1
1. OBJETIVOS.
1.1 Obtener experimentalmente los coeficientes de transferencia de calor en un intercambiador de calor de tubos concéntricos y otro de tubos y coraza.
1.2 Analizar el efecto de las variables de operación en el comportamiento por el diseño de ambos equipos.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO. 2.1 BALANCE DE ENERGÍA
El análisis cuantitativo de los problemas de transferencia de calor se fundamenta en el balance de energía. La mayoría de los equipos que usan la transferencia de calor operan en un régimen estacionario y en este tipo de operación es considerado las ecuaciones siguientes:
De la ecuación de balance total de energía se tiene:
(1)
Aplicando la ecuación (1) a un intercambiador de calor, horizontal se considera que:
; ; .;
(2)
2 Sustituyendo la ecuación (3) en (2): (4) Si (5) Entonces: (6)
Para una cantidad de masa por unidad de tiempo, de fluido el gasto:
(7)
Dónde:
Gasto, o
Entalpía en el punto 2, Entalpía en el punto 1,
Los valores de los parámetros de ecuaciones, se presentan en el S.I, ver Anexo I. La ecuación (7) puede escribirse para cada una de las corrientes que circulan a través de un intercambiador de calor, suponiendo que el equipo está aislado convenientemente.
Para el fluido caliente:
(8)
Para el fluido frío:
3
Dónde:
Calor transferido por el fluido caliente, o Calor transferido al fluido frío, o
Gasto masa del fluido caliente,
Gasto masa del fluido frío,
Entalpía en el punto 2, Entalpía en el punto 1,
Ahora bien, el calor perdido por el fluido caliente es ganado por el fluido frío, por lo tanto:
(10)
O bien
(11)
Suponiendo que los calores específicos son constantes, la ecuación (11) se adquiere la forma siguiente:
(12)
Dónde:
, Calor específico del fluido caliente y frío respectivamente, o
Si uno de los fluidos se condensa, la ecuación (12) se transcribe:
4
(14)
Dónde:
: Gasto de vapor que condensa, o
Calor latente de vaporización a temperatura de evaporación, o
La ecuación (14) se basa en la suposición de que el vapor llega al intercambiador como vapor saturado y que el condensado sale a la temperatura de saturación.
Si el condensado sale a la temperatura menor que la temperatura de saturación, la ecuación (13) adquiere la siguiente forma:
(15) Dónde:
: Calor Específico del condensado o
2.2 COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR.
Los cálculos para el diseño de un intercambiador de calor se basan en la ecuación de Fourier, esto es:
(16)
Dónde:
Calor transferido: En termoquímica,
Coeficiente Total de Transferencia de Calor Energía interna,
Área Total de Transferencia de Calor, Diferencia de Temperaturas, o .
5
Si la ecuación (16) se aplica a un punto en particular de un intercambiador, la transferencia del mismo se expresa como:
(17)
Tomando en cuenta ciertas suposiciones e integrando la ecuación (17), se obtiene:
(18)
Dónde:
: Media logarítmica de la diferencia de temperaturas, o . Ahora bien para flujos en paralelo:
(19)
(20)
Dónde:
: Temperatura de entrada de fluido caliente, o . : Temperatura de salida de fluido caliente, o . : Temperatura de entrada de fluido frío, o . : Temperatura de salida de fluido frío, o . Para flujos a contracorriente:
(21)
6
Dónde:
: Temperatura de entrada de fluido caliente, o . : Temperatura de salida de fluido caliente, o . : Temperatura de entrada de fluido frío, o . : Temperatura de salida de fluido frío, o .
Perfiles de temperatura de un flujo en paralelo y a contracorriente en un intercambiador de calor de tubos concéntricos, en la Figura 1 y 2:
A T t2 T1 T2 t1 T2 – t2 T1 – t1 1 2 Fluido caliente, a nulo Fluido frío dq = U(Tc -Tf) dA
Flujo en paralelo de intercambiador de tubos concéntricos
Figura 1 T A T1 T2 t1 t2 1 2 T2 – t2 T1 – t1 Fluido ca liente, anulo Fluido frío, tubo
Flujo a contracorriente en cambiador de tubos concéntricos
dq = U(Tc -Tf) dA
7
2.3 CORRECCIONES A LA MEDIA LOGARÍTMICA DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS EN CAMBIADORES DE MÚLTIPLES PASOS.
