UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de IngenieraDepartamento de Ingeniera QumicaIQUI-2023 Laboratorio de Termodinmica 201510Daniela LamaAlejandro TenjoAlejandro ValenzuelaDiana Zapata Estefana Ramrez INFORME DE PRCTICA DE LABORATORIO 2INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA

1. IntroduccinEl intercambiador de calor es un dispositivo cuya funcin es intercambiar calor entre dos fluidos. Cada fluido se encuentra a una temperatura diferente, por lo general una fra y una caliente (Incropera & DeWitt, 1999). Hay varios tipos de intercambiadores; algunos ejemplos son de tubos y coraza, tubos concntricos, tubos cruzados, entre otros. En este laboratorio se trabaj con un intercambiador de tubos y coraza, que consta de tubos curvos instalados precisamente en la coraza cilndrica (Hidroterm). Una de sus principales caractersticas es que es un sistema totalmente compacto y resistente a la corrosin, puede trabajar bajo presiones altas y puede maximizar la transferencia de calor gracias a la geometra del sistema. El funcionamiento de este intercambiador se basa en que los dos fluidos a temperaturas diferentes (fra y caliente) se distribuyen por un tubo diferente. Dicho de otro modo, el fluido a temperatura alta pasa por los tubos curvos y el fluido a temperatura baja pasa por los tubos paralelos (Incropera & DeWitt, 1999).Ilustracin 1 Intercambiador de calor. Tomado de https://lh6.googleusercontent.com/1PNwejaaL_AYj37vNrUJj8mAFksWjBlfv3ENvYE7qYgasaolHT0-U5m5lxbriFE_4uzMbeB3w033XwLiQvEyOF7LBwNKk4tHADXEdQw7xIlQgOd9gMYD1PWR6szrSwR4La meta de este laboratorio es poder entender el funcionamiento de un intercambiador de calor de tubos y coraza. Para esto, se debe realizar un anlisis de balance de materia, energa y otras propiedades de la termodinmica que se aplican en un intercambiador de calor de tubos y coraza.2. Muestra de clculos 2.1. Toma de datosTabla 0. Caractersticas generales del intercambiador de coraza.Caractersticas generales Descripcin Caractersticas generales Descripcin

Configuracin Triangular de 30 Dimetro externo de los tubos 14 in

Nmero de Pasos por los tubos 4BWG 22

Nmero de deflectores 12PITCH 3/8 in

Nmero de tubos 56Tipo de bafles Segmentados sencillos

Tipo de sistema Contracorriente Longitud por cada tubo500 mm

Designacin TEMA SES PITCH 3/8 in

Material Acero inoxidable Tipo de bafles Segmentados sencillos

Longitud por cada tubo500 mm

Se promediaron los datos obtenidos por el grupo 11 y por el grupo 14. Finalmente se obtiene una tabla de resumen sobre la cual se realizaron los clculos denotados:

Tabla 1. Resumen de datos promediados luego del experimento.#T IN Calentador CT OUT Calentador CT IN Enfriador CT OUT Enfriador CFlujo Enfriador L/minFlujo Calentador L/min

147,3593445438,0669629611,0501347231,2266206919,3240390223,98506024

245,7658571436,0151111110,2527253928,7123965525,1186731726,06939759

343,7837142935,029925939,79003108827,7869655226,941628,08144578

441,2652268934,1854814810,1247461128,2783448317,971843922,26518072

540,1614453833,437333339,92785492227,3037758621,1884292725,15674699

639,2286722733,170666679,76049740926,9106724121,1884292727,37963855

2.2. Clculos 2.2.1. Balance de masa y de energa Para cada uno de los clculos de cada par de flujos fros y calientes, aplicaremos lo siguiente: Suposiciones EsquemaFigura 1. Esquema del intercambiador de tubos y coraza (Kaka & Liu, 2002, pp.34)

Energa potencial y cintica despreciables Estado estacionario Aplicacin de la primera ley de la termodinmica

Sistema* Abierto, con flujo de agua.Alrededores* W= 0; si hay Q. Volumen de Control

INTERCAMBIADORDE CALOR

HerramientasBalance de masa: Donde (Estado estacionario estable) Por tanto,Balance de energa:

Puesto que el agua tiene una capacidad calorfica que vara con respecto a la temperatura, la ecuacin puede resumirse a:

Tomando los valores para las constantes del Cp/R del agua en el anexo 1, calculamos el calor para los enfriadores y calentadores por cada delta de temperatura, para cada flujo msico, y para cada par de flujos fros y calientes.

