Coraza y Tubos

PRCTICA DE LABORATORIO NMERO 3. INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

FREDY LEONARDO VERDUGO GONZALEZCOD: 201010462HENRRY EZEQUIEL CORREDOR CELYCOD: 2010BRYAN ALEXANDER OROZCO COD: 2010OSCAR FABIAN HIGUERA COD: 2010

Presentado al ingeniero Otto Caro Nio en el rea de transferencia de calor

Universidad Pedagogica y tecnolgica de ColombiaFacultad seccional DuitamaIngeniera ElectromecnicaDuitama2015

PRACTICA DE LABORATORIO 3 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

INTRODUCCION

Los intercambiadores de calor de coraza y tubos son muy utilizados en los procesos industriales, ya que son muy eficientes y compactos. Estn conformados principalmente por un haz de tubos de seccin circular montados dentro de una carcasa o coraza cilndrica. Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribucin de configuracin de flujo y de los aspectos especficos de construccin. En estas prcticas se estudiaran los procesos de transferencia de calor bajo diferentes condiciones de trabajo.

1. OBJETIVOS

Realizar un balance de energa y encontrar el calor disipado Q (w) para el intercambiador.

Determinar la diferencia media logartmica de temperaturas (MLDT).

Determinar experimentalmente el coeficiente total de transferencia de calor.

Realizar un balance de energa y encontrar el calor disipado Q (W) para el intercambiador, variando la cantidad de caudal en los dos flujos.

Determinar el coeficiente total de transferencia de calor.

2. GENERALIDADES

2.1 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBO

Los intercambiadores de coraza y tubos son muy comunes, en estos fluyen dos fluidos a diferentes temperaturas espaciados por una pared e intercambian calor por convencin en la pared y por conduccin a travs de ella. Encuentran su mayor aplicabilidad en regeneradores de turbinas para recuperar la energa de los gases de escape; en los cuales generalmente los fluidos que recorren la superficie que transfiere calor se mueven en ngulo recto entre s, a este tipo de intercambiador se le conoce como intercambiador de flujo cruzado transversal.

La forma ms simple de intercambiador de coraza y tubos es la llamada de dos corrientes de flujo paralelo, donde los fluidos fluyen en el mismo sentido y en direcciones paralelas. La configuracin ms sencilla se compone de dos tubos concntricos, por donde los fluidos sin mezclarse.

2.2 ECUACIONES NECESARIAS PARA LA REALIZACION DE LOS CALCULOS

2.2.1 Balance de energa. El balance de energa para cada intercambiador se determina mediante las siguientes ecuaciones:

(Ec.1)

Dnde: Flujo de calor entregado por el agua caliente (W) Flujo de calor tomado por el agua fra (W) Temperaturas de salida (K) Temperatura de entrada (K) Flujo de calor perdido (W) Flujo de masa de agua caliente Flujo de masa de agua fra

2.2.2 Diferencia media logartmica de temperatura. La diferencia media logartmica de temperatura se calcula as:

(Ec. 2)

Temperatura de entrada del fluido caliente (K) Temperatura de salida del fluido caliente (K) Temperatura de entrada del fluido frio (K)Temperatura de salida del fluido frio (K)

2.2.3 Coeficiente de diseo

(Ec.3)

Diferencia media logartmica de temperatura (K) rea total de transferencia de calor Flujo de calor transferido en el intercambiador (W)

2.3 PRECAUCIONES

Utilice ropas adecuadas para el laboratorio.

Identifique el equipo, las partes sobre las cuales van a realizar las mediciones, al igual que las superficies que puedan calentarse.

Evite tocar las superficies calientes, si lo piensa hacer utilice guantes de carnaza o amianto, solictelos al dependiente del laboratorio.

Cualquier irregularidad comunquela al profesor encargado de la asignatura o al encargado del laboratorio.

2.4 AUTOEXAMEN

Qu significa estado estacionario?

Se dice que un sistema fsico est en estado estacionario cuando las caractersticas del mismo no varan con el tiempo.

Qu cantidades relaciona la eficiencia trmica de los intercambiadores de coraza y tubos?