En la Figura 3 se muestra un esquema típico de un intercambiador de calor de dos pasos por tubos y uno por el ánulo o coraza. En la Figura 4 se muestran los perfiles de temperaturas desarrolladas a lo largo de tubos y de la coraza, con sus fluidos respectivos. T c b T c a T f i T f b T c a T f b T f a T c b Temperatura entrada vapor.
caliente
Temperatura salida agua, condensada, templada
Temperatura entrada agua, fría
Temperatura salida agua, caliente
b = salida a = entrada
T f a
8
Perfil temperaturas respecto a la longitud o área de intercambio de calor por los tubos.
1
2
3
LONGITUD DEL TUBO
TE M P ER A TU R A S D E EN TR A D A Y S A LI D A D E FL U ID O S V A P O R Y A G U A T f T a f T T a c b c i f T b
Figura 4, muestra los perfiles de temperatura desarrolladas a lo largo o área de los tubos y por la coraza o el ánulo. Para un flujo a contracorriente.
La curva (1) , se aplica para el fluido del lado de la coraza, que es del fluido caliente, como vapor. La curva (3) , es el primer paso del fluido por el lado de los tubos, como agua y la curva (2) corresponde al segundo paso. Las curvas (1) y (2) corresponden a las de un intercambiador a contracorriente. La media logarítmica de las temperaturas se aplica a un flujo en paralelo o a un flujo a contracorriente simple, pero no a una combinación. Cuando aparecen tipos de flujo diferentes a los paralelos o contracorrientes simples, es costumbre definir un factor de corrección F, que al multiplicarse por la MLDT. La MLDT, es Correcta. El factor de F, siempre es menor que la unidad. El factor de F es función de dos números adimensionales definidos por:
9
. También se define como:
(23)
. También se define como:
(24)
En donde “c” y “f”, se refieren al fluido caliente y frío respectivamente, “a” y “b” a la entrada y salida de flujo. Así como , son las temperaturas de entrada y salida del ánulo o coraza y , son las temperaturas de entrada y salida de la tubería. El factor es la relación de la caída de temperatura del fluido caliente al aumento de temperatura del fluido frío. El factor es la eficiencia de calentamiento o la relación del aumento de temperatura del fluido frío o al aumento de temperatura máxima posible.
A partir de los valores numéricos obtenidos de y , según el diseño del equipo se obtienen valores de F, de gráficas. Por ejemplo en la página, 307 y 308, de la referencia (1) se presentan cuatro gráficas.
Diseño de dos tipos de Cambiadores de Calor
La Figura 5, muestra el diseño de un intercambiador de calor de tubos concéntricos, con dos horquillas, donde pasa por el ánulo el fluido A y por el tubo el fluido B.
10
En el Anexo II, se presenta un esquema del Intercambiador de calor de tubos concéntricos como el que se encuentra en planta piloto de I.Q.
2.4 CAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS.
2.4.1 COEFICIENTES DE PELÍCULA PARA FLUIDOS EN TUBERÍAS a) Flujo turbulento.
(25)
b) Fluido muy viscoso con Re < 8000
(26) c) Flujo laminar (27) Dónde:
Coeficiente de transferencia de calor por convección para el fluido interior, : Diámetro del tubo, o
Conductividad térmica del fluido, Velocidad del fluido
Densidad del fluido,
Viscosidad dinámica fluido a temperatura de la pared,
11
Gasto masa del fluido, o Longitud del tubo,
Numero adimensional, Nusselt, interno para flujo turbulento
: Numero adimensional Sieder & Tate, para fluidos muy viscosos
: Número adimensional Sieder & Tate, para flujo laminar, si .
