Universidad Nacional Autnoma de MxicoFacultad de Qumica

Laboratorio de Ingeniera Qumica IIProfesor Oscar Hernndez MelendezGrupo 5Mircoles 8 11 hrs

Prctica #6:Caractersticas de la operacin de intercambiadores de calor en cocorriente y contracorriente

Lpez Vega Lidia Alicia

Problema:Determinar grficamente el menor flujo de la corriente caliente (con T =55C) que se necesita para elevar a 37C la temperatura de una corriente fra de 150 L/h que entra a temperatura ambiente. Determina tambin la rapidez de transferencia de calor asociada al proceso. Para encontrar tu respuesta, utiliza tres intercambiadores de calor conectados en serie, con direccin de los flujos en:a) Cocorrienteb) ContracorrienteEl equipo que se emplea se muestra en la Figura 1:

Figura 1. Equipo de intercambiadores de calor

Resultados Experimentales: Arreglo en Cocorriente:Tabla 1. Temperaturas de corrientes calientes.W (l/h)T1T1T2T2T1T1T2T2T1T1T2T2

80555547.447.445.245.240.540.538.838.835.335.3

150555549.550.247.849.14445.443.444.840.641.8

220555550.750.649.449.54646.545.546.24344.2

275555552.151.351.450.248.847.548.54746.345.2

Tabla 2. Temperatura de las corrientes fras.W (l/h)t1t1t2t2t1t1t2t2t1t1t2t2

80242429.129.128.628.629.929.929.729.729.829.8

15024.324.431.231.930.831.533.334.133.233.834.434.9

22024.524.732.733.232.232.835.336.635.236.436.938.3

27524.724.734.333.733.833.237.837.337.637.339.339.7

Arreglo en Contracorriente:Tabla 3. Temperatura de las corrientes calientes.W (L/h)T1T1T2T2T1T1T2T2T1T1T2T2

80555535.537.546.648.641.4434041.848.749.3

150555540.641.249.650.745.146.144.645.750.651.5

220555542.543.450.85246.948.146.447.551.652.5

275555544.845.55252.748.849.648.549.352.653.2

Tabla 4. Temperatura de las corrientes fras.W (L/h)t2"t2"t1"t1"t2t2t1t1t2t2t1t1

8032.932.729.93029.83027.127.227.527.525.325.3

15035.336.33333.733.233.829.129.529.629.925.425.3

22037.338.634.635.634.735.53030.430.530.925.425.4

27539.940.636.937.537.137.631.531.73232.525.425.4

Clculos: Arreglo en Cocorriente:Tabla 5. CpW (L/h)123

800.99800.99770.9978

1500.99810.99780.9977

2200.99810.99790.9977

2750.99820.99790.9978

Tabla 6. DensidadW (L/h)123

8061.587361.790961.9256

15061.547561.692461.7954

22061.534861.658361.7435

27561.517761.616261.6904

Tabla 7. Perfiles de TemperaturaW (L/h)T1T21T21""T2t1t21t21""t2

80131115.34103.3795.5475.283.9385.6485.64

150131120.47111.92106.1675.8388.4392.4894.37

220131122.09114.89110.4876.2890.90596.57599.68

275131124.25118.31114.3576.4692.7599.5103.1

Tabla 8. Rapidez de transferencia de calor.Flujo ft3/hQ1 (BTU/h)Q2 (BTU/h)Q3 (BTU/h)QT (BTU/h)

2.83-2719.3-2084.8-1366.8-6170.9

5.30-3426.6-2788.0-1881.2-8095.7

7.77-4251.8-3441.7-2110.7-9804.1

9.71-4025.4-3547.1-2367.3-9939.8

Arreglo en contracorriente:Tabla 9. CpW (L/h)123

800.99790.99770.9978

1500.99800.99780.9979

2200.99800.99780.9979

2750.99810.99790.9980

Tabla 10. DensidadW (L/h)123

8061.645561.820561.7318

15061.598061.727361.6540

22061.575161.681161.6152

27561.553161.635461.5783

Tabla 11. Perfiles de Temperatura.W (L/h)T1T21T21""T2t1t21t21""t2

80131107.69106.79120.291.0485.86581.18577.54

150131113.945113.675123.8996.4492.16585.14577.63

220131116.915117.005125.69100.3195.1886.8177.72

275131119.75120.29127.22104.4599.09589.46577.72

Tabla 12. Rapidez de transferencia de calor.Flujo ft3/hQ1 (BTU/h)Q2 (BTU/h)Q3 (BTU/h)QT (BTU/h)

2.83-4051.1-156.82333.5-1874.4

5.30-5553.8-88.13329.0-2312.8

7.77-6724.943.04149.0-2532.9

9.71-6712.2322.64136.1-2253.5

Cuestionario: Arreglo en Cocorriente:1. Grfica 1A: Perfiles de Temperatura. Traza para Wc = 80 L/h los valores de T y t en funcin de la longitud de los tres intercambiadores, ignorando los tramos de las mangueras entre ellos.

