73385188-Intercambiador-de-Calor

2010

“AÑO DE LA CONSODILACION ECONOMICA

Y SOCIAL DEL PERU ”

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA ASIGNATURA

: Laboratorio de Operaciones Unitarias

TEMA

: Intercambiador de calor.

DOCENTE

: Ing. Jiménez Escobedo Manuel

CICLO

: VII

ALUMNO

: JAMANCA ANTONIO, Edgar Martin

HUACHO – PERÚ

Laboratorio de Operaciones Operaciones Unitarias

Página 1

Índice Índice ..................................................................................................................................................... 2 Resumen Resumen ................................................................................................................................................ 3 Introducció Introducción n ....................................................................................................................................... 3 A ntecede ntecedentes ntes...................................................................................................................................... 3 Fundamento Fundamento Teórico Teórico ........................................................................................................................... 4 Definici Definiciones ones de Balance Balance de Energía Energía ................................................................................................. 5 INTERCAMB INTERCAMBIADOR IADORES ES....................................................................................................................... 5 Funcionamie Funcionamiento nto de los intercam intercambiador biadores es de calor calor ......................................................................... 10 Coeficien Coeficientes tes locales locales de transferenc transferencia ia de calor ................................................................................ 10 Coeficientes globales de transferencia de calor .............................................................................. 10 La transferencia de calor sin cambio de fase, y con cambio de fase ................................................ 11 Efectividad de un intercambiador intercambiador de calor. Numero de unidades de transferencia.... transferencia.......... ........... ........... ........... ..... 13 Principale Principaless Aplicaci Aplicaciones ones ................................................................................................................ 14 Calculo de Transferencia de Calor en un Serpentín: ............................................................................... 15 Sección Sección Experime Experimental ntal........................................................................................................................ 16 Equipos y materiale materialess ..................................................................................................................... 16 Tabulación de Datos Experimentales Recolectados ........................................................................ 18 Resultados Resultados........................................................................................................................................ 18 Datos en Sistema Sistema Internacional Internacional ..................................................................................................... 18 La temperat temperatura ura media media logarítm logarítmica ica ................................................................................................ 19 Propiedade Propiedadess Físicas Físicas de los fluidos fluidos Utilizados Utilizados .................................................................................. 19 Tabla de parámetros característicos involucrados: Re, Nu, pr:........................................................ 19 Los Coeficientes Locales y Globales de Transferencia de Calor ........................................................ 20 Análisis nálisis y Discusión Discusión de Resultad Resultados os ..................................................................................................... 20 Conclusio Conclusiones nes................................................................................................................................ ..... 20 Recomendac Recomendaciones iones.................................................................................................................. ........... 20 Nomenclat Nomenclatura................................................................................................................................... ura................................................................................................................................... 20 Referenci Referencias as Bibliográf Bibliográficas icas ................................................................................................................. 21 Apéndice péndice ................................................................ .............................................................................. 21 Ejemplo Ejemplo de Cálculos Cálculos .......................................................................................................................... 21 Deducción Deducción de Ecuaciones Ecuaciones .................................................................................................................. 22 Tablas adicionales adicionales ............................................................................................................................ 24

Laboratorio de Operaciones Operaciones Unitarias

Página 2

INTERCAMBIADOR DE CALOR Resumen En este trabajo, se presenta el análisis térmico teórico de un intercambiador de calor compacto, con de agua. El fenómeno de la condensación del vapor de agua, en la corriente entrante produce una película de agua en la superficie cubriéndola en forma parcial o completa. El análisis considera varias configuraciones geométricas con respecto a: la forma del serpentín, longitud del condensador, diámetros correspondientes. Los resultados obtenidos reflejan la eficiencia del serpentín que esta totalmente húmeda es decir, totalmente cubierta por la película de condensado. Se concluye que la metodología propuesta es una buena alternativa de análisis y caracterización de un intercambiador, ya que los resultados obtenidos coinciden con los reportados en la literatura.