2.4.2 FLUIDOS QUE FLUYEN EN UN ÁNULO. DIAMETRO EQUIVALENTE
Cuando un fluido pasa por un conducto que tiene una sección diferente a la circular, tal como es en el ánulo, es conveniente expresar los coeficientes de transferencia de calor y factores de fricción mediante los mismos tipos de ecuaciones para tuberías. Para permitir este tipo de representación para la transferencia de calor en ánulos, se ha encontrado ventajoso emplear un diámetro equivalente el cual es igual a:
(28) Dónde: : Diámetro equivalente, o
Diámetro interior del tubo exterior, o Diámetro exterior del tubo interior, o
12
2.4.3 COEFICIENTES DE PELÍCULA PARA FLUIDOS EN ÁNULOS
Cuando el diámetro equivalente de la ecuación (28) se sustituye por en las ecuaciones (25), (26) y (27), el coeficiente que se encuentra es el exterior o del ánulo . Aun cuando difiera de , es efectiva en el diámetro exterior del tubo interior. En intercambiadores de doble tubo es costumbre usar la superficie y puesto que
se ha determinado para y no para , el coeficiente debe ser corregido, esto es:
(29)
La Figura 6, muestra dos diseños de intercambiadores de calor de Tubos y Coraza.
(a)
(b)
Figura 6 La del primer diseño (a), tiene dos cabezales en los extremos por donde entra el fluido generalmente frío que se va a calentar y pasa por los tubos y por la carcasa con mamparas pasa el fluido caliente como vapor que calienta al fluido que entra a contracorriente. El segundo diseño (b) tiene un haz de tubos en forma de U, y con una carcasa con mamparas de soporte.
13
2.5 CAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA
2.5.1 COEFICIENTES DE PELÍCULA LADO DE LOS TUBOS a. Flujo turbulento (30) (31) Dónde: Masa velocidad,
Área total de paso, o Gasto masa total o
Número de tubos,
Área de flujo por tubo, o Número de pasos,
Diámetro de un tubo, o cm
Número adimensional de Sieder & Tate, flujo turbulento
b. Flujo laminar
Número adimensional de Sieder & Tate, Dónde:
14
: Gasto masa por tubo o
El coeficiente obtenido por estas ecuaciones también debe ser corregido por la ecuación (28).
2.5.2 COEFICIENTES DE PELÍCULA LADO DE LA CORAZA.
La ecuación que se usa para el cálculo de los vapores que condensan del lado de la coraza, es la siguiente: (32) Dónde:
: Viscosidad cinemática a la temperatura de la película, : Conductividad térmica a la temperatura de la película, : Densidad a la temperatura de la película,
Aceleración de la gravedad,
2.6 EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES.
Las propiedades del fluido son las correspondientes a la temperatura media de la película condensada, la cual se determina con la siguiente ecuación:
(33)
15
: Temperatura media de la película, o : Temperatura del vapor saturado, o
Temperatura de pared, o
Como la temperatura de la superficie externa del tubo , la mayoría de las veces se desconoce, se supone una muy cercana a la temperatura del vapor y se resuelve por tanteos. Para comprobar, se usa la ecuación siguiente:
(34) Y (35) Dónde: : Temperatura media, o
: Temperatura de entrada de fluido frío, o : Temperatura de salida del fluido frio, o
2.7 COEFICIENTE TOTAL LIMPIO
Cuando se usan los coeficientes individuales en la obtención del coeficiente total, se le denomina coeficiente total limpio, y se expresa por:
16
3. EQUIPO, HERRAMIENTA Y SERVICIOS 3.1 EQUIPO
Sistemas de flujo de fluidos de metal, tubos concéntricos y tubos y coraza, Torre de Enfriamiento.
3.2 HERRAMIENTAS Flexómetro,
Cronómetro. 3.3 SERVICIOS
Agua de servicio o de torre de enfriamiento, Vapor de Generador de vapor,
Electricidad, c-a.
4. PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN, (Visitar el Equipo y analizar el ANEXO IV) 4.1 CALIBRACIÓN DE LOS ROTÁMETROS.
ARRANQUE
1) Abrir todas las válvulas para drenar el sistema de flujo de los equipos de intercambio de calor.
2) Cerrar todas las válvulas.
3) Abrir las válvulas V-1 y V-2 que son el suministro de agua de servicio al tanque TA-1, y llenarlo hasta 2/3 partes de su volumen ver en el indicador de nivel.
4) Abrir la válvula V-5 y V-9 que son el suministro a la succión de la motobomba centrífuga BA-1, que pasara el flujo al rotámetro R-1.
17
5) Abrir las válvulas V- 19, V-21, V-24 y V-4.
6) Encender la motobomba BA-1, y abrir la válvula V-11, para regular un gasto con el rotámetro R-1.