Grfica 1.A Perfiles de temperatura para Wc = 80 L/h

2. Describe los perfiles de temperatura de ambas corrientes y explica por qu tienen esas formas. En la corriente caliente la temperatura va descendiendo mientras que en la corriente fra la temperatura se va incrementando. Como se puede observar en la Grfica 1 aunque la temperatura de la corriente caliente va disminuyendo gradualmente la temperatura de la corriente fra no lo hace tan pronunciadamente, es decir que llega a un punto en donde la diferencia es casi imperceptible, esto se debe a que al tener la misma direccin de flujo ambas corrientes los gradientes de temperatura cada vez sern menores.

3. Pueden llegar a unirse los perfiles en el extremo por el que salen ambas corrientes del sistema de tres intercambiadores? Bajo qu condiciones?S, siempre y cuando el gradiente inicial entre ambas corrientes sea pequeo.

4. Grfica 2A: Perfiles de T. Traza los valores de Tt en funcin de la longitud (ignorando los tramos de las mangueras) para Wc =80 L / h. Explica la forma del perfil encontrado.

Grfica 2.A Perfiles de T 5. Grafica 3.A: En una grfica de barras, muestra para cada intercambiador, los valores de rapidez de transferencia de calor Qi, para Wc = 80 L / h. Cul es la relacin que existe entre las grficas 3A y 2A?Como se puede observar en las grficas 2 y 3 comportamiento que presenta la rapidez de transferencia de calor (Grfica 3) y el comportamiento de la T para la corriente caliente (Grfica 4) presentan el mismo patrn. Por ello podemos decir que el cambio en el gradiente de temperatura en la corriente caliente es proporcional a la rapidez de transferencia de calor.

Grfica 3.A Rapidez de transferencia de calor para cada intercambiador.6. Marca sobre la grfica 1A, los segmentos correspondientes a los intervalos de temperatura Ic e If. Cul es el significado fsico de estos segmentos?

7. Dibuja sobre la Grfica 1A los perfiles de T y t, ahora para Wc =150 L/h; adems, marca los segmentos correspondientes a los nuevos intervalos de temperatura para ambas corrientes. A continuacin repite el mismo procedimiento para Wc =280 L / h. Utiliza diferentes colores o tipos de lnea para cada valor de Wc.

8. Explica el cambio de los perfiles de T y t en funcin de Wc. Por otro lado, cmo afecta el cambio de Wc a los intervalos de temperatura de ambas corrientes?A medida que el flujo se incrementa la corriente fra incrementa su temperatura drsticamente, mientras que el descenso en la temperatura de la corriente caliente casi se vuelve lineal.

9. Dibuja sobre la grfica 2A, los perfiles de T-t para Wc = 150 y 280 L / h. Existe alguna diferencia significativa entre los perfiles de T para los tres valores de Wc? Explica por qu es as.

No existe diferencia significativa entre cada uno de los perfiles para T-t de los diferentes flujos, esto se debe a que el comportamiento trmico del intercambiador de calor es el mismo independientemente de las temperaturas a las que se est trabajando.

10. En la grfica 3A, aade los bloques para los Qi correspondiente a Wc =150 y 280 L / h. Cmo son comparativamente los bloques para los distintos valores de Wc?Los bloques son proporcionales, es decir a medida que el flujo crece los bloques tambin lo hacen. Sin embargo para el flujo mayor (275 L/h) se puede observar que los valores de Q1 comienzan a disminuir.

11. En la grfica 3A, aade los bloques correspondientes a QT para los tres flujos. Cmo es la dependencia de QT con respecto a Wc? Explica este comportamiento.A mayor flujo, mayor QT. Aunque en la grfica del inciso 10 se puede observar que la tendencia del Q1 es que a mayor flujo comienza a disminuir podemos observar en esta grfica que el valor de la Q total no se ve afectada por este comportamiento pues su tendencia a crecer se mantiene.

12. Grfica 4A: Elabora una grfica de QT en kcal /min versus Wc. A continuacin, traza en la misma grfica (utilizando otra escala), los valores de Ic e If versus Wc.

Grfica 4.A Relacin de Q total y T con el Flujo13. Relaciona el comportamiento de Ic e If en funcin de Wc dado en tu respuesta a la pregunta a la pregunta 8, con el comportamiento de los perfiles de Ic e If encontrados en la grfica 4A.El comportamiento que presenta Ic es que a medida que el flujo se incrementa estos intervalos van disminuyendo, por el contrario la tendencia de los intervalos de if es a crecer. Esto se debe a que al incrementar el flujo de agua caliente se transmite mayor calor hacia la corriente fra, lo que causa incremento en su temperatura.

