reporte 6- banco de intercambiadores

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN

Laboratorio Experimental Multidisciplinario III

Ingeniería Química

Reporte #6: “Banco de Intercambiadores de Calor (Intercambiadores de Calor de tubos de vidrio y coraza de vidrio), (Intercambiadores de Calor de

acero inoxidable y coraza de vidrio) Intercambiador de placas

Equipo #3

Arias Bardales Oscar Daniel

Hernández Jiménez Jessica Liliana

Uribe Blancas David

Morales Saloma María Fernanda

Profesora:

María Elena Quiroz Macías

Grupo: 2501

Fecha de Entrega: 29 de Marzo 2015

Introducción

En la experimentación con los equipos de transferencia de calor se podrán tener diferentes arreglos formas, pasos, materiales, etc. Para poder transferir el calor mediante un equipo para estos fines.

La práctica consta de tres tipos de intercambiadores donde se tendrá la oportunidad de comparar entre ellos cual es el mejor dentro de los arreglos que se pueden tener en el intercambiador:

Flujo Paralelo Flujo contracorriente

Así como el material que es capaz de conducir mejor la temperatura para los equipos de transferencia de calor, que en este caso será:

Tubos de vidrio y coraza de vidrio Tubos de acero inoxidable y coraza de vidrio

Así como los equipos de transferencia de calor de

Tubos o multitubos Placas

Generalidades

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:

Los intercambiadores de calor de placas son ideales para aplicaciones en las que los fluidos tienen una viscosidad relativamente baja y no contienen partículas. Además son una elección ideal donde existe un pequeño salto térmico entre la temperatura de salida del producto y la temperatura de entrada del servicio. Los intercambiadores de calor a placas consisten en delgadas planchas corrugadas, empaquetadas (gásquet / desmontables con juntas) o bien soldadas con Cobre. Las placas son apretadas unas contra otras formando el paquete de placas dentro de un bastidor, en el que el flujo de producto se encuentra en canales alternos y el servicio entre los canales del producto.

Su esquema es el siguiente:

Procedimiento experimental

Equipo Servicios

Bancos de Intercambiadores de calor (Tubos de vidrio Coraza de vidrio, Tubos de A.I Coraza de vidrio, I. Placas

Agua helada Agua caliente Energía Eléctrica

Material:*Cronómetro*Probeta [2L]

Abrir las válvulas de agua fría para el intercambiador de vidrio-vidrio y fijar el flujo (se trabajaran con 2 flujos diferentes).

Tomar lectura de temperatura de entrada y salida de agua caliente y agua fría

Abrir las válvulas de agua caliente y alimentar el intercambiador

Revisar que el calentador este vacío y alimentar agua, establecer la temperatura deseada (verificar que no se

inunde).

Servicios:*Agua helada*Agua caliente*Energía Eléctrica

Una vez verificado que los servicios se encontraran disponibles y el material a utilizar:

Bancos de Intercambiadores de calor (Tubos de vidrio Coraza de vidrio, Tubos

de A.I Coraza de vidrio, I. Placas)

Resultados

Se obtuvieron los siguientes valores para la experimentación

Vidrio (paralelo)1° corrida 2° corrida

Tubos Coraza Tubos CorazaEntrada 49.8 15.9 48.7 15.9Salida 41.1 18.6 43.4 18.9Acero y vidrio (paralelo)

1° corrida 2° corridaTubos Coraza Tubos Coraza

Entrada 47.9 16.8 47.8 17.2Salida 45.2 39.1 44.2 40.8Acero y vidrio (contracorriente)


Entrada 43.7 17.6 42.1 17.3Salida 38.7 39.7 41.9 41.5Placas (paralelo)


Entrada 46.2 17.7 48.8 17.9Salida 45.8 37.5 47.7 36.7Placas (contracorriente)


Entrada 49.7 22.4 49.8 20.8Salida 49.5 45.8 49.4 45.9

Análisis de Resultados

A partir de los datos experimentales se procedió a realizar el diagrama de temperaturas para los dos tipos de flujo obteniendo así

0 2 4 6 8 10 120

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Diagrama de Temperatura CONTRACORRIENTE

TubosCoraza

Tem

pera

tura

°C

0 2 4 6 8 10 120

10

20

30

40

50

60

Diagrama de Temperatura PARALELO

TubosCoraza

Tem

pera

tura

°C

Intercambiador de Calor de tubos de vidrio y coraza de vidrio (Paralelo)

Se necesitan conocer las propiedades fundamentales para el cálculo correcto de los coeficientes globales, por lo que para el fluido frío y el caliente se tiene que:

propiedades del agua fria delta T °F

densidad (lb/ft)

viscosisdad (cp)

