Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas Departamento de Ingeniería Civil Química Universidad Católica del orte
“Intercambiador “Intercambiador Multitubular” Multitubular” “Laboratorio de Operaciones Unitarias I” IQ-B12
ombres de Integrantes del Grupo! Carlos "rballo #i$%rraga& 'uliana Mic(ea Carva)al& atalia *o)as +arra y icole ,oto ,oto ombre del +ro-esor! María .speran$a G%lve$ .stay y María "ng/lica '%0e$ 1orres ombre del "yudante! Gino C(%ve$ +into Fec(a de la .2periencia! 34 de 5unio de 36789 Fec(a de .ntrega de In-orme! 6: de 5ulio de 36789
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
ÍNDICE
NOMENCLATURA NOMENCLATURA.................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ................................ ............4 4 RESUMEN................... RESUMEN....................................... ....................................... ....................................... .............................................................. ............................................ 5 OBJETIVOS..................... OBJETIVOS......................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ .................... 6 1) Objetivo Gene!".............................. Gene!".................................................. ........................................ ....................................... ............................... ............ 6 #) Objetivo$ E$%e&'(&o$...................... E$%e&'(&o$.......................................... ........................................ ................................................... ................................. 6 ASECTOS CONCETUALES............... CONCETUALES................................... ....................................... ....................................... ....................................... ..................... * 1) Teo'! + %in&i%io$..................... %in&i%io$........................................ ....................................... ........................................ ...................................... .................... * 1.1. Inte&!,bi!-o Inte&!,bi!-o -e tbo$ + &o!/!.................................. &o!/!.................................................................... .................................. 0 1.#. i!2!,! -e n n inte&!,bi! inte&!,bi!-o -o -e tbo$ tbo$ + &o!/!..................... &o!/!..........................................0 .....................0 1.3. Inte&!,bi!-o Inte&!,bi!-o -e &!"o -e &o!/! + tbo$ 1#.......................................... 1#................................................ ...... 1.4. En$&i!,iento.......... En$&i!,iento.............................. ........................................ ........................................ .............................................. .......................... 1 1.5. i7een&i! i7een&i! -e te,%e!t! "o2!'t,i&!....................... "o2!'t,i&!........................................... ....................................11 ................11 1.6. Coe(&iente 2"ob!" -e t!n$7een&i! t!n$7een&i! -e &!"o................................... &!"o................................................. ...............1# .1# 1.*. E(&ien&i!......................... E(&ien&i!............................................. ....................................... ....................................... .................................... .................... .... 13 #) E&!&ione$..................... E&!&ione$......................................... ........................................ ....................................... ....................................... ............................ ........ 14 3) M!2nit-e$ 7'$i&!$.......................... 7'$i&!$.............................................. ........................................ ........................................ .............................. .......... 1* ASECTOS METOOL8GICOS............... METOOL8GICOS.................................. ....................................... ....................................................... ................................... 10 RESULT RESULTAOS 9 AN:LISIS E RESULT RESULTAOS.................................... AOS.............................................................. ................................. ....... # 1) Re$ Re$"t!-o$........ "t!-o$............................ ....................................... ....................................... ............................................................. ......................................... # #) An;"i$i$ -e Re$ Re$"t!-o$......... "t!-o$............................. ........................................ ........................................................... ......................................... .. #3 CONCLUSIONES CONCLUSIONES 9 RECOMENACIONES.. RECOMENACIONES...................... ........................................ ........................................ ................................ ............ #5 1) Con&"$ione$................. Con&"$ione$.................................... ....................................... ........................................ ........................................ ............................. ......... #5 #) Re&o,en-!&ione$. Re&o,en-!&ione$.................... ....................................... ........................................ ........................................ ..................................... ................. #5
3
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
ÍNDICE
NOMENCLATURA NOMENCLATURA.................... ........................................ ........................................ ....................................... ....................................... ................................ ............4 4 RESUMEN................... RESUMEN....................................... ....................................... ....................................... .............................................................. ............................................ 5 OBJETIVOS..................... OBJETIVOS......................................... ....................................... ....................................... ........................................ ........................................ .................... 6 1) Objetivo Gene!".............................. Gene!".................................................. ........................................ ....................................... ............................... ............ 6 #) Objetivo$ E$%e&'(&o$...................... E$%e&'(&o$.......................................... ........................................ ................................................... ................................. 6 ASECTOS CONCETUALES............... CONCETUALES................................... ....................................... ....................................... ....................................... ..................... * 1) Teo'! + %in&i%io$..................... %in&i%io$........................................ ....................................... ........................................ ...................................... .................... * 1.1. Inte&!,bi!-o Inte&!,bi!-o -e tbo$ + &o!/!.................................. &o!/!.................................................................... .................................. 0 1.#. i!2!,! -e n n inte&!,bi! inte&!,bi!-o -o -e tbo$ tbo$ + &o!/!..................... &o!/!..........................................0 .....................0 1.3. Inte&!,bi!-o Inte&!,bi!-o -e &!"o -e &o!/! + tbo$ 1#.......................................... 1#................................................ ...... 1.4. En$&i!,iento.......... En$&i!,iento.............................. ........................................ ........................................ .............................................. .......................... 1 1.5. i7een&i! i7een&i! -e te,%e!t! "o2!'t,i&!....................... "o2!'t,i&!........................................... ....................................11 ................11 1.6. Coe(&iente 2"ob!" -e t!n$7een&i! t!n$7een&i! -e &!"o................................... &!"o................................................. ...............1# .1# 1.