Utilizaremos las constante R= 8,314 J/mol*KAdems, aclaramos que no existe cambio de fase, por lo que solamente se considera el calor sensible.*En rojo los datos del grupo 11.Para 20C de flujo frio y 24C de flujo caliente:

Para 25C de flujo frio y 26C de flujo caliente:

Para 25C de flujo frio y 28C de flujo caliente:

Para 18C de flujo fro y 22C de flujo caliente:

Para 21C de flujo fro y 25C de flujo caliente:

Para 21C de flujo fro y 27C de flujo caliente:

El calor para 20C de flujo frio y 24C de flujo caliente:

El calor para 25C de flujo frio y 26C de flujo caliente:

El calor para 25C de flujo frio y 28C de flujo caliente:

El calor para 18C de flujo frio y 22C de flujo caliente:

El calor para 21C de flujo frio y 25C de flujo caliente:

El calor para 21C de flujo frio y 27C de flujo caliente:

Resumiendo,Tabla 2. Calores calculados para los flujos de entrada/salida fros y calientes.T IN Calentador CT OUT Calentador CT IN Enfriador CT OUT Enfriador CQ ENFRIADOR J/sQ CALENTADOR J/s

47,3593445438,0669629611,0501347231,2266206922117-12523

45,7658571436,0151111110,2527253928,7123965532254,04-17722,32

43,7837142935,029925939,79003108827,7869655233707,03-16455,82

41,2652268934,1854814810,1247461128,2783448322686,06-10987,36

40,1614453833,437333339,92785492227,3037758625610,77-11799,82

39,2286722733,170666679,76049740926,9106724125270,97-15679,29

2.2.2. Coeficiente de transferencia de calor Para calcular el coeficiente de transferencia de calor utilizamos:

Donde: F es un factor de correccin; A es el rea de transferencia de calor; U es el coeficiente global de transferencia de calor. Es relevante la correccin LMTD pues hay ms de un paso por los tubos.

Utilizando la grfica 2.7 del texto Heat Exchangers (2002), ver anexo 2, encontramos el factor de correcciknexo 2. in Bogotlate r, por linsderencia de calor; y: por cada par de flujos frios y calientes. milies in Bogotlate r, por ln relacionndolos con P, la efectividad de temperatura, y R, la tasa de capacidad de calor:

El rea A corresponde a:

F para el flujo 20C fro y 24C caliente: 0,256R= 2,172

El F correspondiente = 0,93

F para el flujo 25C fro y 26C caliente: P= 0,273R= 1,903

El F correspondiente = 0,95F para el flujo 25C fro y 28C caliente: P= 0,257R= 2,057

El F correspondiente = 0,96F para el flujo 18C frio y 22C caliente:

P= 0.2273R= 2.56

El F correspondiente = 0,98F para el flujo 21C frio y 25C caliente:

P= 0.2224R= 2.5841

El F correspondiente = 0,97F para el flujo 21C frio y 27C caliente:

P= 0.2055R= 2.8309

El F correspondiente = 0,99

Calculando el coeficiente para el flujo 20C fro y 24C caliente:

Los valores escogidos para F se resumen en la siguiente tabla.

Tabla 3. Resumen de datos por flujo y temperatura.T IN Calentador CT OUT Calentador CT IN Enfriador CT OUT Enfriador CQ ENFRIADOR J/sQ CALENTADOR J/sPRF

47,3593445438,0669629611,0501347231,2266206922117-125232,17129330,25592350,93

45,7658571436,0151111110,2527253928,7123965532254,04-17722,321,89315470,27456730,95

43,7837142935,029925939,79003108827,7869655233707,03-16455,822,05590240,25751220,96

41,2652268934,1854814810,1247461128,2783448322686,06-10987,362,56415980,22734860,98

40,1614453833,437333339,92785492227,3037758625610,77-11799,822,58412130,22240530,97

39,2286722733,170666679,76049740926,9106724125270,97-15679,292,83099360,20557790,99

