Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Facultad de Ingeniería Química Facultad de Ingeniería Química Laboratorio de Ingeniería II (NRC:
Laboratorio de Ingeniería II (NRC: 23733)23733)
Reporte de la práctica de laboratorio 6
Reporte de la práctica de laboratorio 6
Profesora:
Profesora: Maribel López Badillo Maribel López Badillo
Integrantes del equipo: Integrantes del equipo:
•
• García Niño de Rivera Ana LauraGarcía Niño de Rivera Ana Laura •
• Mandujano Hernández Claudia StephaniMandujano Hernández Claudia Stephani •
• Miranda Valdovinos Rosa NayeliMiranda Valdovinos Rosa Nayeli •
• Molar Rochín IvánMolar Rochín Iván •
• Ortiz Méndez Juan DanielOrtiz Méndez Juan Daniel •
• Salas Márquez Gerardo Salas Márquez Gerardo AlbertoAlberto
OTOÑO 2018 OTOÑO 2018
Primera fecha de entrega: 29 de octubre de 2018 Primera fecha de entrega: 29 de octubre de 2018 Segunda fecha de entrega: 09 de noviembre de 2018 Segunda fecha de entrega: 09 de noviembre de 2018
PRÁCTICA 6: INTERCAMBIADOR DE CAL
PRÁCTICA 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y COROR DE TUBOS Y CORAZA ENAZA EN PARAL
PARAL ELO Y CONTRACORRIELO Y CONTRACORRIENTEENTE 1. INTRODUCCIÓN
1. INTRODUCCIÓN
En los procesos industriales el calor se transmite por diferentes mecanismos, En los procesos industriales el calor se transmite por diferentes mecanismos, incluyendo conducción en calentadores de resistencia eléctrica; incluyendo conducción en calentadores de resistencia eléctrica; conducción-convección en cambiadores de calor, calderas y condensadores; radiación en convección en cambiadores de calor, calderas y condensadores; radiación en hornos y secaderos de calor radiante; y métodos especiales tales como hornos y secaderos de calor radiante; y métodos especiales tales como calentam
calentamiento iento dieléctrdieléctrico ico (McCabe, 1982).(McCabe, 1982).
Los intercambiadores de calor son tan importantes y tan ampliamente utilizados Los intercambiadores de calor son tan importantes y tan ampliamente utilizados en los procesos industriales que su diseño se encuentra muy desarrollado. Las en los procesos industriales que su diseño se encuentra muy desarrollado. Las normas recogidas y aceptadas en el TEMA (Standards of the Tubular Exchanger normas recogidas y aceptadas en el TEMA (Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association) comprenden con todo detalle tanto materiales, como Manufacturers Association) comprenden con todo detalle tanto materiales, como métod
métodos de os de construcción, técnicas de diseño y construcción, técnicas de diseño y dimensiones de los cambiadores.dimensiones de los cambiadores. 2. OBJETIVOS
2. OBJETIVOS
Demostrar las diferencias entre flujo paralelo y
Demostrar las diferencias entre flujo paralelo y flujo contracorriente.flujo contracorriente. 3.
3. FUNDAMENTO FUNDAMENTO TEÓRICOTEÓRICO Defina los siguientes conceptos: Defina los siguientes conceptos:
•
• IntercambiaIntercambiador dor de de calor: Los calor: Los intercambiadintercambiadores ores de de calor son calor son aparatos aparatos queque
facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a tempera
temperaturas diferentes y evitan turas diferentes y evitan al mismo tiempo que se al mismo tiempo que se mezclen entre sí.mezclen entre sí. En la práctica, los intercambiadores de calor son de uso común en una En la práctica, los intercambiadores de calor son de uso común en una amplia variedad de aplicaciones, desde los sistemas domésticos de amplia variedad de aplicaciones, desde los sistemas domésticos de calefacción y acondicionamiento del aire hasta los procesos químicos y la calefacción y acondicionamiento del aire hasta los procesos químicos y la producción de energía en las plantas grandes.
producción de energía en las plantas grandes. En un intercambiador laEn un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido y transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido y conducción a través de la pared que los separa. En el análisis de los conducción a través de la pared que los separa. En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total U que toma en cuenta la contribución de de transferencia de calor total U que toma en cuenta la contribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razón de la transferencia todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos en un lugar dado a un intercambiador de calor entre los dos fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, la cual varía depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador.
a lo largo de dicho intercambiador.
