REPORTE. CORAZA II

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN INGENIERÍA QUÍMICA LEM III REPORTE 3. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA CORAZA II (SISTEMA AIRE-VAPOR EQUIPO! "UÁREZ RESÉNDIZ LUIS LUIS ROMEO GARCÍA BAUTIST BAUTI STA A OSCAR OSCA R IOV I OVANY ANY ARROYO MORALES LUIS ALBERTO GRUPO!

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%$PROFESORES! QUIROZ MACIAS MARÍA ELENA OROZCO &ERNÁNDEZ CARLOS

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%' DE SEPTIEMBRE DE %#' INTRODUCCIÓN 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 equipos que permiten transferir energía (calor) de un fluido a otro sin ponerlos en contacto directo, la transferencia se produce a través de una pared sólida que los separa. n fluido transfiere calor por convección a una pared sólida, el calor atraviesa esta por conducción y por !ltimo el otro fluido recibe la transferencia por convección. Los tipos más usuales son" a.# intercambiadores de doble tubo. b.# intercambiadores de tubos y cora$a. cora $a. c.# intercambiadores compactos.

OBJETIVOS

%omprender el comportamiento de un fluido compresible en un intercambiador de calor de tubos y cora$a. &eleccionar y aplicar la correlación apropiada para calcular teóricamente el coeficiente global de transferencia de calor y comparar con el obtenido e'perimentalmente. dentificar dentificar las variables de operación, operación, tanto las que nos llevan llevan a tener una meor operación operación del equipo y las que afectan la operación del equipo.







*E+E-L-E& Los intercambiadores del tipo de cora$a están compuestos por gran cantidad de tubos (a veces veces vari varios os cien ciento tos) s) cont conten enid idos os en una cora$ cora$a. a. Los Los tubo tuboss se dispo dispone nenn con con sus sus ees ees paralelos al ee de la cora$a. %onstituyen la parte más importantes de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos químicos. Este tipo de intercambiadores se clasifican por el n!mero de pasos por la cora$a y por el n!mero de pasos por los tubos. En general, el intercambiador cora$a y tubo, consiste en una serie de tubos lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado cora$a y representan la alternativa a la necesidad de una gran transferencia de calor. entro de este tipo de intercambiadores, depen dep endi dien endo do a su const construc rucci ción ón se pue puede de conse consegui guirr difer diferen ente tess tipo tiposs como como los los son" son" / ntercambiador de calor de espeo fio" los intercambiadores de espeo fio se utili$an con mayor mayor frecuen frecuencia cia que los de cualqui cualquier er otro otro tipo tipo y la frecuencia frecuencia de su utili utili$aci $ación ón se 0a incrementado en a1os recientes. Los espeos se sueldan a la cora$a. 2or lo com!n, se e'tienden más allá de la cora$a y sirven como bridas a la que suetan como pernos los cabe$ales del lado de los tubos. Esta construcción requiere que los materiales de la cora$a y los espeos se puedan soldar entre sí.

Actividades Realizadas •

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•

&e recibió el equipo con el servicio servicio de aire comprimido comprimido abierto, al igual que se nos proporcionó la temperatura te bulbo seco del aire que se tuvo al comen$ar a usar el equipo. &e abrió la llave de servicio de vapor seguido de la válvula reguladora teniendo una presión de vapor apro'imada a 3.4 5g6cm 5g6c m7. 8eniendo los servicios funcionando como se menciono anteriormente se tomo la medición de presión de trao del vapor, el fluo de aire que se iba a calentar por medio de un manómetro diferencial de mercurio y la presión a la cual salía el aire y su respectiva temperatura temperatura de bulbo 0!medo y bulbo seco, y la salida del vapor que se condenso por medio de determinar volumen volumen y tiempo tiempo en el que se llenaba llenaba cierto volumen procurando que el volumen fuera 799mL. &e reali$aron : mediciones a distintos fluos de aire los cuales fueron; (37, < y =) in >g medidas en el manómetro diferencial de mercurio, midiendo para cada una lo mencionado en el punto anterior. ?a finali$adas las mediciones se cierra la válvula reguladora de vapor seguido de la válvula de servicio también purgando la salida de vapor, al igual que cerrando la







T







8ermómetro bimetálico

T)

R

8rampa de Fapor

M

otámetro

anómetro

E&L8-@& E&L8-@& ? -+-LA&& -+-LA& & En la e'perimentación se midió la presión diferencial de salida del aire mediante un annubar, la temperatura del aire a la salida, la temperatura de entrada del aire fue proporcionada por el equipo tres quien fue el primero en trabaar traba ar el intercambiador de tubos y cora$a del sistema aire#vapor, se reali$aron las mediciones a tres diferentes fluos (corridas) manteniendo la presión del vapor saturado constante y midiendo la presión manométrica del aire. Aire Corrida 3 7 : B

P diferencial [in Hg] 7 B 4 D

P aire [Kgc!"] 9.7 9.7= 9.B9 9.B=

Tentrada [#C] :: :: :: ::

Tsalida [#C] == 47 C9 CB

Deter!inaci$n del coeficiente glo%al de transferencia de calor e&'eri!ental !ediante el (so de las !ediciones realizadas con la corriente de aire)







2ara determinar el fluo másico de aire se emplea la siguiente ecuación.