Sin embargo y como se indica en la literatura, slo reportamos el Coeficiente U de mayor magnitudResumiendo:Tabla 4. Resumen de datos del coeficiente U.T IN Calentador CT OUT Calentador CFlujo CalentadorT IN Enfriador CT OUT Enfriador CFlujo EnfriadorU MAYOR MAGNITUD J/m^2 s K

47,3593445438,0669629623,9850602411,0501347231,2266206919,324039021143,194244

45,7658571436,0151111126,0693975910,2527253928,7123965525,118673171583,754331

43,7837142935,0299259328,081445789,79003108827,7869655224,96161515,645278

41,2652268934,1854814822,2651807210,1247461128,2783448317,97184391118,837622

40,1614453833,4373333325,156746999,92785492227,3037758621,188429271235,085064

39,2286722733,1706666727,379638559,76049740926,9106724121,188429271643,044046

2.2.3. Prdida de calor

Se resume entonces:

Tabla 5. Resumen del calor perdido o liberado por el intercambiador de calor.T IN Calentador CT OUT Calentador CQ CALENTADOR J/sT IN Enfriador CT OUT Enfriador CQ ENFRIADOR J/sQ PERDIDO J/s

47,3593445438,06696296-1252311,0501347231,2266206922117-34640

45,7658571436,01511111-17722,3210,2527253928,7123965532254,04-49976,36

43,7837142935,02992593-16455,829,79003108827,7869655233707,03-50162,85

41,2652268934,18548148-10987,3610,1247461128,2783448322686,06-33673,42

40,1614453833,43733333-11799,829,92785492227,3037758625610,77-37410,59

39,2286722733,17066667-15679,299,76049740926,9106724125270,97-40950,26

2.2.4. Cambio total de entropa El cambio de entropa se calcular a travs del uso de las tablas termodinmicas del apndice F de Smith, Van Ness (2005) de lquido saturado:Usando que:TS

260,3818

26,9106724S desconocida

270,3949

Finalmente: Tabla 6. Resumen de las entropas para flujos entrada/salida fros y calientes.T IN CalentadorENTROPIAS inT OUT CalentadorENTROPAS outT IN EnfriadorENTROPAS inT OUT EnfriadorENTROPAS out

47,359344540,66920741338,066962960,54620411,050134720,1665369831,226620690,453404703

45,765857140,64833272936,015111110,51860410,252725390,15474033628,712396550,418702312

43,783714290,62234502935,029925930,5053049,7900310880,1478924627,786965520,405838821

41,265226890,58892751834,185481480,49382254810,124746110,15284624228,278344830,412668993

40,161445380,57424722433,437333330,4836477339,9278549220,14993225327,303775860,399122484

39,228672270,56184134133,170666670,4800210679,7604974090,14745536226,910672410,393729809

El cambio de entalpa asociado sera:Tabla 7. Cambio entropa total del sistema intercambiador de calor.INOUTdSdS TOTAL