Cp (BTU/lb°F)

k (BTU/hft^2(°F/ft))

61.02 63.2616 0.999 1 0.3512559.04 63.2912 0.999 1 0.350875

propiedades del agua caliente

deltaT °F

densidad (lb/ft)

viscosidad (cp)

Cp (BTU/lb°F)


-40.5 61.8234 0.6 1 0.368375-44.1 61.8687 0.65 1 0.366916

Para el cálculo del flujo másico y el calor en el intercambiador, resultó de:

flujo másico (ft/seg)

calor (BTU/lb°F)

3795.696 231613.374312.9028

7254633.78

61255.0150

2-

50828.1083

1255.93461

-55386.716

3

Para obtener el valor de UExp se obtuvieron los valores de LMTD y área a partir de los datos del intercambiador

Nt 13 area sup(ft^2)

Lt (ft) 3.2808 6.308627De tubos (ft)

0.046875

Di tubos (ft)

0.04426

Obteniendo como resultado:

LMTD area ft^2 U exp 19.89 269.065465 43.278368818.64 269.065465 50.7705841

Y graficando los valores:

98000 100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 114000 11600038

40

42

44

46

48

50

52

Gráfico de U experimental vs. Reynolds

Reynolds

Uexp

erim

enta

l BTU

/lb°F

Para los valores del coefieciente U teórico se obtiene que

De tubos (ft)

0.046875

Di tubos (ft) 0.04426 # tubos 13 viscosidad 25°C

0.999

area fujo (ft^2)

G Re Pr hi hio

0.02000125 62746.8394 4628.62519 1.62877503 179.469462 169.45745962792.816 4275.70775 1.77152264 174.477899 164.744359

Di coraza (ft)

0.298175 c (ft) 0.01874 B(ft) 0.8202

pt (ft) 0.0656 G Re Pr ho Ut Af anulo (ft^2)

D equivalente (ft)

601802.271 99974.4775 2.84412811 2099.08463 156.799183

0.00630721 0.165959 683804.694 113597.14 2.84716779 2097.59035 152.747591 Graficando estos valores se tiene que:

98000 100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 114000 116000150

151

152

153

154

155

156

157

158

Grafico deU teórico vs. Reynolds

Reynolds

UTeó

rico

BTU/

lb°F

Comparando los gráficos observamos:

98000 100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 114000 1160000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

U teóricoU experimental

Intercambiador de Calor de tubos de acero i. y coraza de vidrio (Paralelo)


propiedades del agua ría ΔT °F densidad (lb/ft) viscosidad

(cp)Cp (BTU/lb°F)


55.98 62.2616 0.999 1 0.3512555.08 62.2912 0.999 1 0.350875

propiedades del agua caliente ΔT °F densidad (lb/ft) viscosidad

(cp)Cp (BTU/lb°F)


-10.98 61.8234 0.6 1 0.368375-6.12 61.8687 0.65 1 0.366916


flujo másico (ft/seg)

calor (BTU/lb°F)

Fluido frío 3735.696 209124.26214244.759075 233801.3298

Fluido caliente

1255.01502 -13780.064921255.93461 -7686.319813


Nt 13 área sup(ft^2)

Lt (ft) 3.2808 6.308627De tubos (ft)

0.046875

Di tubos (ft)

0.04426


LMTD área ft^2 U exp Fluido frío 19.89 269.065465 39.07614203

Fluido caliente

18.64 269.065465 46.61686998

Y graficando los valores:

96000 98000 100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 11400034

36

38

40

42

44

46

48

Gráfico de Uexp vs Re

Reynolds

Uexp

erim

enta

l BTU

/lb°F

Para el cálculo de U teórico se obtuvo lo siguiente

De tubos (ft) 0.046875Di tubos (ft) 0.04426 # tubos 13 viscosidad

25°C0.999

area fujo (ft^2)

G Re Pr hi hio

0.020001247 62746.83941 4628.62519 1.62877503 179.4694619 169.457458862792.81604 4275.70775 1.77152264 174.4778995 164.7443591

Di coraza (ft) 0.298175 c (ft) 0.01874 B(ft) 0.8202pt (ft) 0.0656 G Re Pr ho Ut Af anulo (ft^2)

D equivalente (ft)

592289.355 98394.1432 2.844128114 2099.084631 156.799183

0.006307214 0.165959 673000.59 111802.307 2.847167795 2097.590354 152.747591Graficando los valores obtenidos