Introducción En un proyecto de ingeniería de equipamiento térmico son importantes no sólo las características de eficiencia térmica, sino también las referentes a la economía del sistema, más importantes,y que habrá que conjugar adecuadamente. El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico ydel rendimiento económico de la instalación, sino también en función de otros factores como elaprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y de materiasprimas necesarias para cumplir una determinada función. Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone en funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un determinado gradiente de temperaturapara que se pueda efectuar la transmisión del calor; la magnitud de este gradiente se puedereducir utilizando un intercambiador mayor, pero ésto a su vez implica un mayor coste, tanto detipo económico, como energético. Consideraremos como parte del conjunto de los intercambiadores de calor, no sólo los clásicos formados por la carcasa y tubos, sino también otros, como los de lecho fluido, o los que aprovechanla energía solar, o las tuberías de calor o calefacción, etc.

Antecedentes En general se entiende por intercambiador de calor a dispositivos tipo volumen de control, donde se propicia la participación de un dador de calor y de un receptor del mismo; a lo menos uno de los participantes será un fluido-. El intercambio dará lugar en los fluidos participantes a cambios de temperatura y/o fase según corresponda, dado que en principio cada uno de ellos lo hará en forma isobárica.

Si bien existen intercambiadores de calor abiertos y cerrados, éstos últimos tienen mayor difusión en la industria, en lo general los de tipo cerrado se pueden clasificar según:

Laboratorio de Operaciones Unitarias

Página 3

1. Sentido de flujos en los fluidos, -siendo los más comunes los paralelos, contracorriente y cruzados-. 2.

Configuración interna, -siendo los más comunes los de tubo-coraza y de placas-.

La caldera comúnmente se considera como un intercambiador de calor cerrado, donde claramente el objetivo se postula con la vaporización presurizada de un fluido, -en lo general agua- utilizando como fuente de calor a un fenómeno de combustión.

Fundamento Teórico En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a otro,o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea. Unentendimiento básico de los componentes mecánicos de los intercambiadores de calor es necesario para comprende cómo estos funcionan y op eran para un adecuado desempeño. El objetivo de esta sección es presentar los intercambiadores de calor como dispositivos que permiten remover calo de un punto a otro de manera específica en una determinada aplicación. Se presentan los tipos de intercambiadoresde calor en función del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo cruzado. Además se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base en su construcción: tubo y carcaza; placas, y se comparan estos. Se presentan también lo intercambiadores de paso simple, de múltiples pasos, intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calo no regenerativo. Al final se incluyen algunas de las posibles aplicaciones de los intercambiadores de calor. Como hemos mencionado, un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor deun fluido (líquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores decalor se encuentran las siguientes: • Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura. • Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura. • Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura. • Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío. • Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor

temperatura. Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidosinvolucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una soladirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calorlos fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia elde menor temperatura al en contrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.


Página 4

Definiciones de Balance de Energía

La ecuación del balance de energía para un intercambiador de calor es: APORTE DE CALOR AL FLUIDO FRÍO - APORTE DE CALOR AL FLUIDO CALIENTE + PERDIDAS DE CALOR = 0 Los problemas del balance de energía pueden ser: 1.- Se conocen los caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2), el calor transferido (q) y las temperaturas de entrada y salida de ambas corrientes (T1, T2, t1, t2), en este caso solo se compruebanlos calores específicos y latentes de ambas corrientes y el calor transferido por ambas. 2.- Se conocen los caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2) y las temperaturas de entrada y salida de una corriente así como la entrada de la otra (T1, T2, t1), en este caso solo se calcula el calorcedido en una corriente (q) y se utiliza este para determinar la temperatura de salida de la otra(t2). 3.- Se conocen el caudal de una corriente, (Q1) y las temperaturas de entrada y salida de ambas (T1, T2, t1, t2), en este caso solo se calcula el calor cedido en una corriente (q) y se utiliza estepara determinar el caudal de la otra (Q2). 4.- Se conocen los caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2) y las temperaturas de entrada de ambas corrientes (T1, t1), en este caso hay que calcular las temperaturas de salida de ambas (T2, t2), y el calor transferido (q). Este cálculo introduce el concepto de Temperatura de Acercamiento (approach). El punto de acercamiento es aquel en que la temperatura de las dos corrienteses más próxima.

INTERCAMBIADORES

TIPOS DE INTERCAMBIADORES

Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas, tamaños, materiales de manufactura y modelos,estos son categorizados de acuerdo con características comunes. Una de las características comunes que se puedeemplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos de fluido. Las tres categorías son: Flujo paralelo, En forma resumida podemos ver en este esquema las clases de intercambiadores:


Página 5

Flujo paralelo.

