INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE SERPENTIN.
INTEGRANTES: Hernández Domínguez Andrés Arturo Lara Sarabia Ponciano López Hermenegildo Araceli Núñez García Natalia Gabriela Rodríguez Ruíz Ofelia Villavicencio Muñoz Octavio Zamora Guerrero Edgar Benedicto
GRUPO: 3IM60
EQUIPO: 4
FECHA DE ENTREGA: 15 DE NOVIEMBRE 2013
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OBJETIVOS o o
o o
Determinar la eficiencia térmica de los equipos. Determinar el comportamiento del equipo tomando en cuenta las condiciones de operación. Analizar la eficiencia del equipo. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental y teórico.
INTRODUCCIÓN TEÓRICA En este tipo existe un recipiente donde va sumergido un serpentín que es un tubo que puede ser de acero al carbón, acero inoxidable o cobre, este tubo se encuentra generalmente doblado, curvado o en espiral para tratar de aprovechar al máximo el espacio y que exista una máxima superficie de transferencia de calor. Son usados generalmente en evaporadores, sistemas de refrigeración. Se denomina serpentín o serpentina a un tubo de forma frecuentemente espiral, utilizado comúnmente para enfriar vapores provenientes de la destilación. Suele ser de vidrio, cobre u otro material que conduzca el calor fácilmente. El serpentín es un equipo intercambiador de calor que al estar en contacto con el aire de retorno el cual regresa caliente, enfría el aire gracias al refrigerante a baja temperatura que circula por su interior, y lo envía de nuevo mediante los ductos transportadores a las instalaciones y mediante este proceso la temperatura del aire presente en las instalaciones se mantiene bajo condiciones de confort. Los serpentines se usan desde la antigüedad en la destilación de bebidas alcohólicas, aunque en la actualidad cualquier proceso de refinado de crudos u obtención de un producto químico puede utilizar un serpentín, bien para enfriar, bien para calentar líquidos o gases. Los calentadores de agua para el hogar que funcionan con gas butano llevan un serpentín, que es expuesto a las llamas y dentro del cual circula el agua a calentar. También se utiliza un aparato muy parecido para esterilizar la leche, el cual la somete a un cambio brusco de temperatura haciéndola pasar de un serpentín caliente a otro refrigerado en un lapso breve. El serpentín también forma parte de los equipos de aire acondicionado y/o refrigeración.
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Intercambiador de Calor de Tipo Serpentín
Tabla de Datos Experimentales
Gv H2O (L/min)
Pv (kgf/cm2)
Tv (°C)
Tc (°C)
Tc frío (°C)
tagua (°C)
tagua caliente (°C)
VV. Cond. (L)
tV. Cond. (min)
15
0.9
113
61
37
23
55
5.37
6.3
Secuencia de Cálculos:
1. Gasto másico del agua:
La densidad del agua se obtiene de tablas de propiedades del agua a la temperatura media de la misma:
Como se tiene el gasto volumétrico del agua en unidades de convertir este dato a su respectiva equivalencia en
:
, es necesario
2. Gasto volumétrico del condensado:
3. Gasto másico del condensado:
La densidad del agua se obtiene de tablas a la temperatura media:
3
4. Calor ganado o absorbido por el agua
El
del agua se obtiene de tablas a la temperatura media de la misma:
5. Calor cedido por el vapor
En la ecuación anterior se considera tanto el calor latente ( ) como el calor sensible ( ) del condensado, ya que existe tanto un cambio de fase (condensación) como un decremento de la temperatura en el condensado que fluye por el serpentín. Para obtener λ, se lee en tablas de vapor su valor, con base en la presión o temperatura de saturación del agua. Con base en la presión de vapor leída en el manómetro, más la presión atmosférica, se lee λ de vapor de la tabla A -12.a “Propiedades del vapor de agua saturado y agua saturada, Unidades del S.I.”, del libro “Flujo de Fluidos en Válvulas, Accesorios y Tuberías”, Crane:
De la tabla del libro citado, se tienen los siguientes valores:
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Pabs (bar)
1.6
1.66252
1.7
λ (KJ/kg)
2220.9
?
