DETERMINACION DEL COEFICIENTE GLOBAL DE DISEÑO DE
DETERMINACION DEL COEFICIENTE GLOBAL DE DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALORUN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA
DE TUBO Y CORAZA
Introducción:
Introducción:
El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una creciente importancia El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una creciente importancia recientemente al empezar a ser consientes los ingenieros de la necesidad de ahorrar energía. recientemente al empezar a ser consientes los ingenieros de la necesidad de ahorrar energía. En consecuencia se desea obtener equipos óptimos, no solo en función de un análisis térmico En consecuencia se desea obtener equipos óptimos, no solo en función de un análisis térmico y rendimiento económico de lo invertido, sino también en función del aprovechamiento y rendimiento económico de lo invertido, sino también en función del aprovechamiento energético del sistema.
energético del sistema.
Los intercambiadores de calor de tubo
Los intercambiadores de calor de tubo y coraza generalmente se y coraza generalmente se usan cuando se necesita unausan cuando se necesita una gran superficie de intercambio en un espacio reducido. Un intercambiador de calor de tubos y gran superficie de intercambio en un espacio reducido. Un intercambiador de calor de tubos y coraza consiste en una coraza contenido en su interior de un haz de tubos. El intercambiador coraza consiste en una coraza contenido en su interior de un haz de tubos. El intercambiador objeto de estudio con un paso de coraza por dos pasos de tubos con arreglo triangular.
objeto de estudio con un paso de coraza por dos pasos de tubos con arreglo triangular.
Objetivo:
Objetivo:
Determinar el coeficiente global de díselo U
Determinar el coeficiente global de díselo UDDy la efectividad £ del intercambiador de calor dey la efectividad £ del intercambiador de calor de tubo y coraza existentes en el laboratorio de Operaciones Unitarias para determinar tubo y coraza existentes en el laboratorio de Operaciones Unitarias para determinar condiciones de operación.
condiciones de operación.
Fundamento Teórico:
Fundamento Teórico:
El tipo más ampliamente usado de intercambiadores de calor es el de coraza y tubos. El El tipo más ampliamente usado de intercambiadores de calor es el de coraza y tubos. El diseño proporciona una gran área superficial como se puede apreciar en la figura siguiente: diseño proporciona una gran área superficial como se puede apreciar en la figura siguiente:
Características de los Intercambiadores de Tubo y Coraza.
Los intercambiadores de tubo y coraza ofrecen una razonable compactación y permiten un económico proceso de transferencia de calor en concordancia con la fortaleza de la estructura mecánica y constructiva.
Permiten una fácil limpieza por el lado de los tubos y generalmente aceptable por el lado de la coraza. Una amplia variedad de las características o parámetros del diseño necesitan requerimientos especiales tales como, presiones extremas y temperaturas, vibraciones, erosiones, corrosión, cambio de fase y reposición de los componentes. Son permitidas áreas de transferencia en el rango de 0.1-90000 m2 en una coraza simple. Por todo esto, los intercambiadores de tubo y coraza son los más utilizados en la energía, control ambiental y procesos industriales en una vasta variedad de servicios.
La mayor desventaja de los intercambiadores de tubo y coraza es que los mismos no pueden ser modificados una vez que han sido construidos, en oposición a otros tipos. Escoger un óptimo y eficiente método de diseño es fundamental para garantizar la utilidad y funcionabilidad adecuada y prolongada de estos equipos (Wilbur.1985).
Componentes básicos.
(Wilbur.1985), señala que mientras existe una enorme variedad de las características específicas de diseño que se manejan en los intercambiadores de tubo y coraza, el número de componentes básicos es relativamente pequeño; así mismo hace la siguiente descripción de estos y sus características.
El intercambiador térmico más simple es aquel en el cual los fluidos frío y caliente se mueven en iguales u opuestas direcciones en un tubo concéntrico. Cuando los flujos tienen iguales direcciones se le denomina flujo paralelo, en este caso ambos fluidos entran por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y abandonan el equipo por el extremo opuesto; en el caso contrario, flujos en direcciones opuestas, se le conoce como contracorriente, los fluidos frío y caliente entran por extremos opuestos y salen por extremos opuestos.