•
• Clasificación Clasificación generageneral l de de intercambintercambiadores iadores de de calor:calor:
Según su
Según su construcción:construcción:
•
• Tubo y Tubo y coraza: Es ecoraza: Es el intercambiador de l intercambiador de calor más calor más común en común en loslos
procesos industriales. Estos intercambiadores de calor contienen un procesos industriales. Estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco con sus ejes paralelos al de éste. La transferencia de calor tiene lugar con sus ejes paralelos al de éste. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza. tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza. Es común la colocación de desviadores en la coraza para forzar al Es común la colocación de desviadores en la coraza para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de fluido a moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también para mantener un mejorar la transferencia de calor, y también para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos. A pesar de su extendido uso espaciamiento uniforme entre los tubos. A pesar de su extendido uso no son adecuados para utilizarse en automóviles y aviones debido a su no son adecuados para utilizarse en automóviles y aviones debido a su peso y tamaño relativamente grandes. Nótese que en un
peso y tamaño relativamente grandes. Nótese que en un
Ilustración 1: Esquema de un intercambiador de calor de tubo y coraza (un paso por la Ilustración 1: Esquema de un intercambiador de calor de tubo y coraza (un paso por la
coraza y un paso por los tubos. coraza y un paso por los tubos.
intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales, que se encuentran en ambos grandes de flujo, llamadas cabezales, que se encuentran en ambos extremos del casco, en donde el fluido del lado de los tubos se extremos del casco, en donde el fluido del lado de los tubos se acumula antes de entrar y salir de ellos.
acumula antes de entrar y salir de ellos.
Los intercambiadores de tubos y coraza se clasifican todavía más Los intercambiadores de tubos y coraza se clasifican todavía más según el número de pasos que se realizan por la coraza y por los según el número de pasos que se realizan por la coraza y por los tubos. Por ejemplo, los intercambiadores en los que todos los tubos tubos. Por ejemplo, los intercambiadores en los que todos los tubos forman una U en la coraza se dice que son de un paso por la coraza y forman una U en la coraza se dice que son de un paso por la coraza y dos pasos por los tubos.
dos pasos por los tubos.
•
• De doble De doble tubo: El tubo: El tipo mtipo más simple ás simple de de intercintercambiador de ambiador de calor consta calor consta dede
dos tubos concéntricos de diámetros diferentes, como se muestra en la dos tubos concéntricos de diámetros diferentes, como se muestra en la figura, llamado intercambiador de calor de tubo doble. En un figura, llamado intercambiador de calor de tubo doble. En un intercambiador de este tipo uno de los fluidos pasa por el tubo más intercambiador de este tipo uno de los fluidos pasa por el tubo más pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos tubos.
dos tubos.
Ilustración 2: Intercambiador de calor de doble tubo Ilustración 2: Intercambiador de calor de doble tubo
•
• Placas y Placas y armazón (o armazón (o solo psolo placas): consta de lacas): consta de una una serie de serie de placas conplacas con
pasos corrugados y aplastados para el flujo. Los fluidos caliente y frío pasos corrugados y aplastados para el flujo. Los fluidos caliente y frío fluyen en pasos alternados, de este modo cada corriente de fluido frío fluyen en pasos alternados, de este modo cada corriente de fluido frío queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo que da por queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo que da por resultado una transfere
resultado una transferencia muy eficaz de calor. Asimismo, este tipncia muy eficaz de calor. Asimismo, este tipo deo de intercambiadores pueden crecer al aumentar la demanda de intercambiadores pueden crecer al aumentar la demanda de transferencia de calor sencillamente montando más placas. Resultan transferencia de calor sencillamente montando más placas. Resultan muy apropiados para aplicaciones de intercambio de calor de líquido muy apropiados para aplicaciones de intercambio de calor de líquido hacia líquido, siemp
hacia líquido, siempre que las re que las corrientes de los fluidos caliente y corrientes de los fluidos caliente y frío sefrío se encuentren más o menos a la misma presión.
Ilustración 3: Intercambiador de calor de placas y armazón de líquido hacia líquido
• De tipo plato: El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra
en la figura, consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente grande de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos. Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de carcasa y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos. El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos para la misma capacidad de intercambio de calor.
Ilustración 4: Intercambiador de calor de tipo plato
Según la operación del flujo:
• Flujo paralelo: Como se ilustra en la
figura, existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del
Ilustración 5: Diagrama para demostrar la dirección del flujo
fluido más caliente.
• Contraflujo: Los dos fluidos fluyen en la misma dirección, pero en
sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que
el fluido con menor temperatura sale en
contraflujo del
intercambiador de calor en el extremo donde entra el
fluido con mayor
temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el
intercambiador de
contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.
Ilustración 6: Imagen que muestra la dirección de contraflujo
• Flujo cruzado: Uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro
fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90° el cual todavía se clasifica más como flujo no mezclado o mezclado,
dependiendo de su configuración, como se muestra en la figura. Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usados donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.
Ilustración 7: Diferentes configuraciones de flujo en intercambiadores de calor de flujo cruzado
De acuerdo con el tipo de paso:
• Un solo paso o paso simple:
Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple.
Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso.
• De múltiples pasos: Cuando
los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiples pasos. Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del
flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U" en los extremos, es decir, el doblez en forma de "U" permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador.
De acuerdo con su función en un sistema particular:
• Regenerativo: Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza
el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo) como se muestra en lo figura. Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y éste es posteriormente integrado al sistema.
El intercambiador regenerativo del tipo estático básicamente es una masa porosa que tiene una gran capacidad de almacenamiento de calor, como la malla de alambre de cerámica. Los fluidos caliente y frío fluyen a través de esta masa porosa de manera alternada. El calor se transfiere del fluido caliente hacia la matriz del regenerador durante el flujo de este, y de la matriz hacia el fluido frío durante el paso de éste.
