INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA Cerra Hugo, Clavijo Yesid, Garca Anglica, Gelvez Carol, Mancera Yeison, Rodrguez LettyUniversidad del AtlnticoFacultad de Ingeniera, Programa de Ingeniera Qumica

RESUMEN

Durante esta experiencia se midieron parmetros importantes para la transferencia de calor como lo es la temperatura, la presin y la cantidad de vapor condensada; entre 2 fluidos en un dispositivo de intercambiador de calor de tubo y coraza; para luego obtener los datos necesarios para realizar el balance de calor en el sistema y hallar los otros parmetros importantes como nmeros adimensionales y la eficiencia de la transferencia. Estos datos estn resumidos en tablas y grficos organizados.

Barranquilla ,Marzo 27 del 2014

Intercambiador de calor de tubo y coraza

Intercambiador de calor de tubo y coraza

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INTRODUCCIN

Los intercambiadores de calor de tubo y coraza se utilizan en diversas industrias, particularmente se hace mencin de las refineras e industrias qumicas donde son ampliamente utilizados debido a la facilidad de limpieza, mantenimiento, se puede construir en diferentes tamaos, verstil y tiene muchas reas de implementacin y en relacin a su peso y tamao proporciona una buena cantidad de transferencia de calor. Por lo tanto es importante determinar las condiciones ptimas a las que se puede utilizar este dispositivo para as mejorar aspectos como gastos, calidad del proceso y calidad del producto involucrado en el proceso.Ya que bsicamente un ingeniero se encarga de realizar estas tareas, debe estar al tanto de como es el desempeo de los dispositivos que estn

involucrados en determinado proceso, observando parmetros y as determinar otros, como en el caso de un intercambiador de calor de tubo y coraza; el tamao del equipo, lo que conlleva a mencionar las dimensiones (dimetro, longitud) de la coraza y los tubos, el nmero de tubos, el nmero de bafles y su espaciado, velocidad msica, numero de Reynolds, Prandtl entre otros.

Para un ingeniero saber este conjunto de variables le permite observa el desempeo del equipo y decir el estado del equipo, es decir, si est funcionando de forma correcta o dentro de lo esperado o si el dispositivo falla encontrar rpidamente la causa del problema

MARCO TERICO

Con el fin de aumentar el rea de conveccin se disean intercambiadores de calor de tubo y coraza los cuales lleva en un su interior mltiples tubos por donde pasa fluido, arreglados de tal forma que en ciertas reas el flujo este en paralelo y en otras en contracorriente

Figura 1. Modelo de un intercambiador de calor de tubo y coraza

Con el intercambiador de calor de tubo y coraza tambin es posible aumentar la velocidad promedio del fluido en el tubo, este aumento permite un que tambin se incremente el nmero de Reynolds, esto permite que incremente el nmero de Nusselt, el cual indica la efectividad de la conveccin donde h es el coeficiente de conveccin, L es el volumen del cuerpo divido por su rea superficial y Kf es el coeficiente de conduccin.Se pueden clasificar los intercambiadores de calor de tubo y coraza segn su aplicacin como1. Clase R para petrleo y aplicaciones relacionadas1. Clase C para aplicaciones de propsitos generales1. Clase B servicios qumicos

Segn su construccin mecnica1. De cabezal fijo1. Tubos en forma de U1. De cabezal flotante

El dispositivo de tubo y coraza est conformado por. Coraza (Shell) Cubierta de Coraza (Shell Cover) Tubos (Tubes) Cabezal (Channel) Cubierta de Cabezal (Channel Cover) Espejo de Tubos (Tubesheet) Bafles-Deflectores (Baffles) Boquillas de Entrada de Fluido (Nozzles)

Figura 2. Intercambiador de calor con cabezal fijo

Figura 3. Intercambiador de calor con tubos en U

Figura 4. Intercambiador de calor con cabezal flotante

Entre las caractersticas notorias de los intercambiadores de cabezal fijo se pueden mencionar: es el intercambiador que puede llevar la mayor cantidad de tubos, generalmente no presenta fugas debido a uniones internas ya que no las tiene, se puede usar para altas presiones y fluidos txicos.

Para el tipo de tubo en U esta la particularidad de que se elimina el problema de expansin diferencial de los tubos ya que pueden moverse libremente dentro de la coraza y la forma de los tubos es como de U, tambin los tubos pueden ser removidos para hacer limpieza interna del equipo, se presenta una limitacin en la cantidad de tubos que pueden ser colocados al interior de la carcasa debido a la forma de los tubos.

