UNIVERSIDAD DE CARTAGENA CARTAGENA Laboratorio de de operaciones unitarias unitarias VII semestre
INFORME: INTERCAMBIADORES DE CALOR-TUBOS CONCENTRICOS M. Ávila Medina 1, M. Arellano Arellano1, G. Cantillo 1, R. Silvera 1, A. Gonzalez 2 1
Estudiantes de ingeniería química, química, Universidad de Cartagena. Docente de laboratorio laboratorio de operaciones operaciones unitarias I, Universidad de Cartagena
2
RESUMEN Un intercambiador de calor es un equipo utilizado por la industria en diversos procesos en los que, a sea para !avorecer una reacci"n, disminuir la cantidad de ener#$a necesaria para realizar un proceso o simplemente para cumplir requerimientos de transporte %o almacena&e, es necesario trans!erir calor entre dos medios. Se pueden encontrar di!erentes con!i#uraciones de intercambiadores intercambiadores de calor, cada una a&ustada a determinados procesos o !inalidad. 'e todas estas con!i#uraciones la de tubos conc(ntricos suele ser la m)s com*n, debido a su sencillez. 'ic+os intercambiadores est)n constituidos por dos tubos conc(ntricos de di!erentes di)metros, es decir uno dentro del otro. A trav(s trav(s de estos se +ace pasar dos !luidos, uno de ellos circula a trav(s del tubo de menor di)metro mientras que el otro lo +ace a trav(s del espacio entre ambos conductos. n el presente in!orme se describe un e-perimento llevado a cabo con tubos conc(ntricos por los que se +izo pasar a#ua aceite a di!erentes temperaturas, en di!erentes disposiciones en paralelo contracorriente. 'espu(s de llevado a cabo el e-perimento se observa que al disponer el !lu&o de los !luidos a contra corriente la trans!erencia de calor se lleva acabo de !orma m)s e!iciente que al estar en paralelo. Palabras claves:
/ntercambiador, /ntercambiador, calor, tubos conc(ntricos, disposici"n, paralela, contracorriente.
ABSTRACT A +eat e-c+an#er is an equipment used b t+e industr in various processes in 0+ic+, eit+er to promote a reaction, decrease t+e amount o! ener# required to process or simpl to meet transport and % or stora#e requirements, is necessar to trans!er +eat bet0een t0o means. ou can be !ound di!!erent con!i#urations o! +eat e-c+an#ers, eac+ tailored to speci!ic processes or purpose. /n all t+ese con!i#urations t+e concentric tubes is usuall t+e most common because o! its simplicit. Suc+ e-c+an#ers are constituted b t0o concentric tubes o! di!!erent diameters, in ot+er 0ords one inside t+e ot+er. +rou#+ t+ese is passed t0o !luids, one o! 0+ic+ !lo0s t+rou#+ t+e smaller diameter tube 0+ile t+e ot+er does t+rou#+ t+e space bet0een t+e t0o ducts. /n t+is report is described an e-periment carried out 0it+ concentric tubes 0+ic+ 0as passed 0ater and oil at di!!erent di!!erent temperat temperatures ures and di!!erent di!!erent arran#em arran#ements ents parallel parallel and countercur countercurrent. rent. +e completi completion on o! t+e e-periment s+o0s t+at b providin# t+e !lo0 o! !luids countercurrent +eat trans!er is carried out more e!!icientl t+an bein# in parallel. e!"ords# -c+an#er, +eat, concentric tubes, laout, parallel, counter.
INTRODUCCIÓN l intercambio de calor, +o d$a, &ue#a un papel !undam !undament ental al en el desarr desarroll olloo de todo todo proces procesoo industrial, teniendo en cuenta que estos puede
!avorecer a la disminuci"n del consumo o el re direccionamiento direccionamiento de ener#$a, as$ como al aumento de la velo veloci cida dadd de un unaa reac reacci ci"n "n,, entr entree otra otrass operaciones claves que terminan siendo el !actor di!erencial en los productos !inales.
