Intercambiador De Calor De Tubo Y Coraza

Laboratorio de Transferencia de Calor I

Intercambiador de Calor de Tubo y Coraza

Cano Prins Carolan Beatriz

Churio Oscar Eduardo

Gómez Blanco Hismary Inés

Madrid De la Rosa Juan Martin

PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA

ING CRISOSTOMO PERALTA

UNIVERSIDAD DEL ALTLANTICO

30/05/2014

RESUMEN

Para esta experiencia se realizaron ensayos de transferencia de calor a través de intercambiador de tubo y coraza midiendo la temperatura, la presión y los flujos volumétricos utilizados entre dos fluidos, el vapor fluye por la coraza y el agua por los tubos, con el fin de estudiar las consecuencias sobre la transferencia de calor a través de determinar experimentalmente el coeficiente global de transmisión de calor, el valor de la media logarítmica de temperaturas (MLDT), La eficiencia y las pérdidas de carga del intercambiador.

INTRODUCCION

Un Intercambiador de calor es un equipo mecánico, construido para transferir calor entre dos fluidos a diferente temperatura que están separados por una pared (metálica).

Cuando la diferencia de temperatura es pequeña se desprecia la transferencia de calor por radiación y el intercambiador de calor se calcula aplicando las correlaciones de transferencia de calor por conducción y convección.

Un aspecto importante en la aplicación de los intercambiadores es la recuperación del calor de procesos o incluso a la recuperación de calor de fluidos residuales, que en sí mismo no tienen valor económico, pero estando a temperaturas superiores al ambiente, transportan calor, que al recuperarlo, tiene un valor energético (recuperación de energía) y económico. Además permite o contribuye a la conservación del medio ambiente, ayuda a que el ahorro de energía se traduce en un ahorro de combustible, disminución de masa de contaminantes (dióxido de carbono y otros), emitidos a la atmósfera.

Se tiene intercambiadores de calor de carcasa y tubos, se utiliza para la transferencia de calor entre líquidos, uno de los fluidos circula por el interior de los tubos y el otro por el exterior. La carcasa envuelve el conjunto de tubos. Los deflectores (BAFFLES), cumplen la función de desviar el flujo exterior con objeto de generar un proceso de mezcla que genera turbulencia para aumentar la transferencia de calor.

El flujo de un intercambiador (1-2) es generalmente en contracorriente y parcialmente en corrientes paralelas, como se observa en la figura 1.

En los intercambiadores de paso múltiple, se pueden utilizar velocidades más elevadas, tubos más cortos y resolver fácilmente el problema de las expansiones y dilataciones. Disminuye la sección libre para el flujo, con el cual aumenta la velocidad, dando lugar a un incremento del coeficiente de transmisión de calor por convección.

Figura 1. Intercambiador de calor tubo y coraza.

El coeficiente total de transferencia de calor (U) es un factor que para una configuración geométrica o hidrodinámica dada, al multiplicarlo por el área del intercambio de calor y por la diferencia total de temperaturas, se obtiene el calor total transferido.

Q=UA∆T_total

Una de las primeras cuestiones a realizar en el análisis térmico de un intercambiador de calor de carcasa y tubos consiste en evaluar el coeficiente de transferencia térmica global entre las dos corrientes fluidas.

Sabemos que el coeficiente de transferencia térmica global entre un fluido caliente a temperatura TC y otro frío a temperatura TF separados por una pared plana se define mediante la ecuación:

UA=1/(∑_(i=1)^(i=3)▒Ri)

UA=1/(1/〖Ah〗_c +L/kA+1/〖Ah〗_f )

METODOLOGIA

Para la toma de medidas se organizó el sistema de la siguiente forma:

Inicialmente era necesario preparar el equipo para ver el comportamiento de cada corrida, por lo tanto, se estabilizo la presión inicialmente a 10 psi, luego se ajustó los caudales esperando así hasta que se alcance un equilibrio térmico. De inmediato se registra en la tabla de datos la temperatura y presión de entrada y salida de las líneas de agua y vapor, junto con el caudal de agua. Se verifico durante toda la corrida que la presión del vapor y el flujo de entrada de agua se mantuvieran estables, se repitió el anterior procedimiento para diferentes caudales de flujo de agua abarcando el rango del rotámetro y manteniendo la presión de entrada de vapor constante.

Se repitió el anterior procedimiento manteniendo una presión contante de 15 psi.

3. RESULTADOS Y DISCUCION

Esta práctica está dividida en dos partes, la primera parte del experimento se mantuvo una presión de entrada del vapor de 10 psi y un caudal de agua de 1 gal/m. Seguidamente variando el caudal de entrada del agua se realizaron un total de seis corridas donde se midió la presión y temperatura del agua, y la temperatura de entrada y salida del vapor. Se midió un volumen de vapor condensado durante cierto tiempo para determinar el caudal del condensado. El registro de dichos datos se presenta en la tabla 1.