Otra configuración, la que nos ocupa en nuestro caso, son los intercambiadores de tubo y coraza. Estos difieren de los demás en el número de corazas, de tubos y pasos de tubos, además de poseer otros aditamentos como los deflectores, que tienen un objetivo específico dentro del equipo.
Tubos. Los tubos, A en la figura 1.1, son los componentes básicos de los intercambiadores de tubo y coraza, proveen la superficie de transferencia de calor
entre el fluido que fluye por dentro del tubo y otro fluido que fluye a través del exterior de los mismos. Los tubos se construyen sin costura o soldados a lo largo de la superficie. Los materiales más empleados son aceros de bajo contenido de carbono, aceros de bajas aleaciones, aceros inoxidables, cobre, admiralty, cobre-níquel, aluminio(en forma de aleaciones), titanio, y otros materiales para aplicaciones específicas.
Figura 1.1- Esquema de las partes principales de un intercambiador de tubo y coraza. Los tubos pueden ser lisos o con pequeñas aletas en la superficie exterior. Estas aletas son usadas cuando el fluido en el lado de la coraza tiene un coeficiente de transferencia de calor mucho menor que el del lado de los tubos.
a b
Figura 1.2- Configuraciones típicas para los tubos. a-) Paso cuadrado, b-) Tresbolillo
La superficie de estas aletas incrementan de 2 ½ - 5 veces el área de transferencia de calor, lo que ayuda a contrarrestar el bajo coeficiente de transferencia.
Los tubos son arreglados en un patrón regular, usualmente uno de los mostrados en la figura 1.2. Estas configuraciones están caracterizadas por la relación de distancia de centro a centro de tubos adyacentes con respecto al diámetro del tubo. Un pequeño
valor de esta relación significaría un gran valor del área de transferencia por unidad de volumen.
Intercambiadores de Calor de Coraza y Tubos con Dos Pasos de Coraza y Dos
Pasos de Tubos
Las ecuaciones más importantes para el diseño y apreciación de un intercambiador
de calor son los siguientes:
(
) (
)
(
)
(
)
(
)
(
)
̇ ()
̇
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()
Calculo de
̇
(
)
Descripción del Equipo:
El equipo de trabajo es un intercambiador de coraza y tubos con u paso de coraza y dos pasos de tubos. Por los tubos circula agua líquida y por el lado de la coraza el vapor de agua. El equipo se muestra en la figura siguiente:
CALDERO VERTIVAL
INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA
MANOMETRO
TERMOCUPLA
Caldero Vertical e Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza Experimental
con Un Paso de Coraza y Dos Pasos de Tubos
Longitud
L
3.2808 pies
1 metro
Arreglo
Triangular
P
T0.76 pulg.
19.3 mm.
Diámetro externo
DE
0.51 pulg
0.013m
BWG
16
Diámetro interno
DI
0.3937 pulg.
0.0100m
Espesor de Pared de
tubo
e
0.065 pulg.
0.00165m
rea de flujo por tubo
a”0.12 pulg.
7.7E-05m
Superficie por pie lineal (
exterior)
a
t0.1309 pie /pie
4.0E-02m /m
Tipo de Arreglo de los Tubos
Número total de Tubos: 40
Configuración Lado de la Coraza:
Diámetro interior de la
Coraza
Dl
s6 pulg.
0.152 m.
Espaciado de deflectores
B
5.6 pulg.
0.14 m.
Numero de deflectores
N
6
Numero de Cruces
N+1
7
e
C´
5.- Metodología Experimental:
Diagrama del Intercambiador de Calor mas Caldero
Puesta en marcha del Caldero.
Realizar el llenado del agua al caldero bajo el asesoramiento del jefe de
Realizar el procedimiento de encendido del caldero con el asesoramiento del jefe
de laboratorio.
Verificar que realice el procedimiento de purga hasta el manifold abriendo la
válvula correspondiente.
Regule la entrada de gas combustible al caldero hasta lograr presurizar el caldero
a 1.0333 kg/ cm2.