3or esta raz"n, los intercambiadores de calor, los cuales var$an de dise4o, materiales !uncionamiento, +an sido elaborados para este traba&o. 5os intercambiadores de calor son tan importantes tan ampliamente utilizados en la industria, que su dise4o +a e-perimentado un #ran desarrollo, e-istiendo en la actualidad normas ideadas aceptadas por MA que especi!ican con detalle los materiales, m(todos de construcci"n, t(cnicas de dise4o sus dimensiones. Figura 2. 3er!il de temperatura para !lu&o paralelo
ntre las con!i#uraciones comunes de los intercambiadores de calor, tenemos al intercambiador de tubos conc(ntricos, el cual por ser de dise4o sencillo es mu usado en las industrias. Su dise4o se basa en dos tubos de di)metros di!erentes que se incrustan, donde uno de los !luidos pasa por el tubo de menor di)metro mientras que el otro pasa por el espacio radial de los tubos
l se#undo, es el !lu&o en contracorriente, en donde los !lu&os entran por e-tremos opuesto su direcci"n a los lar#o de los tubos tambi(n lo es.
-isten dos sistemas usados para estos intercambiadores, dependiendo en la direcci"n en la que se muevan los !lu&os. l primero es el !lu&o paralelo, donde ambos !luidos entran por el mismo e-tremo !luen en la misma direcci"n a-ial.
Figura 3. R(#imen en contra!lu&o
Figura 4. 3er!il de temperatura en contra!lu&o.
Con !recuencia resulta imposible predecir el coe!iciente de trans!erencia de calor #lobal de un intercambiador de calor al cabo de un cierto tiempo de !uncionamiento, teniendo s"lo en cuenta el an)lisis t(rmico6 durante el !uncionamiento con la maor$a de los l$quidos con al#unos #ases, se van produciendo #radualmente unas pel$culas de suciedad sobre la super!icie en la que se realiza la trans!erencia t(rmica, que pueden ser de "-idos, incrustaciones calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros precipitados. l e!ecto que (sta suciedad ori#ina se conoce con el nombre de
Figura 1. R(#imen en !lu&o paralelo.
2
incrustaciones, provoca un aumento de la resistencia t(rmica del sistema6 normalmente el !abricante no puede predecir la naturaleza del dep"sito de suciedad o la velocidad de crecimiento de las incrustaciones, limit)ndose *nicamente a #arantizar la e!iciencia de los intercambiadores limpios. s por eso que un aspecto importante del producto UA es el !actor de ensuciamiento.
T1(K
T2(K
T3(K
T4(K
T!(K
T"(K
3#4$"!
9;,;
999,9;
92B,@;
9:,:;
99,B;
Ta%&a 2. ?alores de temperatura a traba&ar para !lu&o paralelo para 1;,15%min. T1(K
T2(K
T3(K
T4(K
T!(K
T"(K
3#4$'!
9;,1;
999,9;
92B,=;
9:,=;
991,1;
Ta%&a 3. ?alores de temperatura a traba&ar para !lu&o contra!lu&o para 295%min.
METODOLO8IA l monta&e consta de un sistema de tuber$as por la que entran dos !luidos 7A#ua aceite8 a di!erentes temperaturas, los cuales para su posterior an)lisis se dispondr)n en !lu&o paralelo !lu&o en contracorriente
T1(K
T2(K
T3(K
T4(K
T!(K
T"(K
3#4$!
9;,2;
999,2;
92B,=;
9:,=;
99,B;
Ta%&a 4. ?alores de temperatura a traba&ar para !lu&o contra!lu&o para 1;,15%min.
1. sco#er en qu( tipo de !luido se traba&ar) cerrar las v)lvulas para la con!i#uraci"n que se pre!iera, sea en contra corriente o sea en !lu&o paralelo. 2. Se enciende el termostato, el cual elevar) la temperatura del aceite en la tuber$a. 9. Abrir la llave de paso de a#ua 7llave de #ri!o8 que permita el !lu&o de a#ua a trav(s del sistema. :. sco#er el caudal de a#ua que entrar) al sistema de tuber$as. ;.
