GR14_Practica 4_Intercambiador de calor de coraza y tubos Flujo 1_2 AguaAgua.pdf

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR II

PRCTICA N 4

TTULO: Intercambiador de calor de coraza y tubos. Flujo 1-2 Agua/Agua

GRUPO N: 14

INTEGRANTES: NOTA:

- 1 Castro Da Silva Paulo Renato

- 2 Jaramillo Garca Santiago Alejandro

- 3 Mendoza Sarango Christian Santiago

- 4 Proao Snchez Javier Esteban

FECHA DE REALIZACIN: 08- Julio- 2015

FECHA DE ENTREGA: 15- Julio- 2015


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I. TEMA:

Intercambiador de calor de coraza y tubos. Flujo 1-2 Agua/Agua

II. OBJETIVOS:

Determinar el coeficiente global de transferencia de calor Uo para el

intercambiador de calor de coraza y tubos, flujo 1-2 A/A.

III. MARCO TERICO:

El intercambiador de calor de coraza y tubos es el ms utilizado en la industria, est formado por

tubos cilndricos que estn montados dentro de una carcasa de igual forma cilndrica siendo los ejes

de los tubos paralelos al eje de la carcasa. Uno de los fluidos circula por los tubos mientras que el

otro fluido circula por la carcasa y es aqu donde se da la transferencia de calor.

El sentido de los mltiples tubos circulares se debe a que as se incrementa el rea de conveccin

relativa al volumen del flujo mejorando notablemente la transferencia de calor a que si se tratase de

un solo tubo.

Los tipos de intercambiadores de calor de tubos y coraza son:

Cabezal fijo

Se caracterizan por tener dos placas de tubos soldadas a la carcasa, el interior de los tubos se puede

limpiar mecnicamente despus de remover la tapa del canal. El banco de tubos no se puede extraer

y su limpieza exterior se debe realizar qumicamente. Se utiliza para fluidos limpios, por el lado de

la carcasa.

Figura 1. Cabezal fijo (Gonzales & Mendizabal, 2002)


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Tubos en forma de U

Se caracteriza por tener solo una placa de tubos en forma de U, que tienen la particularidad de

moverse libremente con relacin a la carcasa lo que elimina el problema de la expansin

diferencial. Los bancos de tubos se pueden remover para limpieza mecnica, pero el interior de

estos se limpia en general qumicamente.

Figura 2. Tubos en U (Gonzales & Mendizabal, 2002)

Cabezal flotante

Se caracteriza por tener una hoja de tubos fijas, mientras que la otra flota libremente permitiendo el

movimiento diferencial entre la carcasa y los tubos, se puede extraer todo el haz de tubos para la

limpieza.

Figura 3. Cabezal Flotante (Gonzales & Mendizabal, 2002)

IV. PREGUNTAS:

- Aplicaciones Industriales de los intercambiadores de calor coraza y tubos. Especifique.

Existen 3 estndares para la construccin y aplicaciones de los intercambiadores de coraza y tubos

los cuales son:


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Clase R: para aplicaciones en petrleo y procesos relacionados.

Clase C: para aplicaciones en procesos comerciales.

Clase B: para servicio en procesos qumicos.

Las limitaciones para la aplicacin son:

Dimetro interno de la carcasa 1524 mm (60 in).

Presin 207 bar (3000 psi)

Relacin (dimetro interno carcaza)*(presin) 105000 mm bar (60000 in psi) (Gonzales &

Mendizabal, 2002)

Se amolda prcticamente a cualquier aplicacin que se quiera tener es el primero en ser

considerado para una determinada aplicacin.

- Cules son las consideraciones para la seleccin de un intercambiador de calor?

La ms importante gua o consideracin para la seleccin de un intercambiador de calor es la

experiencia. Pero como en este caso debemos considerar que no se tiene ninguna experiencia las

consideraciones ms importantes a tomar en cuenta son:

La presin de trabajo del intercambiador.

La temperatura de trabajo de los fluidos en el interior del intercambiador.

La capacidad del intercambiador a ser utilizada.

rea de trasferencia de calor

Resistencia

Respuesta en operacin lquido lquido

Costos bsicos

Mantenimiento

Limitaciones de espacio y peso (para la misma operacin)

Cada de presin (a velocidad promedio y longitud de fluido comparables)


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- Qu tipos de arreglos de tuberas existen en los intercambiadores de coraza y tubos?