´ aire =0.127 ( SN D ) √ ρ m ρaire √ hn 2

´ aire ) está dado en Glb60H, onde el fluo másico de aire ( m Glb60H, D el diámetro en pulgadas, N un factor de correlación para el manómetro de mercurio (39BB9), S el coeficiente

de desc descar arga ga igua iguall a 9.=: 9.=:,,

ρaire

la densidad del aire en Glb6ft:H y

hn

la presión

diferencial marcada por el annubar en Gin >gH 2ara determinar la densidad del aire se empleó la siguiente igualdad.

[(

ρaire =

)( ) (

11.33 + P

520

14.692

460 + T

)] (

0.0764

lb 3

f t

)

En la cual la densidad tiene unidades de Glb6ft:H, 2 es la presión manométrica manométrica de trabao en Glb6in7H y 8 la temperatura del aire en IJ. %omo en la ecuación se necesita la presión manómetrica del fluo de aire en psi, se convirtió la presión manométrica del aire a las correspondientes unidades. C

3 7 : B

Tsal [#C]

== 47 C9 CB

Tsal[#*]

3:3 3B:.4 3=D 34=.7

ρAire [lb/ft3] atms

.'<= > .''# % .'=$ < .'3< ?

*A+, /01234 FES C56 .$3? >= .$%> ?' .$#' $' .$# 3%

D/6 7 +8 &94 % = ' >

: /01;,4 >?.33%%< 3$ #%$.$$3 => #$#.3$$ 3= #<3.<#? 3#

2ara calcular la carga térmica ganada por el aire empleamos la siguiente ecuación.









2osteriormente se determinó la carga térmica y el coeficiente global de transferencia de forma similar al vapor, vapor, a continuación se resumen los los cálculos. 2ara obtener la temperatura del vapor a la presión de trabao 3.= Kg6cm7 M C

: /01;,4

@7 051/0 F4

>?.33%%<3$ #%$.$$3=>

.%= .%=

#$#.3$$3= #<3.<#?3#

.%= .%=

3 7 :

Q 051;,4 >=?.#3?% < #$''.'?3= %=#?.%$>> < 3<'.<'>

U aire [Btu/h °F ft2]

.'#3'=#<#= #.#?'=#$3 #.?$>>'#'#? %.$<>?$>>

2osteriormente coeficiente de transferencia global teórico mediante la la siguiente fórmula que emplea los coeficientes individuales de película, sin considerar la resistencia por incrustación y la resistencia ofrecida por la pared del tubo. U teorico =

hio ho hio + ho

En el que ho es el coeficiente individual de película del fluido que se transporta por fuera del tubo tubo interior interior (vapor) (vapor) y hio es el coeficiente individual de película del fluido que se transporta por dentro del tubo interior referido al área e'terior (aire). El coeficiente individual del vapor h fue definido definido su valor por el profesor el cual tiene







ond o ndee Di

N 9.47 9.4777 in ,

k

la conductiv conductivida idadd térmica térmica del fluido, fluido, 

y

C p

la

viscosidad y capacidad calorífica de éste a presión constante. &e muestran a continuación las conductividades térmicas del aire obtenidas de la literatura a diferentes temperaturas. T [#*] 3:3 3B:.4 3=D 34=.7

+ [,t( - ft #*] .#'%?' .#'$>' .#'?#< .#<>%

La viscosidad fue determinada mediante el empleo de un nomograma a una atmósfera de presión, ya que no se encontró alguna ecuación empírica e mpírica para determinar la viscosidad del d el aire a diferentes presiones. 2ara evaluar hi para cada corrida se tomó la temperatura promedio de la entrada y salida del aire aire y medi median ante te regre regresi sión ón linea lineall se esti estimó mó la cond conduct uctiv ivid idad ad térm térmic icaa a dic0 dic0as as temperaturas, el C p se obtuvo al evaluar la ecuación anteriormente mencionada. 2osteriormente se determinaron los n!meros adimensionales de eynolds y 2randalt Nu=

hi Di k

Di G Di !ρ

ℜ=



=









hio =h i

(

" interna

" e#terna

)

