadores de calor comFactosJ Kue tienen una 2ran suFerficie de transferencia de calor For unidad de olumen .n se2undo lu2arJ
se
eEaminan
al2unos
asFectos
econmicos
del
emFleo
de
intercambiadores .n FarticularJ se comFaran los costos de oFeracin con los costos de caFital a fin de aFlicar los resultados a la recuFeracin del calor desFerdiciado
3. OBJETIVOS 31
Determinar eEFerimentalmente los coeficientes 2lobales de transmisin de calor en un intercambiador de tubos de dos Fasos en los tubos en U uno en la cora#a
3'
Valorar las desiaciones entre los alores eEFerimentales tericos de los coeficientes 2lobales de transmisin de calor
33
*on los datos eEFerimentales reali#ar los balances de masa ener2a en los intercambiadores de calor utili#ados
!. TEORÍA .n un intercambiador de calor FarticiFan dos o m-s corrientes de FrocesoJ unas actan como fuentes de calor las otras actan como receFtores del calorJ el cual se transfiere a tra"s de las Faredes met-licas de los tubos Kue conforman el eKuiFo (contacto indirecto) Los eKuiFos utili#ados Fara calentar fluidos emFlean
4
2eneralmente aFor como fuente de calentamientoJ los eKuiFos utili#ados Fara enfriar fluidos emFlean usualmente a2ua como fluido de enfriamiento
*uando eEiste una diferencia de temFeratura entre un tubo el fluido Kue circula For "lJ se transfiere calor entre la Fared del tubo el fluido .l fluo de calor intercambiado For unidad de tiemFoJ Fuede eEFresarse en funcin de un -rea de intercambio ()J una diferencia de temFeratura caracterstica (DT)J siendo la constante de FroForcionalidad el coeficiente de transferencia de calor (%) 9ara tubos comFletamente
llenosJr"2imen estacionario seccin transersal
circular uniformeJ el coeficiente de transferencia de calor es funcin del di-metro del tuboJ lar2o del tuboJ densidadJ iscosidadJ calor esFecficoJ conductiidad t"rmica elocidad Fromedio del fluido Intercambiador de calor de tubos conc"ntricos o doble tuoH
Los intercambiadores de calor de tubos conc"ntricos o doble tubo son los m-s sencillos Kue eEisten .st-n constituidos For dos tubos conc"ntricos de di-metros diferentes Uno de los fluidos flue For el interior del tubo de menor di-metro el otro fluido flue For el esFacio anular entre los dos tubos ,a dos Fosibles confi2uraciones en cuanto a la direccin de los fluidosH a contracorriente en Faralelo contracorriente los dos fluidos entran For los eEtremos oFuestos fluen en sentidos oFuestosG en cambio en Faralelo entran For el mismo eEtremo fluen en el mismo sentido continuacin se Fueden er dos im-2enes con las dos 5
Fosibles confi2uraciones de los fluidos dentro de los tubos .n un intercambiador de calor en fluo Faralelo la temFeratura de salida del fluido frio nunca Fuede ser suFerior a la temFeratura de salida del fluido caliente .n de
un
intercambiador
calor en contrafluo la temFeratura de salida del fluido frio Fuede ser suFerior
a la temFeratura de salida del fluido caliente
.l caso lmite se tiene cuando la temFeratura de salida del fluido frio es i2ual a la si2uiente se muestran esKuemas de las dos confi2uraciones as como la eolucin de la temFeratura de los fluidos en cada una de ellasH
.n el estudio de los intercambiadores de calor se suFone Kue el tubo eEteriorJ carcasa o cascoJ est- Ferfectamente aislado t"rmicamenteJ es decirJ no eEiste intercambio de calor con el eEterior .ntonces se Fuede considerar KueJ a efectos de transferencia de calorJ el intercambiador se comForta como una Fared cilndrica (el tubo o tubos interiores) baMada For dos fluidos a diferente temFeraturaJ sistema Kue a se %a anali#ado en este mismo documento cuo coeficiente 2lobal de transferencia tiene la si2uiente eEFresinH