Corrida Vagua (gal/min) Vvapor (mL/s) T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T4 (°C) P1 (psi) P2 (psi) P3 (psi) P4 (psi)

1 0,5 9,2 30 88 104 100 2 1,6 10 2,8

2 0,8 20,43 30 80 106 80 3 1,2 10 0

3 1,2 38.44 30 70 108 70 3,125 1,8 10 0

4 1,5 16.41 30 64 109 69 3,75 2,4 10 0

5 1,8 8.59 30 62 110 62 4,375 3 10 0

6 2,9 7.29 30 50 110 59 8,125 5,4 10 0

Tabla 1. Resumen de datos obtenidos durante la experiencia para una presión de entrada del vapor de 10 psi.

Donde T1, P1 y T2, P2 es la temperatura y presión del agua en la entrada y salida de la coraza, asimismo T3, P3 y T4, P4 es la temperatura y presión del vapor en la entrada y salida de la coraza. Por último Vagua y Vvapor es el flujo volumétrico del agua y el vapor respectivamente.

En la segunda parte de la experiencia se realizó el mismo procedimiento anterior, donde la presión de vapor a la entrada fue de 15 psi.

Corrida Vagua (gal/min) Vvapo (mL/s T1 (°C T2 (°C) T3 (°C) T4 (°C) P1 (psi) P2 (psi) P3 (psi) P4 (psi)

1 0,7 9.38 30 95 112 111 2.5 2.4 10 6

2 1 10.41 30 87 100 102 3.125 1.8 10 3.8

3 1.5 17.59 30 75 106 81 3,75 1,8 10 0

4 2 7.28 30 62 115 70 5 3.5 10 0

5 2.5 5.44 30 58 115 59 6.25 4.2 10 0

6 2.7 10.6 30 56 110 58 6.625 4.8 10 0

Tabla 2. Resumen de datos obtenidos durante la experiencia para una presión de entrada del vapor de 15 psi.

Para realizar los cálculos es necesario conocer datos importantes de los respectivos fluidos tanto para el fluido caliente (vapor) como para el fluido frio (agua): T1, T2, W, CP, S, μ, k, Rd, ∆P. Algunas de estos datos fueron medidos, mientras que otras se obtuvieron por medio de tablas y cálculos. Dichos datos se encuentran reflejados en la tabla 3.

CORAZA

Diámetro interno de la coraza 6.065 pulgadas

Espaciado de los deflectores o bafles 4.5 pulgadas

Pasos de la coraza 1

TUBOS

Número de tubos 18

Longitud de tubos 2.462 pies

Diámetro de los tubos 0.375 pulgadas

Diámetro interno de los tubos 0.25 pulgadas

Arreglo Triangular normal

Pasos por los tubos 2

Paso transversal 13/16 pulgadas

Claro 7/16 pulgadas

Tabla 3. Datos de los tubos y la coraza.

Calculo Del Calor Absorbido Y El Calor De Entregado.

Por medio del balance de energía se deduce que:

Q ̇=m_fluido C_p ∆T

Dónde:

m = flujo de la corriente del fluido

C_p= calor especifico de cada una de las corrientes.

∆T = cambios de temperatura de cada corriente.

Para determinar el flujo másico del agua, se calcula primero un promedio entre la temperatura de salida y entrada de agua, siendo para la primera corrida:

T_promedio=((88+30)°C)/2=59°C

Esta temperatura promedio se utiliza para selección de los valores de densidad del agua y Cp. El valor de la densidad es utilizado para determinar flujo másico de agua, estos se relacionan en la tabla 4.

Para la primera corrida se tiene:

0.5 gal/min×1min/60s×(3,7854 L)/1gal×(0.001m^3)/(1 L)=3.1545×10^(-5) m^3/s

A Tpromedio= 59°C la densidad es 983.64 Kg/m3 y el Cp es 4.184 KJ/Kg*°C

Entonces, V ̇= (3.1545×10^(-5) m^3)/s* (983.64 Kg)/m3=0,03102 Kg/s

Remplazando valores:

Q ̇=V ̇C_p ∆T

Q ̇=0,03102 kg/s×4.184 KJ/(kg °C)×(88-30)°C=7.5276 KJ/s

Siendo esta cantidad de calor absorbido durante la primera corrida. Los resultados para el resto de las corridas son mostradas en la tabla 4:

Corrida T1

(°C) T2

(°C) TPromedio

(°C) Caudal

(m3/s) Cp Del Agua (KJ/kg°C) Densidad Del Agua (kg/m3) Flujo De Calor (kW)

1 30 88 59 3.15*〖10〗^(-5) 4.184 983.64 7.5276

2 30 80 55 5.04*〖10〗^(-5) 4.183 985.2 10.398

3 30 70 50 7.57*〖10〗^(-5) 4.181 988.1 12.509

4 30 64 47 9.46*〖10〗^(-5) 4.180 989.36 13.305

5 30 62 46 1.13*〖10〗^(-4) 4.180 989.80 15.034

6 30 50 40 1.82*〖10〗^(-4) 4.179 992.25 15.173

Tabla 4. Valores obtenidos para el flujo de calor absorbido por el agua.

Para el cálculo de la coraza es necesario tener en cuenta adicionalmente los valores

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