Practica de laboratorio No 2: Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor utilizando la diferencia media logarítmica (LMTD)
MARIO ALMANZA CAMILO CASAS ANDRÉS FELIPE MURCIA PABÓN FERNANDO RODRIGUEZ
CLAUDIO ALBERTO MORENO. Docente.
Informe de laboratorio.
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA GRUPO 301 BOGOTÁ. D.C CONTENIDO
1. RESUMEN 2. INTRODUCCIÓN 3. OBJETIVOS: 3.1. 3.2.
Objetivo general Objetivos específicos.
4. MARCO TEÓRICO 4.1. 4.2. 4.3.
Intercambiadores de calor tubulares. Aplicaciones Materiales y métodos.
5. ANÁLISIS. 6. CONCLUSIONES. 7. CUESTIONARIO. 8. BIBLIOGRAFÍA.
1. RESUMEN:
El siguiente documento muestra el análisis realizado en un intercambiador de calor tubular en el cual se practicó el método presentado para un equipo HT- 31. Dicho método fue desarrollado por el software del equipo arrojando los datos respectivos para contracorriente. Por el intercambiador de calor fluye agua caliente, calentada por medio de una resistencia y fluyendo a través del intercambiador por la tubería interior, fluye a través de este diámetro por el accionamiento de una bomba hidráulica y agua fría que fluye por la zona anular, también fluye por el intercambiador de calor por el accionamiento de una bomba hidráulica. Se tomaron 43 mediciones en un intervalo de tiempo de 7 minutos. El software del equipo desarrolló los cálculos correspondientes de la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) y con este desarrollo el coeficiente global de transferencia de calor. 2. INTRODUCCIÓN Los intercambiadores de calor tubulares se emplean principalmente en procesos de calentamiento o refrigeración. También conocidos como intercambiadores de calor de doble tubo, ya que consiste en un tubo colocado concéntricamente dentro de otro de mayor diámetro. En este tipo de intercambiadores de calor se pueden configurar diferentes disposiciones de los flujos correspondientes (Flujo caliente zona anular, flujo frío en diámetro interno. Flujo caliente diámetro interno, flujo frío en zona anular) ya sea en contracorriente y paralelo. Estas consideraciones se tienen en cuenta al desarrollarse diferentes procesos en la industria ya sean de refrigeración, calefacción, química farmacéutica, industria alimentaria, entre otras. Por su amplia aplicación es importante conocer las variables que afectan en el intercambiador de calor y cómo se determinan estas variables. Por medio de la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) se calculan los coeficientes globales de transferencia de calor conociendo además el área de transferencia de calor. En una industria es importante el correcto funcionamiento de los intercambiadores de calor ya que se garantiza que no existieran incrustaciones en este, reduciendo el coeficiente global de transferencia de calor y por ende, entorpeciendo el proceso respectivamente. 3. OBJETIVOS: 3.1.
Objetivo General:
Determinar el coeficiente global de transferencia de calor para un intercambiador de calor tubular utilizando la diferencia media de temperaturas logarítmicas (LMTD) 3.2.
Objetivos Específicos:
Indagar el funcionamiento de un intercambiador de calor tubular con horquilla. Explicar el procedimiento de intercambio de calor de este tipo de intercambiadores en contraflujo. Observar los equipos utilizados en esta práctica de laboratorio. Verificar los datos arrojados por los instrumentos de medición y control.
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4. MARCO TEÓRICO: 4.1. Intercambiadores de Calor tubulares: Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Están constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo pueden ser lisos o aleteados. Se utilizan tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. Como resultado el área exterior se amplía, siendo ésta más grande que el área interior. El tubo con aletas transversales representado a continuación se utiliza cuando la dirección del fluido es perpendicular al tubo. En cambio, cuando la dirección del flujo de los fluidos es paralela al eje de los tubos, el tubo es con aletas longitudinales: Las partes principales de los intercambiadores de calor de doble tubo son dos juegos de tubos concéntricos, dos “Tes” conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las “Tes” tienen boquilla s o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del anulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor. Cuando se arregla en dos pasos, la unidad se llama horquilla.
Fig. 1. Intercambiador de doble tubo.