96000 98000 100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 114000150

151

152

153

154

155

156

157

158

Gráfico de U teórico vs Re

Reynolds

Uteó

rico

BTU/

lb°F

Comparando ambos gráficos se obtiene para el arreglo en paralelo

Intercambiador de Calor de tubos de acero i. y coraza de vidrio (Contracorriente)


propiedades del agua fria k (Btu/h ft^2(°F/ft))T °F densidad lb/ft^3 viscosidad cp Cp (BUT/lb

°F)

96000 98000 100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 1140000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

U teorico U exp

46.98

62.2625 0.999 1 0.3512

44.64

62.264 0.9 1 0.3511

propiedades del agua caliente k (Btu/h ft^2(°F/ft))T °F densidad lb/ft^3 viscosidad cp Cp

(BTU/lb°F)-1.8 61.8546 0.65 0.9 0.367375

-0.72

61.8712 0.66 0.9 0.36683


flujo másico lb/ h

calor BTU/ lb°F

Flujo frío 3735.75 175505.5354242.905563 189403.3043

Flujo caliente

1255.64838 -2034.1503761255.98536 -813.8785133


Nt 13 área sup(ft^2)

Lt (ft) 3.2808 6.308627De tubos (ft)

0.046875

Di tubos (ft)

0.04426


LMTD área U exp BTU/hft

Fluido Frío 19.27 269.065465 33.84941317Fluido

caliente18.73 37.58303212

Graficando se obtiene:

3800000 4000000 4200000 4400000 4600000 4800000 5000000 520000031

32

33

34

35

36

37

38

Grafico de U exp vs. Reynolds

Reynolds

Uexp

erim

enta

l BTU

/lb°F

Para el cálculo de U teórico se obtuvo lo siguiente

De tubos (ft) 0.046875Di tubos (ft) 0.04426 # tubos 13 viscosidad

25°C0.999

area fujo (ft^2)

G Re Pr hi hio

0.001538557

816120.5706 55571.53301

1.59237836 906.576697 856.001805

816339.594 54744.22792

1.619278685 913.2806455 862.331763

Di coraza (ft) 0.298175 c (ft) 0.01874 B(ft) 0.8202 pt (ft)Af anulo (ft^2)

D equivalente (ft)

G Re Pr ho Ut

0.000153432

0.165959 24347921.39 4044801.487

2.84453303 2098.88542 608.02649

27653330.95 5099243.502

2.563372259 2026.74271 604.942735

Graficando se obtiene:

3800000 4000000 4200000 4400000 4600000 4800000 5000000 5200000603

604

605

606

607

608

609

Grafico U teorico vs. Reynolds

Reynolds

U te

órico

BTU

/lb°F

Comparando ambos gráficos

3800000 4000000 4200000 4400000 4600000 4800000 5000000 52000000

100

200

300

400

500

600

700

U teorico Uexp

Memoria de cálculo

Para el cálculo de los coeficientes globales…

Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental:

Se calculó primeramente el flujo másico del agua:

W=w∗ρ

donde :W=flujo masicodel agualbhw=flujo volumetrico

f t3

h

ρ=densidaddel agua alas temperaturas de trabajo=lb / f t3

Para nuestra primera corrida nuestros datos son los siguientes:

w=8.020971344ρ=61.7662632

Las densidades fueron obtenidas de literatura (Perry, manual del ingeniero químico).sustituyendo los valores obtenemos lo siguiente el cálculo se hará para una de las corridas con sus datos correspondientes.

W=8.020971344∗61.7662632=495.4254272 lbh

Q=U∗A∗∆T ML

U=QT

A∗∆T ML

QT=calor total [¿ ]BTUh

∆T ML=diferenciade temperatura logaritmicamedia

A=área [¿ ] f t2

Para el cálculo del calor total se considera que

QAgua=QVapor

Por lo que…

QT=Wagua∗Cp∗∆T

W=flujo masicoagua [¿ ]Lbhr

Cp∗¿capacidad calorificadel agua [¿ ]BTULb∗℉

¿dicho valor se leerade tablasaT prom(Tprom=T 1+T 22

)

∆T=diferenciade temperatura .=Tsal−Tentr

Con nuestros datos obtenidos tenemos lo siguiente:

W=455.2609052 lbhCp=1 BTU

lb° F∆T=(192.2−50 )° F=121.1 ° F

El Cp lo obtuvimos de la literatura a la presión y temperatura de la corrida (Kern, procesos de transferencia de calor, pág. 909, figura-2).