Los intercambiadores de cabezal flotante como su nombre lo indica tienen un cabezal flotante lo que permite el libre movimiento diferencia de los tubos.

Con respecto a los tubos generalmente se les conoce como tubos para condensadores los cuales estn hechos de acero, cobre, 70-30 cobre-nquel, aluminio-bronce. Los dimetros ms comunes son de y de 1 pulgada, dependiendo de las caractersticas de uso se dispone del arreglo o distribucin de los tubos dentro de la coraza: arreglo triangular de 60, arreglo triangular de 30, arreglo cuadrado de 90 y arreglo cuadrado de 45. El nmero de tubos colocados en la coraza depende de los arreglos antes mencionados, adems del dimetro externo de los tubos y del nmero de pasos y dimetro de la carcasa.

Para el espaciado entre los tubos se tiene en cuenta que no pueden ser muy cercanos ya que se puede debilitar la estructura del cabezal. Esta parte es importante en cuanto al diseo de este tipo de intercambiador ya que hay que tener en cuenta que la estructura debe soportar altas presiones.

Los deflectores sostienen el haz de tubos, evitan las vibraciones provocadas por el paso del fluido y canalizan el flujo para provocar mayor turbulencia, la cual aumenta la transferencia de calor, el espaciado entre cada deflector debe ser el 20% o 1/5 del dimetro interno de la carcasa, este espaciado no debe exceder el dimetro interno de la carcasa segn datos de diseo esto provocara una pobre transferencia, es decir poca eficiencia del dispositivo.

METODOLOGIA

En primera instancia se procedi a abrir por la vlvula por donde flua el agua para obtener la lectura del rotmetro que fue 1,5 gpm y se fij una presin de entrada del vapor de 10 psi, posteriormente se esper un tiempo prudente para que el sistema entrara en un equilibrio trmico, para que se diera la transferencia de calor y establecido el equilibrio trmico se procedi a la medicin de los datos, registrando la temperatura y presin de entrada y salida de las lneas de agua y vapor, junto con el caudal de agua y de vapor. Este ltimo se midi dos veces para establecer un promedio entre el caudal del condensado. Terminada la primera corrida se procedi a continuar con la siguiente variando el caudal de agua con ayuda de la vlvula y observando el rotmetro para caudales de 2, 2.4, 2.5, 2.75, 3, 3.25, 3.5 gpm. Durante cada corrida se estuvo pendiente de la presin de entrada del vapor y el flujo de agua para que se mantuvieran estables. Seguidamente se cambi la presin de entrada del vapor a 15 psi y se realiz el mismo procedimiento, siempre teniendo presente el equilibrio trmico.

ANALISIS Y RESULTADOS

Para la primera parte del experimento se mantuvo una presin 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 ocho corridas donde se midi la presin y temperatura del agua, y la temperatura de entrada y salida del vapor. Se midi 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].

CorridaVagua (gal/min)Vvapor (L/s)T1 (C)T2 (C)T3 (C)T4 (C)P1 (psi)P2 (psi)P3 (psi)P4 (psi)

110,012780108972,51,6100,1

21,50,0212770103722,51,55100,1

320,02127621086432,5100,1

42,50,01552754105554,93100,1

530,03232752105535,53,55100,1

63,50,03262748104497,55,2100,1

740,0332747104488,55,58100,1

84,50,033327451064710,57,2100,1

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

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

Para la segunda parte de la experiencia se realiz el mismo procedimiento anterior, en este caso la presin de vapor a la entrada fue de 15 psi.

CorridaVagua (gal/min)Vvapor (L/s)T1 (C)T2 (C)T3 (C)T4 (C)P1 (psi)P2 (psi)P3 (psi)P4 (psi)

110,007528871091052,52,3150.1

21,50,011328831091052,62,2150.1

320,012028741087842,5150.1

42,50,014629651087053,2150.1

530,01629601076264150.1

63,50,0182957107587,54,5150.1

740,018629551025685150.1

84,50,02295110455107,2150.1

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

Para llevar a cabo los clculos 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, , k, Rd, P. Algunas de estos datos fueron medidos, mientras que otras se obtuvieron por medio de tablas y clculos. Inicialmente se conocen ciertos datos del intercambiador:

CORAZA

Dimetro interno de la coraza6.065 pulgadas

Espaciado de los deflectores o bafles4.5 pulgadas

Pasos de la coraza1

TUBOS

Nmero de tubos18

Longitud de tubos2.462 pies

Dimetro de los tubos0.375 pulgadas

Dimetro interno de los tubos0.25 pulgadas

ArregloTriangular normal

Pasos por los tubos2

Paso transversal13/16 pulgadas

Claro7/16 pulgadas

Tabla 3. Datos de los tubos y la coraza.