Como se ilustra en la figura (1), existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o dela carcaza ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismoextremo y estos presentan una d iferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayortemperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproximan la una a la otra, esdecir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.

Figure 1: Intercambiador de calor de flujo paralelo.


Página 6

Contraflujo Como se ilustra en la figura (2), se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero ensentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el fluido con menortemperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura,la temperatura del fluido más frío se aproximará a al temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiadorresulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contrate con el intercambiador decalor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y lamás baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el int ercambiador

Figura 2: Intercambiador de Contraflujo

Flujo cruzado

En la figura (3) se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de maneraperpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor dedichos tubos formando un ángulo de 90 Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usado donde uno delos fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos faces bifásico. ◦

Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhaustoque sale de una turbina entra como flujo externo a la carcaza del condensador y el agua fría que fluye por los tubosabsorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vaporde agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor. En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo pa ralelo, contraflujo, oflujo cruzado; estos son comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La razón de incluir la combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia delintercambiador dentro de las restricciones propias del diseño, que son: tamaño, costo, peso, eficacia requerida, tipo defluidos, temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la complejidad del intercambiador.


Página 7

Figura 3: Intercambiador de calor de flujo cruzado.

Intercambiadores de un solo paso (o paso simple) y de múltiple pasos. Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de unintercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple. Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiple pasos. Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. En la figura (4) se muestra un ejemplo de estos intercambiadores. Comúnmente el intercambiador demúltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U"en los extremos, es decir,el doblez en forma de "U" permite al fluido fluir d e regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador. Un segundo método para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del intercambiador.

Figure 4: Intercambiador de un solo paso e intercambiador de multiplepaso.


Página 8

Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos

Los intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su función en un sistema particular. Una clasificacióncomún es: • Intercambiador regenerativo. • Intercambiador no-regenerativo.

Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es elmismo) como se muestra en lo figura (5). Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a unregenerador y posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores regenrativos son comúnmente utilizados ensistemas con temperaturas altas donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y éste esposteriormente integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido del proceso principal contiene energía (energíainterna, mal llamado calor), el calor del fluido que abandona el sistema se usa para recalentar (regenerar) el fluido deregreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frío lo que mejora la eficacia del intercambiador. Esimportante recordar que el término "regerativo/no-regenerativo" sólo se refiere a "cómo" funciona el intercambiadorde calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador (carcaza y tubo, plato, flujo paralelo, contraflujo). En un intercambiador regenerativo, como se muestra en la figura ( 5), el fluido con mayor temperatura en enfriadopor un fluido de un sistema separado y la energía (calor) removida y no es regresaba al sistema.

Figure 5: Intercmbiador regenerativo e Intercambiador no-regerativo.


Página 9

Funcionamiento de los intercambiadores de calor

Como hemos visto hasta ahora, la función general de un intercambiador de calor es transferir calor de un fluido a otro. Los componentes básicos de los intercambiadores se puede ver como un tubo por donde un flujo de fluido está pasandomientras que otro fluido fluye alrededor de dicho tubo. Existen por tanto tres intercambios de calor que necesitan serdescritos: 1. 2. 3.

Transferencia de calor convectiva del fluido hacia la pared interna del tubo Transferencia de calor conductiva a través de la pared del tubo Transferencia de calor convectiva desde la pared externa del tubo hacia el fluido exterior.

Para desarrollar la metodología para el análisis y diseño de un intercambiador de calor, atendemos primero elproblema de la transferencia de calor del fluido interno en el tu bo hacia el fluido externo en la carcaza.