2215.7
Mediante una interpolación sencilla:
El Cp se obtiene de tablas de agua y vapor de agua a la temperatura media del condensado:
6. Eficiencia Térmica del Equipo
7. Coeficiente global de transferencia de calor experimental
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Si el mezclado es homogéneo, la temperatura promedio del agua del intercambiador de calor es igual a la temperatura del agua a la salida por lo que:
Según dato de descripción técnica del equipo, el intercambiador de calor de tipo serpentín tiene un área de calentamiento de 0.516 , por lo tanto:
8. Temperatura de película
9. Coeficiente de película interior
Propiedades a
6
( ) 10. Coeficiente de película exterior
Para este cálculo las propiedades físicas se evalúan a temperatura de salida del agua
Debido a que los fluidos son agua (liquido y vapor) no son muy viscosos no se considera la unidad el factor de corrección
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11. Coeficiente de transferencia de calor global teórico
12. Desviación porcentual
de los coeficientes experimentales.
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DIAGRAMA DE FLUJO
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CONCLUSIONES INDIVIDUALES
Lara Sarabia Ponciano
Es de gran importancia para un ingeniero químico industrial el conocimiento de los fundamentos que rigen el funcionamiento térmico del equipo, ya que son de los equipos de transferencia de calor más utilizados a nivel industrial, debido a que ocupan un muy reducido espacio, en comparación con los otros, como lo son los condensadores, los intercambiadores de calor de doble tubo, entre otros. Se cumplió los objetivos fijados en la práctica conocer físicamente los equipos: el intercambiador de calor de camisa e intercambiador de calor de serpentín, también nos dimos a la tarea de operar solamente el intercambiador de calor de serpentín debido al corto tiempo que disponíamos, en base a los cálculos observamos que tuvo una eficiencia relativamente muy buena una eficiencia del 99.2824 % es decir que casi la totalidad del calor cedido del vapor se transfirió al agua, tuvimos a bien calcular el coeficiente global de calor y se tuvo un % de desviación muy alejado al teórico, y con ello podemos concluir que esto se debe a la falta de un aislamiento total del equipo, es decir que hubo intercambios de calor con el entorno o ambiente y también quizás esta se debe a que no se cuenta con equipos capaces de darnos lecturas exactas de los datos experimentales, estos equipos son empleado en las diversas gamas de la industria alimenticia primordialmente, y aun mas en fluidos viscosos debido a la influencia del agitador que cuentan estos intercambiadores de calor, cuya función es la de homogenizar con respeto a la temperatura, q se encuentra el fluido que se está en el recipiente o tanque donde se encuentra el serpentín.
López Hermenegildo Araceli
Con base a nuestros resultados del coeficiente de transferencia de calor teórico y practico, asi como el cálculo del porcentaje de desviación, se demostró que se opero de manera poco eficiente ya que el porciento de desviación fue de un 63%, el cual representa una desviación a los datos teóricos y representando el mal manejo del equipo. La variación que se obtuvo fue creciento por distintos factores que afectaron la operación, tal es el caso de la escacés del tiempo, el cual, no estamos 100% seguros que los datos que tomamos de las lecturas de los termopares en verdad eran del régimen permanente como se deseaba llegar, también las condiciones del equipo, ya sea incrustaciones, otro tipo de materia inerte dentro, y por supuesto, el calor que se pierde al ambiente de ambos intercambiadores ya que estos se encuentran expuestos al ambiente por la parte superior. Se sabe que el intercambiador de calor de serpentín,ofrece mayor eficiencia en comparación con el intercambiador de calor enchaquetado. En la bibliografía se presenta al intercambiador de serpentín como una mejor opción, ya sea por la eficiencia de trabajo que entrega o por la facilidad de manejo y mantenimiento, Ambos tipos de intercambiadores son muy utilizados en las industrias ya sea alimenticias, farmacéuticas, etc.. y su uso se basa en el objetivo o criterio para el cual será utilizado . 10
Núñez García Natalia Gabriela