Ilustración 8: Disposiciones del flujo en pasos múltiples en los intercambiadores de
Por tanto, la matriz sirve como un medio de almacenamiento temporal de calor.
El regenerador del tipo dinámico consta de un tambor giratorio y se establece un flujo continuo del fluido caliente y del frío a través de partes diferentes de ese tambor, de modo que diversas partes de este último pasan periódicamente a través de la corriente caliente, almacenando calor, y después a través de la corriente fría, rechazando este calor almacenado. Una vez más, el tambor sirve como el medio de transporte del calor de la corriente del fluido caliente hacia la del frío.
• Intercambiador de tubo y coraza, partes, arreglos de los tubos, arreglo de
los fluidos:
Quizá el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales sea el de tubos y coraza. Estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco con sus ejes paralelos al de éste. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza. Es común la colocación de desviadores en la coraza para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos. A pesar de su extendido uso no son adecuados para utilizarse en automóviles y aviones debido a su peso y tamaño relativamente grandes. Nótese que en un intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales, que se encuentran en ambos extremos del casco, en donde el fluido del lado de los tubos se acumula antes de entrar y salir de ellos.
Los intercambiadores de tubos y coraza se clasifican todavía más según el número de pasos que se realizan por la coraza y por los tubos. Por ejemplo, los intercambiadores en los que todos los tubos forman una U en la coraza se dice que son de un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. De modo semejante, a un intercambiador que comprende dos pasos en la coraza y cuatro pasos en los tubos se le llama de dos pasos por la coraza y cuatro
pasos por los tubos.
• Mecanismo de transferencia en un intercambiador:
En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido y conducción a través de la pared que los separa. En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total U que toma en cuenta la contribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador.
El coeficiente de transferencia de calor U, está compuesto de varios mecanismos. El primero es la transferencia por convección desde el fluido caliente hacia las paredes que lo separan del fluido frío o el aire. Esto representa la resistencia térmica del fluido caliente, la cual depende primordialmente de propiedades físicas y térmicas del fluido. El flujo turbulento y alta velocidad mejoran la tasa de transferencia de calor.
El segundo mecanismo es la conductividad térmica a través de las paredes del tubo. La mayoría de los intercambiadores de calor están fabricados de cobre o aleaciones de aluminio que presentan una alta conductividad térmica. El tercer mecanismo es la convección del calor desde las paredes del tubo hacia el fluido frío en el mismo. Este actúa de la misma manera que la resistencia térmica del fluido caliente. El uso de patrones de flujo multipaso permite el aprovechamiento de la velocidad del fluido y turbulencia para aumentar los valores de U.
• Efectividad del proceso de intercambio de calor
La efectividad del proceso de intercambio de calor (ε) es un parámetro adimensional definido como:
= ̇
á
= ó
ó á
La razón de la transferencia de calor real de un intercambiador de calor se puede determinar con base en un balance de energía en los fluidos caliente y frío y se puede expresar como:
̇=
(
,
−
,
)=
(
,
−
,
)
En donde
=̇
y
=̇
son las razones de capacidad calorífica de los fluidos frío y caliente, respectivamente.Para determinar la razón máxima posible de la transferencia de calor de un intercambiador, en primer lugar, se reconoce que la diferencia de temperatura máxima que se produce en él es la diferencia entre las temperaturas de entrada de los fluidos caliente y frío; es decir:
∆
á
=
,
−
,
La transferencia de calor en un intercambiador alcanzará su valor máximo cuando
1) el fluido frío se caliente hasta la temperatura de entrada del caliente o 2) el fluido caliente se enfríe hasta la temperatura de entrada del frío.
Estas dos condiciones límites no se alcanzarán en forma simultánea a menos que las razones de capacidad calorífica de los fluidos caliente y frío sean idénticas (es decir,
=
). Cuando
≠
, el cual suele ser el caso, el fluido con la razón de capacidad calorífica menor experimentará un cambio más grande en la temperatura y, de este modo, será el primero en experimentar la diferencia máxima de temperatura, en cuyo punto se suspenderá la transferencia de calor. Por lo tanto, la razón máxima posible de transferencia de calor en un intercambiador es: ̇
á
=
(
,
−
,
)
en donde Cmín es el menor entre Ch y Cc.• Eficiencia térmica
El rendimiento térmico o eficiencia de una máquina térmica es un coeficiente o ratio adimensional calculado como el cociente de la energía producida (en un ciclo de funcionamiento) y la energía suministrada a la máquina (para que logre completar el ciclo termodinámico).
=
=
Dependiendo del tipo de máquina térmica, la transferencia de estas energías se realizará en forma de calor, Q, o de trabajo, W.
Ilustración 10: La energía producida o energía salida del sistema (Esal) es siempre menor que la energía suministrada o energía entrada al sistema (Eent).
