INTRODUCCIÓN

Es de vital importancia comprender la necesidad que tienen los intercambiadores de calor en nuestro medio. Ya que para un ingeniero la parte del diseño de sistemas de transferencia nos hace una persona de vital importancia cuando se tiene un proceso en donde se quiera calentar o enfriar fluidos para su posterior uso o para aprovechar su carga calorífica.

Un intercambiador de calor no es más que un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

La clasificación más general que puede realizarse de los cambiadores de calor, se efectúa atendiendo al grado de contacto entre los fluidos. Según este criterio, los cambiadores de calor se dividen en dos grandes grupos: Intercambiadores de contacto directo e Intercambiadores de contacto indirecto. Estos últimos pueden a su vez dividirse en alternativos y de superficie.

Los intercambiadores de contacto directo, también conocidos como cambiadores de mezcla, son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa, realizándose, como consecuencia, la transferencia energética entre ellos. Pertenecen a este grupo, entre otros tipos de cambiadores, las denominadas torres de enfriamiento, así como los enfriadores de gases.

En cuanto a los intercambiadores alternativos, ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, sin coincidencia entre ellos, de forma tal que la mezcla física de ambos fluidos puede considerarse despreciable. El elemento fundamental de este subgrupo de cambiadores es la superficie que alternativamente recibe y cede la energía térmica.

Por otra parte, se denominan intercambiadores de superficie a aquellos equipos o dispositivos en los que la transferencia térmica se realiza a través de una superficie, plana o cilíndrica, que separa físicamente las corrientes de ambos fluidos, no existiendo por tanto ninguna posibilidad de contacto directo o contaminación entre dichos fluidos, salvo en el caso de rotura de la antedicha superficie de separación.

En nuestro caso vamos a experimentar con intercambiadores tubo y coraza.

OBJETIVOS

Reconocer el intercambiador tubo – coraza.

Realizar los balances respectivos para este tipo de intercambiadores.

Determinar el Número de Unidad de transferencia (NTU).

Hallar la eficiencia de este tipo de intercambiador de calor.

MARCO TEÓRICO

Los intercambiadores de tubos y coraza se usan para servicios en los que se requieren grandes superficies de intercambio, generalmente a caudales mayores de los que puede manejar un intercambiador de doble tubo. En efecto, el intercambiador de doble tubo requiere una gran cantidad de horquillas para manejar servicios como los descritos, pero a expensas de un considerable consumo de espacio, y con aumento de la cantidad de uniones que son puntos débiles porque en ellas existe la posibilidad de que hayan fugas.

La solución consiste en ubicar los tubos en un haz, rodeadod por un tubo de gran diámetro que conocemos como coraza. De este modo los puntos débiles donde se pueden producir fugas, en las uniones del extremo de los tubos con placa, están contenidos en la coraza, en cambio en un conjunte de horquillas estos puntos están al aire libre.

A continuación vemos una ilustración de un intercambiador de tubo y coraza-

Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importantes de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos químicos.

General, el intercambiador de tubo y coraza, consiste en una serie de tubos lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado coraza y representan la alternativa a la necesidad de una gran transferencia de calor.

Los usos incluyen transferencia térmica simple de líquido a líquido, condensadores, evaporadores, las cascadas, y los enfriadores de aceite.

En el interior de estos intercambiadores se encuentra un paquete de placas circulares totalmente soldadas; este paquete se encuentra montado y protegido por un casco el cual es un recipiente a presión.

Dentro de este tipo de intercambiadores (de coraza y tubo), dependiendo a su construcción se puede conseguir diferentes tipos como los son:

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE ESPEJO FIJO

Los intercambiadores de espejo fijo se utilizan con mayor frecuencia que los de cualquier otro tipo y la frecuencia de su utilización se ha incrementado en años recientes. Los espejos se sueldan a la coraza. Por lo común, se extienden más allá de la coraza y sirven como bridas a la que sujetan como pernos los cabezales del lado de los tubos. Esta construcción requiere que los materiales de la coraza y los espejos se puedan soldar entre sí.

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO EN U

El haz de tubos consiste en un espejo estacionario, tubos en U (o de horquilla), deflectores o placas de soporte y espaciadores y tirantes apropiados. El haz de tubos se puede retirar de la coraza del intercambiador de calor. Se proporciona un cabezal del lado del tubo (estacionario) y una coraza con cubierta integrada, que se suelda a la coraza misma. Cada tubo tiene la libertad para dilatarse o contraerse, sin limitaciones

debidas a la posición de los otros tubos. (los rehervidores de calderas, los evaporadores, etc., son con frecuencia intercambiadores de tubo en U con secciones ampliadas de la coraza para la separación del vapor y el líquido).

EL CALENTADOR DE SUCCIÓN DEL TANQUE

Contiene un haz de tubo en U. Este diseño se utiliza con frecuencia en tanques de almacenamiento al aire libre, para combustóleos pesados, alquitrán, etc., cuya viscosidad se debe reducir para permitir el bombeo adecuado.