Escriba las ventajas y desventajas de cada uno

Existen 4 tipos de arreglos de tubos los cuales son:

Figura 4. Arreglos de tubos. (Gonzales & Mendizabal, 2002)

Arreglo Triangular 30: debe tener un fluido de la carcasa limpio, los factores de

incrustacin deben ser inferiores a 0,002 ft2 h F / BTU. En cualquier rgimen de flujo.

Arreglo Triangular rotado 60: debe tener un flujo limpio de la carcasa, causa cadas de

presin muy altas.

Cuadrado 90: el fluido de la carcasa puede estar sucio, se utiliza con flujo turbulento y

cuando la limpieza mecnica es crtica.

Cuadrado rotado 45: fluido de carcasa puede ser sucio. Se prefiere cuando existe flujo

laminar y la limpieza mecnica es crtica.


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- Dada la clasificacin de los intercambiadores de calor de una aplicacin de cada una de

ellos.

La clasificacin en la cual se tiene mayor variedad y disponibilidad de tipos de intercambiadores es

en la que est de acuerdo al tipo de construccin.

Tabla 1. Aplicaciones (Gonzales & Mendizabal, 2002)

Tipo Aplicacin

Tubo y carcaza Multiusos prcticamente se amolda a cualquier servicio, por lo

general es el primero en ser considerado.

Enfriadores con aire y

radiadores

Cuando se requiere enfriar por torre de agua o el costo de agua es

muy elevado, sistemas de enfriamiento en vehculos.

Doble tubo o concntricos Se usan con reas de trasferencia de calor pequeas (100 a 200 ft2) y

a altas presiones.

Lminas empacas: PHE con

empacaduras

En aplicaciones alimenticias con fluidos viscosos. Cuando se

requieren condiciones sanitarias extremas.

Lminas empacas: PHE sin

empacaduras Manejo de fluidos viscosos y peligrosos a altas presiones.

Espiral Utilizados en servicios criognicos y fluidos muy viscosos lodos o

lquidos con slidos en suspensin (industria del papel).

Laminas soldadas Intercambio gas gas o gas lquido. El fluido que va por la parte

de las aletas debe ser limpio y poco corrosivo.

Superficie raspadora Utilizado con fluidos que tiende a solidificar o cristalizar al

enfriarse.

Bayoneta Cuando la diferencia de temperatura del fluido de los tubos y el del

nulo, es sumamente elevada.

Enfriador de pelcula

descendente Enfriamientos especiales.

Enfriadores de serpentn Enfriamientos de emergencia.

Condensadores

baromtricos

Se emplea cuando no se mezclan el agua y el fluido de proceso a

enfriar.

Enfriadores de cascada Para enfriar fluidos de procesos muy corrosivos.

Grafito impermeable En servicios altamente corrosivos.


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V. ELABORACIN DEL CUADRO DE DATOS:

Tabla 2: Datos obtenidos (Temperaturas en C)

Qh Tih Tic Qc Tfh Tfc

0 1,759 31 14 1,637 19 17

2 1,516 42 14 1,031 19 18

4 1,516 46 14 0,91 20 21

6 1,516 48 14 1,516 23 25

8 1,516 49 14 1,516 25 27

10 1,516 51 14 1,152 27 30

12 1,516 52 14 0,667 29 32

14 1,516 52 14 1,516 30 34

16 1,88 52 14 1,88 31 35

18 1,637 53 14 1,637 31 35

20 1,516 53 14 1,516 31 35

Qh Tih Tic Qc Tfh Tfc

0 1,516 54 14 3,093 31 32

2 1,729 54 14 2,729 29 31

4 1,729 54 14 3,093 28 26

6 1,637 54 14 2,851 28 25

8 1,88 54 14 2,972 27 25

10 1,88 54 14 2,859 27 25

12 1,579 54 14 2,729 26 25

t

agua caliente agua frat

agua caliente agua fra

Datos con el caudal fro al doble

1 2 3 4 5 6 7 8

0 21,2 22,4 22,6 20,6 20,8 20,4 19,6 20,4

2 21,2 21,8 21,6 21,4 21,4 21,2 21,2 20,4

4 22,2 22,4 22,2 21,8 22 22,6 22,2 20,6

6 22 22,4 22,4 22,6 21,8 22,6 22 20,6

8 22,4 23 22,8 21,4 22,2 22,2 22,6 20,4

10 22,6 22,4 22,4 22,2 21,8 22,6 22 20,6

12 22,6 23 23 23,2 22,8 23,2 25,8 20,8

14 22,8 23 23,4 23,6 22,6 23,4 23,2 20,8

16 23 23,2 23,6 23,6 23 23,6 23,6 21

18 23,4 23,2 23,4 23,6 23,2 23,6 23,2 21,4

20 23,4 24,4 24,2 24,4 23,6 24,4 24,6 21,6

tTemperatura superficial TS (Datos con caudales iguales)


