Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Facultad de Ingeniería Química Laboratorio de Ingeniería II (NRC: 23733) Reporte de la práctica de laboratorio 6 Profesora: Maribel López Badillo Integrantes del equipo: • • • • • •
García Niño de Rivera Ana Laura Mandujano Hernández Claudia Stephani Miranda Valdovinos Rosa Nayeli Molar Rochín Iván Ortiz Méndez Juan Daniel Salas Márquez Gerardo Alberto
OTOÑO 2018 Primera fecha de entrega: 29 de octubre de 2018 Segunda fecha de entrega: 09 de noviembre de 2018 PRÁCTICA 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR CAL OR DE TUBOS Y CORAZA CORAZA EN PARAL ELO Y CONTRACORRIENTE CONTRACORRIENTE 1. INTRODUCCIÓN
En los procesos industriales el calor se transmite por diferentes mecanismos, incluyendo conducción en calentadores de resistencia eléctrica; conducciónconvección en cambiadores de calor, calderas y condensadores; radiación en hornos y secaderos de calor radiante; y métodos especiales tales como calentamiento calentam iento dieléctrico dieléctrico (McCabe, 1982). Los intercambiadores de calor son tan importantes y tan ampliamente utilizados en los procesos industriales que su diseño se encuentra muy desarrollado. Las normas recogidas y aceptadas en el TEMA (Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association) comprenden con todo detalle tanto materiales, como métodos métod os de construcción, técnicas de diseño y dimensiones de los cambiadores. 2. OBJETIVOS
Demostrar las diferencias entre flujo paralelo y flujo contracorriente. 3. FUNDAMENTO TEÓRICO
Defina los siguientes conceptos:
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Intercambiador Intercambia dor de calor: Los intercambiadores intercambiad ores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. En la práctica, los intercambiadores de calor son de uso común en una amplia variedad de aplicaciones, desde los sistemas domésticos de calefacción y acondicionamiento del aire hasta los procesos químicos y la producción de energía en las plantas grandes. En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido y conducción a través de la pared que los separa. En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total U que toma en cuenta la contribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador. Clasificación general general de intercambiadores intercambiadores de calor: Según su construcción: Tubo y coraza: Es el el intercambiador de calor más común en los procesos industriales. Estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco con sus ejes paralelos al de éste. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza. Es común la colocación de desviadores en la coraza para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos. A pesar de su extendido uso no son adecuados para utilizarse en automóviles y aviones debido a su peso y tamaño relativamente grandes. Nótese que en un •
Ilustración 1: Esquema de un intercambiador de calor de tubo y coraza (un paso por la coraza y un paso por los tubos.
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intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales, que se encuentran en ambos extremos del casco, en donde el fluido del lado de los tubos se acumula antes de entrar y salir de ellos. Los intercambiadores de tubos y coraza se clasifican todavía más según el número de pasos que se realizan por la coraza y por los tubos. Por ejemplo, los intercambiadores en los que todos los tubos forman una U en la coraza se dice que son de un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. De doble tubo: El tipo más más simple de intercambiador interc ambiador de calor consta de dos tubos concéntricos de diámetros diferentes, como se muestra en la figura, llamado intercambiador de calor de tubo doble. En un intercambiador de este tipo uno de los fluidos pasa por el tubo más pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos tubos.
Ilustración 2: Intercambiador de calor de doble tubo •
Placas y armazón (o solo pplacas): lacas): consta de una serie de placas con pasos corrugados y aplastados para el flujo. Los fluidos caliente y frío fluyen en pasos alternados, de este modo cada corriente de fluido frío queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo que da por resultado una transferencia transferencia muy eficaz de calor. Asimismo, este tipo tip o de intercambiadores pueden crecer al aumentar la demanda de transferencia de calor sencillamente montando más placas. Resultan muy apropiados para aplicaciones de intercambio de calor de líquido hacia líquido, siempre siempre que las corrientes de los fluidos caliente y frío se encuentren más o menos a la misma presión.
Ilustración 3: Intercambiador de calor de placas y armazón de líquido hacia líquido •
De tipo plato: El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la figura, 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 carcasa y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos. El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos para la misma capacidad de intercambio de calor.
Ilustración 4: Intercambiador de calor de tipo plato
Según la operación del flujo: •
Flujo paralelo: Como se ilustra en la figura, existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa 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 aproxima 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
Ilustración 5: Diagrama para demostrar la dirección del flujo paralelo
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fluido más caliente. Contraflujo: 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 a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contraste 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 Ilustración 6: Imagen que muestra la dirección de contraflujo intercambiador.
