FUNDAMENTO TEORICO

INTERCAMBIADORES DE CALOR

El equipo de transferencia de calor se define por las funciones que desempea en un proceso. Los intercambiadores recuperan calor entre dos corrientes en un proceso. Los calentadores se usan primeramente para calentar fluidos de proceso, y generalmente se usa vapor con este fin. Los enfriadores se emplean para enfriar fluidos en un proceso, el agua es el medio enfriador principal. Los condensadores son enfriadores cuyo propsito principal es eliminar calor latente en lugar de calor sensible. Los hervidores tienen el propsito de suplir los requerimientos de calor en los procesos como calor latente. Los evaporadores se emplean para la concentracin de soluciones por evaporacin de agua u otro fluido.

En general, un intercambiador de calor es un aparato recorrido por dos o ms medios, uno de los cuales cede al otro calor. Si un proceso qumico debe desarrollarse de una forma prevista de antemano, ser preciso realizarlo a una determinada temperatura. Las reacciones ponen en juego, en general, considerables cantidades de calor. Casi siempre resulta conveniente enfriar los productos de la reaccin en un enfriador. El calor as recuperado, puede utilizarse para recalentar otros productos o para precalentar los empleados en el propio proceso. Incluso es obligado a veces proceder a este precalentamiento, a fin de obtener temperaturas bastantes elevadas para que el proceso de fabricacin se desenvuelva normalmente. Se ha reconocido que el empleo juicioso de los balances trmicos conduce a resultados interesantes, en lo que respecta a la rentabilidad. Desde este punto de vista, el cambiador de calor aparece como un rgano particularmente importante de las instalaciones qumicas.

Operaciones de enfriamiento que usan agua en equipo tubular son bastante comunes. A pesar de su abundancia, las caractersticas de la transferencia de calor del agua la separan de todos los dems fluidos. Es corrosiva al acero, particularmente cuando la temperatura de la pared de los tubos es alta y adems est presente aire disuelto, muchas plantas industriales usan tubos de materiales no ferrosos exclusivamente en los servicios de transferencia de calor en los que est involucrada el agua. Los tubos no ferrosos ms comunes son de admiralty, latn rojo y cobre, aun cuando en ciertas localidades hay preferencia por el metal Muntz, aluminio al bronce y aluminio. Puesto que las corazas usualmente se fabrican de acero, el agua se maneja mejor dentro de los tubos. Cuando el agua fluye dentro de los tubos, no hay problema serio de corrosin del carrete o en la tapa de la cabeza flotante, puesto que estas partes se hacen muy a menudo de hierro vaciado o acero vaciado. Los vaciados son relativamente pasivos al agua, y se pueden permitir grandes tolerancias para la corrosin sobre los requerimientos estructurales a un costo bastante bajo haciendo los vaciados ms gruesos. Los cabezales de tubo o espejos se pueden hacer de placa.

CONDENSACION EN PELCULA

Un fluido puede existir como gas, vapor o lquido. El cambio de lquido a vapor es vaporizacin, y el cambio de vapor a lquido es condensacin. Las cantidades de calor involucradas en la condensacin o vaporizacin de una libra de fluido son idnticas. Para fluidos puros a una presin dada, el cambio de lquido a vapor o de vapor a lquido ocurre slo a una temperatura, que es la temperatura de saturaci6n o de equilibrio. Puesto que los cambios de transferencia de calor vapor-lquido usualmente ocurren a presin constante o casi constante en la industria, la vaporizacin o condensacin de un compuesto simple normalmente se efecta isotrmicamente. La condensacin tiene lugar a muy diferentes velocidades de transferencia de calor por cualquiera de los dos siguientes y distintos mecanismos: en forma de gota y en forma de pelcula El coeficiente de pelcula en la condensacin est influido por la textura de la superficie en la cual tiene lugar la condensacin y tambin si la superficie condensante est montada verticalmente u horizontalmente. A pesar de estas complicaciones aparentes, la condensacin, igual que el flujo laminar, es susceptible de un estudio matemtico directo.