7) Medir el tiempo que tarda en subir a cierto nivel visible en el tanque TA-2. 8) Variar el gasto del rotámetro con la apertura del maneral de la válvula V-11.
9) Repetir los incisos 7) y 8), en todo el rango que tiene el rotámetro.
10) Efectuar los pasos anteriores utilizando el rotámetro R-2, abriendo o alineando, las válvulas correspondientes.
4.2 OPERACIÓN DEL EQUIPO
1) Familiarizarse perfectamente con el equipo, identificando todas las válvulas, colocando etiquetas en ellas y que al inicio estén cerradas.
2) Abrir las válvulas de suministro de las válvulas de suministro de agua de servicio V-1 o V-2 de la Torre de Enfriamiento hacia el tanque TA-1. Abriendo (V-1 o V-2 y V-3) y llenarlo aproximadamente 2/3 partes al nivel visible por el nivel.
3) Abrir las siguientes válvulas para la entrada de succión de la motobomba centrífuga BA-1, (V-5, V-9). Suministro de agua de servicio o de la Torre de Enfriamiento, con V-1 o V-2, hacia el Intercambiador de calor de tubos concéntricos ICTC-1, abriendo (V-19, V-33, V-34) y el agua de retorno a la Torre de Enfriamiento, (V-37, V-44, V-49).
4) Encender la motobomba BA-1, fijando un flujo con el rotámetro con la apertura del maneral de la válvula V-11.
5) En el momento de encender la motobomba MB-1, abrir la válvula de suministro de agua de enfriamiento V-2. Y se regula el flujo de retorno al tanque TA-1 hasta mantener un nivel constante de agua en el mismo.
6) Cuando se alcance el régimen permanente en el circuito de agua de la Torre de Enfriamiento, se abren las válvulas de suministro de vapor al ICTC-1 (V-59, V-54, V-55), regulando una presión deseada, “temperatura”.
7) Mantener operando el proceso hasta que no se vean grandes cambios en las temperaturas de entrada y salida del intercambiador. Registrar los valores obtenidos de gastos, presiones de vapor y temperaturas.
18
8) Variar el gasto de agua al equipo con la válvula V-11, así como el gasto de agua de la Torre de Enfriamiento V-2 al tanque TA-1, hasta que se alcance un nuevo régimen permanente. Repetir lo indicado en el inciso 7).
9) Cuando se tengan los suficientes datos para el ICTC-1. Se cierran las siguientes válvulas. V-34, V-37 y V-44, V-55.
10) Para el intercambiador calor de tubos y coraza ICTC-2. Se abren las siguientes válvulas (V-35, V-42, V-48, V-56). Realizando lo indicado en los incisos 4), 5), 6), 7), 8).
PARO
1) Cerrar primero todas las válvulas de suministro de vapor, dejando circular agua fría a través de cualquiera de los equipos con objeto de enfriarlo, cuando considere el Profesor que el equipo está frío, se apaga la bomba BA-1. Así como la de la Torre de Enfriamiento.
2) Se abren las válvulas del equipo usado para drena la tubería y 3) Finalmente se cierran todas las válvulas.
Este Procedimiento de Operación, empleando en la alimentación de agua el tanque TA-1, hacia el tanque TA-2, se puede realizar alineando las tuberías para emplear de alimentación el tanque TA-2 hacia el tanque TA-1.
En caso de rotura de una de las tuberías de vidrio de las mirillas de nivel, se puede hacer la parte de calibración de rotámetros, empleando el tanque TA-3. Y cerrando las salidas de las dos válvulas de las mirillas de nivel de vidrio que estén rotas. Es importante en el intersemestre realizar para este accesorio un mantenimiento correctivo urgente.
4.3 OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES IMPORTANTES.
1) Para la realización de esta actividad, se requiere que la Torre de Enfriamiento este en operación, por lo que el Profesor debe indicarle a su grupo de alumnos como trabajar este equipo, además de como coordinar las dos actividades. Actualmente el enfriamiento por el agua de servicio no se emplea ya que se desperdicia el recurso.
19
2) Cuidar que la cantidad de vapor que se introduce al sistema sea la necesaria, para poderla condensar completamente, si esto no sucediera, se pueden operar las bombas en paralelo, para aumentar el gasto del agua de enfriamiento. O bien que la tubería de vapor tenga una válvula reguladora de presión, para suministrar menos vapor
3) Cuidar que las válvulas que se mencionan el procedimiento de operación estén alineadas: abiertas o cerradas de acuerdo a la descripción del mismo.