La eficiencia de un intercambiador de calor est definida como la razn entre la transferencia real y la transferencia mxima posible. Esta ltima se define como la cantidad de calor intercambiada entre las corrientes si estuviesen en un intercambiador de calor de rea infinita y operando en contra corriente. Para el clculo de este calor mximo se utiliza adems el menor valor de capacitancia trmica (Cp.m) que exista. De sta forma la eficiencia se puede escribir como:

Donde i, es h para el fluido caliente y c para el fluido fro

A qu se deben las prdidas de calor en el intercambiador de coraza y tubos?

Cuando los caudales de agua que alimentan el intercambiador de calor no son los adecuados este se ve afectado y por tanto se tiene perdidas de calor, se debe tener cuidado tambin en el balance de energa, es decir conocer las presiones, temperaturas y propiedades fsicas de los fluidos, ya que estas caractersticas afectan directamente el rendimiento del intercambiador, por ende perdidas, los coeficientes de pelcula y de suciedad ya que estos permiten el calculo de los coeficientes globales de transferencia de calor, es decir que no tener claro estos parmetros se tienen perdidas de calor en el intercambiador de calor.

3. MATERIALES Y EQUIPOS

Para realizar la prctica correspondiente a este tema se utiliza un equipo conocido como intercambiador de coraza y tubo. 1. El intercambiador de calor de coraza y tubos consta de las siguientes especificaciones:

Dimetro interno de la coraza pulgadas Numero de tubos por paso Arreglo: triangulo Paso entre los tubos pulgada Paso por los tubos Longitud de cada tubo pulgadas Dimetro interno del tubo pulgadas Dimetro externo del tubo pulgada El nmero de deflectores

4. PROCEDIMIENTO

Como procedimiento principal para cualquier practica con este equipo se debe asegurar que la vlvula V5 se encuentra cerrada junto con las vlvulas de control de entrada de vapor a los diferentes equipos a los que est conectado el ducto de vapor de agua. Enciende la caldera de vapor para obtener el vapor necesario para calentar el agua. (Este procedimiento se debe realizar aproximadamente dos horas antes de realizar el trabajo con el intercambiador de coraza y tubos). A continuacin se presentan los pasos necesarios que se deben seguir para cada una de la realizacin de las practicas. Lea cuidadosamente el procedimiento antes de realizar cualquier prctica y siga as recomendaciones dadas por el tutor o el encargado del taller. La figura 1 le ayudara para identificar cada uno de los elementos del equipo.

4.1 OBTENCION DE LA MLDT, EL CALOR DISIPADO Y DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA.

1. Asegrese que la vlvula V9 se encuentre cerrada.

2. Abra las vlvulas V3 y V7 para verificar que la vlvula V1 que es la encargada de suministro total de agua se encuentre abierta. Si no hay flujo de agua, proceda a abrir dicha vlvula y verifique el flujo de agua. Si hay flujo, cierre la vlvula V7 y deja abierta la V3 para permitir el cebado de la bomba.

3. Abra las vlvulas V4, V6 y V8, y a continuacin encienda la electrobomba.

4. Con las vlvulas V6 y V8 gradu los dos caudales de los fluidos. El caudal del fluido frio debe ser de 35 litros por minuto (aproximadamente), mientras el caudal caliente debe ser de 8 litros por minuto (aproximadamente). Si no se logra obtener dichos caudales, cierre paulatinamente la vlvula V10N hasta obtener los caudales indicados.

5. Encienda el sensor de temperatura. Gradu la temperatura abriendo lentamente la vlvula V5 y midiendo esta temperatura a la entrada del intercambiador hasta obtener una temperatura aproximada de 40C (Evite que la temperatura en el fluido caliente supere los 65C).

6. Inmediatamente despus que se haya obtenido la temperatura indicada, proceda con la ayuda de un cronometro, a la toma de datos indicados en la tabla 5.1, los cuales se deben obtener cada 60 segundos.