. ?ariar el caudal esco#ido para la con!i#uraci"n esco#ida 7!lu&o en paralelo o en contracorriente8 repetir el procedimiento. @. Cambiar la con!i#uraci"n esco#ida 7!lu&o en contracorriente o paralelo8 aplicar todos los pasos anteriores
ρ (Kg) *3 @:; BB=
A,i /2#
Cp7&%D#8
μ (N+)*2 .>9BB ,>@E1 F9
2,; :,1@
Ta%&a !. 3ropiedades del a#ua del aceite.
uber$a
D (*
A,i (A,r0 i0ia%&
.B;
/2O (iri0
.2;
Ta%&a ". 3ropiedades de las tuber$as
C)lculos iniciales
´ (*3)+ V
´ (*3)+ V
A,i
.:9====
.:9====
/2O
7295%min8.9@9
71;,15%min8.2;1=
Ta%&a '.
DATOS 9 CALCULOS
F&u50 *6+i,0:
'ebido a que se analiz" el intercambiador de calor en estado estable se utilizaron los *ltimos valores tomados para cada !lu&o. T1(K
T2(K
T3(K
T4(K
T!(K
T"(K
3#4$4!
9:,>;
999,2;
92B,>;
9:,2;
99,@;
´ i= ´ m V i ρ i ( Ec .1 ) &0,ia & 7&u50:
Ta%&a 1. ?alores de temperatura a traba&ar para !lu&o paralelo para 295%min.
3
V i=
m ´i ρi A i
Asumiendo que los coe!icientes de ensuciamiento son R cero (¿¿ f =0 ) los espesores de los tubos se
( Ec .2 )
¿
Nu*r0 R0&+:
ℜi=
V i D i μ ρ i
desprecian, entonces
( Ec .3 )
1
UA
ℜ< 2300 es laminar
Nu=0.125 f ℜ i Pr
1/ 3
( Ec .10)
para determinar la e!iciencia, primero se debe determinar la trans!erencia de calor m)-ima posible en el
( Ec .5 )
sistema
6
−2
0.7 ≤ Pr ≤ 160
( m&' )
mediante el si#uiente modelo
matem)tico
f =( 0.790 ln ℜi−1.64 )
( Ec .6 )
Si " o < " ! , entonces
m&' =" ( ( % o ,i −% !, i ) ( Ec .12 )
1/3
0.8
hi A i h o A o
Ca&,u&0 &a 7i,i,ia
Si 10 <ℜ< 10 ,entonces :
Si
1
=m ´ ! "#! ( $ % !) =m´ o " #o ( $ % o ) ( Ec .11)
ℜ> 10000 es turbulento :
4
+
3ara el c)lculo del calor cedido por el aceite el #anado por el a#ua en cada e-perimento se utiliz" la si#uiente ecuaci"n
Nu=4.36 ( Ec .4 ) Si
1
F&u50 ,a&0r
N;*r0 Nu: Si
=
Nui=ℜi Pr i ( Ec .7 )
Sino , entonces
m&' =" ) ( % o ,i −% !, i ) ( Ec .13 ) C07i,i+ ,0<,i<0+ ra+7r,ia ,a&0r (=. hi =
'onde
Nui k
( Ec .8)
D
" o= ´ mo "#o ( Ec .14 )
" ! = ´ m ! "#! ( Ec .15 )
C07i,i g&0%a& ra+7r,ia ,a&0r. ln
1
UA
=
1
hi A i
+
D o
ntonces la e!iciencia
R f , i Di R f , o 1 + + + ( Ec .9 ) Ai 2 πKL A o ho A o
*= 4
re&l m&'
( Ec .16 )
( * ) es
'e la c.: de la c.;
D+arr0&&0 u*>ri,0 'e la c.1
´ i (m / s) V
´ i (k+ / s ) m
.:9====
.9=@B@2>>
3
A,i
7295%min8.9@9
Agua
Nu
A,i
:.9=
11:.BB1@9 9
.9@1:=@
71;,15%min8.2;1=
Agua
.2;;B9=
@2.1=91=:
Ta%&a .
