Informe 2 Calculo de Intercambiadores de Tubos y Coraza

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR II

Informe No. 2CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE

CALOR DE TUBOS Y CORAZA

Grupo No. 2MIntegrantes:

Carlos Aragón Tamara Isch Juan Pablo Pillajo Gabriela Ruiz

Fecha de realización de la práctica:Miércoles, 10 de noviembre de 2010

Fecha de entrega del informe:Miércoles, 17 de noviembre de 2010

NOTAPresentación

ResumenTeoría

DiscusiónConclusiones

CálculosColoquios

TOTAL

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALLaboratorio de Transferencia de Calor II

Índice

1. OBJETIVOS.....................................................................................................................................................................3

1.1. OBJETIVO GENERAL........................................................................................................................................3

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS..............................................................................................................................3

2. RESUMEN.......................................................................................................................................................................3

3. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................................................... 4

4. FUNDAMENTO TEÓRICO........................................................................................................................................4

4.1. INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA.............................................................................................4

4.2. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR...............................................................6

4.3. DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGARÍTMICA............................................................6

4.4. RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO.........................................................................................................6

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL....................................................................................................................7

6. ESQUEMA DE LOS EQUIPOS..................................................................................................................................7

7. DATOS EXPERIMENTALES.....................................................................................................................................8

8. RESULTADOS.............................................................................................................................................................11

9. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.............................................................................................................................13

10. CONCLUSIONES........................................................................................................................................................15

11. RECOMENDACIONES.............................................................................................................................................15

12. BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................................................................... 15

13. ANEXOS........................................................................................................................................................................ 16

13.1. EJEMPLO DE CÁLCULO...........................................................................................................................16

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CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DECÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y CORAZATUBOS Y CORAZA

1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL

Analizar la transferencia de calor entre agua fría y una solución de agua – etilenglicol (80 – 20) a diferentes temperaturas en un intercambiador de tubos y coraza con deflectores en las configuraciones en contracorriente y paralelo.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Medir las temperaturas de entrada y de salida de los líquidos que fluyen a través de los tubos y de la coraza; y el caudal de dichos líquidos.

Determinar la temperatura de entrada y de salida de cada fluido en el sistema, cuando éste ha llegado al estado estacionario.

Representar gráficamente la distribución de temperaturas del intercambiador de calor para las configuraciones en contracorriente y paralelo.

Determinar el valor de los coeficientes peliculares de transferencia de calor por convec-ción para el fluido que viaja por los tubos y para el fluido que viaja por la coraza.

Calcular los coeficientes globales de transferencia de calor sucio y limpio del sistema para el intercambiador de calor en las configuraciones contracorriente y paralelo.

Calcular la resistencia al ensuciamiento del intercambiador para cada configuración. Calcular la caída de presión del sistema, por los tubos y por la coraza, en las configuracio-

nes en contracorriente y paralelo. Determinar la eficiencia del sistema para flujos en contracorriente y paralelo. Demostrar experimentalmente que la configuración en contracorriente es más eficiente

que la configuración en paralelo. Comprobar si el intercambiador de tubos y coraza es más eficiente respecto al intercam-

biador de tubos concéntricos.

2. RESUMEN

En la presente práctica se estudió la transferencia de calor entre una mezcla de agua - etilengli-col y agua, la última a menor temperatura, en un intercambiador de calor de tubos y coraza en las configuraciones paralelo y en contracorriente. Para esto se conectó las mangueras de obtura-ción propia, fijando un flujo en contracorriente para el intercambiador de calor de tubos y cora-za. Entonces, se accionó las bombas de los fluidos frío y caliente, y se tomó las lecturas de tempe-ratura de los termómetros cada 2 minutos, hasta que el sistema llegó al equilibrio. Luego se cam-bió la configuración del intercambiador de calor a paralelo, cambiando la conexión de las man-gueras de obturación propia, y se repitió el proceso. Con los datos obtenidos experimentalmente se determinó el valor de los flujos calóricos para las configuraciones en paralelo y en contraco-rriente, además de la diferencia de temperaturas media logarítmica, los coeficientes peliculares de convección, el coeficiente global de transferencia de calor, la resistencia al ensuciamiento, la eficiencia y la caída de presión por el lado de los tubos y por el lado de la coraza del intercambia-dor en cada configuración. Así, se llegó a comprobar que la configuración en contracorriente es

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la más eficiente, pero que el intercambiador de calor no cumple con todas los parámetros que se evalúan en la transferencia de calor.

3. INTRODUCCIÓN

Como resultado de una diferencia de temperatura entre cuerpos materiales se lleva a cabo un intercambio de energía, que termodinámicamente se conoce como calor. En base a los conoci-mientos adquiridos en transferencia de calor se puede predecir la rapidez con la que, bajo condi-ciones específicas, tiene lugar esa transferencia, además de otros parámetros importantes como el valor del coeficiente global de transferencia de calor o de coeficientes peliculares. [3]

La aplicación de los principios de la transferencia de calor al diseño de equipos destinados a cubrir un objetivo determinado en ingeniería es de capital importancia, porque al aplicar los principios al diseño el individuo está trabajando en la consecución del importante logro que su-pone el desarrollo de un producto para obtener provecho económico. A la postre, la economía juega un papel clave en el diseño y selección de equipos de transferencia de calor, y el ingeniero debería tener esto en cuenta al abordar cualquier problema nuevo de diseño de transferencia de calor. El peso y el tamaño de los intercambiadores de calor empleados en el espacio o en aplica-ciones aeronáuticas son parámetros fundamentales, y en estos casos las consideraciones de los costes de material y fabricación del cambiador de calor quedan frecuentemente subordinados a aquéllos; sin embargo, el peso y el tamaño son factores de coste importantes dentro de la aplica-ción global en estos campos, y deben seguir considerándose como variables económicas. [1]

Por eso en la presente práctica se pretende aprovechar el intercambio de energía entre agua fría y una mezcla caliente de etilenglicol - agua, a fin de estudiar la transferencia de calor entre un flujo caliente y un flujo frío en un intercambiador de calor de tubos y corazas y evaluar qué confi-guración beneficia más al proceso. Así, se adoptarán algunos de los criterios con los que se pue-de determinar la rentabilidad de un equipo de ingeniería, además de los principios que se deben considerar en el diseño de un intercambiador de calor.