• Coeficiente global de transferencia de calor
El valor del coeficiente global (U) depende de los coeficientes de transferencia de calor por convección de los fluidos frío y caliente y está fuertemente influenciado por la forma de las corrugaciones de las placas, los parámetros de trabajo y las propiedades de los fluidos.
Por lo común un intercambiador de calor está relacionado con dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida. En primer lugar, el calor se transfiere del fluido caliente hacia la pared por convección, después a través de la pared por conducción y, por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección. Cualesquiera efectos de la radiación suelen incluirse en los coeficientes de transferencia de calor por convección.
La red de resistencias térmicas asociada con este proceso de transferencia de calor comprende dos resistencias por convección y una por conducción, como se muestra en la figura. En este caso, los
subíndices i y 0 representan las superficies interior y exterior del tubo interior. Para un intercambiador de calor de tubo doble, la resistencia térmica de la pared del tubo es
=ln
2
en donde k es la conductividad térmica delmaterial de la pared y L es la longitud del
Ilustración 11: Red de resistencias térmicas asociada con la transferencia de calor en un intercambiador de calor
tubo. Entonces la resistencia térmica total queda
=
=
+
+
= 1ℎ
+ln
2 + 1ℎ
Ai es el área de la superficie interior de la pared que separa los dos fluidos y A 0
es el área de la superficie exterior de esa misma pared. En otras palabras, Ai y A0
son las áreas superficiales de la pared de separación mojada por los fluidos interior y exterior, respectivamente. Cuando uno de los fluidos fluye adentro de un tubo circular y el otro afuera de éste, se tiene
=
y
=
.En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combina todas las resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria del flujo de calor del fluido caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos como
̇=∆=∆=
∆=
∆
en donde U es el coeficiente de transferencia de calor total, cuya unidad es W/m2·°C, la cual es idéntica a la unidad del coeficiente de convección común, h.
De manera que el coeficiente de transferencia de calor U para el análisis de transferencia de calor en un intercambiador de calor se puede expresar como:
= 1∑= 1
1ℎ
+ln
2 + 1ℎ
• Características Intercambiador de calor de coraza y tubos a pequeña escala.
Especificaciones técnicas:
• Unidad piloto completamente instrumentada pequeña escala para
laboratorio. Montada sobre estructura en perfil de aluminio reforzado tipo industrial con ruedas. Compuesta de una unidad de proceso y un gabinete de control, ambas unidades están interconectadas entre sí formando una sola instalación.
• El fluido caliente para el intercambiador de calor es provisto por un sistema
de calentamiento que funciona con aceite térmico. El fluido frio para el intercambiador de calor es provisto por medio de agua fría proveniente de la torre de enfriamiento.
• Fluido caliente para intercambiador de calor; aceite térmico de
calentamiento con rango de temperatura de -25 a 290 grados centígrados, color amarillo pálido, viscosidad entre 20.5 y 34.1 cSt, densidad de 877 kg/m3 y gravedad especifica de 0.88 a 0.91.
• Tanque de recirculación de fluido térmico (Aceite térmico) para
alimentación de fluido caliente a intercambiador de calor, fabricado en acero inoxidable, con capacidad de 25 litros.
• Bomba tipo turbina para alimentación de fluido caliente (Aceite térmico) a
intercambiador de calor con puertos de succión 1”, fabricada en hierro, con sello mecánico de VITON, acoplada por medio de cople flexible a motor eléctrico de 1 HP, 1750 RPM, 230 VAC, 60 Hz, 3 fases.
• Tanque fabricado en acero inoxidable con resistencia de calentamiento
para aceite de recirculación. Potencia 6,000 Watt. 240 VAC.
• Tanque de alimentación y recirculación de fluido frio a sistema de
intercambiadores de calor fabricado material transparente con capacidad de 35 litros. El fluido frio se calienta en los cambiadores de calor y es alimentado a la torre de enfriamiento para su recirculación. Funcionamiento en circuito cerrado.
• Bomba centrífuga de alimentación de agua fría a intercambiador de calor,
potencia 0.5 HP, caudal máximo 2800 l/h. By-pass fabricado en tubería de PVC cédula 80 tipo industrial para bomba de alimentación.
• Válvula de regulación de flujo de agua hacia sistema de intercambiadores
de calor fabricada en PVC tipo industrial, cedula 80.
• Intercambiador de calor tipo coraza y tubos, con coraza de vidrio, diámetro
nominal DN cuatro pulgadas, fabricada en vidrio borosilicato, longitud 50 cm. Tubos fabricados en acero inoxidable diámetro nominal DN media pulgada. Cantidad de tubos para intercambiador de calor: 19, longitud de tubos 53 cm. Cinco deflectores para intercambiador de calor, fabricados en acero inoxidable. Espejos para tubos fabricados en acero inoxidable. Cabezales para entrada de fluido caliente a los tubos, fabricados en vidrio borosilicato. Área total de transferencia para cambiador de calor de tipo coraza y tubos: 4000 cm2.
• Tubería, válvulas y accesorios para circulación de fluido frio en
intercambiador de calor, fabricados en PVC cedula 80 tipo industrial. Tubería, válvulas y accesorios para circulación de fluido caliente en intercambiadores de calor, fabricados en acero inoxidable.