Ta%&a 11. umero de usselt del a#ua del aceite.
'e la c.2 'e la c.@ V ( m / s )
2
=.1=::>@;=
A,i
9=>B.>9>>1
.;12;;;91
Agua
Agua
Ta%&a ?. ?elocidades del a#ua del aceite en m%s.
2=2B.21=;2;
Ta%&a 12. Coe!icientes convectivos de tras!erencia de calor del a#ua del aceite en H%m 2.
'e la c.9
A,i
>:@.@:211
A,i
.>@2:11B9
h ( ) / m K )
[email protected]>:9B
Caracter$stica del !luido
'e la c.1
5aminar
2>::.=@=
Agua
1@2=.9B=>
urbulento
A,i - A,i (23L)*i
urbulento
Ta%&a 1#. Renolds caracter$stica del a#ua del aceite.
A,i - Agua (1!L)*i
UA (@)*3K 2.:9B:B:>>
2.===B@12
Ta%&a 13. Coe!icientes #lobales de trans!erencia de calor.
5
'e la c.11
Fa,0r +u,ia*i0 ipo
(
ara&&0
Aceite F A#ua 7295%min8
2.=:>:;19>
Aceite F A#ua 7295%min8
2.>B@>9:91
Aceite F A#ua 71;5%min8
2.=:>:;19>
C0ra,0rri ara&&0
C0ra,0rri
Aceite F A#ua 71;5%min8
Se puede obtener un valor que se apro-ime a describir el !actor de ensuciamiento en el intercambiador de calor, bas)ndonos en la tabla 11F2 del libro de rans!erencia de calor masa de Cen#el 7:ta edici"n8, la cual es
2.>29B2@:
Ta%&a 14. Calor trans!erido.
'e la c.19 c.1= n donde se apreci" que la resistencia #enerada por el a#ua por deba&o de los ;IC es i#ual a ipo
*a (
*
ara&&0
Aceite F A#ua 7295%min8
:;.B22=:
.;>=;
2
m K 0.0002 ) . , en la literatura podemos encontrar 2
la del aceite, que es
C0ra,0rri
Aceite F A#ua 7295%min8
:;.=9>:
.=19>1
ara&&0
Aceite F A#ua 71;5%min8
9.=2>12
.B1::
C0ra,0rri
Aceite F A#ua 71;5%min8
2B.>:@:>
.B1;:
Ta%&a 1!. Calor m)-imo e!iciencia.
6
m K 0.000528 ) .
A6&i+i+ gr67i,0
Temperatura vs tiempo 31.9 31.7 31.5 Temperatura(°C) 31.3 31.1
Temperatura vs tiempo 31.7 31.5 31.3 Temperatura(°C) 31.1 30.9
tiempo(s) T1
tiempo(s)
T2
T5
8ra T1
T2
7i,a 3. emperatura del a#ua.
T5
8ra 7i,a 1. emperatura del a#ua.
Temperatura vs tiempo
Temperatura vs tiempo Temperatura(°C)
Temperatura(°C) tiempo(s) T3
tiempo(s)
T4
T6
8ra T3
T4
7i,a 4. emperatura del aceite.
T6
8ra 7i,a 2. emperatura del aceite.
Temperatura vs tiempo 32.1 31.9 31.7 Temperatura(°C) 31.5 31.3
tiempo(s) T1
T2
T5
8ra 7i,a !. emperatura del a#ua.
7
ANALISIS DE RESULTADOS
Temperatura vs tiempo
5a pr)ctica de laboratorio permiti" obtener datos aspectos su!icientes para el c)lculo de aspectos como el calor trans!erido, la e!iciencia del equipo utilizado, el !actor de ensuciamiento del equipo, #ra!icar la temperatura en !unci"n del tiempo para identi!icar la relaci"n entre ellos adem)s determinar que arre#lo 7paralelo o contra!lu&o8 es m)s conveniente en t(rminos de la tras!erencia de calor. 'e acuerdo a esto presentamos el an)lisis de los c)lculos realizados en el $tem anterior.