4. FUNDAMENTO TEÓRICO

4.1. INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA

Un intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes evitando que se mezclen entre sí. El intercambia-dor de tubos y coraza es el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones indus-triales. Está compuesto por gran cantidad de tubos contenidos en un casco o coraza. Los tubos se disponen con sus ejes paralelos al eje del casco.

En este tipo de intercambiadores, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por una pared metálica y tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por el interior de los tubos mientras que el otro se mueve por fuera de éstos. Para asegurar que el fluido por el lado de la coraza fluya a través de los tubos e induzca una mayor transferencia de calor, se colocan deflec-tores ó placas verticales.

Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador, las diferencias dependen de la distri-bución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. En cuanto al pri-

4

(a) (b)


mer punto, se puede encontrar intercambiadores con flujo paralelo y en contracorriente, y en cuanto a los detalles de construcción existen intercambiadores de paso múltiple, se clasifican por el número de pasos por el casco y por el número de pasos por los tubos, estos pasos son pa-res y la configuración de flujo es siempre en contracorriente. A continuación se presenta en la Figura 4.1 una representación de las configuraciones en paralelo y en contracorriente.

Figura 4.1. Configuraciones de un intercambiador de calor:a) Circulación en Paralelo, b) Circulación en Contracorriente

Donde T cE y T cS representan las temperaturas de entrada y de salida del fluido caliente, mien-tras que T f E y T f S son las temperaturas de entrada y salida del fluido frío.

Suponiendo que el intercambiador ha llegado a las condiciones de estado estable y que no exis-ten pérdidas de calor hacia el exterior, se tiene que el calor entregado por el fluido caliente y recibido por el fluido frío está dado por la siguiente ecuación:

Q=−mCC pC∆T C=mf C p f ∆T f4.1

Donde m se refiere al flujo másico de cada corriente, Cp es la capacidad calorífica y ∆T se refie-re a la diferencia de temperaturas a la entrada y salida del intercambiador para el fluido caliente y para el fluido frío.

Por otra parte, la ecuación de diseño para un intercambiador de calor está dada por la expresión:

Q=U ∙ AT ∙∆T lm4.2

DondeU es el coeficiente global de transferencia de calor, AT el área de transferencia y ∆T lm es la diferencia de temperaturas media logarítmica. En seguida se describe a cada uno de ellos.

En el diseño de un intercambiador de calor se deben determinar los siguientes parámetros:

Parámetros que definen la eficiencia: factor de traspaso, diferencia de temperaturas Factores límites: caída de presión, velocidad, viscosidad Configuración del intercambiador: paralelo, serie Tipo de superficie de transferencia de calor Dimensiones del intercambiador

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Coeficiente Global de Transferencia de Calor Diferencia de Temperaturas Media Logarítmica Resistencia al Ensuciamiento

4.2. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Para evaluar el intercambio calórico en un intercambiador de calor es necesario unificar los co-eficientes de transferencia de calor para los tres tipos de mecanismos. Ello lleva a definir el con-cepto de Coeficiente Global de Transferencia de Calor, que engloba a los coeficientes de convec-ción peliculares (hi, he) y al coeficiente de conducción (k) en la siguiente ecuación:

U= 11hi

+ek+1he

4.3

4.3. DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGARÍTMICA

Para dos arreglos básicos simples, como los mostrados en la Figura 4.1 o como los desarrollados en la presente práctica, la diferencia media logarítmica viene dada por la siguiente ecuación:

∆T lm=∆T 1−∆T 2

ln(∆T 1∆T 2 ) 4.4

Donde ∆T 1 es la variación de temperatura a la entrada del intercambiador, mientras que ∆T 2 es la variación de temperatura a la salida del intercambiador. Así, la diferencia involucra a las tem-peraturas de entrada y salida de los fluidos, cuyos valores pudieron ser fácilmente obtenidos.

4.4. RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO

Habrá una tendencia a adquirir incrustaciones debido a suspensiones presentes en los fluidos que circulan por el interior del intercambiador. Por tanto, es necesario considerar la resistencia al ensuciamiento (RE), ya que afecta directamente en la eficiencia real que el equipo alcanzará durante su operación. El coeficiente global de transferencia de calor sucio (o de operación) está relacionado con el de diseño (o limpio) según lo indica la siguiente expresión:

1UOperaci ón

= 1U Dise ño

+RE4.5

Un valor negativo para la resistencia de ensuciamiento indica un subdimensionamiento del in-tercambiador debido a que los coeficientes de transferencia de calor por convección, interno y externo, que fueron considerados para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor de diseño son menores a los que en realidad actúan durante su la operación del equipo.

Conforme opera el intercambiador, la película de incrustaciones aumenta de espesor, de modo que los coeficientes de transferencia de calor por convección disminuirán de tal forma que, en algún momento, la resistencia al ensuciamiento llegará a ser negativa. Ello indicará, como se

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mencionó en el párrafo anterior, que el equipo está subdimensionado y que es necesario darle mantenimiento o reemplazarlo a fin de que la transferencia de calor sea la que se espera.