• Cuatro mangueras de alta temperatura con conectores rápidos tipo válvula
para realizar diferentes arreglos en el intercambiador de calor de tipo coraza y tubos.
• Torre de enfriamiento de tiro inducido, empacada con operación a contra
flujo. Paredes fabricadas en material transparente para visualización del proceso, altura: 100 cm. Empaque para torre de enfriamiento, compuesto por láminas de PVC termoformado en arreglo diagonal. Dimensiones por bloque: 26 x 26 cm, altura: 15 cm., Numero de bloques: 4.
• Sistema de eliminador de rocío, compuesto por láminas de PVC
termoformado en arreglo sinusoidal. Dimensiones por bloque: 26 x 26 cm, altura: 13 cm., Numero de bloques: uno.
• Filtro de retención de impurezas a la entrada de la torre de agua de
enfriamiento.
• Cabezal de distribución de agua en torre de enfriamiento, fabricado en PVC
cedula 80 tipo industrial con esprea de aspersión.
• Ventilador para torre de enfriamiento con motor de 1/4 de HP, 3450 RPM,
90 VCD con tarjeta electrónica de velocidad variable, y perilla para variación de velocidad.
• Tanque de recuperación de agua de enfriamiento a la salida de la torre,
fabricado en material transparente con capacidad de 35 litros.
• Bomba centrífuga de recirculación de agua fría de torre de enfriamiento
hacia tanque de alimentación de intercambiadores de calor, potencia 0.5 HP, caudal máximo 2800 l/h. By-pass fabricado en tubería de PVC cédula 80 tipo industrial para bomba de recirculación.
• Rotámetro de flotador para medición de flujo en sistema de recirculación de
agua de torre de enfriamiento a tanque de alimentación de intercambiadores. Cuerpo de acrílico con conexiones de proceso 1/2 inch. NPT, rango 2 - 20 LPM.
• Válvula de regulación de flujo de recirculación, fabricada en PVC tipo
industrial, cedula 80. Tubería, válvulas y accesorios para circulación en torre de enfriamiento, fabricados en PVC cedula 80 tipo industrial.
• Interruptor de nivel para control de nivel adecuado en tanque de
calentamiento de aceite.
• Sensor de Temperatura en el circuito de aceite después de la resistencia
de calentamiento, mismo que funciona como alimentación de fluido caliente y está asociado a un controlador digital de temperatura montado sobre gabinete de control, Tipo Pt-100 de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT.
• Sensor de Temperatura de retorno de fluido caliente de intercambiador de
calor, Tipo Pt-100 de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT.
• Sensor de Temperatura de alimentación de fluido frio al intercambiador de
calor, Tipo Pt-100 de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT.
• Sensor de temperatura a la entrada de la torre de enfriamiento, mismo que
funciona como salida de intercambiador de calor. Tipo Pt-100 de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT.
• Sensor de temperatura a la salida de la torre de enfriamiento, Tipo Pt-100
de tres hilos. Sensor de 6 mm de diámetro, conexión a proceso NPT.
• Sensor electrónico para medición de flujo de aceite hacia intercambiadores
de calor, de 0 a 50 LPM, señal de salida 4-20 mA.
• Sensor digital para la medición de humedad relativa a la salida del aire de
• Anemómetro digital para la medición de la velocidad del aire que fluye por
la torre de enfriamiento, señal 0-10 V.
• Siete Indicadores digitales para medición de temperatura, velocidad del aire
y humedad relativa, tipo 48 x 48 DIN montados sobre gabinete de control.
• Un controlador digital de temperatura 48 x 48 DIN montado sobre gabinete
de control.
Aplicaciones experimentales:
• Estudio de los principales equipos de proceso utilizados en la industria en
los que intervienen materias de estudio relacionadas con termodinámica y transferencia de calor.
• El equipo consta de una torre de enfriamiento y un intercambiador de calor
de coraza y tubos.
• Estudio de fenómenos combinados de transferencia de masa y
transferencia de calor.
• Operación y estudio de un intercambiador de tipo coraza y tubos a
contracorriente.
• Operación y estudio de un intercambiador de tipo coraza y tubos a
co-corriente (paralelo).
• Estudio de balances de energía en un equipo de intercambio de calor. • Régimen laminar y Régimen Turbulento.
• Manipulación del flujo de ambos fluidos, para realizar prácticas sobre el
efecto en el intercambio de calor.
• Estudio de las curvas características de transferencia de calor en
intercambiadores.
• Fluido caliente por los tubos, fluido frio por la coraza.
• Estudio de números adimensionales y correlaciones de transferencia de
calor con fluidos de diferentes viscosidades.
• Determinación del coeficiente total de transferencia de calor para un
intercambiador de calor.
• Estudio de un proceso de enfriamiento de agua por medio de una torre de
enfriamiento de tiro inducido. Estudio de un sistema de transferencia de masa aire-agua.
• Utilización de cartas de humedad.
• Estudio de temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo. • Construcción de diagramas de humedad específicos a diferentes
condiciones de operación.