>
". DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
Tubo Los tubos son los comFonentes fundamentalesJ FroForcionando la suFerficie de transferencia de calor entre el fluido Kue circula For el interior de los tubosJ la carcasa Los tubos Fueden ser comFletos o soldados 2eneralmente est-n %ec%os de cobre o aleaciones de acero tras aleaciones de nKuelJ titanio o aluminio Fueden ser reKueridas Fara aFlicaciones esFecficas Los tubos Fueden ser desnudos o alteados Las suFerficies eEtendidas se usan cuando uno de los fluidos tiene un coeficiente de transferencia de calor muc%o menor Kue el otro fluido Los tubos doblemente alteados Fueden meorar an m-s la eficiencia Las aletas Froeen de dos a cuatro eces el -rea de transferencia de calor Kue FroForcionara el tubo desnudo La cantidad de Fasos For los tubos For la carcasa deFenden de la cada de Fresin disFonible maores elocidadesJ aumentan los coeficientes de transferencia de calorJ Fero tambi"n las F"rdidas For friccin la erosin en los materiales 9or tantoJ si la F"rdida de Fresin es aceFtableJ es recomendable tener menos cantidad de tubosJ Fero de maor lon2itud en un -rea reducida !eneralmente los Fasos For los tubos oscilan entre 1 8 Los diseMos est-ndares tienen unoJ dos o cuatro Fasos For los tubos .n mltiFles diseMos se usan nmeros Fares de Fasos Los nmeros de Fasos imFares no son comunesJ resultan en Froblemas t"rmicos mec-nicos en la fabricacin en la oFeracin
9laca tubular Los tubos se mantienen en su lu2ar al ser insertados dentro de a2ueros en la Flaca tubularJ fi-ndose mediante eEFansin o soldadura La Flaca tubular es 2eneralmente una Flaca de metal sencilla Kue %a sido taladrada Fara alber2ar a 7
los tubos(en el Fatrn deseado)J las emFacaduras los Fernos .n el caso de Kue se reKuiera una Froteccin eEtra de las fu2as Fuede utili#arse una doble Flaca tubular
.l esFacio entre las Flacas tubulares debe estar abierto a la atmsfera Fara Kue cualKuier fu2a Fueda ser detectada con raFide# 9ara aFlicaciones m-s Feli2rosas Fuede usarse una Flaca tubular triFleJ sellos 2aseosos e incluso un sistema de recirculacin de las fu2as La Flaca tubular adem-s de sus reKuerimientos mec-nicos debe ser caFa# de soFortar el ataKue corrosio de ambos fluidos del intercambiador debe ser comFatible electroKumicamente con el material de los tubos eces se construen de acero de bao carbono cubierto metalr2icamente For una aleacin resistente a la corrosin
Deflectores ,a dos tiFos de deflectoresJ transersales lon2itudinales .l FroFsito de los deflectores lon2itudinales es controlar la direccin 2eneral del fluo del lado de la carcasa 9or eemFloJ las carcasas tiFo +J ! , tienen deflectores lon2itudinales Los deflectores transersales tienen dos funcionesJ la m-s imFortante es la de mantener a los tubos en la Fosicin adecuada durante la oFeracin eita la ibracin Froducida For los rtices inducidos For el fluo .n se2undo lu2ar ellos 2uan al fluido del lado de la carcasa Fara acercarse en lo Fosible a las caractersticas del fluo cru#ado Tambi"n tienen la funcin de %ace Kue el fluido Kue circula For la carcasa lo %a2a con maor tubulencia Fara Kue aumente el coeficiente conectio (o coeficiente de Felcula) eEterior de los tubosJ es decirJ Fara Kue aumente la cantidad de calor transferido
*arcasa boKuillas del lado de la carcasa La carcasa es la enolente del se2undo fluidoJ las boKuillas son los Fuertos de entrada salida La carcasa 2eneralmente es de seccin circular esta %ec%a de