Sustituyendo nuestros datos obtenemos lo siguiente:

Q=455.2609052 lbh∗1 BTU

lb ° F∗121.1° F

Q=64738.1007 BTUh

A=area=nt∗¿as

nt=numero de tubos=12

¿=longitud total=3 ft

as=area superficie por pie lineal (apendiceTabla10KERN )=.1707 ft2

ft

Sustituyendo los siguientes valores proporcionados por el manual de lem obtenemos lo siguiente donde el área superficial fue tomada de la literatura con el diámetro exterior (3/4in) y con BWG=18 proporcionado en la práctica (Kern, procesos de transferencia de calor, pag-948, tabla-10).

A= 12∗3 ft0.1707 ft / f t 2

A=7.456176 ft

Para el último cálculo de diferencia logarítmica de temperatura…

∆T ML=∆ t 2−∆ t 1

¿∆ t 2∆ t 1

∆ t 1=diferencia de temperaturasen elextremo caliente=T 1−t 2

T 1=temperaturasalidadel vapor

t 2=temperaturaentradadel aire

∆ t 2=diferencia de temperaturasen el extremo frio=T 2−t 1

T 2=temperaturaentradadel vapor

t 1=temperaturasalidadel aire

Para obtener la temperatura del vapor se considera únicamente la Presión de vapor y la temperatura se obtiene de las tablas de vapor…

Tvap(a 0.5 kgc m2 )=255.72℉=124.28℃

Para calcular cada ∆ t :

∆T 1=Tvapor−Tsalida∆T 2=Tvapor−Tentrada

Para la primera corrida tenemos una T entrada=50 ° Fy una T salida=192.2° F por lo que el delta nos queda de la siguiente manera (esto se hace para cada una de las diferentes temperaturas a la entrada como en la salida):

∆T 1=124.28 ° F−192.2 ° F=−67.92° F∆T 2=124.28 ° F−50.6 ° F=74.28 ° F

Sustituyendo estos valores en la ecuación MLTD (este cálculo se hace para cada uno de los deltas obtenidos).

LMTD=74.28 ° F−67.92° F

ln74.28 ° F67.92 ° F

LMTD=71.05° F

Para calcular el coeficiente de transferencia de calor experimental lo hacemos con la formula antes mencionada

Sustituyendo…

U exp=64738.1007BTU /h

7.456176 f t2∗71.0525654 ° F=1278.9310117BTU / f t2h° F

Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico

U=hio∗hohio+ho

Dónde:

ho=coeficiente de peliculadel vapor≅ 1500 BTU

h∗f t 2∗F

hio=coeficientede pelicula del aire .

Nu=.023∗Re .8∗Pr13∗¿

Pr=Cp∗μk

ℜ=Di∗Gμ

G= waf

af = nt∗afnp∗144

hio=hi( DiDo )w=flujomasico [¿] lb

h

G=masa velocidad [¿] lb

f t2∗h

a=area de flujo (a De=34 BGW 18)=.334 ¿2=.002343 ft2

nt=numero de tubos=12

np=numero de pasos=4

af = nt∗afnp∗144

=af =(12)∗(.334 )4∗144

= .006958 ft2

Do=.75∈¿ .0622 ft

Di=diametro interno=.824∈¿ .06901 ft

Cp=capacidad calorificadel aire [¿] BTUlb∗℉

μ=viscosidad del aire [¿] lbft∗h

μs=viscosidad del agua[¿] lbft∗h

k=conductividad termincadel aire [¿] BTUh∗ft∗℉

Cp ,μ y k seleen a temperatura promedio paracadacorrida

af =(12)∗( .304)(1)∗144

=.0253 ft2

Conclusiones

El intercambiador que mejor trabajó fue el de tubos de acero con coraza de vidrio esto es debido a que el material que es el acero inoxidable tiende a calentarse más rápido por propiedades fisicoquímicas del mismo, en el caso de los flujos en este intercambiador cabe resaltar que comparando los coeficientes globales de transferencia de calor el caso del flujo a contracorriente es mejor pues hay mayor intercambio debido a que el fluido frío entra en contacto más veces que un flujo en paralelo, esto quiere decir que al momento de poner dos fluidos a contacto en contracorriente puede ocurrir un denominado choque térmico lo cual facilita el intercambio de calor entre ambos fluidos. Por lo que para los arreglos el mejor será el de flujo contracorriente y en cuanto al material debe de ser un material que sea un buen conductor térmico, tal es el caso de los metales.

Bibliografía

Crane; “Flujo de Fluidos” Mc Graw Hill, México (1992). Kern D; “Procesos de Transferencia de Calor” Editorial Patria, México 2007.

reporte 6- banco de intercambiadores

Documents