4) Verificar que las válvulas de dren de los cabezales del agua de enfriamiento estén cerradas.
5) Cuidar que las válvulas de succión de las motobombas centrífugas que se usen abiertas, siempre que se enciendan la (s) bomba (s) usada (s).
6) Abrir las válvulas de venteo ( V-27, V-28) de los tanques, cuando se enciendan las motobombas centrífugas.
7) Cuidar siempre que cuando circule vapor por un intercambiador de calor, esté fluyendo agua de enfriamiento.
5. TRATAMIENTO DE LOS DATOS
5.1 PRESENTACIÓN DE LOS DATOS
1. Para la calibración de los rotámetros se presentará una tabla de la siguiente forma:
20
TABLA 1. PRESENTACIÓN DE DATOS DE LOS ROTÁMETROS No Corrida % Escala R-1 % Escala R-2 h R-1 h R-2 Tiempo, t R-1 Tiempo, t R-2
2. Para el intercambiador de calor de tubos concéntricos se presentará una tabla de la siguiente forma:
TABLA 2. DATOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS No Corrida % Escala R-1 % Escala R-2 P. ent. vapor T. ent. vapor T. ent. agua T. sal. agua T. sal. condensado
3. Para el intercambiador de calor de tubos y coraza se presentará la tabla de la siguiente forma:
21 No Corrida % Escala R-1 % Escala R-2 P. ent. vapor T. ent. vapor T. ent. agua T. sal. agua T. sal. condensado 5.2 TRATAMIENTO DE DATOS.
1. Hacer una Gráfica de % Escala vs. Gasto para cada rotámetro.
2. Hacer un Diagrama mostrando los perfiles de temperatura desarrollados a lo largo de cada intercambiador de calor en cada corrida.
3. Realizar un Balance de Materia y Energía del sistema para cambiador y para cada corrida.
4. Obtener con los valores experimentales el coeficiente global de transferencia de calor para cada corrida y para cada intercambiador y presentar dos tablas como las siguientes:
22
TABLA 4 RESULTADOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS. No Corrida Gasto agua Q Gasto vapor U experimental Re
TABLA 5 RESULTADOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA. No Corrida Gasto agua Q Gasto vapor U experimental Re
5. Hacer una gráfica de U contra el número de Reynolds.
6. Comparar los coeficientes de transferencia de calor en los diseños de equipos de transferencia de calor.
23
ANEXO I Unidades de Básicas y Complementarias empleadas en Transferencia de
Calor, S.I.
VARIABLE UNIDAD OTRAS UNIDADES
Masa Kg gr
Longitud m cm. mm
Volumen m3 cm3
Fuerza Kgf 9.8 N
Presión Kg/cm2 98,066 Pa, 0.9678 atm
Energía Kg m 9.8066 J, 2.7241x10-6 KW hr
Temperatura °C o K K – 273.15
Unidades y Propiedades Complementarias de Transferencia de Calor del Agua S.I.
T T ) 0 273.2 999.6 4.229 1.786 0.5694 13.3 15.6 288.8 998.0 4.187 1.131 0.5884 8.07 26.7 299.9 996-4 4.183 0.860 0.6109 5.89 37.8 311.0 994.7 4.183 0.682 0.6283 4.51 65.6 338.8 981.9 4.187 0.432 0.6629 2.72 93.3 366.5 962.7 4.229 0.3066 0.6802 1.91 121.1 394.3 943.5 4.271 0.2381 0.6836 1.49 148.9 422.1 917.9 4.312 0.1935 0.6836 1.22 204.4 477.6 858-6 4.522 0.1384 0.6611 0.950 260.0 533.2 784.9 4.982 0.1042 0.6040 0.859 315.6 588.8 679.2 6.322 0.5071 0.5071 1.07
24
Unidades y Propiedades complementarias de Transferencia de Calor del Vapor de Agua a 101.32 1 (SI): T T 100.0 373.2 0.596 1.888 1.295 0.02510 0.96 148.9 422.1 0.525 1.909 1.488 0-02960 0.95 204.4 477.6 0.461 1.934 1.682 0.03462 0.94 260.0 533.2 0.413 1.968 1.883 0.03946 0.94 315.6 588.3 0.373 1.997 2.113 0.04448 0.94 371.1 644.3 0.341 2.030 2.314 0.04985 0.93 426.7 699.9 0.314 2.068 2.529 0-05556 0.92
Estas Constantes Fundamentales y Factores de Conversión en el Sistema Internacional e inglés. Se Encuentran en los Apéndices A.1, A.2, algunos otros datos relacionados con al agua o como el vapor se mencionan en la Bibliografía.