*. E(&ien&i!......................... E(&ien&i!............................................. ....................................... ....................................... .................................... .................... .... 13 #) E&!&ione$..................... E&!&ione$......................................... ........................................ ....................................... ....................................... ............................ ........ 14 3) M!2nit-e$ 7'$i&!$.......................... 7'$i&!$.............................................. ........................................ ........................................ .............................. .......... 1* ASECTOS METOOL8GICOS............... METOOL8GICOS.................................. ....................................... ....................................................... ................................... 10 RESULT RESULTAOS 9 AN:LISIS E RESULT RESULTAOS.................................... AOS.............................................................. ................................. ....... # 1) Re$ Re$"t!-o$........ "t!-o$............................ ....................................... ....................................... ............................................................. ......................................... # #) An;"i$i$ -e Re$ Re$"t!-o$......... "t!-o$............................. ........................................ ........................................................... ......................................... .. #3 CONCLUSIONES CONCLUSIONES 9 RECOMENACIONES.. RECOMENACIONES...................... ........................................ ........................................ ................................ ............ #5 1) Con&"$ione$................. Con&"$ione$.................................... ....................................... ........................................ ........................................ ............................. ......... #5 #) Re&o,en-!&ione$. Re&o,en-!&ione$.................... ....................................... ........................................ ........................................ ..................................... ................. #5
3
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” An -i$%o$i&i>n -e =jo.......................... =jo.............................................. ........................................ ....................................... ....................................... ........................................ .................... 3# 6) C;"&"o -e" =jo -e &!"o ,;?i,o........................... ,;?i,o............................................... .............................................. .......................... 33 *) C;"&"o -e "! e(&ien&i! &on "!$ -i$tint!$ -i$tint!$ &on-i&ione$ -e o%e!&i>n......... o%e!&i>n.............. .......... .......34 ..34 0) C;"&"o -e" -e" &oe(&iente 2"ob!" -e t!n$7een&i! t!n$7een&i! -e &!"o &!"o ,e-i!nte ,e-i!nte e&!&ione$ e&!&ione$ -e "! "ite!t! @en).................. @en)..................................... ....................................... ........................................ ........................................ .............................. .......... 35 REERENCIAS.............. REERENCIAS.................................. ........................................ ........................................ ........................................ ................................... ................... .... 4#
8
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
;M.C#"1U*"
"s at ac Cp DC
m3 m3 m3 =5>=g?C m9
Di
de calor9 Di%metro interno de los tubos del intercambiador m9
D6
de calor9 Di%metro e2terno de los tubos del intercambiador m9 de calor9 Conductividad 1/rmica del -luido9 #ongitud del intercambiador de calor9 Media edia loga logarí ríttmica mica de didi-ere erencia ncia de tempe empera rattura9 ura9 .-iciencia del intercambiador de calor9
=5>mseg?C m9 ?C @
ρ
Flu)o de calor9 Flu)o de calor m%2imo9 Densidad del -luido Bagua
=A =A g>m8
17 13 t7 t3 U UC
1emperatura de entrada del -lu)o caliente9 1emperatura de salida del -lu)o caliente9 1emperatura de entrada del -lu)o -río9 1emperatura de salida del -lu)o -río9 Coe-iciente global de trans-erencia de calor9 CoeCoe-ic icie ient nte e globa globall de tran transs-ere erenc ncia ia de calo calor r
?C ?C ?C ?C =A>m3?C =A>m3?C
μ
limpio9 Eiscosidad del -luido9
g>mseg
ω
Flu)o m%sico9
g>seg9
= # M#D1 M#D1 η
Q Qm%2
4
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
*.,UM.
#os intercambiadores de calor -acilitan la trans-erencia de calor de un -luido a otro& es decir& se trans-iere el calor del -luido de mayor temperatura al -luido de menor temperatura9 .n la presente pr%ctica& se dar% a conocer el -uncionamiento de un intercambiador de calor 73& es decir decir&& un paso por la carcasa carcasa Bo cora$a cora$a y dos paso paso por los tubos9 tubos9 .n esta se determinar% la trans-erencia de calor mediante dos con-iguraciones& una con-iguración corresponder% a ue el -luido caliente circula por la cora$a y la otra con-iguración ue el -lui -luido do cali calien ente te circ circul ula a por por los los tubo tubos9 s9 Con Con esta estass concon-ig igura uraci cion ones es se reali reali$ar $ar%n %n dos dos e2periencias por cada con-iguración& obteni/ndose cuatro arreglos de -lu)os& donde en la segunda e2periencia de cada con-iguración se (ar% variar sólo el -lu)o de la corriente -ría9 "dem%s& se determinar% el coe-iciente global de trans-erencia de calor para los cuatros arreglos de -lu)o& y la e-iciencia para estos9 .n los aspectos conceptuales se dan a conocer la teoría y principios del -uncionamiento del intercambiador de calor de tubo y cora$a& entregando las ecuaciones ue permitir%n desarrollar los ob)etivos de la pr%ctica9 .n los aspectos metodológicos se da a conocer el procedimiento e2perimental& los euipos y materiales involucrados como las medidas de seguridad ue se deben tener en cuenta antes de reali$ar la e2periencia9 Con respecto a los resultados resultados obtenidos& se puede apreciar ue la con-iguración con-iguración n?3 es la me)or disposición de los -lu)os en cuanto a la trans-erencia de calor y al rendimiento del euipo9 Debido a ue con esta con-iguración se obtienen menores p/rdidas de calor (acia el e2terior9 Como conclusión podemos decir ue& la trans-erencia de calor se e-ectHa de manera satis-actoria cuando el -lu)o -lu)o caliente circula por los tubos& debido a ue la super-icie puede
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” trans-erir mayor capacidad de calor y debido a ue el -luido -río recibe mayor trans-erencia de calor& reduciendo con esto las p/rdidas (acia el ambiente9
J
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
;K5.1IE;, 7 ;b)etivo General
Familiari$ar al alumno con la trans-erencia de calor en un intercambiador multitubular9
3 ;b)etivos .specí-icos
Comparar el calor trans-erido con al menos dos con-iguraciones de operación ue se puedan reali$ar con el intercambiador multitubular9
Determinar el coe-iciente global de calor para cada disposición de -lu)o y comparar con las ecuaciones disponibles en la literatura9
Comparar los coe-icientes globales de calor obtenidos para cuatro -lu)os con las dos con-iguraciones9
Determinar la e-iciencia de los intercambiadores con las distintas condiciones de operación9
L
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
",+.C1;, C;C.+1U"#.,
7 1eoría y principios
Un intercambiador de calor es un dispositivo ue permite la trans-erencia de calor de un -luido Blíuido o gas a otro -luido9 ,us -unciones en la industria pueden ser calentar un -luido -rio mediante un -luido con mayor temperatura& reducir la temperatura de un -luido mediante un -luido con menor temperatura& llevar al punto de ebullición a un -luido mediante un -luido con mayor temperatura o condensar un -luido en estado gaseoso por medio de un -luido -rio9 #os intercambiadores de calor se pueden clasi-icar segHn el tipo de super-icie en!