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Flujo cruzado: 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° el cual todavía se clasifica más como flujo no mezclado o mezclado,
Ilustración 7: Diferentes configuraciones de flujo en intercambiadores de calor de flujo cruzado
dependiendo de su configuración, como se muestra en la figura. Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usados donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.
De acuerdo con el tipo de paso: •
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Un solo paso o paso simple: Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple. Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. De múltiples pasos: Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiples Ilustración 8: Disposiciones del flujo en pasos. Comúnmente el pasos múltiples en los intercambiadores de intercambiador de múltiples tubo coraza. pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U" en los extremos, es decir, el doblez en forma de "U" permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador.
De acuerdo con su función en un sistema particular: •
Regenerativo: Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo) como se muestra en lo figura. Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y éste es posteriormente integrado al sistema. El intercambiador regenerativo del tipo estático básicamente es una masa porosa que tiene una gran capacidad de almacenamiento de calor, como la malla de alambre de cerámica. Los fluidos caliente y frío fluyen a través de esta masa porosa de manera alternada. El calor se transfiere del fluido caliente hacia la matriz del regenerador durante el flujo de este, y de la matriz hacia el fluido frío durante el paso de éste.
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Por tanto, la matriz sirve como un medio de almacenamiento temporal de calor. El regenerador del tipo dinámico consta de un tambor giratorio y se establece un flujo continuo del fluido caliente y del frío a través de partes diferentes de ese tambor, de modo que diversas partes de este último pasan periódicamente a través de la corriente caliente, almacenando calor, y después a través de la corriente fría, rechazando este calor almacenado. Una vez más, el tambor sirve como el medio de transporte del calor de la corriente del fluido caliente hacia la del frío. Intercambiador de tubo y coraza, partes, arreglos de los tubos, arreglo de los fluidos:
Quizá el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales sea el de tubos y coraza. Estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco con sus ejes paralelos al de éste. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza. Es común la colocación de desviadores en la coraza para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos. A pesar de su extendido uso no son adecuados para utilizarse en automóviles y aviones debido a su peso y tamaño relativamente grandes. Nótese que en un intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales, que se encuentran en ambos extremos del casco, en donde el fluido del lado de los tubos se acumula antes de entrar y salir de ellos. Los intercambiadores de tubos y coraza se clasifican todavía más según el número de pasos que se realizan por la coraza y por los tubos. Por ejemplo, los intercambiadores en los que todos los tubos forman una U en la coraza se dice que son de un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. De modo semejante, a un intercambiador que comprende dos pasos en la coraza y cuatro pasos en los tubos se le llama de dos pasos por la coraza y cuatro
Ilustración 9: Partes de un intercambiador de calor de tubos y coraza
pasos por los tubos.
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Mecanismo de transferencia en un intercambiador:
En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido y conducción a través de la pared que los separa. En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total U que toma en cuenta la contribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador. El coeficiente de transferencia de calor U, está compuesto de varios mecanismos. El primero es la transferencia por convección desde el fluido caliente hacia las paredes que lo separan del fluido frío o el aire. Esto representa la resistencia térmica del fluido caliente, la cual depende primordialmente de propiedades físicas y térmicas del fluido. El flujo turbulento y alta velocidad mejoran la tasa de transferencia de calor. El segundo mecanismo es la conductividad térmica a través de las paredes del tubo. La mayoría de los intercambiadores de calor están fabricados de cobre o aleaciones de aluminio que presentan una alta conductividad térmica. El tercer mecanismo es la convección del calor desde las paredes del tubo hacia el fluido frío en el mismo. Este actúa de la misma manera que la resistencia térmica del fluido caliente. El uso de patrones de flujo multipaso permite el aprovechamiento de la velocidad del fluido y turbulencia para aumentar los valores de U. •
Efectividad del proceso de intercambio de calor
La efectividad del proceso de intercambio de calor (ε) es un parámetro adimensional definido como:
= á̇ = óó á
La razón de la transferencia de calor real de un intercambiador de calor se puede determinar con base en un balance de energía en los fluidos caliente y frío y se puede expresar como:
̇ = (, −,)=(, −, ) =̇ =̇
En donde y son las razones de capacidad calorífica de los fluidos frío y caliente, respectivamente.