El intercambiador de doble tubo es extremadamente útil, ya que se puede ensamblar en cualquier taller de plomería a partir de partes estándar, proporcionando superficies de transferencia de calor a bajo costo. Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies. La longitud efectiva es la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor y excluye la prolongación del tubo interior después de la sección de intercambio. Cuando las horquillas se emplean en longitudes mayores de 20 pies correspondientes a 40 pies lineales efectivos o más de doble tubo, el tubo interior se vence tocando el tubo exterior, por lo que hay una mala distribución del fluido en el anulo. La principal desventaja en el uso de los intercambiadores de doble tubo es la pequeña superficie de transferencia de calor obtenida en una horquilla simple. Cuando se usa con un equipo de destilación en un proceso industrial, se requiere gran número de ellos. Esto requiere considerable espacio y cada intercambiador de doble tubo introduce no menos de 14 puntos en donde pueden ocurrir fugas. Ventajas: * Bajos costes de mantenimiento, ya que prácticamente no hay necesidad de piezas de repuesto, al ser una construcción completamente soldada. * Fácil inspección y desmontaje, con el fin de tener un mejor acceso a la placa tubular y a los tubos interiores del intercambiador de calor, podemos considerar diseños de placa tubular bridada así como conexiones (brida, clamps, rácords DIN 11851) en todas las interconexiones/codos entre los módulos. * Altas presiones de trabajo, debido a la ausencia de juntas y a su construcción completamente soldada, los intercambiadores tubulares se pueden alcanzar presiones de diseño de más de 100 barg. Con respecto a los cálculos mecánicos, podemos verificarlos de acuerdo con diferentes códigos de diseño (ASME Section VIII Div.1, AD Merkblätter, 2014/68/EU), incluso por medio del Método de Elementos Finitos si es necesario. * Altas temperaturas de operación, gracias a su construcción completamente soldada y a la ausencia de juntas en los intercambiadores tubulares, no se
presentan los problemas que otras configuraciones de intercambiadores de calor presentan ante elevadas temperaturas (por ejemplo, los intercambiadores de placas y juntas) * Fácil de ampliar, debido a su diseño modular. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos permiten, de una manera relativamente fácil, añadir módulos en serie con el fin de aumentar la potencia de intercambio y el salto térmico. Asimismo, en caso de ser necesario aumentar el caudal de proceso, se pueden disponer colectores para bifurcar el caudal de producto o servicio, funcionando de este modo con varias líneas en paralelo. El principal uso del intercambiador de calor de doble tubo es para el calentamiento o enfriamiento sensible de fluidos de proceso donde se requieren áreas de transferencia de calor pequeñas (hasta 50 m ^ 2). Esta configuración también es muy adecuada cuando uno o ambos fluidos son de alta presión. La principal desventaja es que el intercambiador de calor de doble tubería es voluminoso y costoso por unidad de superficie de transferencia. La tubería interna puede ser de un solo tubo o tubos múltiples. Si el coeficiente de transferencia de calor es por en el anillo, se puede usar un tubo interno con aletas axiales (o tubos). El intercambiador de calor de doble tubo está construido en concepto modular. 4.2.
Aplicaciones de intercambiadores de doble tubo.
Diversos procesos en la industria se utilizan estos equipos, ya sea en la industria alimentaria, producción de bebidas, química farmacéutica, purificación de agua, calefacción y refrigeración. Para estas aplicaciones es necesario que los materiales que lo componen no puedan afectar la salud de las personas y/o de los procesos. Muchos de estos intercambiadores de calor se fabrican en aceros inoxidables (304 L – 316 L) con acabados de aluminio. Un concepto importante para entender las aplicaciones es bajo qué condiciones se quiere trabajar el intercambiador de calor. Los fabricantes recomiendan que se trabaje los fluidos en un flujo pequeño. Para la industria de alimentos y/u otras industrias que manejan sólidos en suspensión recomiendan trabajar en fluido Laden (alta en fibra o pulpa) y mantenimiento de la integridad del fluido (piezas). Una aplicación común de intercambiadores de calor de doble tubo corresponde al precalentador. Utilizado para calentar el agua que va a ingresar a la caldera. En sistemas de vapor de gran escala, o en sistemas donde se requieren grandes temperaturas, el fluido de entrada es comúnmente precalentado en etapas, en lugar de tratar de calentar dicho fluido en una sola etapa desde el ambiente hasta la temperatura final. El precalentamiento en etapas incrementa la eficiencia de la planta y minimiza el choque térmico de los componentes, que es el caso de inyectar fluido a temperatura ambiente en una caldera u otro dispositivo operando a alta temperatura. En el caso de sistemas de generación de vapor, una porción del vapor generado es sustraído y utilizado como fuente de calor para recalentar el agua de alimentación en etapas.
Al entrar el vapor al intercambiador de calor y fluir alrededor de los tubos, éste transfiere su energía térmica y se condensa. El vapor entra por la parte superior de la carcasa del intercambiador de calor, donde transfiere no solamente el calor sensible (cambio de temperatura) sino también transfiere su calor latente de la vaporización (condensación del vapor en agua). El vapor condensado entonces sale como líquido en el fondo del intercambiador de calor. El agua de alimentación entra al intercambiador de calor en el extremo inferior derecho y fluye por los tubos. Observe que la mayoría de estos tubos estarán debajo del nivel fluido en el lado de la carcasa. Esto significa que el agua de alimentación está expuesta al vapor condensado primero y en seguida viaja a través de los tubos y por detrás alrededor del extremo superior derecho del intercambiador de calor. Después de hacer una vuelta de 180◦, entonces el agua de alimentación parcialmente
calentada está sujeta a la entrada de vapor más caliente que entra a la carcasa. El agua de alimentación es calentada a mayor temperatura por el vapor caliente y después sale del intercambiador de calor. En este tipo de intercambiador de calor, el nivel fluido del lado de la carcasa es muy importante en la determinación de la eficacia del intercambiador de calor, pues el nivel fluido del lado de la carcasa determina el número de tubos expuestos al vapor caliente.