Inte&!,bi!-o e$
Inte&!,bi!-o e$ -e $%e(&ie$ %"!n!$.
Inte&!,bi!-o e$ &on tbo$.
Se%entine$ $,e2i-o$.
1e -ob"e tbo.
1e &o!/! + C!/ -e tbo$.
En7i!-oe$ -e &!$&!-!.
Re&i%iente$ en&!,i$!-o$.
Inte&!,bi!-o e$ &o,%!&to$
Inte&!,bi!-o e$ -e )"!&!$.
Figura 1: “Clasificacin de los tipos de interca!biadores de calor seg"n el tipo de superficie”#
:
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
1.1.
Intercambiador de tubos y coraza
.ste tipo de intercambiador consiste en un (a$ de tubos& por donde se (ace pasar una corriente de intercambio& ue se introducen dentro de una cora$a en cuyo interior a de circular la otra corriente de intercambio9 .ste tipo de intercambiador consiste en un con)unto de tubos en un contenedor llamado cora$a9 .l u)o de uido dentro de los tubos se le denomina comHnmente u)o interno y auel ue uye en el interior del contenedor como uido de cora$a o uido e2terno9 .n los e2tremos de los tubos& el -luido interno es separado del -luido e2terno de la cora$a por las placas del tubo9 #os tubos se su)etan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado9 .n sistemas donde los dos -luidos presentan una gran di-erencia entre sus presiones& el líuido con mayor presión se (ace circular típicamente a trav/s de los tubos y el líuido con una presión m%s ba)a se circula del lado de la c%scara9 .sto es debido a los costos en materiales& los tubos del intercambiador de calor se pueden -abricar para soportar presiones 8 m%s altas ue la c%scara del cambiador con un costo muc(o m%s ba)o9 .stos intercambiadores se usan para servicios en los ue se reuieren grandes super-icies de intercambio& generalmente asociadas a caudales muc(os mayores de los ue puede mane)ar un intercambiador de doble tubo9
1.2.
Diagrama de un intercambiador de tubos y coraza
Figura 2: “$iagra!a de un Interca!biador de tubos % cora&a”#
N
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
1.3.
Intercambiador de calor de coraza y tubos 1-2.
#a e2periencia reali$ada en el laboratorio se e-ectuó en un IC 73& es decir& ue el -luido circula una ve$ por la cora$a y el -luido ue se encuentra en el interior de los tubos pasa dos veces9
Figura ': “Interca!biador de calor de cora&a % tubos 1-2”# #os tubos ue van por dentro de la cora$a son colocados mediante una placa per-orada representada!
Figura (: “)laca deflectora de un interca!biador de calor”#
76
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” .stas placas de-lectoras est%n puestas para generar un -lu)o cru$ado y inducir una me$cla turbulenta en el -luido ue va por la cora$a& la cual cosa me)ora el intercambio por convección9 #os tubos pueden presentar di-erentes distribuciones! a)uste cuadrado& a)uste cuadrado girado o a)uste triangular9 .n esta e2periencia el a)uste de la placa de-lectora es! "5U,1. CU"D*"D;9 ")uste cuadrado! esta con-iguración permite una me)or limpie$a de los tubos9 1ambi/n (ace ue (aya una menor caída de presión en el lado de la cora$a9
Figura *: “+,uste Cuadrado”#
1.4.
Ensuciamiento.
1ras un período de -uncionamiento& las super-icies de trans-erencia de calor de un intercambiador de calor pueden llegar a recubrirse con varios depósitos presentes en las corrientes& o las super-icies pueden corroerse como resultado de la interacción entre los -luidos y el material empleado en la -abricación del cambiador de calor9 .n cualuier de los casos& esta capa supone una resistencia adicional al -lu)o de calor y& por tanto& una disminución de sus prestaciones9 .l e-ecto global se representa generalmente mediante un -actor de suciedad& o resistencia de suciedad& *-& ue debe incluirse )unto con las otras resistencias t/rmicas para obtener el coe-iciente global de trans-erencia de calor9
77
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” .l -actor de suciedad se de-ine!