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El procedimiento experimental seguido durante el desarrollo de la práctica fue el siguiente:

1. Se identificó todas las partes del equipo, especialmente los puntos y fluidos a los que corresponde cada termómetro.

2. Se conectó las mangueras de obturación propia, fijando un flujo en contracorriente para el intercambiador de calor de tubos y coraza.

3. Se accionó las bombas de los fluidos frío y caliente.4. Se tomó las lecturas de temperatura de los termómetros cada 2 minutos, hasta que el

sistema llegó al equilibrio, esto es, cuando las temperaturas de entrada y de salida de cada fluido se mantuvieron constantes.

5. Se apagó las bombas.6. Se cambió la configuración del intercambiador de calor, para lo cual se desconectó y co-

nectó las mangueras de obturación propia fijando un flujo en paralelo.7. Se repitió el procedimiento experimental, desde los pasos 3 – 5.8. Se desconectó el sistema y se apagó el equipo.

6. ESQUEMA DE LOS EQUIPOS

El equipo de laboratorio consiste de un intercambiador de calor de tubos y coraza con deflecto-res transversales. Consta de cinco tubos de cobre dentro de un cuerpo cilíndrico del mismo ma-terial, que contiene deflectores transversales equidistantes a lo largo del intercambiador.

A continuación se presentan, en las Figuras 6.1 y 6.2, el esquema de instalación de los equipos utilizados para el cálculo de intercambiadores de calor de tubos concéntricos.

7


Figura 6.2. Esquema de instalación del equipo utilizado en la presente práctica

Figura 6.3. Esquema del equipo

8

7

2 3

54

6

1

8

19


Complementariamente a lo mostrado en las Figuras 6.1 y 6.2 se presentan a continuación, en la Tabla 6.1, datos respectivos a los equipos utilizados en la práctica. Estos se refieren al número con el que cada material fue designado en la figura anterior, a la cantidad y al nombre del mismo.

Tabla 6.1. Equipos utilizados en el cálculo de Intercambiadores de calor de Tubos concéntricos

Número Cantidad Nombre del Equipo1 2 Sistema de control eléctrico2 2 Termómetro a la entrada del intercambiador3 2 Termómetro a la salida del intercambiador4 1 Rotámetro correspondiente al fluido frío5 1 Rotámetro correspondiente al fluido caliente6 1 Intercambiador de calor de tubos y coraza7 4 Mangueras de obturación propia8 1 Tanque de almacenamiento del fluido caliente9 1 Tanque de almacenamiento del fluido frío

10 2 Bombas

Adicionalmente a esto, se empleó un cronómetro.

7. DATOS EXPERIMENTALES

A continuación se presenta, en la Tabla 7.1, las especificaciones del intercambiador de calor utili-zado. Éstas se refieren al número de tubos, al diámetro interno y externo de los tubos y de la coraza, a la longitud del intercambiador de calor y al tipo de deflectores.

Tabla 7.2. Especificaciones del equipo

Tubos CorazaLongitud (mm) 600 Diámetro interno (mm) 73Número de tubos 5 Espesor (mm) 1,6Separación (mm) 25 Número de deflectores 3Diámetro externo (mm) 22 Espaciamiento (mm) 150,0Diámetro interno (mm) 20,2 L* (m) 0,00911Área de flujo total (m2) 0,001602 Área de flujo total (m2) 0,00131

Los datos experimentales obtenidos durante la realización de la práctica se detallan a continua-ción, en las Tablas 7.2 y 7.3. Éstos se refieren a las temperaturas de entrada (T entrada) y de salida (T salida) de los fluidos frío y caliente, y de sus caudales respectivos (Q), en cada uno de los tiempos indicados (t) para las configuraciones en contracorriente y en paralelo, respectiva-mente, del intercambiador de tubos y coraza.

Tabla 7.3. Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente del intercambiador de tubos concéntricos en contracorriente

Fluido Frío Fluido Caliente

t (min)T entrada

(℃)T salida

(℃)Q (L/s)

T entrada (℃)

T salida (℃)

Q (L/s)

0 7,0 8,5 0,725 30,5 27,0 0,355

9


2 8,5 9,8 0,725 30,0 26,5 0,3044 9,5 10,5 0,725 31,0 28,0 0,2956 10,0 11,0 0,725 31,5 28,5 0,2788 10,0 11,5 0,725 32,0 28,5 0,255

10 10,0 11,5 0,725 32,0 28,5 0,24512 10,0 11,5 0,725 32,0 28,5 0,258

10,0 11,5 0,725 32,0 28,5 0,253

Tabla 7.4. Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente del intercambiador de tubos concéntricos en paralelo

Fluido Frío Fluido Caliente

t (min)T entrada

(℃)T salida

(℃)Q (L/s)

T entrada (℃)

T salida (℃)

Q (L/s)

0 9,8 11,0 0,725 31,0 28,0 0,3102 10,2 11,5 0,725 31,5 29,0 0,2904 10,5 12,0 0,725 31,0 28,0 0,2956 11,0 12,5 0,725 31,0 28,5 0,3008 11,5 12,5 0,725 31,0 28,5 0,292

10 11,9 13,0 0,725 32,0 29,0 0,27812 12,0 13,0 0,725 32,0 29,0 0,25814 12,0 13,0 0,725 32,0 29,0 0,265

12,0 13,0 0,725 32,0 29,0 0,262

Finalmente se detallan a continuación, en las Tablas 7.4 y 7.5, las propiedades de los fluidos frío y caliente a la temperatura representativa, es decir, a la temperatura media para el agua y a la temperatura calórica para la mezcla de agua – etilenglicol, para las configuraciones en contraco-rriente y en paralelo respectivamente. Se incluyen además las propiedades del agua a la tempe-ratura correspondiente, con las que se determinará si el fluido es o no viscoso.