Para determinar la razón máxima posible de la transferencia de calor de un intercambiador, en primer lugar, se reconoce que la diferencia de temperatura máxima que se produce en él es la diferencia entre las temperaturas de entrada de los fluidos caliente y frío; es decir:
∆á =, −,
La transferencia de calor en un intercambiador alcanzará su valor máximo cuando 1) el fluido frío se caliente hasta la temperatura de entrada del caliente o 2) el fluido caliente se enfríe hasta la temperatura de entrada del frío. Estas dos condiciones límites no se alcanzarán en forma simultánea a menos que las razones de capacidad calorífica de los fluidos caliente y frío sean idénticas (es decir, ). Cuando , el cual suele ser el caso, el fluido con la razón de capacidad calorífica menor experimentará un cambio más grande en la temperatura y, de este modo, será el primero en experimentar la diferencia máxima de temperatura, en cuyo punto se suspenderá la transferencia de calor.
=
≠
Por lo tanto, la razón máxima posible de transferencia de calor en un intercambiador es:
̇á =(, −,)
en donde C mín es el menor entre Ch y Cc. •
Eficiencia térmica
El rendimiento térmico o eficiencia de una máquina térmica es un coeficiente o ratio adimensional calculado como el cociente de la energía producida (en un ciclo de funcionamiento) y la energía suministrada a la máquina (para que logre completar el ciclo termodinámico).
= =
Dependiendo del tipo de máquina térmica, la transferencia de estas energías se realizará en forma de calor, Q, o de trabajo, W.
Ilustración 10: La energía producida o energía salida del sistema (Esal) es siempre menor que la energía suministrada o energía entrada al sistema (Eent). •
Coeficiente global de transferencia de calor
El valor del coeficiente global (U) depende de los coeficientes de transferencia de calor por convección de los fluidos frío y caliente y está fuertemente influenciado por la forma de las corrugaciones de las placas, los parámetros de trabajo y las propiedades de los fluidos. Por lo común un intercambiador de calor está relacionado con dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida. En primer lugar, el calor se transfiere del fluido caliente hacia la pared por convección, después a través de la pared por conducción y, por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección. Cualesquiera efectos de la radiación suelen incluirse en los coeficientes de transferencia de calor por convección. La red de resistencias térmicas asociada con este proceso de transferencia de calor comprende dos resistencias por convección y una por conducción, como se muestra en la figura. En este caso, los subíndices i y 0 representan las superficies interior y exterior del tubo interior. Para un intercambiador de calor de tubo doble, la resistencia térmica de la pared del tubo es
l n = 2
en donde k es la conductividad térmica del material de la pared y L es la longitud del
Ilustración 11: Red de resistencias térmicas asociada con la transferencia de calor en un intercambiador de calor de doble tubo.
tubo. Entonces la resistencia térmica total queda
1 l n 1 = = + + = ℎ + 2 + ℎ
Ai es el área de la superficie interior de la pared que separa los dos fluidos y A 0 es el área de la superficie exterior de esa misma pared. En otras palabras, A i y A0 son las áreas superficiales de la pared de separación mojada por los fluidos interior y exterior, respectivamente. Cuando uno de los fluidos fluye adentro de un tubo circular y el otro afuera de éste, se tiene y .
= =
En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combina todas las resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria del flujo de calor del fluido caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos como
̇ = ∆ =∆= ∆= ∆
en donde U es el coeficiente de transferencia de calor total, cuya unidad es W/m2·°C, la cual es idéntica a la unidad del coeficiente de convección común, h. De manera que el coeficiente de transferencia de calor U para el análisis de transferencia de calor en un intercambiador de calor se puede expresar como:
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= ∑1 = 1 ln 1 1 ℎ + 2 + ℎ
Características Intercambiador de calor de coraza y tubos a pequeña escala.
Especificaciones técnicas: •
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Unidad piloto completamente instrumentada pequeña escala para laboratorio. Montada sobre estructura en perfil de aluminio reforzado tipo industrial con ruedas. Compuesta de una unidad de proceso y un gabinete de control, ambas unidades están interconectadas entre sí formando una sola instalación. El fluido caliente para el intercambiador de calor es provisto por un sistema de calentamiento que funciona con aceite térmico. El fluido frio para el intercambiador de calor es provisto por medio de agua fría proveniente de la torre de enfriamiento. Fluido caliente para intercambiador de calor; aceite térmico de calentamiento con rango de temperatura de -25 a 290 grados centígrados, color amarillo pálido, viscosidad entre 20.5 y 34.1 cSt, densidad de 877 kg/m3 y gravedad especifica de 0.88 a 0.91.