Rd =
1.5.
1
U sucio
−
1
U limpio
Dierencia de tem!eratura logar"tmica.
M#D1 es la media logarítmica de la di-erencia de temperatura entre los -lu)os calientes y -ríos en cada e2tremo del intercambiador9 Cuanto mayor sea el M#D1& m%s calor se trans-iere9 .l uso de la #M1D directa surge del an%lisis de un intercambiador de calor con el constante -lu)o de -luidos y propiedades t/rmicas9 .2isten cuatro arreglos b%sicos para determinar la media logarítmica de temperatura!
Figura *: “+rreglos bsicos para deter!inar la !edia logar.t!ica de te!peratura”#
73
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” Ba Contra-lu)oO Bb -lu)o paraleloO Bc -uente con temperatura constante y receptor con incremento de temperaturaO Bd temperatura constante en el receptor y -uente con temperatura en decremento9
•
+ara el intercambiador de contra-lu)o& donde los -luidos -luyen en sentidos contrarios a trav/s del intercambiador! MDLT =
•
( T −t ) −( T −t ) ( T −t ) ln ( T −t ) 1
2
(
2
1
2
2
1
1
)
+ara el intercambiador de -lu)o paralelo& donde los -luidos -luyen en el mismo sentido a trav/s del intercambiador! MDLT =
1.#.
( T −t ) −( T −t ) ( T −t ) ln ( T −t ) 1
1
(
2
1
1
2
2
2
)
Coeiciente global de transerencia de calor
.l coe-iciente de trans-erencia de calor es un t/rmino ue relaciona las propiedades termodin%micas de un -luido con las resistencias ue e2isten al -lu)o de calor en un intercambiador de calor9 .l coe-iciente global de trans-erencia de calor representa la capacidad de la super-icie para trans-erir calor9 Depende de los coe-icientes convectivos individuales& B(i y (e& denotados así en la suposición de e2istir uno interno y otro e2terno& y de la resistencia conductiva de la super-icie9 .l coe-iciente global de trans-erencia de calor puede estar basado& tanto en el %rea interna del tubo como la e2terna y depende de tantas variables como sea preciso descomponerlo en sus partes9
78
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
1.$.
Eiciencia
.l rendimiento de un intercambiador de calor se mide comparando el dise0o de las di-erencias de temperatura y tasas de -lu)o con las mediciones reales9 #a medición real se divide por el dise0o para un valor de e-iciencia9 #a mayoría de los intercambiadores de calor no alcan$an valores muy altos en la e-iciencia debido a di-erentes par%metros e incluso por la p/rdida de calor (acia el e2terior9 #a trans-erencia de calor en un intercambiador depende de la di-erencia de temperatura& el coe-iciente global de cada componente ue intercambia calor& la capacidad de trans-erencia de calor del material de construcción& la velocidad con ue circula cada componente pero la principal característica ue de-ine cuanto calor intercambia un euipo es la super-icie de contacto entre los dos -luido& el cual es un par%metro de construcción9
74
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
3 .cuaciones
3979
Flu)o m%sico9 ´ ω = ρ∗Q
[ ] kg seg
Donde! ρ ! Densidad del -luido& =g>m 89 ´ Q ! Caudal o -lu)o volum/trico& m 8>seg9
3939
Donde! "s!
Di-erencia de temperatura logarítmica en -lu)o en contracorriente9
( T −t )−( T −t ) (T −t ) ln ( T −t ) 1
2
2
1
2
2
1
1
Donde! 17! 1emperatura del -lu)o caliente de entrada& ?C9 13! 1emperatura del -lu)o caliente de salida& ?C9 t7! 1emperatura del -lu)o -río de entrada& ?C9 t3! 1emperatura del -lu)o -río de salida& ?C9
7
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” 3949
Calor trans-erido9 Q=ωcp∆T
Donde! Q! Flu)o de calor& =A9 ω
! Flu)o m%sico del -luido& =g>seg9
Cp! Capacidad calorí-ica del -luido& =5>=g?C9 ∆ T ! Di-erencia de temperatura& ya sea del -lu)o -río o -lu)o caliente& ?C9
399 U =
Coe-iciente global de trans-erencia de calor9
Q A ( ∆ T )ln
Donde! U! coe-iciente global de trasmisión de calor& =A>m 3?C9 Q! Flu)o de calor& =A9 "!