25
ANEXO II Esquema de la vista lateral del Intercambiador de Calor de Tubos
Concéntricos
A
D
B C
VISTA LATERAL LONGITUDINAL
VISTA FRONTAL BOQUILLAS
D C INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS DIBUJO: HHMyR APROBÓ:C.A.C. REVIÓN: 2 ESCALA:
SIN REVISO: FECHA: 11/2015 TÍTULO
UNAM, FES ZARAGOZA, I.Q. LISTA DE BOQUILLAS
MCA. CANT. BRIDA TIPO RANGO CUELLO CÉDULA SERVICIO A C B D 1 1 1 1 De = 6", Di = 2" L.J. 150 # L.J. 150 # L.J. 150 # L.J. 150 # De = 6", Di = 2" De = 4", Di = 1" De = 4", Di = 1" 40 40 40 40 ENT. VAPOR
ANEXO II INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTICOS METÁLICO ASTM A 249 TP 304
SAL. CONDENSADO ENT. AGUA FRÍA SAL. AGUA CALIENTE
26
ANEXO III Esquema Frontal y Lateral del Intercambiador de calor de metal de Tubos y Coraza
Vista frontal de haz de tubos en U. con 19 tubos de cobre. En carcaza de hierro
Vista lateral de carcaza de hierro, con entradas bridadas para agua y vapor
Vista lateral de haz de tubos de cobre con mamparas que también se apoyan en diámetro interno de la carcaza
VISTAS LATERAL Y FRONTAL
DIBUJO: IQ HHMR REVISO: IQ AFVM APROBO: IQ DOB DESCRIPCIÓN
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA DE METAL 3 0 .6 0 2.20 m Largo carcaza 2.5 cm 8.5 cm 1.58 m 1.11 m 1.85 m 1.5 m 1 6 c m
ANEXO III Esquema de intercambiador de calor de tubos y coraza de metal, que esta en Planta Piloto de I.Q.
30.60 cm. 25.8 cm 25.80 cm. 1 .7 Carcaza de hierro, espesor 2.4 cm.
Tubo de cobre: Diámetro externo: 2.15 cm. Diámetro interno: 1.66 cm.
Placa separación de flujo que entra y que sale
Pitch entre centros de tubos 1 ¼”
ANEXO IV Esquema del Sistema de Flujo de los Intercambiadores de Calor de Tubos Concéntricos y de Tubos y Coraza, de Metal
27 VAPOR AGUA SERV. AGUA T. ENFRIA. V-1 V-54 V-2 V-3 V-4 TA-1 TA-2 1P 2P 1L 2L 1 T 2 T V-5 V-6 V-7 V-8 V-29 V-30 BA-2 V-9 V-10 BA-1 V-58 V-57 V-25 V-26 V-11 V-12 V-13 R-1 3L TA-3 R-2 V-16 V-17 V-18 V-19 V-20 V-21 V-22 V-23 V-24 V-14 3 T V-55 V-52 V-39 V-38 V-36 V-34 4 T V-37 ICTC-1 V-44 V-49 AGUA RET. V-42 V-4 V-56 V-53 V-43 V-36 V-40 V-41 V-32 V-33 V-35 V-47 V-45 V-46 V-50 V-51 3P 4 P 5P 6 P 14P 11P 8P P15P 7P 9P 10P 12P 13P 5 T 6T ICTC-2 TV-1 TV-2
ANEXO IV SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADPRES DE CALOR METAL
TORRE E. V-27 V-28
28
ANEXO V Fotografías del Equipo, algunas tuberías, accesorios e instrumentos. Vista general de equipo y tuberías del sistema de intercambiadores de calor de metal
Vista de entrada de los servicios de agua general de torre de enfriamiento y vapor a los equipos
29
Vista de tapas de entrada de tuberías servicios a bridas de los tanques TA-1 y TA-2
30
Vista entrada y salida de agua, asi como de vapor y condensado del Intercambiador de calor de tubos concéntricos ICTC-1 E instrumentos de presión y temperatura.