Este equipo es uno de los más utilizados, sus usos más importantes son en los equipos de refrigeración y de aire acondicionado y en los calentadores para el hogar. El intercambiador de calor tipo serpentín es un tubo que se encuentra doblado en espiral, debido al diseño que tiene sirve para aumentar la superficie de transferencia de calor, este tubo de diámetro pequeño es un agitador mecánico, el cual tiene la función de homogeneizar la temperatura en el fluido, es decir que el fluido tenga la misma temperatura en todas partes y que también sea al mismo tiempo, para poder asegurar esto se tiene este intercambiador tipo serpentín. La eficiencia que se obtuvo fue del 99%, esto nos habla de que este tipo de intercambiador es muy eficiente, el logró de este valor se debe a la homogeneización de la temperatura en el fluido debido a la agitación constante. Ya sea que se quiera enfriar o calentar cierto fluido, el intercambiador actuará de manera eficaz, en el caso de la práctica realizada lo que se hizo fue calentar agua usando como medio de calentamiento vapor, en un tiempo de 15 minutos el agua había alcanzado cierta estabilidad. Lamentablemente no se pudo operar el intercambiador de camisa, pero un hecho del que pudimos darnos cuenta es que no se puede trabajar con los dos equipos al mismo tiempo porque la presión comienza a bajar y eso no es bueno para el equipo, pues está diseñado a ciertas condiciones de presión y temperatura las cuáles no se pueden violar para no dañar el equipo. El dato de desviación que se obtuvo es bastante grande, esto se debe a que el coeficiente de transferencia de calor experimental es numéricamente casi el doble de su valor con respecto al experimental, las posibles causas pueden provenir del equipo directamente como incrustaciones, las pérdidas de calor que había al ambiente, otra causa pudo ser que el vapor iba en grandes cantidades debido a que no lo compartía con el de camisa, por lo tanto el calor que absorbió el agua fue muy grande.
Rodríguez Ruiz Ofelia
El serpentín es un equipo intercambiador de calor que al estar en contacto con el aire de retorno el cual regresa caliente, enfría el aire gracias al refrigerante a baja temperatura que circula por su interior, y lo envía de nuevo mediante los ductos transportadores a las instalaciones y mediante este proceso la temperatura del aire presente en las instalaciones se mantiene bajo condiciones de confort, presenta un agitador mecánico, promoviendo la rápida y mejor transferencia de calor entre fluidos. Los objetivos planteados fueron cumplidos ya que se determinaron los parámetros establecidos, el coeficiente de transferencia de calor del equipo, el funcionamiento de éste, eficiencia, etc.
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Comparando los resultados de eficiencia obtenida, se puede concluir que el equipo realiza una buena transferencia de calor, ya que la eficiencia obtenida fue de 99%; cabe mencionar que los precalentadores instalados en el equipo no se encontraban en funcionamiento. Existen factores que afectan la transferencia de calor, uno de ellos y talvez el más importante es la incrustación que se deposita en el interior de los tubos, provocando obtener resultados erróneos, reflejados en el porciento de desviación obtenido.
Villavicencio Muñoz Carlos Octavio
El intercambiador de serpentín resulto ser un equipo de transferencia de calor ya que se obtuvo un eficiencia muy alta, lo cual podría ser ocasionada por el agitador del contenedor, provocando una convección forzada en el agua fría además cabe tener en cuenta que al agitar la pelucula formada alrededor del tubo se vuelve más delgada ,considerando el recubrimiento aislante del tanque y de las tuberías, se considera al equipo como muy eficiente, en la transferencia de calor. Hablando del coeficiente de transferencia de calor, la U experimental fue mayor a la teórica, con lo cual estimamos que la velocidad de transferencia fue más rápida en la experimentación que en la teoría, por lo que se considera que el coeficiente teórico no fue acertado ya que no se consideran las perdidas por incrustaciones o la disminución del espesor de las películas por el agitador mecánico.
Zamora Guerrero Edgar Benedicto
Con base en los objetivos de la práctica y en los resultados obtenidos experimentalmente, se pueden establecer las siguientes conclusiones con respecto al intercambiador de calor de tipo serpentín:
El funcionamiento de este tipo de intercambiador se basa en el enfriamiento (o calentamiento) de un tubo de diámetro pequeño y gran longitud, ocasionando una mayor velocidad en el fluido que circula por el tubo interno y, a su vez, mejorando la velocidad de transferencia de calor. El intercambiador de calor tipo serpentín presenta un agitador mecánico, el cual ayuda a la transferencia de calor entre fluidos. Este tipo de intercambiador de calor tiene un alto grado de eficiencia térmica (comparado con los anteriormente vistos), debido a que posee agitación constante. Uno de los factores que afecta al rendimiento ideal del equipo es las incrustaciones que presenta el mismo en el tubo en serpentín, ya que afecta a la transferencia de calor efectiva entre fluidos en el equipo.
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