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Tanque de recirculación de fluido térmico (Aceite térmico) para alimentación de fluido caliente a intercambiador de calor, fabricado en acero inoxidable, con capacidad de 25 litros. Bomba tipo turbina para alimentación de fluido caliente (Aceite térmico) a intercambiador de calor con puertos de succión 1”, fabricada en hierro, con
sello mecánico de VITON, acoplada por medio de cople flexible a motor eléctrico de 1 HP, 1750 RPM, 230 VAC, 60 Hz, 3 fases. Tanque fabricado en acero inoxidable con resistencia de calentamiento para aceite de recirculación. Potencia 6,000 Watt. 240 VAC. Tanque de alimentación y recirculación de fluido frio a sistema de intercambiadores de calor fabricado material transparente con capacidad de 35 litros. El fluido frio se calienta en los cambiadores de calor y es alimentado a la torre de enfriamiento para su recirculación. Funcionamiento en circuito cerrado. Bomba centrífuga de alimentación de agua fría a intercambiador de calor, potencia 0.5 HP, caudal máximo 2800 l/h. By-pass fabricado en tubería de PVC cédula 80 tipo industrial para bomba de alimentación. Válvula de regulación de flujo de agua hacia sistema de intercambiadores de calor fabricada en PVC tipo industrial, cedula 80. Intercambiador de calor tipo coraza y tubos, con coraza de vidrio, diámetro nominal DN cuatro pulgadas, fabricada en vidrio borosilicato, longitud 50 cm. Tubos fabricados en acero inoxidable diámetro nominal DN media pulgada. Cantidad de tubos para intercambiador de calor: 19, longitud de tubos 53 cm. Cinco deflectores para intercambiador de calor, fabricados en acero inoxidable. Espejos para tubos fabricados en acero inoxidable. Cabezales para entrada de fluido caliente a los tubos, fabricados en vidrio borosilicato. Área total de transferencia para cambiador de calor de tipo coraza y tubos: 4000 cm2. Tubería, válvulas y accesorios para circulación de fluido frio en intercambiador de calor, fabricados en PVC cedula 80 tipo industrial. Tubería, válvulas y accesorios para circulación de fluido caliente en intercambiadores de calor, fabricados en acero inoxidable. Cuatro mangueras de alta temperatura con conectores rápidos tipo válvula para realizar diferentes arreglos en el intercambiador de calor de tipo coraza y tubos. Torre de enfriamiento de tiro inducido, empacada con operación a contra flujo. Paredes fabricadas en material transparente para visualización del proceso, altura: 100 cm. Empaque para torre de enfriamiento, compuesto por láminas de PVC termoformado en arreglo diagonal. Dimensiones por bloque: 26 x 26 cm, altura: 15 cm., Numero de bloques: 4. Sistema de eliminador de rocío, compuesto por láminas de PVC termoformado en arreglo sinusoidal. Dimensiones por bloque: 26 x 26 cm, altura: 13 cm., Numero de bloques: uno.
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Filtro de retención de impurezas a la entrada de la torre de agua de enfriamiento. Cabezal de distribución de agua en torre de enfriamiento, fabricado en PVC cedula 80 tipo industrial con esprea de aspersión. Ventilador para torre de enfriamiento con motor de 1/4 de HP, 3450 RPM, 90 VCD con tarjeta electrónica de velocidad variable, y perilla para variación de velocidad. Tanque de recuperación de agua de enfriamiento a la salida de la torre, fabricado en material transparente con capacidad de 35 litros. Bomba centrífuga de recirculación de agua fría de torre de enfriamiento hacia tanque de alimentación de intercambiadores de calor, potencia 0.5 HP, caudal máximo 2800 l/h. By-pass fabricado en tubería de PVC cédula 80 tipo industrial para bomba de recirculación. Rotámetro de flotador para medición de flujo en sistema de recirculación de agua de torre de enfriamiento a tanque de alimentación de intercambiadores. Cuerpo de acrílico con conexiones de proceso 1/2 inch. NPT, rango 2 - 20 LPM. Válvula de regulación de flujo de recirculación, fabricada en PVC tipo industrial, cedula 80. Tubería, válvulas y accesorios para circulación en torre de enfriamiento, fabricados en PVC cedula 80 tipo industrial. Interruptor de nivel para control de nivel adecuado en tanque de calentamiento de aceite. Sensor de Temperatura en el circuito de aceite después de la resistencia de calentamiento, mismo que funciona como alimentación de fluido caliente y está asociado a un controlador digital de temperatura montado sobre gabinete de control, Tipo Pt-100 de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT. Sensor de Temperatura de retorno de fluido caliente de intercambiador de calor, Tipo Pt-100 de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT. Sensor de Temperatura de alimentación de fluido frio al intercambiador de calor, Tipo Pt-100 de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT. Sensor de temperatura a la entrada de la torre de enfriamiento, mismo que funciona como salida de intercambiador de calor. Tipo Pt-100 de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT. Sensor de temperatura a la salida de la torre de enfriamiento, Tipo Pt-100 de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT. Sensor electrónico para medición de flujo de aceite hacia intercambiadores de calor, de 0 a 50 LPM, señal de salida 4-20 mA. Sensor digital para la medición de humedad relativa a la salida del aire de la torre de enfriamiento, señal 4-20 mA.
