TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PACHUCA
LABORATORIO INTEGRAL III
PRE-PRACTICA PRE-PRACTICA No. 3 INTERCAMBIADOR INTERCAMBIADOR DE CALOR DIDÁCTICO
EQUIPO 1
Integrantes: 12200871 12200871 Laura Itzel Badillo Hernández 12200887 12200887 Yael Josept Espinoza Juárez 12200908 12200908 América Anabel Islas Sánchez 12200936 12200936 María del Socorro Reyes Quijano
OBJETIVO Determinar los coeficientes de película para transferencia de calor, el coeficiente global de transferencia de calor y el flujo de calor transferido, en un intercambiador de calor didáctico para las operaciones en paralelo y a contracorriente.
MARCO TEÓRICO En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son los componentes que permiten la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes: • • • • •
Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura. Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura. Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.
Los tipos de intercambiadores de calor en función del flujo
Paralelo. Si la circulación es en corriente paralela, las temperaturas de los dos fluidos se aproximan, en todo momento la temperatura del fluido caliente es superior a la del fluido frio.
Contracorriente. Si la circulación es a contra corriente la variación de la diferencia de temperatura es menor, siendo posible que el líquido caliente salga del intercambiador a una temperatura inferior a la de salida del líquido frio. Por lo tanto, esta posibilidad permite extraer mayor cantidad de calor del fluido caliente cuando la circulación es en contracorriente
Perfiles de temperaturas en el intercambiador de calor: flujo en paralelo y en contracorriente.
Flujo cr uzado: uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90◦ Son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de f ase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico.
La función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor tem peratura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.
Tipos de intercambiadores de calor según su construcción
Tubos y coraza: Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido int erno es separado del fluido externo de la carcasa por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de la cáscara. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de soporte (support plates) también actúan como bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.
Placas: El intercambiador de calor de tipo plato, consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente grande de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos. Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de carcaza y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos.
En esta práctica se realizará el balance de energía de la siguiente manera. Se conocen el caudal de una corriente, (Q 1 ) y las temperaturas de entrada y salida de ambas (T1, T2, t1, t2), en este caso solo se calcula el calor cedido en una corriente (q) y se utiliza este para determinar el caudal de la otra (Q 2). = ( − ) = ( − )
Diferencia verdadera de temperatura
La diferencia media de temperaturas (MTD) en un intercambiador de calor de casco y tubo es la diferencia media logarítmica de temperaturas (LMTD) multiplicado por un factor (F). El factor de corrección de un intercambiador de tubo y coraza de un paso por tubo y un paso por coraza se considera como 1.
∆ =
∆ − ∆ ∆1 ∆2
Coeficiente de transferencia de calor
Este coeficiente depende de la configuración del intercambiador el cual es función del área de intercambio =
∆
El Cp del aceite es = 0.436
−
= 1.83
−
DISEÑO DE LA PRACTICA Equipo a utilizar
Intercambiador de calor didáctico
Sustancias Agua Aceite
DESARROLLO DE LA PRACTICA 1. Preparar el intercambiador de calor didáctico para la operación, verificando que se tenga agua en los dos depósitos. 2. Establecer la temperatura de calentamiento del aceite al valor indicado. 3. Una vez que el equipo esté listo para la operación, adecuarlo para la operación en paralelo y tomar los valores necesarios para el reporte de la práctica. 4. Adecuar el equipo para la operación a contracorriente y tomar los valores necesarios para el reporte de la práctica 5. Realizar la práctica involucrando tres distintos flujos de agua con tres distintos flujos de aceite.
BIBLIOGRAFÍA
Geankoplis, C. J. (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias (3ª edición). México: Ediciones CECSA. McCabe, W. L et al. (1991). Operaciones unitarias en ingeniería química (4ª Edición). Madrid: Ediciones McGraw-Hill. Geankoplis, Christie John. (2013). Principios de transferencia de momentolineal y balances globales. Editorial Patria. “Procesos de transporte y principios de separación”.