Tabla 7.5. Propiedades de los fluidos frío y caliente a la temperatura media/calórica para el intercambiador de tubos concéntricos en contracorriente1

Fluido Frío Fluido CalienteTemperatura

media/calórica (°K)283,75 303,02

k (W /m° K ) 0,577 0,544

ρ(kg/m3) 1000,00 1021,99Cp(J / kg°K ) 4194,75 3956,14μ(kg/ms) 0,0013 0,0011Pr 9,4250 7,9870

ρ agua(kg /m3) 1000,0000 996,0250μagua(kg/ms) 0,0013 0,0008111mCp(W /° K) 2332,3640 999,5846

1 FUENTE: MILLS A.F., 1995, “Transferencia de Calor”, 1ª ed., Editorial McGraw Hill, México D.F., México, Apéndice A, Pág. 874

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Tabla 7.6. Propiedades de los fluidos frío y caliente a la temperatura media/calórica para el intercambiador de tubos concéntricos en paralelo

Fluido Frío Fluido CalienteTemperatura

media/calórica (°K)285,50 303,14

k (W /m° K ) 0,577 0,544

ρ(kg/m3) 1000,00 1021,94Cp(J / kg°K ) 4194,75 3956,87μ(kg/ms) 0,0013 0,001098Pr 9,4250 7,9711

ρ agua(kg /m3) 1000,0000 996,0250μagua(kg/ms) 0,0013 0,0008111mCp(W /° K) 3104,1629 1034,7210

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8. RESULTADOS

En seguida se presenta, en las Tablas 8.1 y 8.2, las temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente, una vez que se ha llegado al equilibrio, para las configuraciones en contra-corriente y en paralelo del intercambiador.

Tabla 8.7. Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente(Sistema Internacional)

ConfiguraciónFluido frío Fluido caliente

T entrada (℃)

T salida (℃)

T media (℃)

T entrada (℃)

T salida (℃)

T media (℃)

T calórica (℃)

Contracorriente

10,0 11,5 10,75 32,0 28,5 30,25 30,02

Paralelo 12,0 13,0 12,5 32,0 29,0 30,5 30,14

Tabla 8.8. Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente(Sistema Inglés)

ConfiguraciónFluido frío Fluido caliente

T entrada (℉)

T salida (℉)

T media (℉)

T entrada (℉)

T salida (℉)

T media (℉)

T calórica (℉)

Contracorriente

50 52,7 51,35 89,6 83,3 86,45 86,04

Paralelo 53,6 55,4 54,5 89,6 84,2 86,9 86,25

A partir de la información tabulada en las Tablas 8.1 y 8.2 se presenta, a continuación, las Figu-ras 8.1 y 8.2, en las que se muestra la distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador de calor de tubos y coraza para las configuraciones en contracorriente y en paralelo respectiva-mente.

-0.399999999999999

0.100000000000001

0.6000000000000010

102030

Temperatura vs LongitudConfiguración en Contracorriente

Fluido CalienteFluido Frío

L (m)

T (

°C)

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Figura 8.4. Distribución de temperaturas en el Intercambiador de calor de tubos y corazas para la configuración en contracorriente

-0.399999999999999

0.100000000000001

0.6000000000000010

102030

Temperatura vs LongitudConfiguración en Paralelo

Fluido CalienteFluido Frío

L (m)

T (

°C)

Figura 8.5. Distribución de temperaturas en el Intercambiador de calor de tubos y corazas para la configuración en contracorriente

En las Tablas 8.3 y 8.4 se muestran, a continuación, los valores del flujo calórico (Q), el flujo má-sico (m) y el caudal (Q) de los fluidos frío y caliente en las configuraciones en contracorriente y en paralelo para los sistemas internacional e inglés respectivamente.

Cabe indicar que cada uno de los valores tabulados son determinados para cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio.

Tabla 8.9. Calor transferido entre los fluidos, flujo másico y caudal de los fluidos frío y caliente(Sistema Internacional)

Configuración Q (W )Fluido caliente Fluido frío

QC( Ls ) mC( kgs ) QF( Ls ) mF ( kgs )Contracorrient

e3498,5460 0,253 0,2527 0,725 0,5560

Paralelo 3104,1629 0,262 0,2615 0,725 0,7400

Tabla 8.10. Calor transferido entre los fluidos, flujo másico y caudal de los fluidos frío y caliente(Sistema Inglés)

Configuración Q( BTUh )Fluido caliente Fluido frío

QC( f t 3s ) mC( lbs ) QF( f t 3s ) mF ( lbs )Contracorriente

11939,8018

0,0089 0,5570 0,0256 1,2258

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Paralelo10593,855

30,0092 0,5765 0,0256 1,6314

A continuación se presentan, en las Tablas 8.5 y 8.6 los resultados finales obtenidos para el in-tercambiador de calor de tubos y coraza en las configuraciones en contracorriente y paralelo para los sistemas internacional e inglés respectivamente.