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Anemómetro digital para la medición de la velocidad del aire que fluye por la torre de enfriamiento, señal 0-10 V. Siete Indicadores digitales para medición de temperatura, velocidad del aire y humedad relativa, tipo 48 x 48 DIN montados sobre gabinete de control. Un controlador digital de temperatura 48 x 48 DIN montado sobre gabinete de control.
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Aplicaciones experimentales: Estudio de los principales equipos de proceso utilizados en la industria en los que intervienen materias de estudio relacionadas con termodinámica y transferencia de calor. El equipo consta de una torre de enfriamiento y un intercambiador de calor de coraza y tubos. Estudio de fenómenos combinados de transferencia de masa y transferencia de calor. Operación y estudio de un intercambiador de tipo coraza y tubos a contracorriente. Operación y estudio de un intercambiador de tipo coraza y tubos a cocorriente (paralelo). Estudio de balances de energía en un equipo de intercambio de calor. Régimen laminar y Régimen Turbulento. Manipulación del flujo de ambos fluidos, para realizar prácticas sobre el efecto en el intercambio de calor. Estudio de las curvas características de transferencia de calor en intercambiadores. Fluido caliente por los tubos, fluido frio por la coraza. Estudio de números adimensionales y correlaciones de transferencia de calor con fluidos de diferentes viscosidades. Determinación del coeficiente total de transferencia de calor para un intercambiador de calor. Estudio de un proceso de enfriamiento de agua por medio de una torre de enfriamiento de tiro inducido. Estudio de un sistema de transferencia de masa aire-agua. Utilización de cartas de humedad. Estudio de temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo. Construcción de diagramas de humedad específicos a diferentes condiciones de operación. Manipulación del flujo de los diferentes equipos, para realizar prácticas sobre el efecto en el intercambio de calor y parámetros termodinámicos. Estudio de operaciones unitarias. Estudio de balances de materia y energía en todo el proceso.
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Ilustración 12: Intercambiador de calor de coraza y tubos a pequeña escala TC-IC-001/PE
4. MATERIALES Y EQUIPO
Intercambiador de tubo y coraza a pequeña escala Generatoris 5. PROCEDIMIENTO
Reconocer el equipo, identificando correctamente las líneas del proceso.
Establecer la temperatura de entrada del aceite en el controlador por medio del Set-point.
Encender el ventilador, para tener el flujo de aire necesario para el enfriamiento del agua.
Verificar que la conexión de las mangueras flexibles sea correcta en base al arreglo requerido.
Poner en funcionamiento el circuito de agua, energizando las bombas e igualar sus flujos por medio de las válvulas de regulación.
Energizar la bomba de alimentación de aceite y ajustar el flujo deseado mediante la válvula de regulación que se encuentra a la descarga de la bomba de aceite.
El objeto de trabajar con los mismos flujos en la alimentación y en la recirculación de la torre de enfriamiento es para mantener los niveles constantes en los tanques correspondientes, mismos que a su vez funcionan como tanques de balance.
Dejar que el sistema se estabilice y tomar las lecturas correspondientes.
Apagar todos los elementos del proceso y realizar el cambio de las mangueras flexibles para realizar el siguiente ejercicio.