( ∆ T )ln ! Di-erencia de temperatura logarítmica& ?C9
39J9
Calor de dise0o trans-erido9 Qmax =( ωcp )min∗( T 1 −t 1 ) Donde! Qmax
! Flu)o de calor de dise0o& =A9
ω ! Flu)o m%sico del -luido& =g>seg9
Cp! Capacidad calorí-ica del -luido& =5>=g?C9 7J
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” T 1 t 1
7L
! 1emperatura de entrada del -lu)o caliente& ?C9 ! 1emperatura de entrada de -lu)o -río& ?C
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” 39L9
.-iciencia del intercambiador9 n=
Q ∗100 Qmax
Donde! n! .-iciencia del intercambiador& @9 Q! Calor real trans-erido& =A9 Qmax
9
7:
! Calor de dise0o trans-erido& =A
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
8 Magnitudes -ísicas
8979
8939
Caudal! .s cantidad de materia e2presada en unidades de volumen Blitros& galones& m8& etc9& ue pasa por un %rea especí-ica en un determinado intervalo de tiempoO y se e2presa en unidades de volumen por unidad de tiempo9
8989
Calor! .l calor es la trans-erencia de energía desde un cuerpo ue se encuentra a mayor temperatura (asta otro de menor temperatura9 Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía9
8949
#ongitud! .s una medida de una dimensión9
899
1emperatura! .s el grado de calor ue posee un cuerpo y se e2presa en unidades de temperatura como lo son grados centígrados& grados Fa(ren(eit& grados elvin y grados *an=ine9
89J9
1iempo! .l tiempo es una magnitud -ísica con la ue medimos la duración o separación de acontecimientos& su)etos a cambio& de los sistemas su)etos a observación9
89L9
Eolumen! .l volumen Pes una magnitud escalar Pde-inida como el espacio ocupado por un ob)eto9 .s una -unción derivada de longitud& ya ue se (alla multiplicando las tres dimensiones9
",+.C1;, M.1;D;#RGIC;,
7N
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” 1) Método (Procedimiento experimental)
*evisar las salidas de emergencia9 *evisar los implementos de seguridad9 Medir di%metro interno y e2terno del tubo9 Medir el di%metro de la cora$a9 Medir el largo de Intercambiador de calor9 De-inir corriente -ría y corriente caliente9 De-inir con-iguración del -lu)o! B7 .l agua caliente entrar% por los tubos y B3 .l agua caliente entrar% por la cora$a9 ,e reali$ar%n dos e2periencias por con-iguración9 .n ue la segunda e2periencia sólo se (ar% variar el -lu)o de la
corriente -ría9 Medir temperaturas de entradas y salidas para las corrientes -ría y caliente en la
disposición de -lu)os9 Medir volHmenes constantes respecto al tiempo& (acer tres mediciones para
cada arreglo de -lu)o9 Determinar el -lu)o m%sico de la corriente -ría y de la corriente caliente9 Determinar la velocidad de -lu)o m%sico m%2imo y mínimo9 Determinar el -lu)o de calor y el -lu)o de calor m%2imo9 Determinar el %rea de trans-erencia de calor9 Determinar el coe-iciente global de trans-erencia de calor9 Determinar la e-iciencia para cada disposición de -lu)os9
2% Materiales y equipo
Intercambiador de calor multitubular9 1ermocuplas9 .uipo de cale-acción de agua9 +robeta 3666 m# S36 m#9 Cronómetro9
3) Aspectos de seguridad
*evisar el estado de las resistencias del estanue de cale-acción antes de conectarlas9
1ener cuidado con el contacto de las líneas y super-icie calientes ue no se encuentren aisladas9 36
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
*evisar e utili$ar los implementos de seguridad! Casco& $apatos de seguridad& lentes de seguridad& delantal y guantes9
Mantener una actitud proactiva -rente a la seguridad propia y del grupo9
37
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
*.,U#1"D;, ' "<#I,I, D. *.,U#1"D;,
7 *esultados
7979
Flu)o m%sico -río y caliente!
Confguraci
N°
Flujo
Flujo
ón
Experienc
Corriente
Corriente
ia
Fría, (kg/s)
Caliente,
6&7: 6&3: 6&7J6 6&3N4
(kg/s) 6&386 6&386 6&348 6&348
1 2
7 3 7 3
/abla 01: Flu,os !sicos de las corrientes fr.as % calientes”# 7939
Media logarítmica de di-erencia de temperatura!
Confgura
N°
!"#
ción
Experie
(°C)
ncia 7 3 7 3
36&L 7N&4 36&8 7:&:
1 2
/abla 02: “edia logar.t!ica de diferencia de te!peratura”# 7989
$rea trans%erencia
',
&e calor
'
*2
/abla 0': “3rea de transferencia de calor”# 33
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” 7949
Flu)o de Calor!
+ (k) Confguraci ón 1 2
N°
Corrien
+ (k)
Experienc
te
Corrien
ia
calient
te Fría
7 3 7 3
e &:: L&3NN L&83J 76&8L:
&67 L&3:3 &::6 &LLL
/abla 0(: “Flu,o de transferencia de calor”# 799
Coe-iciente global de trans-erencia de calor9
Confguraci ón 1 2
N° Experienc ia 7 3 7 3
Coefciente -lo.al &e Calor, (k/*2°C) 6&4L6 6&J33 6&NN 6&N74
/abla 0*: “Coeficiente global de transferencia de calor”#
38
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” 79J9
Calor de dise0o trans-erido BQm%29
Confguraci
N°
+*x
ón
Experienc
(k)
ia 7 3 7 3
7:&4N3 3&3: 7:&N76 3J&:J7
1 2 /abla 04: “Flu,o de
transferencia de calor
!5i!o”# 79L9
.-iciencia del intercambiador de calor para los cuatro -lu)os9
Con(2!&
ND
E(&ien
i>n
E?%eien
&i!
&i! 7 3 7 3
@) 87&J: 3:&N6 8:&L4 8:&J4
1 2
/abla 06: “7ficiencia del Interca!biador de calor”#
34
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
3 "n%lisis de *esultados
3979
Comparación del calor trans-erido por las dos con-iguraciones de operación9 ,e puede observa en la -igura L ue la mayor trans-erencia de calor se obtiene en la con-iguración n?3& es decir& cuando el -lu)o caliente circula por los tubos9 Debido a ue en la con-iguración n?7& es decir& cuando circula el -lu)o caliente por la cora$a& se disipa parte del calor entregado por el -lu)o caliente9
&lu'o de transerencia de calor.