Mantenga el nivel adecuado de agua en el visor del caldero encendiendo la
bomba centrifuga cuando se lo precise
Operación del Intercambiador de Calor
Pre- Operación:
Verificar que las posiciones de las válvulas de la línea de vapor estén abiertas Para obtener el caudal de agua deseando manipular la válvula correspondiente Verificar que las posiciones de las válvulas de la línea de agua que estén
abiertas
Encender la bomba de agua para llenar el intercambiador de liquido
Operación:
Hacer correr el fluido frio por lo menos 5 minutos Abrir la válvula de agua
Verificar que no exista fuga en el sistema
Verificar que la presión de entrada de vapor al intercambiador se estabilice a la presión de trabajo (aproximadamente 1 kg/ cm2)
Verificar que la temperatura de salida de agua del intercambiador se estabilice a la temperatura deseada ( aproximadamente 50oC)
Controlar la temperatura de salida del agua reduciendo la presión del caldero para mantener la presión de trabajo del vapor en el intercambiador de calor
Controlar la presión de salida del caldero manipulando la entrada de gas combustible y manipulando el nivel de agua
Controlar la salida de condensado de vapor
Paro de Operación:
Realizar el procedimiento de apagado del caldero bajo la supervisión del jefe de laboratorio
Abrir la válvula de vapor para despresurizar totalmente el sistema del caldero Mantener funcionando la bomba de agua hasta que la temperatura de salida de
agua del intercambiador de calor sea igual a la temperatura de entrada
Drenar todo el sistema de condensado y de agua del intercambiador de calor
6.-Tabulación de Datos:
a) Tomar datos de las velocidades másicas de los fluidos frio y caliente.
b) Tomar datos de la temperaturas de entrada y salida de los fluidos frio y caliente. c) Tomar datos de la presiones de entrada y salida de los fluidos frio y caliente
Tiempo Masa Flujo másico fluido caliente lado de la coraza Temperatura de Entrada Temperatura de Salida Presiones de Entrada Presiones de Salida Presión en el caldero Calor Especifico
Volumen11.83S
0.1psi
1 atm.
4.187
790 ml11.83S
25 psi
1 atm.
4.181
2400ml1.
Cálculos:
(
) (
)
(
)
(
)
Calculo MLDT. (
) (
)
() ()
(
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()
()
()
Calculo de
̇
(
)
()
2.
Resultados:
a) Presentar los coeficientes peliculares de los fluidos tanto de lado de la coraza como del lado de los tubos debidamente justificados en base al punto 7
b) Presentar el coeficiente global de transferencia de calor del intercambiador limpio c) Determinar la caída de presión de los fluidos del lado de la coraza y del lado de
los tubos debidamente justificados en el apartado anterior 7
d) Realice una comparación entre los valores calculados y los observados e) Calcule el coeficiente de incrustación
Datos
Teóricos
Observados
Temperatura de entrada de
Vapor
Temperatura de salida del
condensado
Flujo másico del vapor
Flujo latente del vapor
Calor
especifico
del
condensado
Flujo másico del condensado
Velocidad másica del vapor
Velocidad
másica
del
condensado
Temperatura de entrada del
agua
Temperatura de salida del
agua
Flujo másico del agua
Velocidad másica del agua
Media logarítmica de la
diferencia de temperaturas
Calor especifico del agua
Área de transferencia de calor
Coeficiente global de diseño
Coeficiente de incrustación
Rendimiento
del
intercambiador
Flujo de calor
CONCLUCIONES.-El laboratorio realizado nos brindo un panorama muy amplio respectó a los intercambiadores de calor su funcionamiento y las diferencias q existen
Los resultados obtenidos son satisfactorios pues si bien presentan errores evidentes pero la tendencia se conserva y resulta coherente así mismo se satisficieron los objetivos de la practica pues mas allá de calcular coeficientes de transferencia de calor pudimos entender el funcionamiento de tan importantes aparatos
BIBLIOGRAFIA
Transferencia de calor CENYEL, Yunus. Transferencia de
calor. 2 ed. McGraw-Hill. 793 p