Fig.2 Precalentador con agua de alimentación para la caldera en tubos en "U".
Otro ejemplo muy común encontrado en equipos automotores es el radiador. Comúnmente, los intercambiadores de calor están pensados como dispositivos líquido-a-líquido solamente. Pero un intercambiador de calor es cualquier dispositivo que transfiere calor a partir de un fluido a otro fluido. Algunas plantas dependen de intercambiadores de calor aire/líquido. El ejemplo más familiar de un intercambiador de calor aire-líquido es un radiador de automóvil. El líquido refrigerante fluye por el motor y toma el calor expelido y lo lleva hasta el radiador.
El líquido refrigerante fluye entonces por tubos que utilizan aire fresco del ambiente para reducir la temperatura del líquido refrigerante. Ya que el aire es un mal conductor del calor, el área de contacto térmico entre el metal del radiador y el aire se debe maximizar. Esto se hace usando aletas en el exterior de los tubos. Las aletas mejoran la eficacia de un intercambiador de calor y se encuentran comúnmente en la mayoría de los intercambiadores de calor del aire/líquido y en algunos intercambiadores de calor líquido/líquido de alta eficacia.
Fig.3 Radiador de doble tubo con horquilla utilizado para automóvil.
4.3.
Materiales y métodos.
La práctica de laboratorio se desarrolló en la Universidad de América en el laboratorio de Transferencia de calor. Se utilizó la unidad de servicio de intercambiadores de calor HT30XC y el intercambiador de calor tubular HT31. Los líquidos que se utilizaran en la práctica de laboratorio corresponden a agua fría y agua caliente. Para calentar el agua se utiliza en la unidad de servicio de intercambiadores de calor HT30XC una resistencia que calienta el agua hasta un punto correspondiente óptimo para la práctica. El tipo de flujo predeterminado para la práctica es contracorriente. Se miden las temperaturas de las dos corrientes de flujo en diferentes puntos. Donde T1 y T3 corresponden a las temperaturas del fluido caliente a la entrada y a la salida respectivamente. T4 y T6 corresponde a las temperaturas del fluido frío en la entrada y salida correspondientemente. Se ajustó el flujo de caudal para ambos fluidos y se procedió a tomar las lecturas de las temperaturas en diferentes intervalos de tiempo.
Fig.4 Intercambiador de doble tubo HT 31 ubicado en la universidad de América.
El intercambiador de calor tubular HT31 es un modelo en una gama de intercambiadores de calor diseñados para su uso con la unidad de servicio HT30X / HT30XC. El intercambiador de calor tubular está montado en una placa de base de PVC que incorpora cuatro orificios que lo ubican en cuatro pernos en el extremo izquierdo de la unidad de servicio HT30X / HT30XC. La placa base de PVC está asegurada a la unidad de servicio con tuercas mariposa. En operación normal, el fluido caliente del circulador de agua caliente pasa a través de cada tubo de acero inoxidable. Y el fluido frío del suministro de agua fría pasa a través del anillo creado entre cada tubo interior de metal y un tubo exterior acrílico transparente. Esta disposición minimiza las pérdidas de calor del intercambiador sin la necesidad de aislamiento adicional y permite que se vea la construcción del intercambiador. Carcasa de PVC unida a cada extremo de los tubos exteriores acrílicos transparentes, incorporan anillos "O" entre cada tubo interno y el anillo exterior. Estos proporcionan un sello líquido, acomodan la expansión diferencial entre las partes metálicas y plásticas y permiten que los tubos de metal internos se retiren para su limpieza. La carcasa del extremo también incorpora los accesorios necesarios para que los sensores miden las temperaturas del fluido y las conexiones a los suministros de agua fría y caliente. Los seis sensores de temperatura del termopar están etiquetados como T1 a T6 para identificación y cada cable termina con un enchufe de termopar miniatura para conectarlo a la toma correspondiente en el lado izquierdo de la consola de la unidad de servicio. Los tubos flexibles unidos a cada entrada / salida de fluido terminan con una férula. Esto permite una conexión rápida a los accesorios de liberación rápida apropiados en la unidad de servicio HT30X / HT30XC, y la conversión de
operación en contracorriente a operación en paralelo (La dirección del flujo de agua puede cambiarse invirtiendo las conexiones apropiadas.