• Manipulación del flujo de los diferentes equipos, para realizar prácticas
sobre el efecto en el intercambio de calor y parámetros termodinámicos.
• Estudio de operaciones unitarias.
Ilustración 12: Intercambiador de calor de coraza y tubos a pequeña escala TC-IC-001/PE
4. MATERIALES Y EQUIPO
Intercambiador de tubo y coraza a pequeña escala Generatoris 5. PROCEDIMIENTO
EJERCICIO 1 (Arreglo en paralelo): Condiciones de operación
Reconocer el equipo, identificando correctamente las líneas del proceso.
Verificar que la conexión de las mangueras flexibles sea correcta en base
al arreglo requerido.
Poner en funcionamiento el
circuito de agua, energizando las bombas e igualar sus
flujos por medio de las válvulas de
regulación.
El objeto de trabajar con los mismos flujos
en la alimentación y en la recirculación de
la torre de enfriamiento es para mantener los niveles
constantes en los tanques correspondientes, mismos que a su vez
funcionan como tanques de balance. Energizar la bomba
de alimentación de aceite y ajustar el flujo
deseado mediante la válvula de regulación que se encuentra a la descarga de la bomba de aceite. Establecer la temperatura de entrada del aceite en
el controlador por medio del Set-point.
Encender el ventilador, para tener
el flujo de aire necesario para el enfriamiento del agua.
Dejar que el sistema se estabilice y tomar
las lecturas correspondientes.
Apagar todos los elementos del proceso y realizar el cambio de
las mangueras flexibles para realizar
• Fluido caliente:
- Temperatura a la entrada = 60°C - Flujo Volumétrico = 4.5 L/min
• Fluido frío:
- Flujo volumétrico = 4.5 L/min
a) Registre las temperaturas tomado los datos en el controlador: Temperatura de entrada del fluido caliente T1
Temperatura de salida del fluido caliente T2 Temperatura de entrada del fluido frío T3 Temperatura de salida del fluido frío T4
b) Registre los flujos de entrada de los fluidos frío y caliente EJERCICIO 2 (Arreglo en contracorriente):
Condiciones de operación
• Fluido caliente:
- Temperatura a la entrada = 60°C - Flujo Volumétrico = 4.5 L/min
• Fluido frío:
- Flujo volumétrico = 4.5 L/min
a) Registre las temperaturas tomado los datos en el controlador: Temperatura de entrada del fluido caliente T1
Temperatura de salida del fluido caliente T2 Temperatura de entrada del fluido frío T3 Temperatura de salida del fluido frío T4
b) Registre los flujos de entrada de los fluidos frío y caliente
6. RESULTADOS:
Datos Ar reg lo enParalelo contracorriente Arreg lo en
T1= 50 °C 50 °C
T2= 37.8 °C 42.7 °C
T3= 24.3 °C 23.5 °C
T4= 26.9 °C 26.1 °C
T5= 23.9 °C 23.4 °C
Flujo del aceite= 4.5 L/min 4.4 L/min
% Humedad relativa= 88.4 % 84.4 %
Veloc idad de aire= 0.7 0.6
Ilustración 14: En la imagen se observa el equipo Generatoris a pequeña escala para mostrar el mecanismo de energía en un intercambiador de calor de tubos y coraza
Ilustración 13: En esta imagen se observa el tablero de control del equipo, del cual se extraen los datos para su posterior análisis
7. ANAL ISIS DE RESULTADOS:
Ilustración 15: Diagrama de proceso para el intercambiador de calor de tubos y coraza .
Reporte los siguientes valores para cada uno de los arreglos:
• Reducción de temperatura del fluido caliente,
∆
=
−
Arreg lo en Paralelo
Ar reg lo en contracorriente ΔT caliente 12.2 7.3
• Incremento de temperatura del fluido frío,
∆
í
=
−
Arreg lo en
Paralelo contracorriente Ar reg lo en
ΔT frío 2.6 2.6
• Balance de energía para la sección fría y la sección caliente.
cambios en sus condiciones de operación. Por lo tanto, se pueden considerar como aparatos de flujo estacionario. Como tales, el gasto de masa de cada fluido permanece constante y las propiedades de los fluidos, como la temperatura y la velocidad, en cualquier entrada o salida, siguen siendo las mismas. Asimismo, las corrientes de fluido experimentan poco o ningún cambio en sus velocidades y elevaciones y, como consecuencia, los cambios en la energía cinética y en la potencial son despreciables. En general, el calor específico de un fluido cambia con la temperatura; pero, en un intervalo específico de temperaturas, se puede considerar como una constante en algún valor promedio, con poca pérdida en la exactitud. La conducción axial de calor a lo largo del tubo suele ser insignificante y se puede considerar despreciable. Por último, se supone que la superficie exterior del intercambiador de calor está perfectamente aislada, de modo que no se tiene pérdida de calor hacia el medio circundante y cualquier transferencia de calor sólo ocurre entre los dos fluidos.