Coeficientes locales de transferencia de calor

Para flujos laminares de fluidos con 0.6 < Pr< 50sobre una placa, isotérmica, el coeficiente de transferencia de calor local está dado por:

Donde u∞ es la velocidad del seno del fluido, xes la distancia desde el borde de la placa, νes la viscosidad cinemática ( μ/ρ )

Coeficientes globales de transferencia de calor

El coeficiente global de transferencia de calor, al estudiar la transferencia de calor a través de la pared plana, expresada por:

Donde T A y T B son las temperaturas del fluido a cada lado de la pared. El coeficiente global de transferencia de calor define mediante la relación:

El coeficiente global de transferencia de calor se obtiene del circuito térmico es:


Página 10

La transferencia de calor sin cambio de fase, y con cambio de fase En cualquier operación en la que un material sufre un cambio de fase se deben tomar disposiciones para la adición o el retiro de calor, para prever el calor latente del cambio de fase más cualqui er otro calentamiento o enfriamiento sensible que tenga lugar en el proceso. El calor. Se puede transferir por uno de tres modos distintos o una combinación de ellos conducción, convección y radiación. El proceso incluye cambio de fase implica la transferencia simultanea de masa con transferencia de calor. Condensación Mecanismos de la condensación. Tanto la condensación de un vapor para formar un líquido, como la vaporización de un líquido para producir un vapor, implican cambios de fase de un fluido con valores de coeficientes de transferencia de calor bastante elevados. La condensación se verifica cuando un vapor saturado, como el vapor de agua, entra en contacto con un sólido cuya temperatura superficial es inferior a la temperatura de saturación, formándose un líquido como el agua. Por lo general, cuando un vapor se condensa sobre una superficie, como un tubo v ertical u horizontal u otras superficies, se forma una película de condensado en la superficie y fluye sobre ella por la acción de la gravedad. Es esta película de líquido entre la superficie y el vapor lo que constituye la principal resistencia a la transferencia de calor. Esto se llama condensación tipo película. Puede existir otro tipo de condensación, llamada condensación en gotas, cuando se fo rman gotas pequeñas sobre la superficie. Durante esta condensación, hay grandes áreas del tubo libres de líquido que quedan expuestas directamente al vapor. En estas áreas desnudas existen velocidades de transferencia de calor muy altas. E l coeficiente promedio puede ser hasta de 110000 W/m* * K (20000 btu/ h . pie’ . “F), de 5 a 10 veces mayor que los

coeficientes para condensación de tipo película, que suelen ser mucho mayores que los de convección forzada y son del orden de varios miles de W/m* . K o mayores. La condensación en gotas es muy común en superficies contaminadas y cuando hay impurezas presentes. La condensación de tipo película es mas predecible y frecuente. Por tanto, para los propósitos normales de diseño, se supone una condensación tipo película. Ebullición 1. Mecanismos de ebullición. La transferencia de calor a un líquido en ebullición es muy importante en la evaporación y destilación, así como en otros tipos de p rocesos químicos y biológicos, tales como la tecnología del petróleo, el control de temperatura en las reacciones químicas, la evaporación de alimentos líquidos, etc.

2. El líquido a ebullición suele estar encerrado en un recipiente, con superficie de calentamiento en forma de tubos o placas verticales u horizontales que suministran el calor para la ebullición. Las


Página 11

superficies de calentamiento pueden funcionar con electricidad o bien con un fluido caliente o que se condensa del otro lado de la superficie calentada. Durante la ebullición, la temperatura del líquido es el punto de ebullición de éste a la presión a la que opera el equipo. Evidentemente, la superficie de calentamiento debe estar a una temperatura superior a dicho punto de ebullición. En la superficie calentada se generan burbujas de vapor que se elevan a través de la masa del líquido. El vapor se acumula en el espacio situado por encima del nivel del líquido y de ahí se extrae. Es usual que la diferencia entre las temperaturas de los fluidos caliente y frio a través de la pared del intercambiador de calor no es la misma en cualquier sitio del intercambiador por consecuencia, es necesario que se establezca un procedimiento para determinar una diferencia apropiada de temperatura, para usarla en los cálculos de transferencia de calor. La diferencia media de temperatura logarítmica o LMTD, se define como la diferencia de temperatura en uno de los extremos del intercambiador menos la diferencia de temperatura en el otro extremo del intercambiador, dividida entre el logaritmo natural de la relación entre estas dos diferencias de temperatura. Si el intercambiador de calor es de un diseño diferente al de doble tubería no siempre se podrán identificar los extremos de este intercambiador .La regla es calcular la LMTD para un intercambiador de calor de doble tubería, a contracorriente con las mismas temperaturas caliente y fría a la entrada y salida que en este intercambiador y aplicar los factores de corrección (F) para intercambiadores diferentes a aquellos sencillos de doble tubería.