EJERCICIO 1 (Arreglo en paralelo):
Condiciones de operación
Fluido caliente: - Temperatura a la entrada = 60°C - Flujo Volumétrico = 4.5 L/min Fluido frío: - Flujo volumétrico = 4.5 L/min a) Registre las temperaturas tomado los datos en el controlador: Temperatura de entrada del fluido caliente T1 Temperatura de salida del fluido caliente T2 Temperatura de entrada del fluido frío T3 Temperatura de salida del fluido frío T4 b) Registre los flujos de entrada de los fluidos frío y caliente •
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EJERCICIO 2 (Arreglo en contracorriente):
Condiciones de operación Fluido caliente: - Temperatura a la entrada = 60°C - Flujo Volumétrico = 4.5 L/min Fluido frío: - Flujo volumétrico = 4.5 L/min a) Registre las temperaturas tomado los datos en el controlador: Temperatura de entrada del fluido caliente T1 Temperatura de salida del fluido caliente T2 Temperatura de entrada del fluido frío T3 Temperatura de salida del fluido frío T4 b) Registre los flujos de entrada de los fluidos frío y caliente •
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6. RESULTADOS: Datos T1= T2= T3= T4= T5= Flujo del aceite= % Humedad relativa= Veloc idad de aire= Velocidad del ventilador=
Ar reg lo en Paralelo 50 °C 37.8 °C 24.3 °C 26.9 °C 23.9 °C 4.5 L/min 88.4 % 0.7 50
Arreg lo en contracorriente 50 °C 42.7 °C 23.5 °C 26.1 °C 23.4 °C 4.4 L/min 84.4 % 0.6 50
Ilustración 13: En esta imagen se observa el tablero de control del equipo, del cual se extraen los datos para su posterior análisis
Ilustración 14: En la imagen se observa el equipo Generatoris a pequeña escala para mostrar el mecanismo de energía en un intercambiador de calor de tubos y coraza
7. ANAL ISIS DE RESULTADOS:
Ilustración 15: Diagrama de proceso para el intercambiador de calor de tubos y coraza .
Reporte los siguientes valores para cada uno de los arreglos: •
Reducción de temperatura del fluido caliente,
ΔT caliente •
Ar reg lo en contracorriente 7.3
Incremento de temperatura del fluido frío,
ΔT frío •
Arreg lo en Paralelo 12.2
Arreg lo en Paralelo 2.6
∆ = −
∆í = −
Ar reg lo en contracorriente 2.6
Balance de energía para la sección fría y la sección caliente. Los intercambiadores de calor suelen operar durante largos periodos sin
cambios en sus condiciones de operación. Por lo tanto, se pueden considerar como aparatos de flujo estacionario . Como tales, el gasto de masa de cada fluido permanece constante y las propiedades de los fluidos, como la temperatura y la velocidad, en cualquier entrada o salida, siguen siendo las mismas. Asimismo, las corrientes de fluido experimentan poco o ningún cambio en sus velocidades y elevaciones y, como consecuencia, los cambios en la energía cinética y en la potencial son despreciables. En general, el calor específico de un fluido cambia con la temperatura; pero, en un intervalo específico de temperaturas, se puede considerar como una constante en algún valor promedio, con poca pérdida en la exactitud. La conducción axial de calor a lo largo del tubo suele ser insignificante y se puede considerar despreciable. Por último, se supone que la superficie exterior del intercambiador de calor está perfectamente aislada, de modo que no se tiene pérdida de calor hacia el medio circundante y cualquier transferencia de calor sólo ocurre entre los dos fluidos. Para un sistema de flujo estacionario con una entrada y una salida, la velocidad del flujo de masa hacia adentro del volumen de control debe ser igual a la velocidad del flujo de masa hacia afuera de él; es decir,
̇ = ̇ =̇ ∆ ̇ +=∆+∆+∆ −∆ =∆
Cuando los cambios en las energías cinética y potencial son despreciables, que es el caso más común, y no se tiene interacción de trabajo, el balance de energía para tal sistema de flujo estacionario se reduce a En condiciones de estado estacionario y en ausencia de cualesquiera interacciones de trabajo, la relación de conservación de la energía para un volumen de control con una admisión y una salida, y con cambios despreciables en las energías cinética y potencial, se puede expresar como
̇ = ̇ =∆̇ ∆
Las idealizaciones que acaban de describirse se logran muy aproximadamente en la práctica y simplifican mucho el análisis de un intercambiador de calor con poco sacrificio de la exactitud. Por lo tanto, son de uso común. Con estas suposiciones, la primera ley de la termodinámica requiere que la velocidad de la transferencia de calor desde el fluido caliente sea igual a la transferencia de calor hacia el frío. Para la sección fría: Para la sección caliente:
̇ =̇(, −,) ̇ =̇(, −,)
en donde los subíndices c y h se refieren a los fluidos frío y caliente, respectivamente, y:
mcpċ yc cyphṁ=calh=gasoretossesdepecímasficaos TTc,c,entsa yl yTh,Th,entsa=l=tetmper emperatauturarsasdedeentsarliaddaa
Ilustración 16: Diagrama para el análisis del arreglo en paralelo
En paralelo:
Para la sección fría (agua)
̇ =̇(, −,) ̇ = é = 1 4.5 =4. 5 =0.075 ̇ =0.075 4180 ∙ ° 26.9 ° −24.3 ° ̇ =815.1 =0.8151 ̇ ̇ = (, −,) ̇ ̇ = é = 1.11 4.5 =4.995 160
Flujo másico:
Para la sección caliente (etilenglicol)
Flujo másico
:
̇=0.1666 ̇ =0.1666 2840 ∙ ° 50 ° −37.8 ° ̇ =5772.3568 =5772.3568 =5.7726
Como es de imagin arse, la transf erencia de calor es mayor en l a secci ón f ría en comparació n con la zona caliente, ya que el agu a (fluid o zona fría) es la qu e gana calor.