Tabla 8.11. Resultados finales (Sistema Internacional)

Configuración Contracorriente Paralelo∆T lm (℃ ) 19,4829 17,9257vC (m / s) por el lado de los tubos 0,1543 0,1597vF (m /s ) por el lado de la coraza 0,4232 0,5632

hiC(W /m2 ° K ) 423,1555 427,9297

heC(W /m2 ° K ) 3226,7009 3775,0208

U Sucio (W /m2° K ) 866,0447 835,1703

U Limpio (W /m2 ° K ) 374,0959 384,3594

RE (m2° K /W ) −1,52×10−3 −1,40×10−3

∆ PLadodelos tubos (N /m2 ) 7202,72057 7715,49807

∆ PLadodela coraza (N /m2 ) 1236,7245 2190,63145

ε 15,9091% 15,0000%

Tabla 8.12. Resultados finales (Sistema Inglés)

Configuración Contracorriente Paralelo∆T lm (℉ ) 35,0692 32,2662vC ( ft /s ) por el lado de los tubos 0,5062 0,5239vF ( ft /s ) por el lado de la coraza 1,3883 1,8477

hiC(BTU / ft2h℉ ) 74,5222 75,3630

heC(BTU / ft2h℉ ) 568,2506 664,8146

U Sucio (BTU / ft2h℉ ) 152,5483 147,1099

U Limpio (BTU / ft2h℉ ) 65,8822 67,6897

RE (ft2h℉ /BTU ) −8,62×10−3 −7,98×10−3

∆ PLadodelos tubos ( psi ) 1,0447 1,1190∆ PLadodela coraza (psi ) 0,1794 0,3177ε 15,9091% 15,0000%

9. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Se observa en las Tablas 7.2 y 7.3 que el caudal del fluido caliente no se mantuvo cons-tante debido al mal estado de la bomba. Lo mismo sucedió con el fluido frío, sólo que, debido a inconvenientes con el rotámetro que le correspondía, no se pudo tomar el valor del caudal en cada tiempo. Esto puede ser la causa de errores en los resultados obtenidos experimentalmente, y también fluctuaciones y problemas en la transferencia de calor.

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Como se puede observar en las Tablas 7.2 y 7.3, la temperatura de entrada del fluido caliente no se distancia mucho de la temperatura de salida del mismo, lo cual indica que el intercambiador de calor no fue muy eficiente, sea por los bajos flujos por los que se trabajó o por la similitud en el valor de las propiedades físicas de los fluidos que se selec-cionaron, sobretodo en la capacidad calorífica.

En las Tablas 7.2 y 7.3 se observa también que el sistema no tomó más de 15 minutos llegar al estado estacionario en el intercambiador de calor de tubos y corazas, lo cual es bueno ya que, hablando a nivel industrial, eso implica costos. No sucedió lo mismo con el intercambiador de calor de tubos concéntricos, para el cual el sistema estacionario tomó alrededor de 20 minutos.

En las Tablas 8.1 y 8.2 se observa que la temperatura calórica del fluido caliente es un tanto menor a la temperatura calórica, por lo cual se pudo hacer los cálculos sin necesi-dad de calcular factores controlantes. Sin embargo, considerar todos los aspectos dismi-nuyen el error que se puede cometer en cuanto a los resultados.

Se puede ver en las Tablas 8.1 y 8.2 que la temperatura de salida del fluido caliente es menor para la configuración en contracorriente que para la configuración en paralelo, bajo una misma temperatura de entrada, lo que sugiere que, si el objetivo es enfriar el fluido caliente, la configuración en contracorriente es la más eficiente.

En las Figuras 8.1 y 8.2 se ve que la distribución de temperaturas obtenida para las confi-guraciones en contracorriente y en paralelo es igual a la esperada.

Se observa en las Tablas 8.3 y 8.4 que el calor transferido entre los fluidos es mayor para la configuración en contracorriente que para la configuración en paralelo. Si bien los flujos másicos de los fluidos caliente y frío no son iguales, sí se aproximan, por lo que se puede decir que el intercambiador de calor en contracorriente es más efectivo.

Los valores de la velocidad por el lado de los tubos y por el lado de la coraza presentados en la Tabla 8.6 son mucho menores a los especificados en las referencias bibliográficas, las cuales indican que cuando los fluidos son agua, estas velocidades deben estar com-prendidas en el rango de 2 a 4 ft/s para el lado de la coraza y entre 3 y 6 ft/s para el lado de los tubos. Esto sugiere que ni la configuración en contracorriente ni la configuración en paralelo hacen del intercambiador de calor un equipo válido.

Las pequeñas variaciones de temperatura de los fluidos frío y caliente evidencian que la transferencia de calor en el intercambiador de tubos y coraza utilizado es ineficiente. Esto se comprueba con el valor de la eficiencia, mostrado en las Tablas 8.5 y 8.6, mucho menor a 70% para las configuraciones en contracorriente y en paralelo, aunque se ob-serva que la configuración en contracorriente es menos ineficiente que la configuración en paralelo.

En las Tablas 8.5 y 8.6 se observa que el valor de la diferencia de temperatura media logarítmica para la configuración en contracorriente es mayor que la correspondiente al arreglo en paralelo, lo cual confirma nuevamente que la configuración en contracorriente es la menos ineficiente.

También se observa en las Tablas 8.5 y 8.6 que la resistencia al ensuciamiento calculada tiene un valor negativo, ya que el coeficiente global de transferencia de calor real (sucio) es mayor al coeficiente global de transferencia de calor de diseño (limpio). Esto indica que el intercambiador de calor estudiado no tiene la capacidad de resistir más ensuciamiento, lo que afecta significativamente a la cantidad de calor transferido entre los dos fluidos. Posiblemente el tiempo de operación del intercambiador de calor con el que se trabajó amerita un mantenimiento más minucioso y que los fluidos con los que se trabaje sean más limpios, es decir, más puros y de una dureza mínima.