Factor de corrección ( F) para la media logarítmica de las diferencias de temperaturas

Las correlaciones empíricas para el coeficiente de transferencia de calor con frecuencia se expresan en términos de números adimensionales.


Página 12



El número de Nusselt, algunas veces llamado el coeficiente adiemnsional de transferencia de calor se define como:

Donde:



El numero de Reynolds se define como:

DONDE:



El numero de prandtl se define como:

Donde:

Efectividad de un intercambiador de calor. Numero de unidades de transferencia

La eficiencia o efectividad de un intercambiador de calor dado se define como:



La transferencia de calor actual se calcula como:


Página 13

Donde:

Para determinar la trasferencia de calor máxima posible se debe identificar el fluido minimo.Este es el fluido que tiene el menor valor de MC y por ello puede experimentar la máxima posible diferencia de temperatura, .Si el fluido con el mayor valor de MC fuera a experimentar el máximo cambio posible en la temperatura, el balance de energía requeriría que el fluido mínimo experimentara un cambio de temperatura mayor que el máximo posible. Un agrupamiento especial de término se denomina índice de unidades de transferencia o NTU.

Donde:

El método del NTU conviene cuando las temperaturas de entrada y salida no son conocidas, lo que hace difícil de evaluar la LMTD.

Principales Aplicaciones

Los intercambiadores de aire rotativos tienen tres aplicaciones principales: Precalentadores de aire para calderas industriales y de servicios públicos Recalentadores de gas para plantas de desulfurización de gases de combustión Precalentadores de gas para plantas de eliminación de NOx por reducción catalítica selectiva


Página 14

Precalentadores de aire: En las calderas que queman combustibles fósiles, el gas que sale de la zona de combustión acumula una cantidad considerable de energía térmica. Se puede emplear un precalentador de aire para recuperar una gran cantidad de esta energía y devolverla al horno, lo que incrementa la eficiencia térmica de la planta en aproximadamente un tercio y aumenta la capacidad de generación de electricidad de la central en un 10%. El intercambiador de calor rotativo precalienta el aire que transporta el carbón a la caldera (aire primario) y el que va directamente a los quemadores (aire secundario). Recalentadores de gas: Los recalentadores de gas se emplean en plantas de desulfurización de gases de combustión para reducir la temperatura del gas antes de que pase a la planta. En la mayoría de los depuradores húmedos, los conductos y depósitos principales cuentan con un revestimiento de goma o vidrio diamantado para prevenir la corrosión. Si no se reduce la temperatura de los gases de combustión antes de que entren en el depurador, la goma o el revestimiento podrían sufrir daños. A continuación el recalentador de gas transfiere el calor eliminado de la corriente de gas que entra en la planta FGD al aire frío que sale de la misma, incrementando su temperatura. De esta forma se evita la condensación de agua en chimeneas y conductos corriente abajo, minimizando la corrosión y colaborando en la generación de unas emisiones de gas con buena flotabilidad por el cañón de la chimenea. Precalentadores de aire: Las plantas de eliminación de NOx por reducción catalítica selectiva pueden instalarse corriente abajo del precalentador de aire en los sistemas de eliminación de polvo. En este caso, el precalentado de gas se emplea para recuperar calor del gas q ue sale de la planta de eliminación de NOx y que se empleará para precalentar el gas de combustión antes de que pase a la planta, ya que la reacción catalítica tiene lugar a temperaturas de entre 300ºC y 360°C. Estos equipos no figuran en el diagrama.