8

VI. CLCULOS:

El detalle de los clculos se muestra en ANEXOS

a. Trasferencia de calor q

Clculo con los caudales iguales:

Calor perdido por el agua caliente:

= 2303[]

Calor ganado por el agua fra:

= 2214[]

Clculo con el caudal fro al doble:

Calor perdido por el agua caliente:

= 3055[]

Calor ganado por el agua fra:

= 2086[]

b. Coeficiente de conveccin del lado de los tubos


= 149.6 [

2]


= 151.6 [

2]

1 2 3 4 5 6 7 8

0 24,2 23,6 23,8 24,4 23,8 24,4 24,6 22,6

2 24,6 24,8 24,2 24,6 23,8 24,6 24,4 22,6

4 24,4 23,8 24,4 24,2 24,2 24,4 24,4 23

6 24,2 24,2 24,2 24,2 24,8 24,6 24,8 22,8

8 23,6 23,8 23,8 24,4 23,6 24,6 24,8 23,6

10 24 24 24,2 24,2 23,8 24,2 24,8 23,6

12 23,6 24,2 24,2 24,6 24,8 24,4 24,8 23,6

tTemperatura superficial TS (Datos con el caudal fro al doble)


9

c. Coeficiente de conveccin del lado de la coraza


= 284.5 [

2]


= 352.9 [

2]

d. Coeficiente global de transferencia de calor Uo


= 98.04 [

2]


= 106.03 [

2]

e. Calor que atraviesa el aislante y pasa al aire

= 8.233

f. Eficiencia del intercambiador

Considrese que la eficiencia de un intercambiador de calor es: qu tanto calor emitido por el flujo

caliente es absorbido por el flujo fro. (Cengel & Ghajar, 2011)


= 96.15 %


= 68.27 %


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VII. ELABORACIN DE GRFICOS

1. Realizar el grfico de temperatura vs tiempo para el agua caliente y fra, tanto

a la entrada como a la salida.

Con los caudales iguales:

Figura 5. Temperatura vs. Tiempo (caudales iguales)

Con el caudal fro al doble del caliente:

Figura 6. Temperatura vs. Tiempo (caudal fro al doble)

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25

Tem

per

atu

ra

C

Tiempo [minutos]

Entrada Caliente

Entrada Fria

Salida Caliente

Salida Fria

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15

Tem

per

atu

ra

C

Tiempo [minutos]

Entrada Caliente

Entrada Fria

Salida Caliente

Salida Fria


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2. Graficar el coeficiente global experimental en funcin del flujo de agua fra.

Figura 7. Coeficiente global experimental vs. Caudal de agua fra

VIII. ANLISIS DE RESULTADOS

En base a las Figuras 5 y 6 se observa que el sistema tiende a estabilizarse.

Al estabilizarse las temperaturas, se ha calculado que la eficiencia del intercambiador disminuye

cuando aumenta el flujo de agua fra.

El calor perdido por el agua caliente es mayor cuando el caudal fro aumenta. Sin embargo el calor

ganado por el agua fra es menor.

En la figura 6 se observa que la temperatura de entrada de agua caliente se mantiene constante, a

diferencia de la figura 1 en donde dicha temperatura tiene una pendiente positiva.

En general todos los coeficientes de transferencia de calor aumentan conforme se incrementa el

flujo del agua fra.

En la figura 7 se observa el incremento del coeficiente global de transferencia de calor en funcin

del aumento del caudal de agua fra.