En las Tablas 8.5 y 8.6 se evidencia que la caída de presión es muy pequeña, tanto por el lado de los tubos como por el lado de la coraza para las dos configuraciones analizadas.

15


Esto es resultado de que los flujos con los que se trabajó son relativamente bajos y no provocan una considerable variación de la presión, además de que al ser líquidos, son fluidos incompresibles. Cabe recordar que la máxima caída de presión permisible para este tipo de intercambiador corresponde a 10 psi, por tanto la caída de presión no constituye un problema bajo las condiciones que opera el intercambiador.

Comparando entre la configuración en contracorriente y la configuración en paralelo, se observa en la Tabla 8.6 que la caída de presión, ya sea por el lado de los tubos o por el lado de la coraza, es mayor para el régimen en paralelo, lo que demuestra una vez más que, aunque dichas caídas de presión no son considerables, la configuración en contraco-rriente es más eficiente.

El intercambiador de tubos y coraza que se dispone en el laboratorio es ineficiente, lo que hace que el fluido caliente no se enfríe significativamente. Sin embargo, se evidencia que la configuración en contracorriente es más eficiente que la configuración en paralelo.

10. CONCLUSIONES

El intercambiador de tubos y coraza analizado es un equipo ineficiente, tal como lo refle-jan los valores de eficiencia de 15,9% para el caso de la configuración en contracorriente y del 15,00% para el arreglo en paralelo, si los fluidos de trabajo son agua fría y una mez-cla de etilenglicol – agua caliente.

Las velocidades de flujo tanto por el lado de los tubos como por el lado de la coraza no caen en los rangos establecidos, lo cual indica que los flujos empleados no son los reque-ridos para que el intercambiador funcione bajo condiciones óptimas.

Las incrustaciones en el intercambiador de calor hacen que la resistencia al ensuciamien-to presente un valor negativo, lo que indica que en las condiciones actuales este equipo ya no tiene capacidad de soportar incrustaciones.

La caída de presión bajo las condiciones que opera el intercambiador tanto por el lado de los tubos y por el lado de la coraza está dentro del rango establecido, lo que indica que desde este punto de vista el intercambiador no presenta problemas.

Pese a su ineficiencia, se logró demostrar experimentalmente que el intercambiador de calor de tubos y coraza en contracorriente es más eficiente (o menos ineficiente) que el intercambiador de calor de tubos y coraza en paralelo.

11. RECOMENDACIONES

Fijar un intervalo de tiempo de máximo 2 minutos para leer la temperatura que marcan los termómetros, a fin de que no se tenga que repetir la toma de los datos debido a que las bombas utilizadas no están en perfecto estado.

Comprobar que se ha llega al estado estacionario con el menos tres temperaturas iguales para la entrada y la salida de cada uno de los fluidos, ya que si bien para un caso se puede mantener constante, no necesariamente sucede lo mismo para los otros.

Realizar un mantenimiento minucioso al intercambiador de calor de calor de tubos y coraza, no sólo porque los resultados obtenidos en la práctica pueden ser erróneos, sino porque también, hablando ya a nivel industrial, las incrustaciones hacen que la transfe-rencia de calor sea ineficiente y que las temperaturas finales esperadas no sean las ade-cuadas.

16


12. BIBLIOGRAFÍA

[ 1 ]. HOLMAN, J.P., “Transferencia de Calor”, octava edición, editorial McGraw Hill/Interamericana de España, Madrid, España, 1998, pp. 379 – 409

[ 2 ]. INCRÓPERA, Frank, DEWITT, David, “Fundamentos de transferencia de calor”, cuarta edición, Editorial Prentice Hall, México D.F., México, 1999, pp. 582 – 619

[ 3 ]. KERN, Donald, “Transferencia de Calor”, primera edición, Compañía editorial Continental S.A., México D.F., México, 1999, pp. 131 – 159

[ 4 ]. BONILLA OMAR, “Folleto de Transferencia de Calor”, Escuela Politécnica Nacional, pp. 12, 16, (Noviembre, 2010)

[ 5 ]. MILLS A.F., 1995, “Transferencia de Calor”, 1ª ed., Editorial McGraw Hill, México D.F., México, Apéndice A, Pág. 874

13. ANEXOS

13.1. EJEMPLO DE CÁLCULO

CONFIGURACIÓN EN CONTRACORRIENTE

1) Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos caliente y frío cuando el siste-ma ha alcanzado el equilibrio

Evidentemente las temperaturas de entrada y de salida los fluidos caliente y frío cuando éste ha alcanzado el equilibrio van a ser los últimos valores medidos, ya que son precisamente éstos los que se mantuvieron constantes. Por lo tanto, si T CE

es la temperatura caliente de entrada, T CS es

la temperatura caliente de salida, T f E es la temperatura fría de entrada y T f S es la temperatura

fría de salida, se tiene que:

T CE=32,0℃

T CS=28,5℃

T f E=10℃

T f S=11,5℃

2) Temperatura media/calórica de los fluidos frío y caliente

Para determinar el valor de la temperatura media de cada uno de los fluidos, simplemente se calcula el promedio entre las temperaturas de entrada y de salida de cada fluido. Para esto, se aplica la siguiente ecuación:

T C=TC E

+T CS

2

T C=32,0℃+28,5℃

2

17


T C=30,25℃=303,25℃

T f=T f E

+T f S

2

T f=10,0+11,5℃

2

T f=10,75℃=283,75℃

Sin embargo, si se analizan las propiedades tabuladas en la Tabla 7.4 se observa que para el flui-do caliente, que corresponde a la mezcla de etilenglicol – agua, la viscosidad del fluido es mayor a la viscosidad del agua, de modo que se trata de un fluido viscoso. Por lo tanto, sus propiedades no se deben evaluar a la temperatura media sino más bien a la temperatura calórica, la que se calcula de la siguiente manera:

ρFluido60℉=1023,67 kg/m3

ρAgua60℉=999,29kg /m3

SC=ρFluidoCaliente60℉

ρAgua60℉

=1023,67kg /m3

999,29 kg/m3

SC=1 ,0244

∆T=T EC−T SC

=32,0℃−28,5℃

∆T=3 ,5℃=6 ,3℉

SC=1,0244∆T=6,3℉

→kc=1 ,3

∆T f=T CS−T f E

=28,5℃−10℃

∆T f=18 ,5℃

∆T C=T CE−T f S

=32℃−11,5℃

∆T C=20 ,5℃

∆T f

∆T C

=18,5℃20,5℃

→∆T f

∆T C

=0 ,902

kC=1,3∆T f /∆T C=0,902

→Fc=0 ,435

18


Dado que el agua, o fluido frío, es un líquido no viscoso, el factor controlante determinado para el fluido caliente vendrá al ser el factor controlante mínimo.

T C¿ =T CS

+Fc (T CE−T CS )

T C¿ =28,5℃+0,435 (32,0−28,5℃ )

T C¿ =30 ,023℃

19


3) Flujo másico del fluido caliente

Debido a las dificultades que se presentaron durante la práctica para la mediación del caudal del fluido frío, se determinará el valor del calor transferido entre los dos fluidos a partir de los datos tomados para el fluido caliente.

Dado que la bomba que controlaba el fluido caliente tampoco estaba en perfectas condiciones, ya que el flujo que se emitía no era constante, se va a tomar como valor del caudal el promedio de los caudales que se midieron cuando el sistema ya llegó al estado estacionario, es decir, cuando las temperaturas se mantuvieron constantes. Por lo tanto, si se verifican los datos tabulados en la Tabla 7.2, se tiene que el caudal es:

QC=Qt=8+Q t=10+Qt=12

3

QC=0,255

Ls+0,245 L

s+0,258 L

s3

QC=0 ,253Ls

mC=QC δC

mC=(0,253 Ls )(1021,99 kgm3 )× 1m3

1000 L

mC=0 ,258kgs

4) Calor transferido entre los dos fluidos (Q)

Q=mCp∆T

Q=mCC pC∆T C=mCC pC (TC E−TC S )

Q=(0,258 kgs )(3956,14 Jkg° K ) (32,0℃−28,5℃ )

Q=3575 ,4826W

5) Flujo másico del fluido caliente

Si bien se midió el caudal del fluido frío, debido a los problemas con la bomba y sobre todo con el rotámetro se prefiere

20


mCC pC (TC E−TCS )=mf C p f (T f S

−T f E)

210000lbh

(C pC ) (95℉−T CS )=295000lbh (0,391 BTUlb℉ ) (39−33 )℉

C pC (95−T CS )=3,29557

T CS=87 ,63℉

T C=91 ,31℉

C pC=0 ,448BTUlb℉

6) Eficiencia (ε)

CC=mCC pC→CC=210000lbh (0,448 BTUlb℉ )

CC=94080BTUh℉

C f=mf C pC→C f=295000lbh (0,391 BTUlb℉ )

C f=115345BTUh℉

CC<C f→Cmin=CC=94080BTUh℉

ε=CC (T CE

−T CS )Cmin (TC E

−T f E )=TC E

−TC S

T CE−T f E

ε=95℉−87,63℉95℉−33℉

ε=0,1188

ε=11 ,88%

7) Coeficiente de convección externo (hCe)

21


L¿=8 (0,43 PT

2−π8∅ eTubos

2 )π∅ eTubos

¿

L¿=8¿¿

L¿=0 ,059 ft

C=PT−∅ eTubos

C=1∈−0,75∈¿

C=0 ,25∈¿

AS=∅ iCorazaBC

PT

×1n

∅ iCoraza=15,25∈¿ B=0,61 ftn=1

AS=¿¿

AS=0 ,6112 f t2

0,6112 f t2=∅ iCoraza (0,61 ft ) ¿¿

∅ iCoraza=48 ,095∈¿

ℜ=vC δC L

¿

μC

ℜ=(22707,034 ft

h )(47,72 lb

f t 3 ) (0,059 ft )

1,810lbh ft

ℜ=35321 ,1050>2000

Nu=0,36 Re0,55Pr1 /3

Nu=0,36 (35321,1050 )0,55 (9,67 )1/3

22


Nu=243 ,33

Nu=hCe

L¿

k→hce=

NukL¿

hce=(243,33 )(0,085 BTU

hft℉ )0,059 ft

hce=350 ,561BTU

hf t 2℉

8) Coeficiente de convección interno (hC i)

A f Total=ATubo× ¿Tubos ¿¿ Pasos por lostubos

Tubos ¾ DE, 18 BGW → ∅ iTubo=0,652∈¿

ATubo=π4∅ iTubo2

ATubo=π4

¿¿

ATubo=2,3186×10−3 f t2

¿Tubos=148¿ Pasos por los tubos=2

A f Total=(2,3186×10−3 f t 2 ) (148 )

2

A f Total=0 ,1716 f t2

v f=mf

δ f A f Total

v f=295000

l bh

(55,15 lb

f t 3 ) (0,1716 f t 2 )