Calculo de Transferencia de Calor en un Serpentín:

La transferencia de calor por el interior del serpentín se define por: Q=UATm La transferencia de calor por el interior del serpentín se define por: Q=GmfCpf( Tsf − Tef )

Gmf= gasto másico del fluido frio. Cpf = capacidad calorífica del fluido frio. Tsf = temperatura de salida del fluido frio. Tef = temperatura de entrada del fluido frio. El coeficiente global de transmisión de calor se puede expresar por la ecuación: 1/UA = 1/hiAi + xw/kwAw + 1/hoAo + Ro/Ao + Ri/Ai Laboratorio de Operaciones Unitarias

Página 15

Ro y Ri son las resistencias debidas a las costras y los demás se corresponden con la resistencia de la películainterior, de la pared y de la película exterior. El coeficiente de película interior ( hi )para un serpentín de puede calcular a partir de la expresión: hid/k = 0.023 (du_/_)0.8(Cp_/K)0.4 si se utiliza agua en el serpentín. Esta ecuación se ha obtenido para tubos rectos, en el caso de serpentines se obtiene una trasmisión de caloralgo más elevada para las mismas condiciones físicas, por lo que queda: hi(serpentín) = hi (tubo recto)(1+3.5d/dc) Donde (d) es el diámetro interior del tubo y (dc) el diámetro de la hélice. El coeficiente de película exterior (ho) está determinado por las propiedades físicas del liquido y por el gradode agitación alcanzado. Esta ultima magnitud es difícil de expresar de forma cuantitativa y se suele utilizar elnúmero adimensional L2N_/_, donde L es la longitud de las paletas y N las revoluciones por unidad detiempo. La expresión resultante es para tanques cilíndricos: hodv/K = 34(L2N_/_)0.5 (Cp_/K)0.3 (dg/dp)0.8 (w/dc)0.25 (L2dv/do3)0.1 do = diámetro del tubo. dg = diámetro espaciado entre espiras. dc = diámetro de la hélice. dp = la altura del serpentín. W = la dimensión del agitador.

Sección Experimental Equipos y materiales

El equipo a emplear consta de:1) un intercambiador de calor (condensador), de serpentín, 2) Fuente de agua fría y caliente, 3) recipiente calibrado para medir caudal, 4) cronometro, 5) Temometros, 6) Recipientes de plástico, varios.

Procedimiento Experimental 1. 2.

Estudie las unbicacion de todas las válvulas, y famirializase con la operación de los equipos. Elimine el contenido de aire en todo el el sistema de tuberías; antes de hacer ingresar el fluido frio y caliente, respectivamente. 3. Calibre los termómetros antes de iniciar las lecturas de temperatura respectivas, para ambos. 4. Concluidas las diferentes mediciones de temperatura y caudal, correspondiente a cada tipo de intercambiador de calor a estudiar y en diferentes configuraciones de flujo (co-corriente y


Página 16

contra corriente), efectuar una limpieza general del equipo utilizado, d esalojar el agua de todas las tuberías.

Datos por consignar: Las dimensiones del equipo la damos en el siguiente cuadro: Tabla Nº 01: Detalles del intercambiador de calor

D Nominal(Pulg) D externo(m) D interno (m) Longitud (m) Condensador serpentin

2

0.06033

0.0525

0.4

0.01114

0.4

El tipo de material de condensador es de acero comercial cedula 40, con un sistema simple, y el serpentín es de vidrio.


Página 17

Tabulación de Datos Experimentales Recolectados

Tabla Nº 02: Mediciones de caudales y Temperaturas en el intercambiador

Fluido Caliente: Etanol Dato Nº

% abertur a

100

1

Fluido Frio: Agua

Vol (Lts)

Tiem(Mi nt)

0,0009 065 0,0009 065 0,0009 065

0,543 0,53333 3333 0,63333 3333

Q (m3/s)

Q Prom (m3/s)

0,00166 9429 0,00169 9688 0,00143 1316

T in (ªC)

0,001600 144

Tout (ªC)

78,4

Vol( m3)

50,2

0,00 15 0,00 15 0,00 15

Tiemp(M in)

Q(m3/s)

0,09283 3333 0,09283 3333 0,09266 6667

Q prom (m3/s)

0,01615 7989 0,01615 7989 0,01618 705

T in (ºC)

0,016167 676

T out (ºC)

25,4

Temp pared Tub

27,8

T amn b

28,8

23,5

Resultados

Datos en Sistema Internacional Tabla Nº 03: Datos del Intercambiador en S.I:

Fluido Caliente: Etanol % abertura

Dato Nº

100

1

Q Prom (m3/s) 0,001600144

Fluido Frio: Agua

T in (ªC)

Tout (ªC)

78,4

50,2

Q prom (m3/s) 0,016167676

T in (ºC)

T out (ºC)

25,4

TempSTub

27,8

T amnb

28,8

23,5


Página 18

La temperatura media logarítmica Tabla Nº 04: Calculo de la LTMD.