Para un sistema de flujo estacionario con una entrada y una salida, la velocidad del flujo de masa hacia adentro del volumen de control debe ser igual a la velocidad del flujo de masa hacia afuera de él; es decir,
̇
= ̇
=̇
Cuando los cambios en las energías cinética y potencial son despreciables, que es el caso más común, y no se tiene interacción de trabajo, el balance de energía para tal sistema de flujo estacionario se reduce a
∆
−∆
=∆
̇+=∆+∆+∆
En condiciones de estado estacionario y en ausencia de cualesquiera interacciones de trabajo, la relación de conservación de la energía para un volumen de control con una admisión y una salida, y con cambios despreciables en las energías cinética y potencial, se puede expresar como
̇=∆
̇=̇
∆
Las idealizaciones que acaban de describirse se logran muy aproximadamente en la práctica y simplifican mucho el análisis de un intercambiador de calor con poco sacrificio de la exactitud. Por lo tanto, son de uso común. Con estas suposiciones, la primera ley de la termodinámica requiere que la velocidad de la transferencia de calor desde el fluido caliente sea igual a la transferencia de calor hacia el frío.
Para la sección fría:
̇=̇
(
,
−
,
)
Para la sección caliente:en donde los subíndices c y h se refieren a los fluidos frío y caliente, respectivamente, y:
ṁ
c
y ṁ
h
=gastos de masa
c
pc
y c
ph
=calores específicos
T
c, sal
y T
h, sal
=temperaturas de salida
T
c, ent
y T
h, ent
=temperaturas de entrada
Ilustración 16: Diagrama para el análisis del arreglo en paralelo
En paralelo:
Para la sección fría (agua)
̇=̇
(
,
−
,
)
Flujo másico:̇= é= 14.5 =4.5=0.075
̇=0.0754180 ∙°26.9 °−24.3 °
̇=815.1 =0.8151
Para la sección caliente (etilenglicol)
̇=̇
(
,
−
,
)
Flujo másicȯ
:̇=0.1666
̇=0.16662840 ∙°50 °−37.8 °
̇=5772.3568 =5772.3568 =5.7726
Como es de imagin arse, la transf erencia de calor es mayor en l a secci ón f ría en comparació n con la zona caliente, ya que el agu a
(fluid o zona fría) es la qu e gana calor. En contracorriente:
Ilustración 17: Diagrama para el análisis del arreglo en contracorriente
Para la sección fría (agua)
̇=̇
(
,
−
,
)
Flujo másico:̇= é= 14.5 =4.5=0.075
̇=0.0754180 ∙°26.1 °−23.5 °
̇=815.1 =0.8151
̇=̇
(
,
−
,
)
Flujo másicȯ
:̇= é= 1.114.5 =4.9951 60
̇=0.1666
̇=0.16662840 ∙°50 °−42.7 °
̇=3453.9512 =3453.9512 =3.4539
Se observa un descenso de calor en el arreglo c ontracorriente para la sección caliente (fluido: etilenglicol) en comparación con el arreglo en
paralelo, en la secció n fr ía (fluido : agua) la trans ferencia de calor mantuvo los mismos valores en ambos arreglos. Esto se asocia a la
efectividad del pro ceso.
A continuación, se muestra una tabla con los datos del calor para el arreglo en paralelo y contracorriente de ambas secciones:
Valores de Q [W] Paralelo Contracorriente
Sección fr ía 815.1000 815.1000
Sección caliente 5772.3568 3453.9512
• Coeficiente global de transferencia de calor.
En paralelo:
̇=
∆
Dónde: ̇=ó
= [
∙°]
=Á
∆
= °
∆
=∆
ln∆
−∆
∆
∆
=
,
−
,
∆
=
,
−
,
En contracorriente: ̇=
∆
,
Dónde: ̇=ó
= [
∙°]
=Á
∆
,
= °
∆
,
=∙∆
=∆
ln∆
−∆
∆
∆
=
,
−
,
∆
=
,
−
,
De acuerdo con la descripción del equipo:“ Intercambiador de calor tipo coraza y tubos, con coraza de vidrio, diámetro nominal DN cuatro pulgadas, fabricada en vidrio borosilicato, longitud 50 cm. Tubos fabricados en acero inoxidable diámetro nominal DN media pulgada. Cantidad de tubos para intercambiador de calor: 19, longitud de tubos 53 cm. Cinco deflectores para intercambiador de calor, fabricados en acero inoxidable. Espejos para tubos fabricados en acero inoxidable. Cabezales para entrada de fluido caliente a los tubos, fabricados en vidrio borosilicato. Área total de transferencia para cambiador de calor de tipo coraza y tubos: 4000 cm2.
”
=.
Cálculos para la temperatura media logarítmica en ambos arreglos:
∆
Arreglo en paralelo [°C]∆
,
Arreglo encontracorr iente [°C]
17.2549 21.2497
Gráfica para el cálculo de F en el arreglo en contracorriente (tomada del libro de “Transferencia de calor y masa”, Cengel Y., 3ª edición):
Donde P=0.1 y R=2.81, F=0.99
Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor U: Arreg lo en p aral elo:
= ̇
∙∆
Arreg lo en c ontrac orrien te:= ̇
∙∆
,
Se consideró que: ̇
,
= ̇
,
=.