Fig. 5 Esquema de conexiones del intercambiador tubular HT31
5. ANÁLISIS. 6. CONCLUSIONES: Ahora se le ha presentado el método para calcular el coeficiente global de transferencia de calor para un intercambiador de calor. Esta es la característica más importante de un intercambiador de calor. Los efectos de los caudales de los fluidos y las diferencias de temperatura entre la corriente de fluido caliente y frío se investigarán en ejercicios posteriores Comente las diferencias en T1 y T2 cuando el intercambiador de calor está configurado para flujo a contracorriente y en paralelo. Comente los valores resultantes para TLM y su efecto en U. Comente sobre cualquier diferencia entre el coeficiente global de transferencia de calor para el mismo intercambiador de calor en corriente paralela y en contracorriente (con todas las demás variables iguales). Se comprobó que el intercambiador de calor tubular, se puede utilizar correctamente con los fluidos a contracorriente y en flujo paralelo, siendo más eficiente cuando se opera con los flujos a contracorriente, mostrando un mayor cambio en las temperaturas de salida, comparadas con las temperaturas de salida con los flujos en paralelo. El fluido frío y el fluido caliente entran al intercambiador por diferentes extremos. Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de
calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproxima a la temperatura del fluido de entrada. 7. Cuestionario: 7. 1. ¿Qué tan válido es considerar el coeficiente global constante a lo largo de todo el intercambiador? El coeficiente global de transferencia de calor es constante a lo largo de todo el intercambiador debido a que el NTU () no cambia ya que se considera que cada fluido está a la temperatura media de entrada y salida. Por otra parte, si se mira por la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD), se hace una relación del coeficiente global de transferencia de calor con respecto a las paredes del tubo (Convección) además de tener en cuenta las resistencias que se llegan a generar por medio de las incrustaciones. En esta forma se toma el coeficiente global de acuerdo con el área interna del tubo y el área del tubo del intercambiador así se calculan dos tipos de coeficiente global. Donde el coeficiente de transferencia de calor por convección mayor dará el coeficiente global referido mayor. 7. 2. ¿El factor de incrustación debe ser igual para flujo en paralelo o en contraflujo? El factor de incrustación se utiliza tanto en intercambiadores en paralelo como en contraflujo, sin embargo, es conveniente utilizar en intercambiadores de calor de pasos múltiples el factor de corrección el cual depende de la configuración geométrica del intercambiador, lo cual hace entender que el factor de incrustación no debe ser igual. 7. 3. ¿Cuál es el papel de los deflectores? ¿De qué manera la presencia de deflectores afecta la transferencia de calor y las necesidades de bombeo? los deflectores longitudinales se usan cuando se requieren dos o más pasos por la carcasa o para sustituir a dos carcasas en serie. Estos deflectores son denominados también divisores de paso. El arreglo de los divisores de paso en un intercambiador de pasos múltiples es aleatorio, aunque se trata de colocar un número aproximadamente igual de tubos por paso para minimizar la diferencia de presión, complejidad de fabricación. Los deflectores se utilizan para absorber energía lo que afecta la transferencia de calor, para ralentizar el flujo o para producir una distribución de velocidades más uniforme. puede desviar, guiar o agitar el líquido y puede mitigar la existencia de remolinos 7. 4. ¿Cuáles son las causas comunes de incrustación en un intercambiador de calor? Hay varias formas de incrustación en los intercambiadores, entre los que destacamos:
● El sarro es una de las formas comunes de incrustaciones en intercambiadores
de calor. ● Las incrustaciones biológicas ocurren como resultado de bacterias y otros
organismos como los protozoos que se encuentran en el agua de refrigeración. ● Las incrustaciones de sedimentos consisten en óxidos metálicos, productos de
corrosión, limo, alúmina y organismos diatómicos. ● Las incrustaciones residuales se componen de depósitos con bases
hidrocarbonadas de aceites, asfalto y grasas. ● Incrustaciones gruesas: escala gruesa o bloqueo del intercambiador de calor
debido a fibras, diversos sólidos y algas
8. BIBLIOGRAFÍA. ● Armfield (2010). Computer compatible tubular heat exchanger. Instruction Manual. ● Jaramillo, O. A. (2007). Intercambiadores de calor. Universidad autonoma
de Mexico. Recuperado el (10/04/2018) disponible en: http://vitela.javerianacali.edu.co/bitstream/handle/11522/8772/Intercambiado res%20de%20calor%20-%20Eficiencias.pdf?sequence=9&isAllowed=y ● Kakaç, Sadik y Liu, Hongtan. (2002). Heat Exchangers. Selection, rating and thermal design. Coral Gables, Florida: CRC Press.
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