Calculo Del Calor Absorbido Y El Calor De Entregado.

Por medio del balance de energa se deduce que:

Dnde:m = flujo de la corriente del fluido= calor especifico de cada una de las corrientes.T = cambios de temperatura de cada corriente.

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

Esta temperatura promedio se utiliza para seleccin en la literatura [1], los valores de densidad del agua y Cp. El valor de la densidad es utilizado para determinar flujo msico de agua, estos se relacionan en la tabla [4].

Para la primera corrida se tiene:

Ahora, para Tpromedio= 53,3C no se encuentra el valor de la densidad y Cp, para lo cual es necesario realizar una interpolacin:

Temperatura (C)Densidad (Kg/m3)

50988.1

55985,2

Temperatura (C)Cp. (J/Kg*C)

504181

554183

A Tpromedio= 53,3C la densidad es 986,07 Kg/m3 y el Cp es 4182.32 J/Kg*C

Entonces,

Remplazando valores:

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

CorridaT1(C)T2(C)TPromedio(C)Caudal(m3/s)Cp Del Agua (J/kgC)Densidad Del Agua (kg/m3)Flujo De Calor (kW)

1278053,56,309 E-054182,3986,0713,78

2277048,59,46 E-054180,7988,716,81

3276244,51,26 E-044179,9990,318,25

4275440,51,57 E-044179,1991,917,57

5275239,51,89 E-044178,9992,119,60

627 4837,52,20 E-044178,5993,0519,24

72747372,52 E-044178,4993,2420,94

82745362,83 E-044178,2993,6221,21

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

Para el clculo de la coraza es necesario tener en cuenta adicionalmente los valores del calor latente y el calor sensible. De esta manera el balance de calor queda expresado como:

Los valores de flujo msico se obtienen de la misma manera como se obtuvieron para el balance en los tubos. La densidad, entalpia de vaporizacin y los calores especficos se extraen de la literatura [1] a la temperatura de salida del vapor. Todos estos datos se encuentran consignados en la tabla [5].

Remplazando en la ecuacin para la primera corrida:

CorridaT3 (C)T4 (C)TPromedio(C)Caudal Condensado (m3/S)Cp Del Vapor (J/KgC)Entalpia De Vaporizacin (KJ/Kg)Densidad Del Vapor (Kg/m3)Flujo De Calor (KW)

110897102,51E-052039,52250,250,6549214,88

21037287,52,1E-0519852289,50,3885519,25

310864862,1 E-051980,22293,40,3675818,37

410555801,55E-05196223090,293510,95

510553793,23E-051959,22311,40,2832222,07

61044978,53,26E-051957,82312,60,2780821,94

710448763,3E-051950,82318,60,2523820,22

810646763,33E-051950,82318,60,2523820,46

Tabla [5]. Valores obtenidos para el flujo de calor entregado por el vapor.

A continuacin se determinaran los coeficientes individuales de calor de la siguiente manera, en primera instancia se determina para los tubos: Se halla por medio de la Ley del enfriamiento de Newton

El rea del tubo se calcula con la siguiente ecuacin:

El dimetro del tubo es de 0,375 in:

Por lo tanto el rea es:

CorridaT3 (C)T4 (C)rea (m2)Flujo de calor (kW)hi (kW/m2 C)

1108970,022514,8860,12

2103720,022519,2527,59

3108640,022518,3718,55

4105550,022510,959,73

5105530,022522,0718,86

6104490,022521,9417,72

7104480,022520,2214,15

8106460,022520,4613,37

Tabla [6]. Coeficientes de conveccin individuales para cada corrida en el tubo.

La Tabla [6] nos muestra los coeficientes de conveccin asociados a cada corrida, y el procedimiento expresado a continuacin muestra el clculo del coeficiente de conveccin. El subndice 1 indica que los datos son correspondientes con la corrida 1:

Para las otras corridas el clculo es similar, solo se cambian los datos correspondientes.