Con(2!&i>n ND1 Con(2!&i>n ND#
3
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
Figura 6: “Co!paracin del flu,o de transferencia de calor en dos configuraciones”#
3J
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” 3939
Comparación de los coe-icientes globales de trans-erencia de calor obtenidos9 Como se puede observar en la -igura :& la con-iguración n?3& es decir& cuando el -lu)o caliente circula por los tubos& presenta mayor coe-iciente global de trans-erencia& lo cual nos indica ue en esta con-iguración la super-icie tiene mayor capacidad por trans-erir calor9
Coeiciente (lobal de transerencia de calor
Con(2!&i>n ND1 Con(2!&i>n ND#
3L
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
Figura 8: “Co!paracin del Coeficiente global de transferencia de calor en dos configuraciones”# 3989
"n%lisis de la e-iciencia del intercambiador multitubular en cada condición9 #a con-iguración n?3& es decir& cuando el -lu)o caliente circula por los tubos presenta mayor rendimiento del intercambiador de calor& cercano al 46@& esta e-iciencia es relativamente ba)a debido a las p/rdida de calor (acia el e2terior9
C;C#U,I;., ' *.C;M.D"CI;.,
7 Conclusiones
#a con-iguración n?3& es decir& cuando el -lu)o caliente circula por los tubos& presenta mayor trans-erencia de calor& obteni/ndose menores porcenta)es de
p/rdida9 De las dos con-iguraciones& se concluye ue el coe-iciente global de trans-erencia de calor en la con-iguración n?3& es decir& cuando el -lu)o caliente
circula por los tubos& presenta la super-icie mayor capacidad para trans-erir calor9 #a e-iciencia de un intercambiador de calor no es elevada debido a las p/rdidas de calor (acia el e2terior& pero entre las dos con-iguraciones& se concluye ue cuando el -luido circula por los tubos se obtiene mayor porcenta)e de e-iciencia o rendimiento9 3:
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
3 *ecomendaciones
Instalar un sistema ue regule el -lu)o volum/trico& es decir& ue se pueda monitorear& de esta manera el -lu)o se podr% mantener constante en distintas
condiciones de operación9 Instalar termocuplas o un sistema ue mida la temperatura del -luido en el interior
del tubo y de la cora$a9 1ratar de recubrir con un material aislante para ue las p/rdidas de calor (acia el
e2terior sean menores9
3N
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
"+TDIC. D. C<#CU#;, 7 C%lculo del -lu)o m%sico9 De la ecuación 397 del capítulo “"spectos Conceptuales”& se puede determinar los -lu)os m%sicos de las corrientes -ría y caliente9 .n las con-iguraciones sólo se (i$o variar el -lu)o de la corriente -ría& por lo tanto& para las dos e2periencias de cada con-iguración se obtiene el mismo -lu)o caliente9 +ara la primera e2periencia de la primera con-iguración se tienen los siguientes datos de -lu)o de las corrientes -ría y caliente!
#ie*po (seg) 5 5F5# 5F41
Flujo Caliente )olumen Caudal *ml% *ml+seg% 7376 343&66 7366 37L&8N 7346 33N&37
Caudal *m3 +seg% 6&666343 6&66637L 6&66633N
/abla 08: “$atos de flu,o de la corriente Caliente”
Cau&al pro*e&io
','''2
Corriente
'
Caliente
86
*/seg
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
Flujo Frío )olumen Caudal *ml% *ml+seg% 7J86 7:&:L 7J6 7&8L 7J76 7J7&66
#ie*po (seg) 1F#6 1F6# 1
Caudal *m3 +seg% 6&6667N 6&6667 6&6667J7
/abla 09: “$atos de flu,o de la corriente Fr.a”
Cau&al pro*e&io Corriente Fría
','''1
*/se
0
g
Usando la ecuación 397! ω = ρ∗Q
[ ] kg seg
Donde! ρ ! Densidad del -luido& =g>m 89 Q! Caudal o -lu)o volum/trico& m 8>seg9
[ ]
[ ] 3
kg m ω =1000 3 ∗0,000158 seg m ω = 0,158
[ ] kg seg
[ ]
kg ω c =1000 3 m
ω c =0,230
[ ]
87
[ ] 3
m ∗0,000230 seg
kg seg
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” De esta manera se procede para la segunda e2periencia de la primera con-iguración y para las dos e2periencias de la segunda con-iguración9 3 C%lculo de la di-erencia de temperatura logarítmica9 Con los datos de la primera e2periencia de la primera con-iguración& procedemos a calcular la temperatura media logarítmica9 #os datos son!
#e*peratu
#e*peratura
ra
Corriente
Corriente
Caliente (°C)
Fría (°C) t1 38&3 t2 87&
,1 ,2
38&3 87&
/abla 01: “$atos de la pri!era e5periencia de la pri!era configuracin de flu,os” +or la -orma en ue se distribuyen las temperaturas& corresponde a un -lu)o en contracorriente9 Usando la ecuación 398 del capítulo de “"spectos Conceptuales”!
MLDT =
( T −t )−( T −t ) (T −t ) ln ( T −t ) 1
2
2
1
2
2
1
1
Donde! 17! 1emperatura del -lu)o caliente de entrada& ?C9 13! 1emperatura del -lu)o caliente de salida& ?C9 t7! 1emperatura del -lu)o -río de entrada& ?C9 t3! 1emperatura del -lu)o -río de salida& ?C9 *eempla$ando los valores de las temperaturas se tiene!
83
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” MDLT =
( 51.1−31.5 )− ( 45− 23.2 ) ( 51.1−31.5 ) ln ( 45 −23.2 )
MDLT =20,7 ! "
De esta manera se procede para la segunda e2periencia de la primera con-iguración& y con las dos e2periencias de la segunda con-iguración9
8 C%lculo del %rea de trans-erencia de calor9
Usando la ecuación 393 del capítulo “"spectos Conceptuales” se puede determinar el %rea de trans-erencia de calor del intercambiador multitubular9 As =( πDL )∗ N
Donde! "s!