23


v f=31171,609fth×

1h3600 s

v f=8 ,659fts

ℜ=v f δ f ∅ iTubo

μ f

ℜ=(31171,609 fth )(55,15 lb

f t 3 )¿¿ℜ=610824 ,235>10000

Nu=0,023 Re0,8 Pr 0,4

Nu=0,023 (610824,235 )0,8 (8,55 )0,4

Nu=2308 ,061

Nu=hC i

∅ iTubo

k→hce=

Nuk∅ iTubo

hc i=(2308,061 )(0,083 BTU

hft℉ )0,652∈×

1 ft12∈¿

¿

hc iC=hc i×∅iTubo

∅ eTubo

hc iC=3525,811BTU

hf t 2℉×0,652∈ ¿

0,75∈¿¿¿

hc iC=3065 ,105BTU

hf t 2℉

9) Coeficiente Global de Transferencia de Calor Limpio (U Limpio)

U Limpio=1

1hc iC

+1hce

24


U Limpio=1

1

3065,105BTU

h f t 2℉

+1

350,561BTU

hf t2℉

U Limpio=314,582BTU

hf t2℉

10)Diferencia de Temperaturas Media Logarítmica (∆T lm)

∆T lm=∆T 1−∆T 2

ln(∆T 1∆T 2 )

∆T lm=56℉−54,63℉

ln( 56℉54,63℉ )

∆T lm=55,312℉

11)Coeficiente Global de Transferencia de Calor Sucio (U Sucio)

Q=U Sucio AT e∆T lmFT

U Sucio=Q

AT e∆T lmFT

AT e=π∅ iTubo LTubo×¿Tubos

AT e=π ¿

AT e=106,103 f t2

Q=mCp∆T=−mCC pC∆TC=mf C pf ∆T f

Q=295000 lbh (0,391 BTUlb℉ )(39−33 )℉

Q=692070 BTUh

25


U Sucio=692070

BTUh

(106,103 f t 2 ) (55,312℉ ) (0,99 )

U Dise ño=119,115BTU

hf t 2℉

12)Resistencia al ensuciamiento (RE)

1U Sucio

= 1U Limpio

+RE

RE=1

U Sucio

− 1UDise ño

RE=1

119,115BTU

h f t 2℉

− 1

314,582BTU

hf t 2℉

RE=0,0052[ BTUhf t 2℉ ]

−1

13)Caída de presión (∆ P)

a) Caída de presión por el lado de la coraza (∆ PC)

∆ PC=f G2∅ iCoraza (N+1 )

5,22×1010∅EqS∅0,14

G=mC

AS

=210000

lbh

0,1938 f t2

G=1,0836×106 lb

hf t 2

n= LB

= 4,2 ft0,61 ft

→n=6,88≈7

N+1=12( Ln )=12( 4,2 ft7 )N+1=7,2

26


∅ Eq=L¿=8(0,43PT

2− π8∅ eTubos

2 )π∅ eTubos

∅ Eq=0,059 ft

SC20 /4=0,779 → De tablas (Manual de Perry)

ReS=∅EqG

μC

ReS=

(0,059 ft )(1,0836×106 lb

hf t2 )1,810

lbhft

R eS=35321,1050

ReS=35321,1050→f=0,0026

∆ PC=(0,0026 )(1,0836×106 lbhf t 2 )

2

¿¿

∆ PC=11,64 psi>10 psi

b) Caída de presión por el lado de los tubos (∆ PTubos)

∆ PTubos=∆ PFricción+∆ PAccesorios

∆ PFricción=f G2LTubos ¿Paso sTubos¿

5,22×1010∅ iTuboS∅0,14

G=mf

A f Total

=295000

lbh

0,1716 f t2

G=1,7191×106 lb

hf t2

SC20 /4=0,866 → De tablas (Manual de Perry)

Re t=∅ iTuboG

μf

27


Re t=¿¿

Re t=610824,235

Re t=610824,235→f =0,00031

∆ PFricción=

(0,00031 )(1,7191×106 lbh f t 2 )

2

(4,2 ft ) (2 )

5,22×1010¿¿

∆ PFric ción=3,133 psi

∆ PAccesorios=∆ P1+∆P2+∆P3

Donde ∆ P1 corresponde a la caída de presión para la entrada y la salida del intercambiador (k=1,6), ∆ P2 responde a la caída de presión a la entrada y salida de los tubos (k=1,5) y ∆ P3 es la caída de presión para la entrada y la salida de los cabezales (k=1).

∆ P1=k 1 v f

2δ f

2 g

∆ P1=1,6 (8,659 fts )

2

(55,15 lbf t 3 )

2(32,174 fts2 )

×1 ft2

¿¿¿

∆ P1=0,714 psi

∆ P2=k2 v f

2δ f

2 g×¿PasosTubos

∆ P2=1,5(8,659 fts )

2

(55,15 lbf t3 )

2(32,174 fts2 )

×2×1 ft2

¿¿¿

∆ P2=1,339 psi

∆ P3=k3 v f

2δf

2g×¿PasosTubos

28


∆ P3=1(8,659 fts )

2

(55,15 lbf t3 )

2(32,174 fts2 )

×2×1 ft2

¿¿¿

∆ P3=0,893 psi

∆ PAcceso r ios=0,714 psi+1,339 psi+0,893 psi

∆ PAccesorios=1,206 psi

∆ PTubos=∆ PFricción+∆ PAccesorios

∆ PTubos=3,133 psi+1,206 psi

∆ PTubos=4,339 ps i<10 psi

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Informe 2 Calculo de Intercambiadores de Tubos y Coraza

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