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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
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