88
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” As =0,603 [ m
84
2
]
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” 4 C%lculo del -lu)o de calor9 Usando la ecuación 394 del capítulo “"spectos Conceptuales” se puede determinar el -lu)o de calor& el cual para la corriente -ría y caliente debería resultar ser el mismo9 +ero como se ver% con los resultados se obtiene una di-erencia entre estos9 Q=ωcp∆T
Donde! Q! Flu)o de calor& =A9 ω
! Flu)o m%sico del -luido& =g>seg9
Cp! Capacidad calorí-ica del -luido& =5>=g?C9 ∆ T ! Di-erencia de temperatura& ya sea del -lu)o -río o -lu)o caliente& ?C9
,e reali$aron dos con-iguraciones& la primera con-iguración consiste en ue el -lu)o caliente circula por la cora$a y la segunda con-iguración consiste en ue el -lu)o caliente circula por los tubos9 +ara la primera e2periencia de la primera con-iguración se tienen los siguientes resultados!
Cau&al
''''2
*/se
pro*e&io
'
g
Con la densidad& se convierte el caudal promedio a -lu)o m%sico para el a)uste de unidades en la ecuación de trans-erencia de calor!
'2' kg/seg
.l Cp ue se utili$ara en el c%lculo!
Cp 8
313 4j/kg°C
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
#as temperaturas obtenidas -ueron las siguientes! 17! 1emperatura de entrada del -lu)o caliente 7&7 ?C9 13! 1emperatura de salida del -lu)o caliente 4?C9 *eempla$ando los datos se obtiene!
(
Q= 0.230
kg s
)(
4.184
)
k# ( 51.1 ! " − 45 ! " ) kg!"
Q=5,858 [ k$ ]
De esta manera se procede con segunda e2periencia de la primera con-iguración y para las dos con-iguraciones de la segunda con-iguración9
8J
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” C%lculo del coe-iciente de global de trans-erencia de calor de cada disposición de -lu)o9 Usando la ecuación 39 del capítulo “"spectos Conceptuales” se puede determinar el coe-iciente global de trans-erencia de calor9
U =
Q A ( ∆ T )ln
Donde! U! coe-iciente global de trasmisión de calor& =A>m 3?C9 Q! Flu)o de calor& =A9 "!
( ∆ T )ln ! Di-erencia de temperatura logarítmica& ?C9 +ara la primera e2periencia de la primera con-iguración se tienen los siguientes resultados& los cuales (an sido obtenidos en los puntos anteriores Ben los puntos 3& 8 y 4 de este capítulo! Q &:: P=A
( ∆ T )ln 36&L ?C9 " 6&6J68 Pm3 *eempla$ando& obtenemos! U =
5,858 0,0603∗20,7
U = 4,696
[ ]
8L
k$ 2
m ! "
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” De esta manera se procede para la segunda e2periencia de la primera con-iguración y para las dos e2periencias de la segunda con-iguración9
8:
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” J C%lculo del -lu)o de calor m%2imo9 Usando la ecuación 39J del capítulo “"spectos Conceptuales” se puede determinar el -lu)o de calor m%2imo9 Qmax =( ωcp )min∗( T 1 −t 1 )
Donde! Qmax
! Flu)o de calor de dise0o& =A9
ω ! Flu)o m%sico del -luido& =g>seg9
Cp! Capacidad calorí-ica del -luido& =5>=g?C9 T 1 t 1
! 1emperatura de entrada del -lu)o caliente& ?C9 ! 1emperatura de entrada de -lu)o -río& ?C
+rimero se determina
( ωcp )min & calculando el -lu)o de la corriente -ría y de la
corriente caliente& y entre estos se determina el mínimo9 #os datos de la primera e2periencia de la primera con-iguración son!
[ ]
( ωcp )c =0,960 k$ !"
[ ]
( ωcp ) =0,663 k$ ! "
[ ]
k$ ( ωcp )min=0,663 +or lo tanto9 !"
8N
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
#uego& las temperaturas de entrada del -lu)o -río y caliente son! 17 7&7 ?C t7 38&3 ?C .ntonces& el -lu)o de calor m%2imo resulta! Qmax =0,663∗(51,1 −23,2 )
Qmax =18,462 [ k$ ]
De esta manera se procede para la segunda e2periencia de la primera con-iguración y para las dos e2periencias de la segunda con-iguración9
L C%lculo de la e-iciencia con las distintas condiciones de operación9
Usando la ecuación 39L del capítulo “"spectos Conceptuales” se puede determinar la e-iciencia del intercambiador de calor9
n=
Q ∗100 Qmax
Donde! n! .-iciencia del intercambiador& @9 Q! Calor real trans-erido& =A9 Qmax
46
! Calor de dise0o trans-erido& =A
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” +ara la primera e2periencia de la primera con-iguración se tienen los siguientes resultados obtenidos en los puntos 4 y J de este capítulo9 Q &:: P=A Qm%2 7:&4J3 P=A
+or lo tanto& la e-iciencia resulta! n=
5,858 ∗100 18,462
n =31,7
: C%lculo del coe-iciente global de trans-erencia de calor mediante ecuaciones de la literatura B=ern9 79 Calculo del %rea transversal al -lu)o de -luido9 7979
( )
N t π D2 at = 4 η
Donde! at !
