Instituto Tecnológico de Ciudad Madero Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica Laboratorio Integral III Practica 1 Integrantes
N° de control
Acevedo Valderrabano Valderrabano José Antonio Martinez Aguilar Maria Magdalena Mata Márquez Mariana Rangel Solís Mariela Rocha Del Ángel Alejandra Edith Romero Ramón Carolina
12070491 13070197 13071086 13071901 13070293 12071301
Indice
Objetivo: Tratar de medir el coeficiente de transferencia de calor total U global del intercambiador de calor. Comparar los coeficientes de transferencia de calor obtenidos teórico y práctico. Intercambiadores de Calor En un intercambiador de calor participan dos o más corrientes de proceso, unas actúan como fuentes de calor y las otras actúan como receptores del calor, el cual se transfiere a través de las paredes metálicas de los tubos que conforman el equipo (contacto indirecto). Los equipos utilizados para calentar fluidos emplean generalmente vapor como fuente de calentamiento, los equipos utilizados para enfriar fluidos emplean usualmente agua como fluido de enfriamiento. Cuando existe una diferencia de temperatura entre un tubo y el fluido que circula por él, se transfiere calor entre la pared del tubo y el fluido. El flujo de calor intercambiado por unidad de tiempo, puede expresarse en función de un área de intercambio (A), una diferencia de temperatura característica (DT), siendo la constante de proporcionalidad el coeficiente de transferencia de calor (h). Para tubos completamente llenos, régimen estacionario y sección transversal circular uniforme, el coeficiente de transferencia de calor es función del diámetro del tubo, largo del tubo, densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica y velocidad promedio del fluido. Intercambiador de calor de tubos concéntricos o doble tuvo:
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los m ás 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. A continuación se pueden ver dos imágenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos. En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente. En la figura siguiente se muestran
esquemas de las dos configuraciones así como la evolución de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas:
Coeficiente global de transferencia de un intercambiador En el estudio de los intercambiadores de calor se supone que el tubo exterior, carcasa o casco, está perfectamente aislado térmicamente, es decir, no existe intercambio de calor con el exterior. Entonces se puede considerar que, a efectos de transferencia de calor, el intercambiador se comporta como una pared cilíndrica (el tubo o tubos interiores) bañada por dos fluidos a diferente temperatura, sistema que ya se ha analizado en este mismo documento y cuyo coeficiente global de transferencia tiene la siguiente expresión:
1 ln 1 + + 1 2ℎ 2 2ℎ 1 = 1 + ln + 1 ℎ 2 ℎ
= O lo que es lo mismo:
Siendo Ai el área de la superficie interior y Ao el área de la superficie exterior de transferencia de calor, hi el coeficiente de película interior y ho el coeficiente de película exterior. En el caso de que la pared del tubo interior sea lo suficientemente delgada Ai = Ao = A. Si el material del que está hecho el tubo es buen conductor del calor la resistencia térmica debida a conducción es despreciable, entonces:
ln 2 = 0 Las dos condiciones anteriores se dan casi siempre, quedando: 1 = 1 + 1 ℎ ℎ Factor de incrustación
Con el paso del tiempo se acumulan depósitos sobre las superficies de transferencia de calor de los intercambiadores que incrementan la resistencia térmica y hacen que disminuya la velocidad de transferencia de calor. El efecto neto de la acumulación de depósitos se cuantifica mediante el llamado factor de incrustación, Rf, que está tabulado para los diferentes fluidos. La acumulación puede producirse en la pared interior, en la exterior o en las dos simultáneamente lo cual se reflejará en el coeficiente global de transferencia de calor cuya expresión general quedará:
1 = 1 + + ln + + 1 ℎ 2 ℎ Y cuya expresión simplificada tiene la siguiente forma: 1 = 1 + + + 1 ℎ ℎ Material y equipo Equipo de intercambiador de calor
Cálculo de U práctico Para el cálculo del coeficiente global de transferencia (U), debemos realizar el procedimiento detallado a continuación:
Cálculo del MLDT:
Balance de Energía:
= × × = × 2 1 = 1 2 2 ln1 2 1 46.28 23.86 41.19 22.17 = 23.86 ln46.28 41.19 22.17 = 20.67 ° = × × ∆ = (4,18 °) × (0,277 ) × 5.09 ° = 10.45 = × × ∆ = (4,18 °)× (0,11 ) × 1.69 ° = 10.68 = 10.45 +2 10.68 = 10.57
Área de Transferencia de Calor:
= × × = × 0,0191× 8 = 0,480
Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor U:
10.57 3600 × 1 = 0,480 × 25.36 × ° 1 ℎ 3,6 ℎ = 868.33 × ° Cálculo de U teórico Flujo Másico Superficial
= 4
1 2 = 4
0,000867 = 4 = 2,17 × 10−
0,00196 = 4 = 4,99 × 10−
̇ = 1ℎ 1000 ∙ ℎ 3600 = 2,17 × 10− = 1280,08 ∙ 1ℎ 1000 = 4,99 ×ℎ10−3600 = 222,67 Cálculo del Número de Reynolds:
= × 3600 1280,08 × 0,0166 × 1 ℎ = 1.656 ℎ = 46222,02 3600 222,67 × 0,0334 × 1 ℎ = 2,77 ℎ = 10065,35
Cálculo del Número de Prandt:
= ∙ (4,18 °) × 1,656 ℎ = 1,319 ℎ ° = 5,25 (4,18 °) × 2,66 ℎ = 1,28 ℎ ° = 8,69
ECUACIÓN DE SIEDER Y TATE FLUJO TURBULENTO
ℎ = 0,027( ) × , × , ℎ = 20086,43 ℎ ° ℎ = 20086,43 × 0,0166 0,0191
ℎ = 17513,68 ℎ ° FLUIDOS POR EL EXTERIOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS
) × , × , ℎ = 0,026( ℎ = 3386,31 ℎ ° CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEÓRICO
1 + = 1/ = 776,01 °
CALCULO DEL ERROR DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA
776,01 ) ∙ 100 = 10,63% = (868,33868,33