Dato Nº

% abertura 1

T in (ªC)

100

Tout (ªC)

78,4

T in (ºC)

50,3

T out (ºC)

25,4

LTMD

27,8

84,3597657

Propiedades Físicas de los fluidos Utilizados Propiedades Físicas del Etanol: Tabla Nº 05: Propiedades Físicas del Etanol

Fluido: Etanol

ρ (Kg/m3)

cp (Kj/Kg ºC)

μ, kg/m.s

k, W/m ºC

787

2,56

2,98

0,621

Pr

β,K-1

32,4

0,65x10-3

Propiedades Físicas del Agua: Tabla Nº 06: Propiedades Físicas del Agua.

Fluido: Agua

ρ (Kg/m3)

cp (Kj/Kg ºC)

μ, kg/m.s

k, W/m ºC

995,8

4,179

8,6

0,614

Pr 8,85

La temperatura media logarítmica Tabla Nº 04: Calculo de la LTMD.

Dato Nº

% abertura 1

T in (ªC)

100

Tout (ªC)

78,4

T in (ºC)

50,3

T out (ºC)

25,4

LTMD

27,8

84,3597657

Propiedades Físicas de los fluidos Utilizados Propiedades Físicas del Etanol: Tabla Nº 05: Propiedades Físicas del Etanol

Fluido: Etanol

ρ (Kg/m3)

cp (Kj/Kg ºC)

μ, kg/m.s

k, W/m ºC

787

2,56

2,98

0,621

Pr

β,K-1

32,4

0,65x10-3

Propiedades Físicas del Agua: Tabla Nº 06: Propiedades Físicas del Agua.

Fluido: Agua

ρ (Kg/m3)

cp (Kj/Kg ºC)

μ, kg/m.s

k, W/m ºC

995,8

4,179

8,6

0,614

Pr 8,85

Tabla de parámetros característicos involucrados: Re, Nu, pr:

Para Fluido Caliente: Etanol Tabla Nº 07: Calculo de Re, Nu, Pr, en fluido Caliente.

Re

Nu.

1023,334454

23,65701347

Pr 32,4

Para Fluido Frio: Agua. Tabla Nº 07: Calculo de Re, Nu, Pr, en fluido Frio.

Re

Nu.

21397,30178

143,9811522


Pr 8,85

Página 19

Los Coeficientes Locales y Globales de Transferencia de Calor

Tabla Nº 08: Calculo de los coeficientes locales y globales de transferencia de calor.

hi(W/m2,ºC)

Ra

Ri

1318,761702

0,000409725

0,002298767

he(W/m2,ºC) 2.907134291

Re

Ui(W/m2,ºC)

Ue(W/m2,ºC)

1,305592365

0,025124154

4,63429382

Análisis y Discusión de Resultados En la operación de intercambiador de calor, en este caso de un tipo de intercambiador de calor compacto (serpentín) hemos visto que la tranferencia de calor tiene lugar sobre la placa d e acero comercial, haciendo un análisis mas detallado en los valores de los coeficientes locales y globales hemos visto que es aceptable.

Conclusiones Hemos concluido a través de nuestros cálculos que el intercambio de calor hay u na transferencia de energía, poniéndole mas énfasis en la tranferencia de energía propiamente dicha, dado que el tema fundamental en este trabajo.

Recomendaciones Las recomendaciones necesarias al trabajar en esta operación de intercambio de calor, es que necesitamos mas datos, para poder observar las graficas que nos p iden, y que comportamiento muestra ante el incremento de caudal.

Nomenclatura

Th1: Temperatura Entrada de Fluido Frio. Th2: Temperatura Salida de Fluido Frio. Tc1: Temperatura Entrada Fluido Frio. Tc2: Temperatura Salida Fluido Frio. ρ: Densidad. μ: Viscodad.

r e:Radio Externo. r i:Radio Interno. Nu: Numero de Nuselt. Pr: Numero de Prandlt. NRe: Numero de Reynolds. Ra: Resistencia Térmica del Acero.