Seguidamente y de igual manera se determina el coeficiente individual de transferencia para la coraza, por la Ley del enfriamiento de Newton se tiene que

Segn informacin de la gua de la experiencia, el dimetro interno de la coraza es de 6,065 in:

Por lo tanto el rea de la cmara de prueba es:

CorridaTA1(C)TA2(C)rea (m2)Flujo de calor (kW)ho(kW/m2 C)

128580,363211,761,07

228500,363211,511,44

328450,363210,681,72

428480,363213,091,80

528440,363211,521,98

628460,363214,141,39

728420,363211,922,34

828440,363214,672,52

Tabla [7]. Coeficientes de conveccin individuales para cada corrida en la coraza.

La Tabla [7] muestra los coeficientes de conveccin por cada corrida, y el procedimiento expresado a continuacin indica las operaciones realizadas para hallar el coeficiente de conveccin. El subndice 1 indica que los datos son correspondientes con la corrida 1:

Para las otras corridas el clculo es similar, solo se cambian los datos asociados a ellas.

Continuando con el anlisis, con ayuda del balance de energa y diciendo que el espesor del tubo por donde pasa el vapor es pequeo y la conductividad del material es alta, la resistencia del balance es:

Con ayuda de la tabla [6] y [7], podemos determinar dicha resistencia:

Corridahi(kW/m2 C)rea (m2)ho(kW/m2 C)rea (m2)Resistencia Total

160,120,02251,070,36323,3124

227,590,02251,440,36323,5229

318,550,02251,720,36323,9966

49,730,02251,800,36326,0973

518,860,02251,980,36323,7471

617,720,02251,390,36324,4889

714,150,02252,340,36324,3175

813,370,02252,520,36324,4167

Tabla [8]. Resistencia total en funcin de los coeficientes individuales de calor.

Figura [5]. Resistencia total en funcin del coeficiente de transferencia de calor hi.

Figura [6]. Resistencia total en funcin del coeficiente de transferencia de calor ho

Una vez conocido los coeficientes individuales de transferencia de calor, se puede determinar el coeficiente global de transferencia de calor, por medio de simplificaciones en el balance de energa, as:

Corridahi(kW/m2 C)ho(kW/m2 C)U(kW/m2 C)

160,121,071,0512

227,591,441,3685

318,551,721,5740

49,731,801,5189

518,861,981,7918

617,721,391,2888

714,152,342,0079

813,372,522,1203

Tabla [9]. Coeficientes globales de transferencia de calor para cada corrida.

En la tabla [9], se detalla el coeficiente de transferencia global, es decir, el que est involucrado a lo largo de todo el proceso de transferencia, cabe resaltar que ste es muy importante ya que en muchas ocasiones ayuda a determinar el flujo de calor en cualquier punto del proceso.

Cuando se habla de intercambiador de calor, enseguida se traslada a la idea de un diferencial de temperatura para que exista la transferencia de calor, pero este diferencial est representado es te caso por la media logartmica de la temperatura (MLDT) por medio de la siguiente frmula:

Dnde: Es la diferencia de temperatura de la entrada del vapor y la salida del agua Es la diferencia de temperatura de la salida del vapor y la entrada del agua.

Una vez calculada la diferencia media logartmica de la temperatura se procede a calcular la diferencia de temperatura:

Donde es un factor de correccin. En este caso se utiliz vapor saturado como fluido caliente por lo que su valor es de 1 al tratarse de un proceso de condensacin isotrmica y considerarse que la transferencia de calor en la coraza se dio mayoritariamente por este mecanismo. Las diferencias de temperaturas obtenidas se muestran en la tabla y el procedimiento a calcular es el siguiente:

CorridaDiferencia de temperatura (C)

126,710

236,673

339,328

437,326

536,866

635,313

734,964

834,536

Tabla 10. Diferencia de temperatura para la primera parte del experimento.

Con esta diferencia de temperatura es posible hallar el calor en cualquier punto del sistema, claramente teniendo presente el coeficiente de transferencia de calor.

La experiencia se realiz para dos presiones de entrada del vapor distintas, el anlisis anterior fue para 10 psi en la entrada del vapor, a continuacin se mostraran simplemente las tabla respectivas para 15 psi, el anlisis es el mismo, por lo tanto cae en redundancia hacerlo nuevamente.