INTERCAMBIADOR DE ANILLO DE CIERRE HIDRÁULICO

Esta construcción es la menos costosa de los tipos de tubos rectos y haz desmontable. Los fluidos del lado de la coraza y del lado del tubo se retienen mediante anillos de empaque distintos separados por un anillo de cierre hidráulico y se instalan en el espejo flotante.

INTERCAMBIADOR DE CABEZAL FLOTANTE

INTERCAMBIADORES DE CABEZAL FLOTANTE

EQUIPO E INSTRUMENTACIÓN

Intercambiador de Tubo – coraza, el cual se encuentra conformado por veinte tubos. utilizando este intercambiador de calor podemos experimentar la transferencia que se presenta de un vapor de agua (gas) hacia el agua en su estado líquido, donde el agua liquida pasa por los tubos.

Medidor de caudal.

Medidores de presión.

Medidor de temperaturas.

Cronómetro

Fluido caliente: Vapor de agua tomado de la caldera (o agua caliente).

Fluido frio: Agua a temperatura ambiente tomada de la torre de enfriamiento.

PROCEDIMIENTO PARA LA EXPERIENCIA

Antes de pasar vapor por la carcasa, previamente pasa el agua fría por los tubos, ahora:

Se regula la valvula de estrangulación para la entrada del vapor, para asi mantener una presión constante en esta entrada de vapor.

Variamos el caudal de entrada de agua fría a travez del rotámetro.

Esperamos a que se produjera el condensado para asi proceder a tomar los datos.

Se procede a medir los datos de entrada y salida para cada uno de los fluidos.

Ahora tomamos el caudal del condensado, esto lo hacemos utilizando el bicker para, y cada vez que el condensado lo llenaba a un volumen de 200 ml deteníamos el cronometro para asi medir el caudal.

Este procedimiento se repetirá para diferentes caudales de agua bajo la misma

presion.

Ahora alteramos la presión y repetimos los mismos pasos que detallamos anteriormente.

CÁLCULOS Y TABLAS

C Qi agua Pi agua T i agua Pf agua T f agua Pi vapor T i vapor Pf vapor T cond V t

1 1 1 23 0,75 68 10 100 0,3 90 200 24,6

2 1,5 2 24 1,7 68 10 100 0,3 80 200 11,28

3 2 2,5 28 2 58 10 100 0,3 72 200 11,84

4 2,5 4 28 2,5 54 10 100 0,3 60 200 30,28

5 3 5 28 3,4 43,5 10 100 0,3 58 200 20,75

6 3,5 6 28 4 46 10 100 0,3 54 200 24,1

7 4 7,5 28 5 44 10 100 0,3 52 200 27,8

8 4,5 9,5 28 6,3 42 10 100 0,3 48 200 27,7

En un intercambiador de calor el calor ganado por el fluido frio es igual al calor cedido por el fluido caliente, pero se debe tomar en cuenta que el calor cedido se encuentra en 2 formas:

Calor por cambio de temperatura Calor por condensación

Lo cual nos deja con el balance de calor de la siguiente manera:

qc=qh

qh=qhcond+¿ qhtemp ¿

qh=mhCph∆T h+mhhfg

q=mcCpc∆T c

qhcond=mcCpc∆T c−mhCph∆T hDonde;

∆T h=T h1−T h2∆T c=T c 2−T c1

Donde:q = transferencia de calor que hay en el intercambiador (calor generado o calor ganado por un fluido)mh = flujo masico que lleva el fluido calienteCph = calor especifico del fluido caliente a dicha temperatura∆T h = diferencia de temperatura del fuido calienteT h1 = temperatura de entrada del fluido caliente.T h2 = temperatuda de salida del fluido caliente.mc = flujo masico que lleva el fluido frio.Cpc = calor especifico del fluido frio a dicha temperatura∆T c = diferencia de temperatura del fuidofrio.T c1 = temperatura de entrada del fluido frioT c2 = temperatura de salida del fluido friohfg= calor latente

Se hallara el valor de un q teórico en función del calor latente del vapor a su temperatura de saturación y el mismo se comparara con el q real hallado con los balances de calor del intercambiador (conseguidos de manera práctica).

q=mhhfg

Los resultados obtenidos para los dos grupos de corridas fueron los sgtes:

corrida flujo masico condensado q por condensado

kg/s W

1 0,007847967 17736,4065

2 0,017230496 38940,922

3 0,016511824 37316,723

4 0,006494716 14678,0581

5 0,009542169 21565,3012

6 0,008215768 18567,6349

7 0,007136691 16128,9209

8 0,007162455 16187,148

1 0,006588475 14889,9525

2 0,004523148 10222,3148

3 0,005755814 13008,1395

4 0,005544997 12531,6937

5 0,006427184 14525,4369

6 0,006271293 14173,123

7 0,005818713 13150,2924

8 0,006425806 14522,3226

En base a estos balances de calor se calcula el ganado por el fluido frio y se compara con el cedido por el fluido caliente en sus 2 formas: para hallar un calor cedido por condensación:

Corrida flujo masico agua q ganado agua q por cambio de temperatura

q por condensación

practico

kg/s W W W

1 0,062838433 11819,90933 328,045041 11491,8643

2 0,094163204 17318,49641 1440,4695 15878,0269

3 0,125425009 15728,29618 1932,54392 13795,7523

4 0,156781262 17038,98753 1085,91651 15953,071

5 0,188137514 12189,42954 1675,22313 10514,2064

6 0,219493767 16514,71099 1579,7278 14934,9832

7 0,250850019 16776,84926 1431,90561 15344,9437

8 0,282206271 16514,71099 1556,83119 14957,8798

1 0,062712505 11534,08387 440,63718 11093,4467

2 0,094068757 14155,46657 605,016296 13550,4503

3 0,125425009 14679,74311 962,372093 13717,371

4 0,156781262 14417,60484 1043,01397 13374,5909

5 0,188137514 15728,29618 1289,55029 14438,7459

6 0,219493767 14679,74311 1310,70032 13369,0428

7 0,250850019 14679,74311 1264,75556 13414,9875

8 0,282206271 14155,46657 1477,2929 12678,1737

A continuación se calcula el calor por condensación de manera teórica:

qh=mhhfg

Y se comparara con el práctico hallado en la tabla anterior:

Corridaq por

condensado (practico)

q por condensación

(teórico)% de error

W W %

1 11491,8643 17736,4065 35

2 15878,0269 38940,922 59

3 13795,7523 37316,723 63

4 15953,071 14678,0581 -9

5 10514,2064 21565,3012 51

6 14934,9832 18567,6349 20

7 15344,9437 16128,9209 5

8 14957,8798 16187,148 8

1 11093,4467 14889,9525 25

2 13550,4503 10222,3148 -33

3 13717,371 13008,1395 -5

4 13374,5909 12531,6937 -7

5 14438,7459 14525,4369 1

6 13369,0428 14173,123 6

7 13414,9875 13150,2924 -2

8 12678,1737 14522,3226 13

SE DEBE SABER QUE ESTOS PORCENTAJES DE ERROR NOS PERMITEN CONOCER QUE TAN SEGURO ES EL RESULTADO DE LA EXPERIENCIA, EL ERROR EN LA PRIMERA CORRIDA ES EN PROMEDIO EL 29%MIENTRAS CON EL AUMENTO DE PRESION FUE DE 0,3%Conociendo el porcentaje de error que se maneja entre los valores teóricos y los prácticos se procede a hacer una grafica que relacione la q transferido en función de los flujos másicos:

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.30

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

mc vs q

Series2Linear (Series2)

mc

SE DENOTA QUE LA TRANSFERENCIA DE CALOR AUMENTO EN FUNCION AL AUMENTO DEL FLUJO MASICO.

Por ultimo se calcula la eficiencia del proceso la cual se vera afectada por el porcentaje de error hallado anteriormente:

METODO DEL NTU

Eficiencia:

ε=qrealqmax

qreal=mCp∆T

qmax=(mCp )min (Th1−T c 2)

Los resultados obtenidos se encuentran en la tabla a continuación:

CORRIDA E

1 36,0313611

2 12,0228137

3 8,13864877

4 15,6908817

5 7,27630207

6 10,4541497

7 11,7164491

8 10,6079009

1 26,1759207

2 23,3968352

3 15,2537082

4 13,8230217

5 12,1967296

6 11,1999234

7 11,6067829

8 9,58203112

LA GRAFICA DE LA EFICIENCIA VS EL FLUJO SE ENCUENTRA A CONTINUACION:

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.30

5

10

15

20

25

30

35

40

Series2Linear (Series2)Series4Linear (Series4)Series6Linear (Series6)

FLUJO MASICO

EFIC

IEN

CIA

Luego debemos hallar el área superficial de los tubos, tenemos:

A s=πdL∗20 tubos∗2 pasos

Donde; d=0.25 pulg≅ 6.35∗10−3m y L=1m

A s=π (6.35∗10−3m ) (1m ) (20 tubos )(2 pasos )

A s=0.797m2

CONCLUSIONES

La eficiencia del intercambiador y el flujo de calor aumentan al aumentarse el flujo masico de entrada que se fue variando a través de la experiencia

El porcentaje de error hallado en la experiencia afecta al eficiencia que encontramos, esto se le puede adjudicar a que ele intercambiador no es completamente adiabático.

Comparando el porcentaje de error se muestra que el equipo trabaja mejor a 15 psi ya que este disminuye el error de forma circunstancial.