( )
12 π ( 0,0134 ) at = 2 4
47
2
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” at =0,000846 [ m
43
2
]
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” 7939
Dc " % & ' t
Donde! Dc! Di%metro interno de la cora$a 6&7363 Pm9 CV! Distancia entre tubos adyacentes 6&668 Pm9 K! Distancia entre ba-les9 +t! +asos de tubos9
ac =
& =0,6∗ Dc =0,07215 [ m ]
't = Dc + " =0,12325 [ m ] %
( 0,12025∗0,003∗ 0,07215 ) 0,12325
ac = 0,000211 [ m
2
]
39 C%lculo de las velocidades m%sicas y par%metros de *eynolds y +randtl9 3979
1ubos9 (t =
$ ω ) (t = at at
Donde! A! Flu)o m%sico del -luido caliente& P=g>seg9 ω ! Flu)o m%sico del -luido -río& P=g>seg9 at
!
Con los datos de la primera e2periencia! (t =
~
0,230 0,000846
(t ¿ 272
48
[ ] kg
2
m seg
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” T c =
T c =
T 1+ T 2 2 51,1 + 45 2
T c =48,1 ! "
Con esta temperatura se determina el nHmero de +randtl y el nHmero de *eynolds9 ℜt =
D*ρ D(t = μ μ
D! Di%metro interno del tubo 6&6784 Pm9 (t ! Eelocidad m%sica del tubo 3L3 P=g>m 3?C μ ! Eiscosidad del -luido Bagua a la temperatura 1c&
μ 6&66683 P=g>mseg
Bobtenido de tabla del libro Kird9 ℜt =
0,0134∗272 0,000532
ℜt = 6851
De tablas “"ppendi2& +(ysica properties Gases and #iuids” se obtiene ue! +r 8&:4 3939
Cora$a9 (c =
$ ω ) (c = ac ac
Donde! A! Flu)o m%sico del -luido caliente& P=g>seg9 ω ! Flu)o m%sico del -luido -río& P=g>seg9 ac
!
Con los datos de la primera e2periencia! (c =
44
0,230 0,000221
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
~
(c ¿ 1041
[ ] kg
2
m seg
T 1+ T 2
T c =
2 51,1 + 45 2
T c =
T c =48,1 ! "
Con esta temperatura se determina el nHmero de +randtl y el nHmero de *eynolds9 ℜt =
De ( c μ
De! Di%metro euivalente para arreglo en cuadrado!
(
2
4 't −
De =
π D0
2
4
)
π D0
Donde! +t! +asos de tubos ¿ 0,12325 [ m ] D0
! Di%metro e2terno de los tubos 6&667J Pm
(
2
4 0,12325 −
De =
π ( 0,016 ) 4
2
)
π ( 0,016 )
D e =1,19 [ m ]
(c
4
! Eelocidad m%sica de cora$a 7647 P=g>m 3?C
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I” μ ! Eiscosidad del -luido Bagua a la temperatura 1c&
μ 6&66683 P=g>mseg
Bobtenido de tabla del libro Kird9 ℜc =
1,19∗1041 0,000532
6
ℜc =2,33∗10
De tablas “"ppendi2& +(ysica properties Gases and #iuids” se obtiene ue! +r 8&:4 89 C%lculo del coe-iciente convectivo9 8979
Fluido por los tubos9 +ara *eW3766!
(
+i
k D =1,86 ℜt ', t ϕi D L
)
1 3
( )
μ ϕi= μ ω
0,14
,e asume ue
ϕi
7& debido a ue la viscosidad del agua no varía
signi-icativamente con la temperatura9 D! Di%metro interno del tubo 6&6784 Pm9 #! #ongitud del intercambiador de calor 7 Pm *et J:79 +r 8&:49 = a la temperatura 1c& = 6&666J8J P=5>mseg?C
(
k D ℜt ', t +i=1,86 D L
4J
)
1 3
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
(
0,000636 ∗ 6851∗3,84∗0,0134 0,0134 +i=1,86 1
+i= 4,757
)
1 3
[ ] k$ 2
m ! "
+ara la super-icie e2terna de los tubos! +i 0= +i
( ) D D 0
D0
! Di%metro e2terno de los tubos 6&667J Pm
D! Di%metro interno de los tubos 6&6784 Pm (i! Coe-iciente convectivo interno de los tubos 4&LL P=A>m 3?C
(
+i 0= 4,757∗
+i 0=3,98
8939
0,0134 0,016
)
[ ] k$ 2
m ! "
Fluido por cora$a9 +ara *ec X 3766& la correlación es! +0
( )
1
k 0,55 = 0,36 ℜc ( ', t ) 3 ϕc De
4L
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
,e asume ue
ϕc
7& debido a ue la viscosidad del agua no varía
signi-icativamente con la temperatura9 De! Di%metro euivalente 7&7N Pm9 *ec 3&88Y76J9 +r 8&:49 = a la temperatura 1c& = 6&666J8J P=5>mseg?C
(
)
1
0,000636 ( 2,33∗106 )0,55 ( 3,84 ) 3 +0= 0,36 1,19
+0= 0,957
[ ] k$ 2
m !"
49 C%lculo del coe-iciente global de trans-erencia de calor limpio9 U " =
+i 0 +0 +i 0 + + 0
+i 0=3,98
[ ]
+i= 4,757
k$ 2
m ! "
[ ]
+0= 0,957
U " =
k$ 2
m ! "
[ ] k$ 2
m !"
3,98∗0,957 4,757
4:
“Laboratorio de Operaciones Unitarias I”
U " = 0,80
[ ] k$ 2
m ! "
4N