Termo INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBO Y CORAZA

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
INGENIERÍA QUÍMICA 
LABORATORIO EXPERIMENTAL MULTIDISCIPLINARIO III.
“INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBO Y CORAZA II”
(SISTEMA AIRE-VAPOR)
PROFESOR. CARLOS OROZCO HERNANDEZ 
EQUIPO.
· GONZALEZ ROBLEDO JENNIFER ARIADNE 
· GUERRERO SANTANA GUILLERMO EDUARDO
· SANTILLAN HERNANDEZ ILSE 
LUNES 31 DE AGOSTO DE 2015.
INTRODUCCIÓN 
El intercambiador de calor de coraza y tubos es el más utilizado en la industria por su variedad de construcción y aplicación por transferencia de calor en la producción de energía convencional. Está formado por una coraza y por multitud de tubos. Se clasifican por el número de veces que pasa el fluido por la coraza y por el número de veces que pasa el fluido por los tubos.
Se usa una amplia variedad de configuraciones en los intercambiadores de calor de coraza y tubos, dependiendo del desempeño deseado de transferencia de calor, caída de presión y los métodos empleados para reducir los esfuerzos térmicos, prevenir fugas, fácil mantenimiento, soportar las presiones y temperaturas de operación, y la corrosión. Por estas razones es importante conocer el proceso experimental con el que se usa un intercambiador de este tipo, comprender el comportamiento de fluidos generalmente usados como es el vapor de agua, agua y aire también es parte fundamental de la práctica realizada.
también se puede comprender la configuración y función de un intercambiador en base a sus parámetros básicos y se pueden aplicar conocimientos de transferencia de calor para la selección, diseño, mantenimiento y control de este equipo.
Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos y necesarios para su construcción. Se les puede encontrar en la Industria de procesos, ya sea químicos, generación de energía, petroquímica, papel y pulpa, petrolera, farmacéutica, por mencionar algunas de las más importantes.
OBJETIVOS 
· Comprender el comportamiento de un fluido compresible en un intercambiador de calor de tubos y coraza.
· Seleccionar y aplicar la correlación apropiada para calcular teóricamente el coeficiente global de transferencia de calor y comparar con el obtenido experimentalmente.
· Identificar las variables de operación, tanto las que nos llevan a tener una mejor operación del equipo y las que afectan la operación del equipo.
GENERALIDADES
Como hemos mencionado anteriormente, un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor 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.
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar en muchas formas diferentes. Una forma consiste en basar la clasificación en las direcciones relativas del flujo de los fluidos calientes y frío, dando lugar a términos como fluidos paralelos, cuando ambos fluidos se mueven en la misma dirección; flujo encontrado, cuando los fluidos se mueven en paralelo pero en sentido opuesto; y flujo cruzado, cuando las direcciones de flujo son mutuamente perpendiculares. Otra manera de clasificar los intercambiadores de calor, es mediante la estructura y uso de los mismos.
La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo y carcaza que se muestra en la figura
Intercambiador de calor de carcasa y tubos
Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la carcaza por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de la cáscara.
Para diseñar o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, es esencial relacionar la transferencia total de calor con cantidades como el coeficiente global de transferencia de calor donde tenemos que:
El coeficiente de transferencia de calor total para intercambiadores de calor depende no solo de los coeficientes convectivos de transferencia de calor, sino además de las superficies interior y exterior del tubo.
El coeficiente de transferencia de calor total es importante ya que nos proporciona la cantidad total de calor transferido.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
1. Verificamos que todas las válvulas estuvieran cerradas antes de comenzar la experimentación, de la misma manera verificamos que el equipo estuviera en óptimas condiciones de operación.
2. Se procedió a abrir las válvulas para poder purgar el equipo.
3. Se abrió la válvula de aire comprimido y se tomó la temperatura de entrada del mismo.
4. Posteriormente se abrió la válvula de vapor para que circulara en el equipo.
5. Se fijó una presión de trabajo de 1.5 kg/ cm2
6. Se fijó la alimentación del aire comprimido y se trabajó a diferentes flujos.
7. Cuando el equipo estuviera en condiciones estables que no variará la presión se tomaron las lecturas de las temperaturas de salida del aire, la cantidad del condensado en un cierto tiempo así como altura del desplazamiento del mercurio.
8. Se cerró la válvula de vapor
9. Se dejó circular el aire para enfriar el intercambiador y se abrió la válvula del intercambiador para expulsar el vapor sobrante del equipo.
10. Por último se cerraron todas las válvulas del equipo para dejarlo en las condiciones iniciales.
RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 
Los siguientes datos son los obtenidos en la experimentación, cabe mencionar que la temperatura de entrada del aire es constante y el flujo de vapor saturado fue se mantuvo constante y se varió flujo de aire, midiendo su presión diferencial de salida del aire mediante el Annubar del secador rotatorio.
	Corrida
	Temperatura de entrada
[°C]
	Temperatura de salida
[°C]
	Volumen de condensado
[mL]
	Tiempo
[s]
	Presión de vapor
[kg/cm2]
	Presión diferencial de aire
[in Hg]
	Flujo volumétrico
[mL/s]
	1
	16
	58
	100
	60
	1.5
	2
	1.667
	2
	16
	66
	120
	60
	1.5
	4
	2
	3
	16
	76
	170
	60
	1.5
	6
	2.833
	4
	16
	78
	180
	60
	1.5
	8
	3
El flujo volumétrico se obtuvo dividiendo el volumen del condensado a la salida entre el tiempo establecido que fue 1minuto, utilizando la siguiente formula. 
Y en unidades inglesas 		 
Para determinar el coeficiente global de transferencia de calor del vapor, se utilizó la siguiente ecuación.
Para la cual se utilizaron las siguientes expresiones matemáticas.
Comenzando por el calor del vapor condensado y flujo másico. 
Y 
Acompañadas del cálculo de la densidad del vapor, utilizando la volumen especifico del líquido saturado.
Se obtuvo la presión de trabajo para el vapor con la siguiente expresión matemática. 
Y por lo tanto para obtener el volumen específico del vapor saturado se hizo una interpolación en las tablas de vapor, utilizando esta presión absoluta. 
	Vapor-liquido saturado 
	Vespecífico [ft3/lb]
	0.017051781
	ρliq sat [lb/ft3]
	58.64490039
	λvapor [Btu/lb]
	941.975328
	T [°F]
	255.1781
Con los datos proporcionados en el manual, para obtener el valor del área exterior de contacto en el intercambiador, se investigó en la literatura el diámetro interiory exterior del tubo interior el cual es un tubo de ½” cédula 40 (Crane), así como la ecuación para obtener el área de transferencia en un intercambiador de tubos y coraza.
	Tubo cedula 40, ½ “
	D. ext
[ft]
	D. int
[ft]
	Numero de tubos
	Longitud de transferencia
[ft]
	Área de transferencia
[ft2]
	0.07029
	0.05214
	12
	3.64
	9.64552888
Para el área de transferencia.
Para determinar la LMTD se empleó la siguiente formula
Donde
 Es el fluido frio y el fluido caliente respectivamente, es decir, el fluido caliente es el vapor saturado y el frio es el aire comprimido.
	Corrida
	Temperatura de entrada
[°F]
	Temperatura de salida
[°F]
	Temperatura de vapor
[°F]
	ΔT1
[°F]
	ΔT2
[°F]
	
