INTRODUCCIÓN
Un
intercambiador de calor se puede definir de un modo muy elemental como un
equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse
con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez
(Kern, 1965).
Para los
intercambiadores de carcasa y tubos se tienen varios modelos de flujo
diferentes del sencillo de flujo en pistón en paralelo y en contracorriente.
Todos son menos eficaces que el flujo en pistón en contracorriente. Esto
significa que se necesita más área superficial del intercambiador para las
condiciones finales dadas. A pesar de este inconveniente estos intercambiadores
se utilizan ampliamente en la industria, ya que con frecuencia son más
convenientes, más compactos y menos caros de construir para una finalidad dada
(Levenspiel, 1993).
La
construcción general de los intercambiadores de coraza y tubos consiste en un
haz de tubos paralelos dentro de una carcasa o coraza. Uno de los fluidos pasa
por el carcasa (por fuera de los tubos) y el otro dentro de los tubos. Los
cabezales extremos del intercambiador pueden estar construidos para que haya
varias “pasadas” en el lado de los tubos.
Los dos fluidos están físicamente separados pero están en contacto
térmico con las paredes metálicas de los tubos que los separan. El calor fluye
a través de las paredes de los tubos desde el vapor condensante hasta el fluido
más frío que circula por los tubos y de esta forma se da el intercambio de
calor. (B.V.Karlekar 1996)
.
Los
intercambiadores de tubo y coraza se usan para los servicios en los que los que
se requieren grandes superficies de intercambio de calor, generalmente asociadas
a caudales mucho mayores de los que pueden manejar un intercambiador de doble
tubo.
Uno de
los parámetros importantes que controlan la transferencia de calor neta del
fluido caliente al fluido frio es el área de la superficie que separa los dos
flujos, a través de la cual tiene lugar la transferencia de calor.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
·
Conocer el mecanismo de operación de los
intercambiadores de tubos y coraza.
OBJETIVOS
PARTICULARES:
·
Conocer los parámetros que influyen en la
evaluación experimental del coeficiente global.
·
Determinar el coeficiente global de
transferencia de calor en un intercambiador de tubos y coraza.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
RESULTADOS
Tabla 1. Datos del flujo medidos por la
probeta.
Volumen del fluido frío(cm3)
|
Volumen promedio, (cm3)
|
Tiempo (s)
|
Tiempo promedio, s
|
||||
570
|
610
|
810
|
663.333
|
1.98
|
1.9
|
2.35
|
2.07666
|
660
|
930
|
480
|
690
|
2.72
|
3.57
|
1.91
|
2.7333
|
420
|
530
|
390
|
446.666
|
2.13
|
2.1
|
1.71
|
1.98
|
510
|
515
|
580
|
535
|
1.97
|
1.76
|
2.43
|
2.0533
|
420
|
460
|
540
|
473.333
|
2.36
|
2.87
|
2.41
|
2.5466
|
Tabla 2. Comparación entre el flujo medido
por el rotámetro y experimental.