7. Transcurridos los 260 segundos, permita que el equipo se estabilice.

8. Una vez el equipo se encuentre en estado estacionario, tome los datos de las temperaturas de entrada y de salida tanto en el fluido caliente como en el fluido frio, as como de sus respectivos caudales, y consgnelos en la tabla 5.3

9. Una vez finalizada la prctica proceda a suspender el flujo de los fluidos de la siguiente manera: primero cierre la vlvula V5, luego apague la electrobomba, y posteriormente cierre las vlvulas V4,V6,V8, V3, y V1 en ese orden. Si fue necesario cerrar la vlvula V10 proceda a abrirla. Por ltimo apague el sensor de temperatura.

10. Abra la vlvula V9 para permitir el drenaje del agua.

4.2 CARACTERISTICAS VARIANDO EL CAUDALES.

1. Asegrese que la vlvula V9 se encuentre cerrada.

2. Abra las vlvulas V3 y V7 para verificar que la vlvula V1 que es la encargada de suministro total de agua se encuentra abierta. Si no hay flujo de agua, proceda a abrir dicha vlvula y verifique el flujo de agua. Si hay flujo, cierre la vlvula V7 y deja abierta la V3 para permitir el cebado de la bomba.

3. Abra las vlvulas V4, V6 y V8, y a continuacin encienda la electrobomba.

4. Con las vlvulas V6 y V8 gradu los caudales de los dos fluidos. El caudal del fluido frio debe ser de 40 litros por minuto, mientras el caudal caliente debe ser de 15 litros por minuto. Si no lo logra obtener dichos caudales, cierre paulatinamente la vlvula V10 hasta obtener los caudales indicados.

5. Encienda el sensor de temperatura. Gradu la temperatura abriendo lentamente la vlvula V5 y midiendo esta temperatura a la entrada del intercambiador hasta obtener una temperatura aproximada de 40C (evite que la temperatura en el fluido caliente supere los 65C).

6. Permita que el equipo se estabilice.

11. Una vez tomados los datos proceda a suspender el flujo de los fluidos de la siguiente manera: Primero cierre la vlvula V5, luego apague la electrobomba, y posteriormente cierre las vlvulas V4,V6, V8, V3 y V1 en ese orden. Espere 20 minutos aproximadamente o hasta que la caldera se apague automticamente.

12. Repita los pasos del 1 al 4. Gradu los caudales de los dos fluidos mediante las vlvulas V6 y V8. El caudal de ambos fluidos debe ser de 20m litros por minuto (aproximadamente).

13. Gradu la temperatura abriendo lentamente la vlvula V5 y midiendo esta temperatura a la entrada del intercambiador hasta obtener una temperatura aproximada de 40C (Evite que la temperatura en el fluido caliente supere los 65C).


15. Una vez el equipo se encuentre en estado estacionario, consigne los datos indicados el tabla 5.5.

16. Repita el paso 10 y luego los pasos del 1 al 4 nuevamente.

17. Gradu los caudales de los fluidos mediante las vlvulas V6 y V8. El caudal del fluido caliente debe ser de 20 litros por minuto (Aproximadamente) y el caudal del fluido frio debe ser de 15 litros por minuto (Aproximadamente). Si no logra obtener dichos caudales, cierre paulatinamente la vlvula V10 hasta obtener los caudales indicados.

18. Gradu la temperatura abriendo lentamente la vlvula V5 midiendo esta temperatura a la entrada del intercambiador hasta obtener una temperatura aproximada de 40C (Evite que la temperatura en el fluido caliente supere los 65C).


20. Una vez el equipo se encuentre en estado estacionario, consigne los datos indicados en la tabla 5.6.

21. Una vez finalizada la prctica proceda a suspender el flujo de los fluidos de la siguiente manera: primero cierre la vlvula V5, luego apague la electrobomba, y posteriormente cierre las vlvulas V4,V6,V8,V3 y V1 en ese orden. Si fue necesario cerrar la vlvula V10 proceda a abrirla. Por ltimo apague el sensor de temperatura.

22. Abra la vlvula V9 para permitir el drenaje del agua.

Figura 1. Diagrama de conexiones del intercambiador.