una
Flaca de
acero
conformado
en
forma
cilndrica
soldado
lon2itudinalmente *arcasas de FeKueMos di-metros (%asta '4 Ful2adas) Fueden 8
ser %ec%as cortando un tubo del di-metro deseado con la lon2itud correcta (FiFe s%ells) La forma esf"rica de la casaca es imFortante al determinar el di-metro de los reflectores Kue Fueden ser insertados el efecto de fu2a entre el deflector la casaca Las carcasas de tubo suelen se m-s redondas Kue las carcasa roladas
.n intercambiadores 2randes la carcasa esta %ec%a de acero de bao carbono siemFre Kue sea Fosible For ra#ones de economa aunKue tambi"n Fueden usarse otras aleaciones cuando la corrosin o las altas temFeraturas as lo reKuieran La boKuilla de entrada suele tener una Flaca usto debao de ella Fara eitar Kue la corriente c%oKue directamente a alta elocidad en el toFe del %a# de tubos .se imFacto Fuede causar erosinJ caitacinJ ibraciones *on el obetio de colocar esta laca dear suficiente esFacio libre entre este la carcasa Fara Kue la cada de Fresin no sea eEcesia Fuede ser necesario omitir al2unos tubos del Fatrn circular comFleto
*anales del lado de los tubos boKuillas Los canales las boKuillas simFlemente diri2en el fluo del fluido del lado de los tubos %acia el interior o eEterior de los tubos del intercambiador *omo el fluido del lado de los tubos es 2eneralmente el m-s corrosioJ estos canales boKuillas suelen ser %ec%os de materiales aleados (comFatibles con la Flaca tubular) Deben ser reestidos en lu2ar de aleaciones slidas
*ubiertas de canal Las cubiertas de canal son Flacas redondas Kue est-n atornilladas a los bordes del canal Fueden ser remoidos Fara insFeccionar los tubos sin Ferturbar el arre2lo de los tubos .n FeKueMos intercambiadores suelen ser usados cabe#ales con boKuillas laterales en lu2ar de canales cubiertas de canales
#. ESQUEMA DEL DIGRAMA DEL EQUIPO
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$. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1 ' 3 4 5 >
.ncender la m-Kuina esFerar a Kue lle2ue a un eKuilibrio Utili#ar dos cubetasJ una Fara el a2ua de salida otra Fara el aFor Tomar el 2asto de a2ua 3 eces cada 15 se2undos .Etraer los datos arroados del 2asto de a2ua como temFeraturaJ Feso Fresin DesFu"s de 15 minutos Fesar el aFor condensadoJ anotar el Feso temFeratura 9roceder a %acer los c-lculos corresFondientes a Fartir de los daros obtenidos
%. TABLA DE CONCENTRACIÓN DE DATOS & RESULTADOS Tubos /N! C17H DeEtO 1PP DintO 3Q4RP LtO 35>PP S De cobre *u O 331'1' calQ%rCmC* aterialH cero al carbn
O 38 calQ%rCmC*
rre2lo trian2ularJ sin deflectores 9atm O 084 atmsferas
C(,*- /00* 2*- /, (2*-. Qv =( ṁ del condensado) ( L )
DondeH W del condensado O 00'> 2Qs LO *alor latente de aFori#acinH ''57 Q2 a2ua a 100* Qv =( 0.026 ) ( 2257 )=58.682
( ) KJ s
.ficiencia t"rmica del intercambiador de calor Qa ( 100 ) Qv
η=
9ara =a se utili#ara un Fromedio entre las corridas =a O 5757 Qs
(
η=
57.57 58.682
)(
100 )=98.1
*alculo del coeficiente 2lobal de transferencia de calor eEFerimental Q=U∆Tlm
DondeH =O *alor total transferido (Qs) UO coeficiente 2lobal de transferencia de calor (QmX'YsY*) ZTlmO temFeratura media lo2artmica ∆Tlm =
∆ T 2 −∆ T 1 ln
( ) ∆ T 2 ∆ T 1
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DondeH ZT' O (T%i [ T%o) ZT1 O (T%o [ Tci) T%i O temFeratura de entrada del fluido caliente T%o O temFeratura de salida del fluido caliente Tci O temFeratura de entrada del fluido frio TcoO temFeratura de salida del fluido frio