CorridaTA1(C)TA2(C)TPromedio(C)Caudal(m3/s)Cp Del Agua (J/kgC)Densidad Del Agua (kg/m3)Flujo De Calor (kW)

1288757,56,30 E-054184984,2515,30

2288355,59,46 E-054183,2985,0121,43

32874511,26 E-044181,4987,5223,93

42965471,57 E-044180,4989,3023,37

5296044,51,89 E-044179,9990,324,25

62957432,20 E-044179,6990,925,51

72955422,52 E-044179,4991,327,14

82951402,83 E-044179992,125,81

Tabla [11]. Valores obtenidos para el flujo de calor absorbido por el agua

CorridaT3 (C)T4 (C)TPromedio(C)Caudal Condensado (m3/S)Cp Del Vapor (J/KgC)Entalpia De Vaporizacin (KJ/Kg)Densidad Del Vapor (Kg/m3)Flujo De Calor (KW)

11091051071,3E-062058,42238,10,757752,20

21091051071,13E-052058,42238,10,7577519,19

310878931,2 E-052003,42275,20,472113,22

410870891,46E-051993,82285,60,4095214,11

51076284,51,6E-051975,52297,30,3475913,27

61075882,51,8E-051969,52302,50,3235513,97

710256791,86E-051959,22311,40,2832212,65

81045579.52E-051960,62310,20,2883613,87

Tabla 12. Valores obtenidos para el flujo de calor entregado por el vapor.

CorridaT3(C)T4(C)rea (m2)Flujo de calor(kW)hi(kW/m2 C)

11091050,02252,2024,44

21091050,022519,19213,22

3108780,022513,2219,58

4108700,022514,1116,50

5107620,022513,2713,10

6107580,022513,9712,67

7102560,022512,6512,22

8104550,022513,8712,58

Tabla [13]. Coeficientes de conveccin individuales para cada corrida en el tubo.

CorridaT1(C)T2(C)rea (m2)Flujo De Calor(kW)ho(kW/m2 C)

128620,363213,321,07

228600,363216,721,43

328540,363215,641,77

428510,363215,041,80

528480,363215,702,16

628480,363216,752,30

728460,363216,492,52

828460,363216,972,59

Tabla [14]. Coeficientes de conveccin individuales para cada corrida en la coraza.

Corridahi(kW/m2 C)rea(m2)ho(kW/m2 C)rea(m2)Resistencia Total

124,440,02251,070,36324,39

2213,220,02251,430,36322,13

319,580,02251,770,36323,82

416,500,02251,800,36324,22

513,100,02252,160,36324,66

612,670,02252,300,36324,70

712,220,02252,520,36324,72

812,580,02252,590,36324,59

Tabla [15]. Resistencia total en funcin de los coeficientes individuales de calor.

Figura [7]. Resistencia total en funcin del coeficiente de transferencia de calor hi

Figura [8]. Resistencia total en funcin del coeficiente de transferencia de calor ho

Corridahi (kW/m2 C)ho (kW/m2 C)U (kW/m2 C)

124,441,071,02

2213,221,431,42

319,581,771,62

416,501,801,62

513,102,161,85

612,672,301,94

712,222,522,08

812,582,592,14

Tabla [16]. Coeficientes globales de transferencia de calor para cada corrida.

CorridaDiferencia de temperatura (C)

120,43

219,45

337,43

437,49

537,56

637,52

735,05

833,71

Tabla [17]. Diferencia de temperatura para la primera parte del experimento.

Nuevamente con esta diferencia de temperatura es posible hallar el calor en cualquier punto del sistema, claramente teniendo presente el coeficiente de transferencia de calor.

CONCLUSIONES

Los intercambiadores de calor son aparatos que permiten el intercambio de calor entre dos fluidos, sin permitir que se mezclen entre s.

Ms all de los valores numricos, la prctica nos brind un panorama muy amplio respecto a los intercambiadores de calor, su funcionamiento y las diferencias que existen entre los diferentes tipos.

Los resultados obtenidos son satisfactorios, pues si bien presentan errores evidentes, la tendencia se conserva y resulta coherente. As mismo se satisficieron los objetivos de la prctica, pues ms all de calcular coeficientes de transferencia de calor, se pudo entender el funcionamiento de tan importantes aparatos.

La diferencia de temperatura logartmica es la forma ms apropiada de la diferencia de temperatura promedio que se debe usar para el anlisis en los diferentes intercambiadores de calor.

RECOMENDACINES

Realizar un chequeo de todos los equipos con el fin de realizar mejoras y lograr mayor exactitud en la prctica.

Tener un buen manejo de las diferentes vlvulas, ya que algunas son demasiado sensibles y puede causar fallas durante la experiencia.