Vista de horquilla que lleva agua del ICTC-1 y la coraza de dos tubos rectos
31
Vista de salidas de condensador de los intercambiadores de calor ICTC-1 y el ICTC-2, Por medio de trampas de vapor que descargan a dren de rejillas. También se ve la
motobomba eléctrica BA-2, anclada al piso.
32
ANEXO VI Comentarios al Equipo y algunas características.
1. El protocolo original es diferente al presentado en la primera revisión el original es claro con fundamento teórico, la primera revisión no incluye todas las ecuaciones que justifican la teoría de los dos equipos. La descripción de la operación no es clara y no se aplican los datos experimentales obtenidos de la teoría empleada, los parámetros teóricos usan unidades inglesas.
2. El sistema se diseñó para operar por lo menos con tres equipos. Un sistema de flujo de fluidos de metal, nunca se ha usado. Se usa un sistema de bombas para operar una bomba individual, dos en serie o dos en paralelo. Los tanques del sistema tienen una entrada de aire para aumentar la presión de los tanques como un sistema presurizado, que no se usa ya que su objetivo era medir el flujo de aire en equipos que nunca se construyeron, un sistema de transferencia de calor en dos equipos uno de tubos concéntricos y otro de tubos y coraza que se usan. Conviene realizar cambios en la instalación actual eliminando tuberías que generan confusión en la operación de los equipos, si se desarma la instalación de flujo de fluidos de metal se puede colocar un tanque elevado para probar el sistema de bombeo no en tanques al mismo nivel sino a otro, ya que uno de los fines que tienen las bombas es llevar un fluido de un nivel bajo a otro elevado de mayor capacidad, para emplear su potencial de descarga por gravedad.
3. Actualmente uno de los tanques de metal tiene roto el tubo de vidrio que es la mirilla para ver el nivel de agua que tiene el recipiente. Conviene comprar por lo menos cuatro tubos-mirilla de las dimensiones adecuadas, así como ocho redondos tipos espagueti que protejan mejor a estos instrumentos tan expuestos.
4. Los tanques metálicos tienen una entrada mano bridada para limpieza interna, a los que nunca se les ha dado mantenimiento, conviene realizarla comprando un sello de hule con los diámetros externo e interno según el diámetro externo del tubo soldado al tanque.
5. También semestralmente realizar un mantenimiento a los equipos y a la tubería que puedan tener agua acumulada, agregando una solución diluida de ácido clorhídrico o de agua dura dejarla durante un día y posteriormente lavar con agua limpia.
33
6. La línea de agua de servicio para este sistema actualmente no se usa. Se tendió una línea de este servicio fuera de planta piloto a la estructura superior que está encima del molino de martillos. Servicio que no se usa actualmente.
7. El empleo del uso del agua de la torre de enfriamiento, con los intercambiadores de calor, tiene el inconveniente al usar la columna empacada de acero inoxidable que consume más agua y vapor, así que debe planear que ambas actividades no sean en las mismas fechas.
8. Si no se realizan cambios como los de la propuesta 2. Conviene comprar pintura de color verde y rojo para pintar los equipos y tuberías y accesorios del sistema flujo de agua y de vapor, así como el recubrimiento metálico que lleva la tubería de vapor
9. Que los profesores de los LTP de 6° semestre revisen el Dibujo del ANEXO IV para que establezcan cuales son las tuberías y válvulas que se requieren emplear para el proceso de los intercambiadores de calor de tubos concéntricos y el de tubos y coraza para posteriormente colocar en las válvulas una señalización metálica con su código para que en el futuro los profesores que operen el equipo lo realicen de manera controlada. Para que sea más sencillo de entender y realizar para los alumnos que realicen esta actividad.
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ANEXO VII Cuestionario General para los Alumnos 1) ¿Qué fuentes de calor existen?
2) ¿Cuáles son diferencias?
3) ¿Cuáles son las Teorías básicas sobre la Energía Térmica, que conoces? 4) En los diseños de equipos de transferencia de calor ¿cuáles son los parámetros más importantes que se usan?