rotámetro(gal/min)
|
rotámetro (cm3/s)
|
flujo probeta (cm3/s)
|
% error
|
4.4
|
277.59
|
319.422
|
13.096
|
4
|
252.36
|
252.439
|
0.0312
|
3.2
|
210.88
|
225.589
|
6.520
|
3.6
|
227.12
|
260.552
|
12.831
|
2.8
|
176.65
|
185.864
|
4.9574
|
Tabla 3. Cálculo del LMDT en diferentes
mediciones
Medición
|
Tv
°C
|
t1 °C
|
t2 °C
|
LMDT °C
|
1
|
84
|
17
|
22.333
|
64.2966427
|
2
|
84
|
18
|
24.333
|
62.7802719
|
3
|
84
|
18
|
26
|
61.9138828
|
4
|
84
|
18
|
27
|
61.3900868
|
5
|
81
|
18
|
30.333
|
56.6097714
|
Tabla 4. Variables
para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor U
Medición
|
Flujo másico (g/s)*
|
Cp (J/g°C)
|
Q (J/s)
|
U (W/cm2°C)
|
1
|
318.505
|
0.41818
|
710.3151
|
0.00824413
|
2
|
251.714
|
0.41818
|
666.623
|
0.0079239
|
3
|
224.942
|
0.41818
|
752.529
|
0.00907022
|
4
|
259.804
|
0.41818
|
977.804
|
0.011886
|
5
|
185.33
|
0.418695
|
957.001
|
0.01261546
|
*El flujo másico fue calculado
con base en la lectura de la probeta y una densidad del agua de 0.997 g/cm3
a 20°C promedio.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
El
intercambiador utilizado en la práctica
es de tubo y coraza que consiste esencialmente en una bancada de tubos
paralelos A cuyos extremos terminan en las placas tubulares B, y B. La
bancada de tubos está dentro de una carcasa o craza cilíndrica C y está
provista de dos canalizaciones D1 y D2, una
en cada extremo, y dos tapaderas E, y Ez. Vapor de
agua, u otro vapor, se introduce a través de la boquilla F en el
espacio del lado de la carcasa que rodea a los tubos, condensa y es retirado a
través de la conducción G, mientras que algo de gas no condensable que puede
entrar con el vapor condensante se retira del sistema a través de la purga K.
El fluido
que ha de calentarse se bombea a través de la conexión H hacia el interior del
canal Dz y luye a través de los tubos hasta el canal D1
y finalmente descarga por la conexión .T. Los dos fluidos están
físicamente separados pero están en contacto térmico con las paredes metálicas
de los tubos que los separan. El calor fluye a través de las paredes de los
tubos desde el vapor condensante hasta el fluido más frío que circula por los
tubos. ( Warren L. McCabe 1991)
Figura 1. intercambiador de tubo
y coraza.
Las variables
que afectan la acción de un intercambiador de calor tubo y coraza son las
razones de flujo de masa, calores específicos, temperaturas de entrada y de
salida de los fluidos calientes y fríos, área de superficie disponible para la
transferencia de calor, es decir si se quiere transferir una gran cantidad de
calor de debe incrementar la longitud de
la trayectoria total recorrida por los fluidos disminuir el diámetro de los
tubos , conductividad térmica del material del tubo, el grado de deposito o
escamas en el interior de los tubos y los coeficientes conectivos de transferencia
de calor en las superficies interior y exterior de los tubos.
Se
puede observar en las tablas 3 y 4 que el coeficiente de transferencia de calor
U no depende en gran medida de la diferencia de temperaturas, sino sólo en la
magnitud de flujo másico, es decir, a mayor flujo másico habrá menor
coeficiente de transferencia de calor pues el tiempo de contacto de los fluidos
con el intercambiador es más breve que en un flujo másico lento. Para calcular
U se procedió:
Por lo
que la magnitud que la diferencia de temperaturas añade a la variación de U se
ve compensada o disminuida por el dividendo de la media logarítmica de
temperaturas, LMDT (Kern, 1965).
CONCLUSIONES
Se
operó el intercambiador de calor de tubo y coraza y se definieron los
parámetros que controlan la transferencia de calor neta del fluido caliente al
fluido frío.
El
coeficiente de transferencia de calor U sólo depende del tiempo de contacto
entre fluidos y el intercambiador.
El
porcentaje de error de la medición del rotámetro y de la probeta y cronómetro
es bastante alto, con un promedio de 7.5% debido a errores de paralelaje, poco
tiempo de medición y/o mala calibración del equipo.
BIBLIOGRAFÍA
-B.V.Karlekar,
R.M. Desmond, (1996) Transferencia de calor (2ª ed.). México D.F: Editorial. MC
Graw Hill,.pp 687-690
-Cengel, Y. y Ghajar, A. (2011). Transferencia de calor y masa. Fundamentos y aplicaciones (4ª ed.).