14. De acuerdo con los tres perfiles mostrados en la grfica 4A, enuncia la manera en que un incremento en Wc afecta los valores de Ic, If y QT para el arreglo en cocorriente. Considera que se obtendr comportamiento similar de estas variables para el caso de flujos en contracorriente?A medida que se incrementa el Wc el intervalo de temperatura de la corriente caliente disminuye mientras que el intervalo de la corriente fra se incrementa, por lo tanto el valor del calor intercambiado tambin se incrementa al incrementar el flujo dela corriente caliente. No considero que el comportamiento en el flujo a contracorriente sea el mismo que en este caso.

15. En la grfica 4A, encuentra interpolando si es necesario, el valor de Wc que permite alcanzar la t deseada. En la misma grfica encuentra el valor de QT asociado al proceso.Se requiere determinar el menor flujo de la corriente caliente que se necesita para elevar a 37C la temperatura de una corriente fra de 150 L/h En la grfica 4.A se puede observar que el intervalo de corriente fra que llega a los 37C se encuentra en un flujo de corriente caliente de 220 L/h al cual corresponde una Q total de 9804.1 BTU/h

Arreglo en Contracorriente:1. Grfica 1B: Elabora una grfica de T y t versus Wc (similar a la grfica 1A), para Wc = 80, 150 y 280 L/ h. Utiliza diferentes colores o tipos de lnea para cada valor de Wc. Marca adems, los segmentos de Ic e If correspondientes.

Grfica 1.B T y t vs Wc y segmentos de Ic e If2. Explica el comportamiento de los perfiles de T y t en funcin de Lc. Compara estos perfiles con los de grfica 1A.En la corriente caliente a medida que el flujo se incrementa la pendiente que existe en el comportamiento de la temperatura es menor por otra parte en la corriente fra sucede lo contrario pues a mayor flujo la pendiente en el comportamiento de la temperatura se incrementa.En este caso a diferencia del cocorriente los perfiles parten de puntos distintos y se dirigen a punto distintos.

3. De acuerdo con la grfica 1B, cmo cambian los valores de Ic e If en funcin de Lc? Compara este comportamiento con el respectivo encontrado a partir de las grficas 1A y 4A para el arreglo en cocorriente.En este caso no existe diferencia entre los perfiles de Ic-If encontrados para el arreglo en cocorriente y en contra corriente pues en ambos casos Ic tiende a ir disminuyendo mientras que If tiende a ir creciendo.

4. Grfica 2B: Elabora una grfica de T-t versus Wc (similar a la grfica 2A) para Wc = 80, 150 y 280 L/h. Cmo cambian los perfiles de T al incrementar Wc? Explica el comportamiento de estos perfiles usando la informacin contenida en la grfica 1B.

Grfica 2.B Perfiles de TEn este caso a diferencia del arreglo en cocorriente que el perfil simplemente tenda a disminuir, se presenta un comportamiento diferente pues inicialmente la T disminuye para luego incrementarse.

5. Grfica 3B: Elabora una grfica de barras para Qi y QT (similar a la grfica 3 A), para Wc = 80, 150 y 280 L/h. Cmo es el valor Qi en los segmentos (intercambiadores) individuales con respecto a cada valor de Wc, y como es la dependencia de QT con respecto a la misma variable?En este caso la rapidez de transferencia de calor para el segundo intercambiador es mnima en comparacin con el del arreglo en cocorriente, sin embargo los dems intercambiadores presental el comportamiento muy similar en ambos arreglos.

Grfica 3.B Rapidez de transferencia de calor para cada intercambiador en los diferentes flujos.6. Grfica 4B: Representa en una misma grfica (similar a la grfica 4 A) los valores de QT en kcal / min y de Ic e If en C, en funcin de Wc.

Grfica 4.B Relacin de Q total y T con el flujo7. En la grfica 4B encuentra, interpolando si es necesario, el gasto de Wc que permite alcanzar la t deseada, y la QT asociada al proceso. Responde a la pregunta del problema planteadoSe requiere determinar el menor flujo de la corriente caliente que se necesita para elevar a 37C la temperatura de una corriente fra de 150 L/h En la grfica 4.B se puede observar que el intervalo de corriente fra que llega a los 37C se encuentra en un flujo de corriente caliente de 220 L/h al cual corresponde una Q total de 10916.9 BTU/h.

Conclusiones:

Se alcanz el objetivo de determinar grficamente el flujo de una corriente caliente necesaria para elevar la temperatura de una corriente fra.Para el arreglo en cocorriente se requiere un flujo de 220 L/h de agua caliente para elevar a 37C la temperatura del agua fra, para el arreglo en contracorriente se obtuvo que tambin se requiere un flujo de 220 L/h de agua caliente para alcanzar la misma temperatura en el agua fra, con un calor de 9804.1 BTU/h y 10916.9 BTU/h respectivamente.

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