Página 20

Ri: Resistencia Termica en el interior. Re: Resistencia en el Exterior. he: Coeficiente Local de transferencia de caloren el exterior. hi: coeficiente Local de transferencia de calor en el externor. Ue: Coeficiente Global de transferencia de calor en el exterior. Ui: Coeficiente Global de transferencia de calor en el interior. Te: Temperatura en el exterior de la superficie de la área. T ∞: Temperatura del ambiente.

Referencias Bibliográficas

Transferencia de calor – J. P. Holaman - octava Edicion (primera en español) – 1999 Mecánica de Fluidos - Robert L. Mott. – sexta edición - 2006

Apéndice Ejemplo de Cálculos

Temperatura Media Logarítmica Utilizando la formula Nº 01y los datos de la tabla Nº 04.

Reynolds, Nuselt, Prandtl

Para hallar el Reynolds, utilizamos la Ecuación Nº 02 y la tabla Nº 05.

Para hallar el Nuselt, utilizamos la Ecuación Nº 03:


Página 21

Coeficientes locales y Globales de Transferencia de Masa Para hallar el coeficiente local interno, utilizamos la formula Nº 05:

Para hallar el coeficiente local externo, utilizamos la formula Nº 09:

Para hallar el coeficiente global interno Utilizamos la ecuación Nº 10

Para hallar el coeficiente global externo utilizamos la ecuación Nº 11:

Deducción de Ecuaciones

Temperatura media logarítmica Según la formula se define mediante: Ecuacion para LMDT:

Reynolds, Nuselt, Prandtl Ecuación para el Reynolds:

Ecuación para Nuselt:

Ecuación para prandtl:


Página 22

Coeficientes locales y Globales de Transferencia de Masa Ecuación para Coeficiente local interno:

Ecuación para la resistencia Térmica del acero:

Ecuación para la Resistencia térmica interior:

Ecuacion para la resistencia térmica externa:

Ecuación para el coeficiente local externo:

Ecuación para el coeficiente global Interno:

Ecuación para el coeficiente global Externo:


Página 23

Tablas adicionales Propiedades del agua, Liquido Saturado.

Cuestionario 1.

2.

¿Por qué difieren los valores calculados de los coeficientes, a partir de los datos experimentales con los modelos teóricos (o correlaciones) utilizados? ¿Es predominante el efecto de asumir el criterio de analogía con las resistencias eléctricas? La disminución del flujo, afecta directamente a la Uteórica, provocando una disminución directamente proporcional. En la Uexperimental debería ocurrir lo mismo. ¿se verían afectados los cálculos, como por la longitud y diámetro de los tubos que contiene los intercambiadores? Si se verían afectados los cálculos por que tanto la longitud y el diámetro de los tubos de los intercambiadores intervienen directamente en los cálculos, tanto en el área de transferencia de calor y la zona de transferencia de calor que están relacionados o ligados a los cálculos.

3.

Explique la razón por lo cual la rugosidad de la pared de un tubo se pone de manifiesto en el calculo de la temperatura media de la superficie exterior del intercambiador. Además; cuan importante es para determinar la perdida de calor hacia el medio ambiente. Como sabemos, la rugosidad cambia debido a la corrosión o formación de depósitos existentes en la pared del tubo, y esto haría que se forme una película “extra” en el tubo, por

lo tanto la resistencia para la trasferencia de calor será mayor, y por consiguiente la trasferencia de calor entre los fluidos será menor.


Página 24

Si no se pondría de manifiesto la rugosidad la transferencia de temperatura seria mayor y más consistente (en el sentido de que seria más liso y definido a lo largo del tubo la transferencia de calor) 4.

¿Cómo se explica el concepto de temperatura de película para evaluar las perdidas de calor por convección natural hacia el medio ambiente?¿como se pone de manifiesto las perdidas por radiación, y como se determina su coeficiente?

5.

¿Cómo se explica la variación del número de Reynolds, entre la entrada y salida del intercambiador de calor? Debido a la gran variación de temperatura que existirá entre los fluidos, ya que la viscosidad y densidad se modifica al cambio de la temperatura, y el numero de reynolds esta en función de ellos, entonces por lo consiguiente el numero de Reynolds variara en un determinado tiempo, para después volverse constante.


Página 25

73385188-Intercambiador-de-Calor

Recommend Documents