Temperatura(°C)
tiempo(s) T3
T4
T6
'e la tabla 1:, se obtienen los valores del calor trans!erido para los dos arre#los en dos caudales di!erentes, donde los dos sistemas que se encontraban en contracorriente presentan una maor tras!erencia de calor del aceite 7!luido caliente8 +acia el a#ua 7!luido !rio8. sto es posible debido a que en el arre#lo en contra!lu&o la di!erencia de temperatura entre los dos !luidos sobre la lon#itud del intercambiador es maor que en !lu&o paralelo 7!i#uras 9 :8, este representa una maor trans!erencia de calor entre los dos !luidos. ste !actor tambi(n aumenta la e!iciencia del equipo intercambiador de calor, es as$ como se evidencia que en los c)lculos la e!iciencia para los arre#los en contra!lu&o es maor que para los que se encuentran en paralelo. A+ora, analizando la in!luencia de la velocidad de !lu&o en el calor trans!erido se puede observar que para cada arre#lo la velocidad de !lu&o menor !ue la que represent" una maor trans!erencia de calor, esto se debe a que con un caudal menor los !luidos en cuesti"n tienen la oportunidad de estar en contacto m)s tiempo aun as$ estar en movimiento, lo que !avorece la tras!erencia de calor.
8ra 7i,a ". emperatura del aceite.
Temperatura vs tiempo 32.1 31.9 31.7 Temperatura(°C) 31.5 31.3
tiempo(s) T1
T2
T5
8ra 7i,a '. emperatura del a#ua.
Temperatura vs tiempo
n cuanto al !actor de ensuciamiento, los dos !luidos que se utilizaron para el an)lisis de la tras!erencia de calor presentan normalmente un valor para el !actor de ensuciamiento que es est)ndar, esto in!luir) en el calor trans!erido en la e!iciencia del equipo, debido a que el ensuciamiento #enera una capa que impide que la trans!erencia de calor se d( e!icientemente. Adem)s del valor est)ndar que mane&an los dos !luidos, es posible que en el transcurso del uso del equipo este se ensucie debido al polvo que puede lle#ar al recinto donde este se encuentra ubicado.
Temperatura(°C)
tiempo(s) T3
T4
T6
8ra 7i,a . emperatura del aceite.
5as #r)!icas de emperatura vs tiempo permitieron evidenciar de manera m)s visible lo obtenido en los 8
c)lculos. Se puede observar un cambio considerable en la temperatura del a#ua, sobre todo en el arre#lo en contra!lu&o para un caudal de 1; 5%min en #eneral una disminuci"n de la temperatura del aceite, como era de esperarse debido a que este es el !luido caliente le est) trans!iriendo calor al !luido !rio 7a#ua8.
ANEOS
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES 3ara esta pr)ctica de laboratorio se +acen las si#uientes recomendaciones •
•
•
•
T2( C 91,:
T3(C
#
T1(C 91,9
=,1
T4(C ;=,;
T!(C 91
T"(C ;@
"#
91,9
91,:
=,1
;=,;
91
;@
12#
91,9
91,:
=,1
;=,:
91,1
;>,@
1#
91,9
91,;
=,1
;=,:
91
;>,B
24#
91,9
91,;
=,1
;=,=
91,1
;>,@
3##
91,9
91,;
=,1
;=,;
91,2
;>,@
3"#
91,9
91,=
=,1
;=,:
91,2
;>,@
42#
91,9
91,=
=,1
;=,9
91,1
;>,>
#
91,9
91,;
=,1
;=,;
91,1
;>,@
!4#
91,9
91,=
=,1
;=,=
91,1
;>,>
t7s8
stabilizar el equipo a una temperatura de equilibrio entre cada toma de datos para que las di!erencias de temperaturas no a!ecten los c)lculos. 5lenar el tanque de !lu&o de entrada +asta un mar#en superior para que el sistema no se llene de aire ener la v)lvula de salida que re#ula los tanques 1 2 parcialmente abierta. Revisar continuamente el nivel de los tanques, si el primero disminue la cantidad de a#ua, abrir la llave del #ri!o para que se nivele, si el se#undo sobrepasa su nivel +abitual, abrir la v)lvula directa de esta para sea retirado el e-cedente de a#ua del proceso.