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

0 1 2 3 4 5

Co

oef

icie

nte

glo

bal

de

tran

sfer

enci

a d

e C

alo

r W

/m^2

K

Caudal de agua fra l/min


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IX. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Paulo Castro:

Conclusiones:

- El intercambiador es menos eficiente cuando tiene un mayor caudal de agua fra porque no

hay una transferencia de calor eficaz al fluido de menor temperatura, sin embargo se tiene

una mayor prdida de calor de fluido caliente. Por lo que si el objetivo es enfriar un fluido

conviene tener una menor eficiencia pero si el objetivo es calentar un fluido entonces se

debe disminuir el caudal de agua fra.

- El coeficiente global de transferencia de calor Uo calculado en la prctica aumenta

alrededor de 8 [w/m2k] cuando se incrementa al doble el caudal de agua fra, cambiando de

98 a 106 [w/m2k].

- El coeficiente global de transferencia de calor no da una idea de la eficiencia del

intercambiador sino solo cuanto calor se transfiere en general porque como se observa en

los clculos, cuando aumenta el coeficiente global de transferencia, la eficiencia

disminuye.

Recomendaciones:

- Se recomienda acoplar el intercambiador a un desage para evitar vaciar el balde con agua

cada cierto tiempo.


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Santiago Jaramillo:

Conclusiones:

- El coeficiente global de transferencia de calor Uo calculado experimentalmente es de 98.04

[w/m2k] cuando los caudales son iguales; y es de 106.03 [w/m2k] cuando el caudal fro se

duplica.

- La eficiencia del intercambiador baja cuando aumenta el caudal de agua fra porque si bien

el calor perdido por el agua caliente es mayor, el calor ganado por el agua fra es menor.

Esto se debe a que el agua fra tiene un menor tiempo de contacto con el tubo de agua

caliente causando que la transferencia de calor al fluido de menor temperatura sea ineficaz.

- Los datos calculados no son confiables porque los valores de caudal nunca llegaron a una

estabilizacin, estos presentaban variaciones significativas durante toda la prctica, por lo

que decir que los flujos eran iguales o que uno era el doble que el otro es un error.

Recomendaciones:

- Se recomienda utilizar una vlvula que permita tener una mayor precisin en la regulacin

del caudal.


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Christian Mendoza:

Conclusiones:

- El intercambiador de tubos y coraza es el ms aplicado en la industria debido a su mayor

eficiencia frente a otros tipos de intercambiadores de calor.

- Dentro de los intercambiadores de tubos y carcaza el de tubos en u tiene mayor

transferencia porque una seccin de las tuberas se encuentran en paralelo con el flujo de la

carcasa mientras que la otra seccin en contraflujo aumentando as el rea de transferencia

por conveccin del sistema.

- Para diferentes tipos de fluidos el de mayor densidad debe circular por la carcasa y el de

menor densidad por los tubos de esta manera se asegura una mejor circulacin y por ende

mejor transferencia de calor

Recomendaciones:

- Se recomienda realizar la toma de temperaturas con el medidor de temperatura de manera

rpida tratando de mantener la misma distancia desde el tubo hacia el instrumento y

manteniendo el instrumento de manera perpendicular al tubo.


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Javier Proao:

Conclusiones:

- Se pudo verificar que el sistema de flujo cruzado del intercambiador de tubos y

coraza es muy eficiente en comparacin con los otros medios existentes para la

trasferencia de calor.

- El intercambiador de coraza y tubos es el ms usado ya que se puede adaptar a

cualquier tipo de aplicacin y tambin porque tiene una eficiencia muy grande en

comparacin a las otras disposiciones.

- Se verifico que el coeficiente global de trasferencia de calor es alto en comparacin

con otros sistemas con lo cual se puede afirmar que este sistema de trasferencia de

calor es mucho ms eficiente que otros sistemas.

Recomendaciones:

- Colocar termocuplas acopladas al equipo en los sitios donde se toma la

temperatura con el pirmetro para que sean un poco ms exactas y no tan

aleatorios los valores.

- Verificar que los tubos internos del intercambiador no estn llenos de lodos debido

a la actividad bacteriana del agua que se usa en el sistema.

REFERENCIAS:

Cengel, Y., & Ghajar, A. (2011). Transferencia de Calor y Masa. Mexico: Mc Graw Hill.

Gonzales, & Mendizabal. (2002). Guia de intercambiadores: tipos generales y aplicaciones.

Venezuela: Universidad Simn Bolivar.

Incropera, F. (2007). Fundamentals of heat and mass transfer. United States of America.


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ANEXOS

Hoja de datos. Prctica N4


17

Detalle de los Clculos (utilizando Mathcad)


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