- continuación se muestra una síntesis de los cálculos reali$ados

C 3 7 :

C

T 'ro!edio [#*]

. [c']

. [l%  ft -]

3 7 :

<4.D 334.4 379.7

9.93<9 9.93<4 9.93
9.9B=
Re 4DBD:.<7C3B 477=7.39<4< B7=39.DD944

Pr 9.C3=C<
-i [,t(- ft" #* #*] 33:.
+ [,t( - ft #*] 9.93==BD 9.934<73 9.93439C

C' [,t(l% #*] 9.7B79B==D: 9.7B7D77B7: 9.7B7<4=B7C

-io [,t(- ft" #* #*] DB.:
U [,t(- #* ft"] C<.D
&i notamos, los valores del n!mero de eynolds indican que fue correcto emplear la correlación para fluo turbulento. 2ara poder anali$ar el coeficiente global de transferencia de calor se grafica contra el n!mero de eynolds del fluido que circula por dentro del tubo interior, es decir del aire. -l igual que en los intercambiadores intercambiadores anali$ados anali$ados anteriorment anteriormente, e, el coeficiente global de transferencia de calor van aumentando conforme aumenta el n!mero de eynolds, debido a







especto a la comparación del sistema aire#vapor con los sistemas agua#vapor, notamos que los coeficientes globales de transferencia de calor son más altos en los fluidos líquidos que en los gases, por lo cual, se debe considerar a la 0ora de construir un intercambiador, ya que los gases en general, tienen conductividades térmicas baas y por lo tanto, act!an como resistencias a la 0ora de transferir calor, for$ando a utili$ar una mayor área de transferencia o un gradiente de temperatura más grande. Jinalmente, se puede anali$ar que la turbulencia favorece la transferencia de calor, sin embargo, embargo, los n!meros de eynolds obtenidos en éste sistema, sistema, en comparación comparación del sistema agua#vapor son muc0o más grandes, y los coeficientes de transferencia son demasiado distantes, por lo que también las propiedades del fluido son determinantes.

/e!oria de C0lc(lo Los cálculos mostrados se reali$an con la corrida 7(%7), a e'cepción de aquellos que no están relacionados con la corrida.

C0lc(los realizados con el aire 2ara el aire, al igual que el vapor se eemplifica con la corrida 7 Estimación de la densidad del aire

P=0.5

$g 2

( ) 14.2233

$g

lb

2

in

= 9.95631

lb 2 i







´ aire =0.127 ( SN D ) √ ρ m ρaire √ hn 2

√

´ aire =0.127 (0.53 )( 10440 )( 0.622 ∈¿ ) 0.091017375 m 2

m ´ aire =246.0618389

lb 9 ∈ %g 3 √ f t

lb h

eterminando el coeficiente global de transferencia de calor e'perimental 3664.084281

U exp=

Btu h

Q! Btu = =2.91445578 2 2 "e#t &'TD 9.60575616 f t ( 130.880946 ° F ) min min f t ° F

C0lc(lo del coeficiente glo%al de transferencia de calor te$rico +!mero de eynolds Di !ρ

ℜ=

!=



Q ( aire " interna 3

ft 2703.460082 h ft != = 1280586.355 2 h 9.60575616 f t









Pr =

C p  = k

(

0.242822423

)(

Btu lb°F

0.047432

Btu 0.016921 hft°F

lb ft h

)

=0.68066622

%álculo del coeficiente individual de película y su referencia al área e'terior

(

k Di ti !ρ hi= 0.023 Di 

C p p  k

12 ∈ ¿ 1 ft

¿ 0.622 ∈ ( ¿ ) ¿ ¿ 0.016921

hi= 0.023

hio =h i

(

Dinterno

¿

)

1/ 3

)( ) 0.8

Btu h ft° F







Concl(siones Los obetivos fueron cubiertos, ya que notaron las diferencias al trabaar un intercambiador de calor con sistema aire vapor comparado con el sistema agua vapor. El aire que es un gas tiene una baa conductividad térmica por lo que los coeficientes para las corridas trabaadas fueron baos. %abe destacar que éstas variables son fundamentales en las industrias de procesos, por eemplo, en el dise1o de un intercambiador de calor previo a una operación de secado, se debe considerar para tener el meor rendimiento posible de los equipos economi$ando lo má'imo posible.

,i%liograf1a • • •

5ern ; 2Procesos de Transferencia de Calor3 Editorial 2atria, é'ico 799C. 2Ta%las de 4a'or3 *rupo -lfaomega; é'ico 3<<=. Oelty. 2*(nda!entos de transferencia de !o!ento calor 5 !asa3. Editorial

REPORTE. CORAZA II

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