Ta%&a 1". 'atos de temperaturas F
T3(C
#
T1(C 91,;
=,2
T4(C ;=,:
T!(C 91,2
T"(C ;>,@
"#
91,;
91,>
=,2
;=,>
91,2
;@
12#
91,;
91,>
=,2
;=,;
91,2
;>,B
1#
91,;
91,>
=,2
;=,=
91,9
;>,@
24#
91,;
91,>
=,2
;=,>
91,:
;@
3##
91,;
91,@
=,2
;=,;
91,9
;>,@
3"#
91,;
91,@
=,2
;=,>
91,9
;@
42#
91,;
91,@
=,2
;=,=
91,:
;>,B
4#
91,;
91,B
=,2
;=,>
91,:
;@
!4#
91,;
91,B
=,2
;=,>
91,9
;>,@
t7s8
Ta%&a 1'. 'atos de temperaturas F
REFERENCIAS •
•
•
•
Caudal de 1;,15%min. T2(C 91,>
T3(C
#
T1(C 91,=
=,2
T4(C ;=
T!(C 91,:
T"(C ;>,>
"#
91,=
91,>
=,2
;=,;
91,:
;@,1
12#
91,=
91,@
=,2
;=,9
91,;
;>,>
1#
91,=
91,@
=,2
;=,=
91,:
;@
24#
91,=
91,>
=,2
;=,;
91,:
;>,>
3##
91,=
91,>
=,2
;=,;
91,;
;@
3"#
91,=
91,@
=,2
;=,=
91,;
;>,B
42#
91,=
92
=,2
;=,;
91,;
;>,>
4#
91,=
91,B
=,2
;=,=
91,:
;>,B
'avid.
7s8
Fundamentos de transerencia de calor, cuarta edici!n. 3urdue universit.
/ncropera
3.
'eHitt
3.
McCabe, 5. H., Smit+, J. C., Karriot 3. 71BB18 Unit "perations o C#emical Engineering ,
!4#
91,=
92
=,2
;=,;
91,;
;@
V ´ ( ( L / min )
Ta%&a 1. 'atos de temperaturas F
T3(C
#
T1(C 91,>
"#
91,>
12#
2"$2
=,1
T4(C ;=,2
T!(C 91,;
T"(C ;@,=
92
=,1
;=,9
91,;
;>,9
91,>
91,B
=,1
;=,:
91,;
;@,1
1#
91,>
91,B
=,1
;=,2
91,:
;>,=
24#
91,>
91,B
=,1
;=,=
91,:
;>,@
3##
91,>
91,B
=,1
;=,;
91,:
;@
3"#
91,>
92
=,1
;=,:
91,:
;>,>
42#
91,>
92
=,1
;=,;
91,;
;>,@
4#
91,>
92,1
=,1
;=,9
91,;
;>,>
•
!4#
91,>
92,1
=,1
;=,;
91,;
;>,@
•
t7s8
Ta%&a 2#. 'ato de !lu&o volum(trico del aceite.
Pr Agua A,i
2.>@: 1@
Ta%&a 21. umero 3r para el a#ua aceite.
'"nde •
•
Ta%&a 1?. 'atos de temperaturas F
• •
10
1 es la temperatura de entrada del a#ua. 2 es la temperatura de salida del a#ua. 9 es la temperatura de entrada del aceite. : es la temperatura de salida del aceite. ; es la temperatura media del a#ua. = es la temperatura media del aceite