En contracorriente:
Ilustración 17: Diagrama para el análisis del arreglo en contracorriente
Para la sección fría (agua)
̇ =̇(, −,) ̇ = é = 1 4.5 =4. 5 =0.075 ̇ =0.075 4180 ∙ ° 26.1 ° −23.5 ° ̇ =815.1 =0.8151
Flujo másico:
Para la sección caliente (etilenglicol)
̇ ̇ = (, −,) ̇ ̇ = é = 1.11 4.5 =4.995 160 ̇=0.1666 ̇ =0.1666 2840 ∙ ° 50 ° −42.7 ° ̇ =3453.9512 =3453.9512 =3.4539
Flujo másico
:
Se observa un descenso de calor en el arreglo c ontracorriente para la sección caliente (fluido: etilenglicol) en comparación con el arreglo en paralelo, en la secció n fr ía (fluido : agua) la trans ferencia de calor mantuvo los mismos valores en ambos arreglos. Esto se asocia a la efectividad del pro ceso.
A continuación, se muestra una tabla con los datos del calor para el arreglo en paralelo y contracorriente de ambas secciones: Valores de Q [W] Sección fr ía Sección caliente •
Paralelo 815.1000 5772.3568
Coeficiente global de transferencia de calor. En paralelo:
Contracorriente 815.1000 3453.9512
̇ =∆ ̇ =ó = =Á [ ] ∙° ∆ = ° ∆ =∆ln−∆∆∆ ∆∆ == ,, −−,,
Dónde:
En contracorriente:
̇ =∆, ̇ =ó = =Á [ ] ∙° ∆, = ° ∆, =∙∆ =∆ln−∆∆∆ ∆∆ ==,, −−,, Dónde:
De acuerdo con la descripción del equipo: Intercambiador de calor tipo coraza y tubos, con coraza de vidrio, diámetro nominal DN cuatro pulgadas, fabricada en vidrio borosilicato, longitud 50 cm. Tubos fabricados en acero inoxidable diámetro nominal DN media pulgada. Cantidad de tubos para intercambiador de calor: 19, longitud de tubos 53 cm. Cinco deflectores para intercambiador de calor, fabricados en acero inoxidable. Espejos para tubos fabricados en acero inoxidable. Cabezales para entrada de fluido caliente a los tubos, fabricados en vidrio borosilicato. Área total de transferencia para cambiador de calor de tipo coraza y tubos: 4000 cm 2. “
=. ∆,
”
Cálculos para la temperatura media logarítmica en ambos arreglos:
∆
Arreglo en paralelo [°C]
17.2549
Arreglo en contracorr iente [°C] 21.2497
Gráfica para el cálculo de F en el arreglo en contracorriente (tomada del libro de “Transferencia de calor y masa”, Cengel Y., 3ª edición):
Donde P=0.1 y R=2.81, F=0.99 Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor U: Arreg lo en p aral elo:
= ∙∆̇ = ∙∆,̇ ̇, = ̇, =.