Cuando un vapor puro saturado entra en contacto con una superficie fra tal como un tubo, se condensa y puede formar gotitas en la superficie del tubo. Estas gotitas pueden no exhibir ninguna afinidad por la superficie y en lugar de cubrir el tubo se desprenden de l, dejando metal descubierto en el cual se puede formar sucesivas gotitas de condensado. Cuando la condensacin ocurre por este mecanismo se llama condensacin en forma de gota. Sin embargo, usualmente puede aparecer una inconfundible pelcula a medida que el vapor se condensa en el tubo cubrindolo. Se requiere vapor adicional para condensarse en la pelcula del condensado en lugar de hacerlo sobre la pared del tubo directamente. Esta es condensacin en forma de pelcula. Los dos mecanismos son distintos e independientes de la cantidad de vapor condensante por pie cuadrado de superficie. La condensacin en forma de pelcula no es una transicin de la condensacin en forma de gota debido a la rapidez a la cual el condensado se forma sobre el tubo. Debido a la resistencia de la pelcula de condensado al paso de calor a travs de ella, los coeficientes de transferencia de calor para la condensacin por gotas son de cuatro a ocho veces mayores que para la condensacin de pelcula. El vapor de agua es el nico vapor puro conocido que se condensa en forma de gota, y se requieren condiciones especiales para que esto ocurra.

INTRODUCCION

Los intercambiadores de calor de tubos y coraza tienen una gran gama de aplicacin en la industria qumica, petrolera entre otras reas del campo industrial. Pueden adaptarse de acuerdo a las especificaciones requeridas, denominndose segn su funcin como condensadores, si la funcin es la de condensar vapor o una mezcla de vapor, evaporador si lo que se requiere es evaporar una corriente de fluido o simplemente intercambiador de calor en el caso de que se quiere aprovechar el proceso tanto para enfriar un fluido como calentar el otro.

Para estudiar el fenmeno de transferencia de calor en este tipo de intercambiador se tomarn diversas medidas de parmetros y variables involucradas en las ecuaciones que rigen este proceso, como las temperaturas de condensado, la presin de entrada de ste, el volumen y tiempo de condensado y las temperaturas de entrada y salida del fluido refrigerante, dejando todo ello en funcin de la cantidad de fluido o caudal, y observar la tendencia y los cambios en las propiedades segn se vara este parmetro. Posteriormente, luego de haber realizado todas las mediciones, se realizarn los respectivos clculos y anlisis matemticos para determinar el coeficiente de condensacin en pelcula, el flujo de calor cedido por el vapor y el absorbido por el fluido refrigerante, as como tambin las prdidas de calor que se producen en el sistema. Tambin se determinar el coeficiente de transferencia de calor tanto por el mtodo clsico y haciendo uso del Mtodo de Wilson, donde este coeficiente se deja en funcin de la velocidad lineal del fluido fro.

TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES

Caudal de Agua (ft3/min)Presin del Vapor(Psig)Temp de entrada de agua (C)Temp de salida de agua (C)Volumen de condensado (ml)Tiempo de conden.(s)Temp del conden. (C)

0,215257816012,0995

0,37117009,6594

0,46320010,3791

0,56030013,8188

TABLA DE RESULTADOS EXPERIMENTALES

Caudal de agua

Coef de condensacin de pelcula

Calor cedido por el vapor(BTU/h)Calor absorbido por el refrigerante(BTU/h)Calor Perdido(BTU/h)Coeficiente global

Velocidad de refrigerante (ft/h)Coeficiente global usando la tcnica del Wilson(BTU/h F ft2)