1. Toma de datos

Tabla 5.1Tiempo (s)Th1Th2Tc1Tc2

035352025

6041271720

12041271620

18042281619

24044291718

Tabla 5.2Tiempo (s) Q (W) () U(W/mC)

0

60

120

180

240

Tabla 5.3Variables a medir Valor medido

Lectura rotmetro de agua fra 38

Lectura rotmetro agua caliente 8

Temperatura Tc1 17

Temperatura Tc2 18

Temperatura Th1 44

Temperatura Th229

Estas lecturas deben tomarse cuando el sistema est totalmente estabilizado.

Tabla 5.4 Caudal frio mayorVariables a medir Valor medido


Lectura rotmetro de agua caliente 8

Entrada agua fra 16

Salida agua fra 19

Entrada agua caliente 40

Salida de agua caliente 28

Tabla 5.5 Con caudales iguales (aprox)Variables a medir Valor medido



Entrada agua fra 16

Salida agua fra 20



Tabla 5.6 Caudal MayorVariables a medir Valor medido



Entrada agua fra 17

Salida agua fra 20



5. CARACTERISTICAS A OBTENER

Para determinar experimentalmente el coeficiente global de transferencia de calor, calcule potencia disipada para cada uno de los datos, posteriormente calcule la diferencia de temperatura media logartmica para cada dato, y usando el rea de transferencia que para este caso es de 0,38285m2 calcule el valor de U por medio de la ecuacin 3. Realice un grfico con los datos obtenidos de U en funcin del tiempo, que contenga la lnea de tendencia junto con su ecuacin, de la cual se despeja el valor de U.

Con los datos obtenidos en la tabla 5.3 y los calores especficos a las temperaturas encontradas en el sitio de trabajo, haga un balance de energa y determine las prdidas de calor o calor disipado.

Determine la diferencia media logartmica de temperaturas (MLDT) por medio de la ecuacin 2 y los datos de la tabla 5.3.

Con los datos obtenidos en las tablas 5.4, 5.5 y 5.6 y los calores especficos a las temperaturas encontradas en el sitio de trabajo, haga un balance de energa y determine las prdidas de calor o calor disipado, para los tres casos.

Determine la diferencia media logartmica de temperaturas (MLDT) por medio de la ecuacin 2 y los datos de las tablas 5.4, 5.5 y 5.6.

Para determinar el coeficiente global de transferencia de calor, se debe introducir los valores de las tablas 5.4, 5.5 y 5.6 los cuales se obtendrn de la siguiente manera, con el balance de energa anteriormente calculado, con La diferencia de la temperatura media logartmica y el rea del intercambiador de calor que corresponde a 0,38285329 m2 y ya con esto se calcula el U despejando la ecuacin 3.

Solucin:

Primero calculamos el flujo msico del agua fra

Donde (caudal)

Entonces

Balance de energa

Seguidamente calculamos el flujo msico del agua caliente

Donde (caudal)

Entonces

Balance de energa

Calculamos la media logartmica de temperaturas (MLDT)

k

Para un rea de A=0,38285329 m2

Calculamos el coeficiente de diseo

Finalmente calculamos

q = 2.113 KW

Para los datos de la tabla 2 (caudal igual Aprox)

Igualmente calculamos el flujo msico del agua fra

Donde la densidad y el calor especfico la obtenemos de las tablas A-2

Entonces

Balance de energa

Nuevamente calculamos un factor de correccin puesto que tenemos un paso por la coraza y 2 pasos por los tubos.

Para un rea de A=0,38285329 m2

Calculamos el coeficiente de diseo


Para los datos de la tabla 3 (caudal caliente mayor)

Igualmente calculamos el flujo msico del agua fra

Donde la densidad y el calor especfico la obtenemos de las tablas A-2

Entonces

Balance de energa

Nuevamente calculamos un factor de correccin puesto que tenemos un paso por la coraza y 2 pasos por los tubos.