Arregl o Valor de Q (W) Valor de la ∆Tln (°C) Valor de U (W/m2 °C) Paralelo 5772.3568 17.2549 836.3358 Contracorriente 3453.9512 21.2497 406.3529Se obs erva que el valor d el coeficient e glo bal de transferenc ia de calor es mayor p ara el arreglo en paralelo en co mparación con el de
contracorriente.
• Efectividad del proceso:
= ̇
á
= ó
ó á
̇=
(
,
−
,
)=
(
,
−
,
)
̇
á
=
∙∆
=
(
,
−
,
)
Ar reg lo Qmáx [W] Q [W] Efec tividad ɛ
Paralelo 8056.95 5772.3568 0.7164
Contracorriente 8307.75 3453.9512 0.4158
• Eficiencia del proceso:
=
=
=
Ar reg lo Qetileng li col [ W] Qagua [W] Eficiencia ƞ
Paralelo 5772.3568 815.1000 0.1412
Contracorriente 3453.9512 815.1000 0.2360
• Compare la potencia calorífica emitida y absorbida por las dos
corrientes fluidas para cada uno los dos arreglos.
Arreg lo Qabso rbid o [ W] Qemitido [W]
Paralelo 815.1000 5772.3568
Contracorriente 815.1000 3453.9512
Se observa que la efectividad del proc eso es mayor para el arreglo en paralelo lo cual es correcto de acuerdo a lo reportado en la literatura, mientras que la mayor eficiencia se lleva a cabo en el arreglo a contracorriente, esto quiere decir qu e el arreglo en paralelo muestra un valor favorable cuando se int enta conseguir la máxima razón de transferencia de calor posible en el sistema, mientras que el arreglo en contracorriente permite un mayor rendimiento térmico d el equipo.
• Explique cualquier diferencia entre Qe y Qa entre sus resultados.
En la tabla para los valores de Q absorbido y emitido donde se considera el calor ganado por el agua y perdido por el etilenglicol para calcular la eficiencia térmica se puede observar que la eficiencia es mayor para el arreglo en contracorriente. En la tabla donde se registra Qe y Qa se observa que el calor absorbido por el agua en ambos arreglos es del mismo valor, sin embargo, el calor emitido por el etilenglicol varía, esto se debe a la diferencia de temperaturas que se generaron para el etilenglicol en los distintos arreglos ya
que como se observó en los primeros cálculos la diferencia de temperatura del fluido caliente (etilenglicol) es mayor en el arreglo en paralelo.
• Explique también, la importancia industrial de los intercambiadores de
calor, en que procesos son de gran utilidad y en qué clase de fluidos son aplicables.
Los intercambiadores de calor tienen la función de transferir energía (calor) de un lugar a otro, o bien de un fluido hacia otro fluido.
Un intercambiador de calor es parte importante de diferentes dispositivos alternos, como en el de acondicionamiento del aire, dispositivos de refrigeración, procesamiento químico y producción de energía. Son el tipo de intercambiadores de calor más usado en la industria. Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos sistemas químicos o mecánicos. Estos sirven, como su nombre lo indica, para ganar calor o expeler calor en determinados procesos. Algunas de las aplicaciones más comunes se encuentran en calentamiento, ventilación, sistemas de acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de combustión interna, calderas, condensadores, y precalentadores o enfriamiento de fluidos. Los intercambiadores de calor son ampliamente utilizados en la industria alimentaria, para calentamiento y enfriamiento de productos, en sistemas de esterilización, pasteurización, desactivación enzimática, etc. También son utilizados en estas industrias para procesos auxiliares de calentamientos de agua, generación de vapor, recuperadores, enfriadores de fluidos etc.
En los procesos de química verde y de biotecnología, varias etapas requieren el uso de cambiadores de calor para realizar las operaciones unitarias de calentamiento, enfriamiento, condensación, evaporación y secado.
La importancia industrial alimentaria de los intercambiadores sirve para, calentar líquidos y hacerlos pasar de un estado a otro, así también para calentar y elevar la temperatura de algunos alimentos con el fin de darles un tratamiento que permita que el alimento sea descontaminado, es decir, de eliminar o inactivar las enzimas y microorganismos patógenos, un caso práctico de esto es la de la pasteurización o ultra pasteurización, dependiendo los parámetros que se tomen para realizarlo. Otro ejemplo de la industria alimentaria es en la elaboración del azúcar a partir de caña o de remolacha azucarera debido a que es un procedimiento industrial de muy alto consumo de energía. La optimización del proceso depende del dimensionamiento adecuado de los intercambiadores de calor.
Por otra parte, los intercambiadores de calor presentes en lavanderías industriales son seleccionados, dimensionados y fabricados en función de las exigencias de limpieza y de ausencia de piezas de desgaste.
8. CONCLUSIONES:
Se cumplió con el objetivo que era demostrar las diferencias entre flujo paralelo y flujo contracorriente. Realizamos teoría y práctica sobre los intercambiadores, como sus características, sus componentes como los tubos