0,21292,64100323,30-69996,0610330327,24397,90152788,8

0,31280,63133889,07-91102,500442786,57498,95229183,12

0,41247,69147694,51-100344,784247349,73524,57305577,49

0,51218,58167604,96-115528,534452076,43594,57381971,86

DISCUSION DE RESULTADOS

Despus de hacer circular el agua mediante la respectiva valvula variando la velocidad de 0,2 Ft3/min hasta 0,5 Ft3/min e introducir el vapor a una presin constante de 15 Psig y esperando la estabilizacin del sistema, se realizaron una serie de mediciones (flujo de agua, flujo de condensado y su temperatura, temperatura de salida del agua).Con los resultados obtenidos se visualiza que a medida que se aumenta el caudal del agua refrigerante, se aprecia un aumento considerable en la transferencia de calor dentro del intercambiador; es decir, aumenta el calor absorbido por el refrigerante y simultneamente el calor cedido por el vapor, causando as que el volumen del condensado sea mayor debido a que a medida que aumenta el caudal, se genera mayor turbulencia dentro del intercambiador, aumentando as el intercambio de calor entre los fluidos. Asi mismo las perdidas de calor tambin van aumentando por diversos factores en el equipo, tales como: mantenimiento y un recubrimiento mas eficiente que permita que estas perdidas disminuyan.De la misma manera se pudo constatar que el coeficiente global de transferencia de calor aumenta a medida que la transferencia de mismo dentro del intercambiador se hace mayor.

CONCLUSION

El calor absorbido por el agua aumenta a medida que el caudal se hace mayor; de igual forma ocurre con el calor cedido por el vapor hacia el refrigerante.

Con el flujo de calor cedido por el vapor y el ganado por el refrigerante se determin la prdida de calor del intercambiador, visualizndose que existe gran prdida de energa en el sistema.

Se calcul el coeficiente global de transferencia de calor en funcin a la velocidad lineal del refrigerante, el cual aumenta de acuerdo al aumento del caudal de agua.

RECOMENDACIONES

Utilizar guantes de amianto para manipular las vlvulas de vapor.

Esperar la estabilizacin del sistema cada vez que se vari el caudal de agua.

Verificar que la presin de vapor se mantenga constante.

Evitar el contacto directo con las partes del intercambiador.

RESUMEN

Despus de realizar la transferencia de calor en un condensador de tubos y coraza, para estudiar la condensacin tipo pelcula estable, el flujo de transferencia de calor y los coeficientes de transferencia de calor como funcin de la cantidad de agua de enfriamiento de los tubos, realizando las mediciones correspondientes de: flujo de agua, flujo de condensado y su temperatura, temperatura de salida del agua, se evidencio que el flujo de calor transferido al agua de enfriamiento estuvo entre: Q=69996,06103 BTU/h y Q=115528,5344 BTU/h; asi mismo el calor cedido por el vapor oscilo entre: q=100323,30 BTU/h y q= 167604,96 BTU/h.La prdida de calor del intercambiador con el flujo de calor cedido por el vapor y el ganado por el refrigerante ascendieron desde 30327,24 BTU/h hasta 52076,43 BTU/h.El coeficiente global de transferencia de calor se vio afecta de forma directa por los caudales utilizados, obtenindose unos valores extremos de U=397,90 BTU/h Ft2 F y U=594,57 BTU/h Ft2 F. Finalmente el coeficiente de condensacin en pelcula par cada caudal de agua fue de: h=1292,64 BTU/h Ft2 F y h=1218,58 BTU/h Ft2 F.Los intercambiadores de calor debido a su amplia utilidad se emplean en diversos procesos industriales, razn por la cual conocer su funcionamiento es de vital importancia para un ingeniero.

Universidad Nacional Experimental PolitcnicaAntonio Jos de Sucre Vice-Rectorado BarquisimetoDepartamento de Ing QumicaLaboratorio de Fenmenos de Transporte

Autores:Mara Isabel Gil 20.046.589Maykol Lameda 17.942.107

Barquisimeto, noviembre 2,013