Calculamos la media logartmica de temperaturas (MLDT)

kPara un rea de A=0,38285329 m2Calculamos el coeficiente de diseo


7. CUESTIONARIO

1. Qu datos se deben tomar para la realizacin de un balance trmico?

Temperatura Humedad Velocidad Pureza

El balance trmico se da cuando la suma de las prdidas y ganancias de calor es igual a cero, llegando a un punto neutral que se expresa mediante la siguiente ecuacin:

Ganancias internas Ganancias solares Prdidas o ganancias por conduccin Prdidas o ganancias por ventilacin - conveccin Prdidas por evaporacin Prdidas y ganancias por sistemas mecnicos de climatizacin

2. Describa las ventajas trmicas que presenta el intercambiador de coraza y tubos frente intercambiador de tubos concntricos.

Intercambiador de coraza y tubosIntercambiador de tubos concntricos

Son caros pero debido a los costos en materiales, se pueden fabricar para soportar presiones ms altas. Pero Pueden ser construidos de diversos materiales.

Es extremadamente til, ya que se puede ensamblar en cualquier taller de plomera a partir de partes estndar, proporcionando superficies de transferencia de calor a bajo costo.

Es una buena alternativa a la necesidad de una gran transferencia de calor. Amplio rango de diseo y condiciones de operacin.Conveniente en el caso en que uno de los fluidos, o ambos, se encuentran a muy alta presin porque es ms fcil impedir las fugas.

Son de fcil desmantelamiento y limpieza. Son relativamente fciles de limpiar, por lo que son adecuados cuando los fluidos que circulan por el interior del tubo son muy sucios o muy corrosivos.

Se adaptan a flujos monofsicos y bifsicos, altas y bajas presiones, altas y bajas temperaturas y fluidos corrosivos o no.Se puede utilizar tanto para calentamiento como enfriamiento, pero no son recomendables para condensacin o vaporizacin.

Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relacin entre los coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que los correspondientes a los intercambiadores de calor lquido-lquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de calor. Cuando se usa con un equipo de destilacin se requiere gran nmero de horquillas y encada horquilla existe la posibilidad de fugas debido a las conexiones.

Son muy usados cuando se requieren grandes superficies de transferencia de calor. Pequea superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple, cuando se necesita mayor superficie, se requiere un gran nmero de ellas. Esto requiere considerable espacio.

Son adems compactos y eficientes, y sus altas velocidades mejoran la velocidad de transferencia del calor.Los gastos para el mantenimiento son muy altos y se requiere de mucho tiempo para desmontarlos.

3. Con cul de los tres ejercicios hay ms disipacin de calor y porque?

Hay mayor disipacin de calor en el primer ejercicio, ya que la transferencia de calor es directamente proporcional a la diferencia de temperatura, es decir, entre ms grande sea la diferencia de temperatura entre el fluido frio y el caliente, mayor ser la disipacin de calor, y en el primer ejercicio se vio que es el caso en el que el fluido frio tiene menor temperatura y el caliente tiene mayor temperatura, por lo que es donde el delta de temperatura es ms grande y en consecuencia la disipacin de calor es mayor.

4. Cundo los caudales se encuentran iguales, los T tambin se igualan? Justifique su respuesta.No, para que se igualen los T se requiere que la temperatura de entrada de los fluidos sean muy cercanas, y adems pese a esto debido a que el flujo perpendicular del fluido caliente que es una mezcla de agua y vapor tiene un menor recorrido ya que tiene un paso por la coraza se genera una mayor diferencia de temperatura entre su entrada y su salida a diferencia del fluido frio que tiene dos pasos y por consiguiente su recorrido es ms largo; entonces as los fluidos tengan el mismo caudal los T de temperatura van a ser diferentes, y tambin influyen en gran medida las propiedades del material de los tubos y de la coraza.

BIBLIOGRAFIA

YunusCengel Transferencia de Calor y Masa 3 ed KERN, Donald. Procesos de transferencia de calor 31 Ed. Editorial Continental. 1999.

KREITH, Franck. Principios de transferencia de calor.1 ed. Mxico. Herrera hermanos, sucesores S.A, 1970.

MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. Mxico: McGraw-Hill/Irwin, 1999.

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