LMTD
[°F]
	1
	60.8
	136.4
	262.56
	201.76
	126.16
	161.0127859
	2
	60.8
	150.8
	262.56
	201.76
	111.76
	152.3551162
	3
	60.8
	168.8
	262.56
	201.76
	93.76
	140.929513
	4
	60.8
	172.4
	262.56
	201.76
	90.16
	138.5486896
Para calcular el valor del coeficiente global de transferencia de calor experimental del vapor. 
	Corrida
	Flujo volumétrico
[ft3/min]
	Flujo másico
[lb/hr]
	Q
[Btu/min]
	U [Btu/min ft2 °F]
	U [Btu/h °F ft2]
	1
	0.00353
	0.207016498
	195.004434
	0.125561957
	7.533717425
	2
	0.004236
	0.248419798
	234.0053208
	0.159236508
	9.554190453
	3
	0.006001
	0.351928047
	331.5075377
	0.243873949
	14.63243694
	4
	0.006354
	0.372629697
	351.0079811
	0.262656724
	15.75940344
Para calcular el coeficiente global de transferencia de calor experimental del aire se necesita obtener el calor de este, en la siguiente tabla se muestran los datos utilizados en la siguiente expresión matemática de Annubar.
 
Donde:
Y
Donde:
P= Presión de trabajo manométrica lb/in2
1= 0.0764 lb/ft3
°F= Temperatura del aire.
Para sustituir en la siguiente expresión. 
Donde el Cp es función de la temperatura es
Y a, b, c y d son constantes específicas para cada fluido, para el aire son.
	
	a
	b
	c
	d
	Cp aire
[Btu/lb °F]
	0.238505517
	3.42E-05
	2.63E-08
	-1.62E-11
Realizando la integral del Cp del aire:
Teniendo el valor de la integral para cada corrida se multiplica por el flujo másico para obtener el valor de la carga térmica del aire.
Se determinó el coeficiente global de transferencia de calor experimental con la siguiente expresión. 
	Corrida
	Presión manométrica
	Densidad del aire
	Flujo másico de aire
[lb/h]
	Flujo volumétrico
[ft3/h]
	