México: Editorial McGraw-Hill. ISBN: 978-0-07-339812-9. pp. 183-195
-Geankoplis,(1998)
Procesos de transferencia de calor.(3 ª ed.). México: Editorial Continental S.A
de C. V. pp. 981
-Kern,
D. (1965). Procesos de transferencia de
calor (1ª ed.). México, D. F.: Grupo
Editorial Patria. ISBN: 978-968-26-1040-0
-Levenspiel,
O. (1993). Flujo de fluidos e intercambio
de calor (1ª ed.). España: Editorial Reverté. ISBN: 84-291-7968-2. pp. 250-253
-McCabe, W., Smith, J.
y Harriot, P. (2007). Operaciones
unitarias en ingeniería química (7ª ed.).
España: McGraw-Hill Interamericana. ISBN: 0-07-284823-5. pp. 402-405
NOMENCLATURA
Tv=temperatura
de vapor de entrada, °C
t1=temperatura
de entrada del fluido frío, °C
t2=temperatura
de salida del fluido frío, °C
Gv=gasto
o caudal volumétrico del fluido frío, cm3/s
wf=Gasto
másico del fluido frío, g/s
Cp=capacidad
calorífica del fluido frío, J/g°C
U=coeficiente
global de transferencia de calor, J/cm2s°C
Q=velocidad
de transferencia de calor, cal/s
LMDT=diferencia
media logarítmica de temperaturas, °C
A=área
superficial para la transferencia de calor en los tubos, cm2
MEMORIA DE CÁLCULO
·
Calculo
de temperatura de vapor de las tablas
A una
presión de 413.72mmHg se busco en tablas
la temperatura a esa presión (Anexo:
tabla Presión de vapor de agua líquida y hielo a varias temperaturas)
·
Calculo
del Cp de las tablas
Se
realizo un promedio de temperatura t1 y t2 y se busco en
tablas el Cp para esa temperatura (anexo tabla)
·
Conversión
flujo rotámetro de gal/min a cm3/s
1
gal
|
3785.4cm3
|
Para
el primer dato de la tabla
·
Determinación
del flujo másico
Sustituyendo
datos:
Donde
wf=
flujo másico (g/s)
Caudal (cm3/s)
ρ= densidad (0.997 g/cm3)
Cálculo
del error respecto a la probeta
·
Determinación
del área del intercambiador con:
Sustituyendo
datos en la ecuación
Tabla 5 Dimensiones
del intercambiador de tubos y coraza
Longitud de los tubos
|
51.816 cm
|
Diámetro nominal de los tubos
|
¼ pulgada
|
Numero de tubos
|
6
|
Se
busco en tablas con diámetro nominal de
¼ cedula 40 el diámetro externo de la
tubería que corresponde a 
(Anexo tabla Propiedades de ductos,
tuberías y tamices)
(Anexo tabla Propiedades de ductos,
tuberías y tamices)
Donde
n=
numero de tubos en el intercambiador de tubos y coraza
L=
longitud de tubos (cm)
D=
diámetro externo de los tubos (cm)
A=
área de transferencia de calor en los tubos (cm2)
·
Determinación
de la carga térmica
El calor intercambiado o carga térmica es iguala
al calor cedido por el flujo caliente o bien absorbido por el flujo frío,
Sustituyendo
datos en la ecuación
Donde
Wf=
flujo másico (g/s)
Cp=
capacidad calorífica promedio (J/g°C)
t1=Temperatura
de entrada (ºC)
t2=
temperatura de salida (ºC)
·
Determinación
de la LMTD
Sustituyendo
datos
·
Determinación
del coeficiente global de transferencia de calor
Sustituyendo
datos
ANEXOS
Propiedades de ductos, tuberías y tamices
De Geankoplis, 1998
Propiedades
del agua en función de su temperatura
Presión de vapor de agua líquida y hielo a varias
temperaturas
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