5) ¿Podrías justificar ese diseño con ecuaciones?
6) ¿En tu práctica de LTP, sobre de transferencia de calor tu grupo de trabajo llegó a resultados promedio similares a los teóricos?
7) ¿Te gusto este trabajo como alumno en el equipo de trabajo? 8) ¿Podrías explicárselo a otro compañero de un semestre anterior? 9) ¿Cuáles son los equipos que utilizan la energía térmica que conoces? 10) ¿Cuáles son los precios de los equipos que usas a nivel casero? 11) ¿Cuáles son los precios de los equipos a nivel industrial que conoces? 12) ¿Cómo crees que podrías mejorar uno o varios diseños?,
13) ¿Crees que vale la pena comprar un equipo nuevo o reconstruirlo? 14) ¿Te interesaría construir un equipo pequeño?
15) ¿Este equipo sería para el calentamiento o enfriamiento de fluidos líquidos o gases?
16) ¿Al terminar tu carrera, te interesaría volverte especialista en los temas de esta materia?
17) ¿Has utilizado un ordenador para conocer más sobre esta materia de lo que viste en clase?
18) Las respuestas que des no son el fin de calificarte son personales, para que veas el avance que has tenido en esta materia y si estas alcanzando tus metas.
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ANEXO VIII Bibliografía
1. Principios de Operaciones Unitarias- Alan S. Foust, Leonard A. Wenzel, Curtis W. Clump, Parte Tres Aplicaciones al diseño de Equipo de Transferencia de Calor, 1990.
2. Bird, R. B., Steward, W. E., y Lightfoot, E. N. Transport Phenomena. New York. Jhon Wiley & Sons, Inc., 1960.
3. Badger, W. B., y Banchero, J.T., Introduction to Chemical Engineering. New York: Mc Graw-Hill, Inc., 1955.
4. Brwmley, L, A, Chem. Engineering, Progress, 45, 221 (1950).
5. Browman, R. A. Mueller, A. C. y Nagle, W. M. Trans. A.S.M.E., 62. 283. 6. Clapp, R. M. International Developments in Heat Transfer, Part III. New York. American Society of Mechanic Engineering, 1961.
7. Chilton, T. H., Drew, T. B., y Jebens, R.H. Industrial Engineering Chemical. 36 510 (1944).
8. Fujii, T, e Imura, H. International Journal Heat Mass Transfer, 15, 755 (1972).
9. Geankoplis, C, J, Mass Transport Phenomena, Columbus, Ohio, Ohio State university Bookstores, 1972.
10. Jacob, M. Heat Transfer, Vol 1. New York; Jhon Wiley & Sons. Inc., 1949. 11. Jacob, M. Heat Transfer, Vol 2. New York; Jhon Wiley & Sons. Inc., 1957. 12. McAdams, A. H. Heat Transmission, 3a. ed. New York: Mc Graw-Hill, Inc., 1954.
13. Perry, R. H. y Chilton, C. H. Chemical Engineers’ Handbook, 4a. Ed. New York; Mc Graw-Hill, Inc., 1966.
14. Reid, R. C., y Sherwood, T. K. Proprieties of Gases and Liquids, 2a. Ed. New York; Mc Graw-Hill, Inc., 1963.
15. Steinberger, R. L. y Traybal, R. E. A.I.Ch. E. J., 6, 227 (1960).
16. Welty, J. R. Wices, C. E. , y Wilson, R. E. Fundamentals of Momentum, Heat and Mass Transfer. New York; Jhon Wiley & Sons. Inc., 1969.
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17. Joaquín Otón García y Gabriel Tojo Barreiro de las Universidades de Salamanca y Santiago de Compostela, Problemas de Ingeniería Química, Operaciones Básicas Tomo I, Editorial Aguilar, 3ª Edición, 1968.
18. J. P. Holman, Transferencia de Calor, Traducido por Dr. Raúl Valenzuela M., Autorizada por Mc Graw-Hill, Book Company Inc., 2ª Ed. ISBN 0-07-0229618-9. CECSA, Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V, México, 1986.
19. Geankoplis, C, J, Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias, The Ohio State University, Traducido por I.Q, Antonio Eroles Gómez, Ph. D. Copyright by Allyn and Bacon, Inc. y CECSA, Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V, México. 1989.