ʃCp dT [Btu/lb]
	Carga termina de aire (Q)
[Btu/h]
	Coeficiente global (U) [Btu/h °F ft2]
	1
	21.33495
	23.36109807
	1858.32848
	79.5479936
	18.30470746
	34016.15919
	21.90276105
	2
	21.33495
	25.80710075
	2762.233976
	107.0338742
	21.79092995
	60191.64707
	40.95935781
	3
	21.33495
	28.8646041
	3577.826582
	123.9520407
	26.18233598
	93675.85765
	68.91276588
	4
	21.33495
	29.47610477
	4174.850209
	141.6350716
	27.06194599
	112979.5709
	84.54179264
La determinación del coeficiente global de transferencia de calor teórico se obtuvo utilizando la siguiente expresión que involucra los coeficientes individuales de película.
Dónde
	
U= Coeficiente global de transferencia de calor para un intercambiador de tubos y coraza
= Coeficiente individual del Intercambiador de calor del fluido que va por la coraza
 Coeficiente individual del Intercambiador de calor del fluido que va por os tubos 
· (vapor de agua que condensa)
Para el valor de se determina mediante la siguiente correlación la cual es válida cuando los fluidos se transportan en régimen turbulento
Donde 
Diámetro interior de los tubos
Conductividad térmica del fluido
iscosidad 
 Capacidad calorífica de éste a presión constante
Refiriéndose al área externa
Para obtener los valores de la conductividad se consultaron datos en la literatura y se realizó una interpolación con la temperatura promedio de cada corrida. 
	T
[°F]
	K
 [Btu /h ft °F]
	197.2
	0.01795
	211.6
	0.01829
	229.6
	0.01872
	233.2
	0.01881
Para la viscosidad del aire se utilizó la fórmula de Sutherland.
Donde
Viscosidad a la temperatura T [=] cP 
Viscosidad a la temperatura T0 [=] cP
Temperatura a la que se conoce la viscosidad [=] °R
Temperatura para la cual se requiere conocer la viscosidad [=] °R 
C= Constante de Sutherland, para el aire es 120
Y para obtener el valor de Cp es utilizo la ecuación de los cálculos anteriores, en función de las temperaturas promedio. 
	Temperatura promedio
	K
[Btu/h ft °F]
	T 
[°R]
	μ 
[cP]
	μ
[lb/ft h]
	Cp
[Btu/lb °F]
	197.2
	0.01795
	657.2
	0.02177085
	0.05268545
	0.24614371
	211.6
	0.01829
	671.6
	0.02212551
	0.05354373
	0.24676143
	229.6
	0.01872
	689.6
	0.02256348
	0.05460362
	0.24754289
	233.2
	0.01881
	693.2
	0.02265038
	0.05481391
	0.24770038
Posteriormente se determinaron los números adimensionales.
Donde: 
D=diámetro ft
	D. int
[ft]
	0.05214
Viscosidad 
G=flujo másico area= 
Donde:
Por lo cual:
= numero de tubos (12)
=0.304 in2 [2]
= número de pasos (1)
Donde: 
 =conductividad térmica 
Cp=capacidad calorífica 
Viscosidad 
Con los valores de hi se obtiene hio con la siguiente expresión.
	Corrida
	G
	Re
	Pr
	hi
[Btu/h ft2 °F]
	hio
[Btu/h ft2 °F]
	U
[Btu/h °F ft2]
	1
	2970.094105
	2939.34462
	0.722462029
	2.441563679
	1.811112964
	1.808928847
	2
	4414.771091
	4299.031337
	0.722390763
	3.379726937
	2.507027493
	2.50284436
	3
	5718.30102
	5460.301256
	0.722047962
	4.199268374
	3.11495025
	3.108495045
	4
	6672.500654
	6347.005384
	0.721819574
	4.76130831
	3.531862502
	3.523566002
 
 
MEMORIA DE CÁLCULO
CONCLUSIONES
 BIBLIOGRAFÍA 
· Crane, “Flujo de Fluidosen válvulas, accesorios y tuberías” Mc Graw Hill, México (1989)
· Kern, “Procesos de transferencia de calor”. Ed. Continental. México, (1989).
· Valiente, “Manual del Ingeniero Químico”. Ed. Limusa, México. (1993).
· “Tablas de Vapor” Grupo Alfaomega; México 1995.
U vs Re
U experimental, aire	2939.3446198254501	4299.0313369431296	5460.3012564803157	6347.0053836284296	21.902761048893989	40.959357814873975	68.912765876988288	84.541792636105939	U teorico 	2939.3446198254501	4299.0313369431296	5460.3012564803157	6347.0053836284296	1.808928847441033	2.502844360075311	3.1084950445924275	3.5235660020109876	U experimental, vapor 	2939.3446198254501	4299.0313369431296	5460.3012564803157	6347.0053836284296	7.5337174247375671	9.5541904525482728	14.632436942062361	15.759403436223504	Re
U (Btu/h ftÞ^2 °F