( 69 !C − 42.7 !C )−( 92.8 ! C −26 !C ) =43.44 ! C 69 !C − 42.7 !C ln 92.8 ! C −26 !C e utili#aron temFeraturas Fromedio utili#ando los alores de las corridas rea = ( " ) ( ¿ ) ( Di ) =( " ) ( 9.06145 m ) ( 0.01905 m) =0.5423 m ∆Tlm=
(
)
2
m (¿¿ 2 !C s ) KJ
¿
( )
( 57.57 ) KJ U =
s
( 0.5423 m ) ( 43.44 ! C ) 2
=2.44 ¿
14.GRÁFICAS
NA
11.ANÁLISIS DE RESULTADOS
La eficiencia del eKuiFo es mu altaJ en comFaracin con el intercambiador de calor de tubos de conc"ntricos no eEiste muc%a diferencia en las temFeraturas tanto del fluido frio como del fluido caliente 15
Los fluos m-sicos de fluido frio fueron maores Kue en el intercambiador de tubos conc"ntricosJ en el caso del fluo m-sico de condensado la diferencia es mu Foca Los fluos de calor re2istrados en esta Fr-ctica son constantes se obtuieron las mismas temFeraturas a lo lar2o de toda la Fr-ctica a diferencia del intercambiador de tubos conc"ntricos donde se Fresentaron arios Froblemas durante la Fractica el m-s notable fue el FeKueMo fluo de a2ua Kue suministraba la bomba Fesar de Kue la eficiencia era maor Kue en el intercambiador de tubos conc"ntricosJ el coeficiente 2lobal de transferencia de calor fue menor esto se Fuede deber a arios factoresJ FeroJ en este caso esH
.l coeficiente 2lobal de transferencia de calor es inersamente FroForcional al -rea de fluoJ en este intercambiador la lon2itud el radio son maores For lo Kue el -rea es muc%o maor Kue en el intercambiador de tubos conc"ntricos
V/5)(6(+ 0/, 5)/-(78(0*- 0/ (,*- 0/ )98*+ /5 U. +leEiblesJ f-ciles de armar bao costo de mantenimiento La cantidad de suFerficie til de intercambio de calor es f-cil de modificar Fara adaFtar el intercambiador a cambios en las condiciones de oFeracin Los materiales de reFuesto son mu f-cil de conse2uir de intercambiar 6o reKuieren mano de obra esFeciali#ada Fara el armado mantenimiento on adecuados Fara sericios con corrientes de alto niel de ensuciamientoJ con lodos sedimentables o alKuitranes For la facilidad con la Kue se limFian Las uniones Fueden ser soldadas Fara soFortar altas Fresiones
1.CONCLUSIÓNES
1>
Lue2o de %aber terminado la Fr-cticaJ es eidente Kue los intercambiadores de tubo en U Fresentan arias caractersticas FositiasJ a Kue son fleEiblesJ f-ciles de armar mantener dem-s Kue la cantidad de suFerficie til de intercambio es f-cil de modificar Fara adaFtar el intercambiador a cambios en las condiciones de oFeracinJ simFlemente conectando mas %orKuillas o anul-ndolasJ tambi"n se se modifican en Foco tiemFoJ con materiales abundantes en cualKuier tallerJ no reKuieren mano de obra esFeciali#ada Fara el armado mantenimientoG los reFuestos son f-cilmente intercambiables obtenibles en corto tiemFo *omnmente el intercambiador de mltiFles Fasos inierte el sentido del fluo en los tubos al utili#ar dobleces en forma de \U\ en los eEtremosJ es decirJ el doble# en forma de \U\ Fermite al fluido fluir de re2reso e incrementar el -rea de transferencia del intercambiador Lo cual 2enera una maor efectiidad al momento de modificar la temFeratura del fluidoJ mu suFerior al intercambiador de calor de tubos conc"ntricosJ a Kue a diferencia de la Fr-ctica anterior esta Fr-ctica culmin en un tiemFo muc%o menor
13.BIBLIOGRAFÍA
aramillo ('007) Intercambiadores de calor '017J de *I.J U6 %ttFHQQ]]]cieunammEQ^osQFubQ,eat.Ec%an2erQIntercambiadoresFdf
ilestre $omero ('01') Intercambiadores de calor de tubo en U '017J de 9re#i %ttFsHQQFre#icomQmsKd]uo5'dmQintercambiadoresCdeCtuboCenC uQ
,idrot"rmica de Vene#uela ('004) DiseMo de eKuiFos e instalaciones Intercambiadores de calor '017J de ,idrot"rmica de Vene#uela7