Arreg lo en c ontrac orrien te:
Se consideró que:
Arregl o Paralelo Contracorriente
Valor de Q (W) 5772.3568 3453.9512
Valor de la ∆Tln
(°C) 17.2549 21.2497
Valor de U (W/m 2 °C) 836.3358 406.3529
Se obs erva que el valor d el coeficient e glo bal de transferenc ia de calor es mayor p ara el arreglo en paralelo en co mparación con el de contracorriente. •
Efectividad del proceso:
= á ̇ = óó á ̇ =(, −,)=(, −,)
̇á = ∙∆ =(, −,) Ar reg lo Paralelo Contracorriente •
Qmáx [W] 8056.95 8307.75
Q [W] 5772.3568 3453.9512
Efec tividad ɛ 0.7164 0.4158
Eficiencia del proceso:
Ar reg lo Paralelo Contracorriente •
= = =
Qetileng li col [ W] 5772.3568 3453.9512
Qagua [W] 815.1000 815.1000
Eficiencia ƞ
0.1412 0.2360
Compare la potencia calorífica emitida y absorbida por las dos corrientes fluidas para cada uno los dos arreglos. Arreg lo Paralelo Contracorriente
Qabso rbid o [ W] 815.1000 815.1000
Qemitid o [W] 5772.3568 3453.9512
Se observa que la efectividad del proc eso es mayor para el arreglo en paralelo lo cual es correcto de acuerdo a lo reportado en la literatura, mientras que la mayor eficiencia se lleva a cabo en el arreglo a contracorriente, esto quiere decir qu e el arreglo en paralelo muestra un valor favorable cuando se int enta conseguir la máxima razón de transferencia de calor posible en el sistema, mientras que el arreglo en contracorriente permite un mayor rendimiento térmico d el equipo. •
Explique cualquier diferencia entre Qe y Qa entre sus resultados.
En la tabla para los valores de Q absorbido y emitido donde se considera el calor ganado por el agua y perdido por el etilenglicol para calcular la eficiencia térmica se puede observar que la eficiencia es mayor para el arreglo en contracorriente. En la tabla donde se registra Qe y Qa se observa que el calor absorbido por el agua en ambos arreglos es del mismo valor, sin embargo, el calor emitido por el etilenglicol varía, esto se debe a la diferencia de temperaturas que se generaron para el etilenglicol en los distintos arreglos ya
que como se observó en los primeros cálculos la diferencia de temperatura del fluido caliente (etilenglicol) es mayor en el arreglo en paralelo. Explique también, la importancia industrial de los intercambiadores de calor, en que procesos son de gran utilidad y en qué clase de fluidos son aplicables. Los intercambiadores de calor tienen la función de transferir energía (calor) de un lugar a otro, o bien de un fluido hacia otro fluido. Un intercambiador de calor es parte importante de diferentes dispositivos alternos, como en el de acondicionamiento del aire, dispositivos de refrigeración, procesamiento químico y producción de energía. Son el tipo de intercambiadores de calor más usado en la industria. Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos sistemas químicos o mecánicos. Estos sirven, como su nombre lo indica, para ganar calor o expeler calor en determinados procesos. Algunas de las aplicaciones más comunes se encuentran en calentamiento, ventilación, sistemas de acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de combustión interna, calderas, condensadores, y precalentadores o enfriamiento de fluidos. Los intercambiadores de calor son ampliamente utilizados en la industria alimentaria, para calentamiento y enfriamiento de productos, en sistemas de esterilización, pasteurización, desactivación enzimática, etc. También son utilizados en estas industrias para procesos auxiliares de calentamientos de agua, generación de vapor, recuperadores, enfriadores de fluidos etc. En los procesos de química verde y de biotecnología, varias etapas requieren el uso de cambiadores de calor para realizar las operaciones unitarias de calentamiento, enfriamiento, condensación, evaporación y secado. La importancia industrial alimentaria de los intercambiadores sirve para, calentar líquidos y hacerlos pasar de un estado a otro, así también para calentar y elevar la temperatura de algunos alimentos con el fin de darles un tratamiento que permita que el alimento sea descontaminado, es decir, de eliminar o inactivar las enzimas y microorganismos patógenos, un caso práctico de esto es la de la pasteurización o ultra pasteurización, dependiendo los parámetros que se tomen para realizarlo. Otro ejemplo de la industria alimentaria es en la elaboración del azúcar a partir de caña o de remolacha azucarera debido a que es un procedimiento industrial de muy alto consumo de energía. La optimización del proceso depende del dimensionamiento adecuado de los intercambiadores de calor. Por otra parte, los intercambiadores de calor presentes en lavanderías industriales son seleccionados, dimensionados y fabricados en función de las exigencias de limpieza y de ausencia de piezas de desgaste.
•
8. CONCLUSIONES: Se cumplió con el objetivo que era demostrar las diferencias entre flujo paralelo y flujo contracorriente. Realizamos teoría y práctica sobre los intercambiadores, como sus características, sus componentes como los tubos