10,6692074130,546204-0,1230034-0,409871136

0,166536980,4534047030,28686772

20,6483327290,518604-0,1297287-0,393690705

0,1547403360,4187023120,26396198

30,6223450290,505304-0,117041-0,37498739

0,147892460,4058388210,25794636

40,5889275180,493822548-0,095105-0,354927721

0,1528462420,4126689930,25982275

50,5742472240,483647733-0,0905995-0,339789722

0,1499322530,3991224840,24919023

60,5618413410,480021067-0,0818203-0,328094721

0,1474553620,3937298090,24627445

flujo caliente

flujo fro

3. Anlisis de resultadosEl intercambiador de calor es un dispositivo que funciona partiendo de lo que establece la ley cero de la termodinmica: el sistema busca llegar al equilibrio trmico por medio de la transferencia de calor de un fluido a mayor temperatura al de menor temperatura. Esto quiere decir que el calor que est siendo liberado por el fluido caliente es absorbido por el fluido fro.Al observar detalladamente los datos registrados, se puede notar que existen ciertas incoherencias entre tales datos y los resultados que se esperaban. Por ejemplo, de acuerdo al funcionamiento apropiado de un intercambiador de calor, el calor del enfriador debera ser aproximadamente igual al del calentador. Sin embargo, los datos de la primera tabla revelan que el cambio de temperatura de los flujos fros es alto en comparacin al de los flujos calientes. Esto es un indicador de que existe una fuente de error experimental. Segn se anunci desde el comienzo de la prctica, el sensor de la temperatura del flujo fro podra estar defectuoso. Tal defecto obligaba al operador del intercambiador de calor a ajustar la llave del flujo hasta que el sensor indicara una temperatura distinta a la deseada. Es factible que el error fuera mayor al que se consideraba en un principio y que esto produjo las alteraciones discutidas previamente.Otra fuente de error que altera el anlisis del funcionamiento del intercambiador de calor basado en su definicin y propsito son las fuentes alternativas de calor, por ejemplo la friccin. Adems de la friccin, las discrepancias en los datos presentados sugieren que se est haciendo trabajo sobre las paredes del tubo. Un dato que podra ayudar a precisar existen ms fuentes alternativas de calor o si la friccin es mayor de la esperada, es la frecuencia con la que se le realiza mantenimiento a la mquina, ya que cualquier obstruccin en su interior puede aportar a los errores comentados.Otro rasgo a tener en consideracin es el hecho de que el fluido que se manipul durante la prctica fue el agua. Este fluido en particular tiene una capacidad calorfica superior a la de cualquier otro lquido o slido. A nivel prctico, esto significa que el agua puede absorber o desprender grandes cantidades de calor y presentar cambios leves en su temperatura. Los cambios de temperatura registrados son coherentes con esta propiedad fsica del agua. Sin embargo, no concuerdan entre s entre los flujos caliente y fro, en tanto que se hubiera esperado que gran parte de la cantidad de calor liberado fuera invertido en el calentamiento del flujo fro, sin embargo, el diferencial de temperatura del flujo fro se mantuvo muy grande con respecto al del agua caliente.Adicionalmente, de acuerdo con el clculo de la entropa es posible afirmar que el proceso se mantuvo irreversible en tanto que los diferenciales calculados, estuvieron por encima de cero. En este caso, se puede evidenciar que el proceso energtico no puede tener interconversiones de una energa a otra, por tanto, el anlisis del sistema se deber realizar sin tener en cuenta el fenmeno de la isoentropa. 4. ConclusionesEl intercambiador de calor es una maquina muy til para la transferencia de calor a una sustancia, conteniendo tubos y corazas por donde pasa el fluido al cual se le desea transferir calor. Se pudo observar que determinando una temperatura de fro y una de caliente y entrando un fluido al intercambiador por medio de transferencia de calor esta se calienta y otra parte si se mantiene fra dependiendo de dnde este fluyendo el lquido. Como se observ durante el desarrollo de los clculos se pudo ver que las 3 leyes de la termodinmica no se estn cumpliendo en este proceso y que tampoco se est observando que el calor emitido por el flujo caliente se consuma casi todo por el flujo frio, por lo cual se puede inferir que el intercambiador esta malo. Como se observ en las tablas los cambios de temperatura deberan ser iguales pero se ve un mayor cambio en el fluido fro que en el fluido caliente. A partir de los clculos y los datos obtenidos del intercambiador se puede inferir que esta mquina no est funcionando de la manera adecuada, ya que los resultados no son los ptimos o los esperados segn la literatura.5. Bibliografa Hidroterm. (s.f.). Intercambiador de Calor. Recuperado el 29 de abril de 2015, de Hidroterm: http://www.hidroterm.com.ve/intercambiadordecalor2.htm Incropera, F. P., & DeWitt, D. P. (1999). Tipos de intercambiadores de calor. Recuperado el 29 de abril de 2015, de Google Libros: http://books.google.com.co/books?id=QqfJw4tpIjcC&pg=PA582&lpg=PA582&dq=intercambiador+de+calor+de+tubos+y+coraza&source=bl&ots=p1DStobsVq&sig=QAS0JKa1ROHuWrr_ssRlH9j1RHA&hl=es&sa=X&ei=bx9QVPzKCsWcNu2KgNAK&ved=0CDsQ6AEwCA#v=onepage&q=intercambiador%20de%20 Kaka, S. & Liu, H. (2002) Heat Exchanger. Selection, rating, and termal design (2 EDITION): Chapter 2. Basic design methods of heat exchangers, pp.33-73. CRC Press, U.S. Retrieved from: http://salimpour.iut.ac.ir/sites/salimpour.iut.ac.ir/files//files_course/sadik_kakac_-_heat_exchangers_-_selection_rating_and_thermal_desgin.pdf Universidad Iberoamericana (2008) Cambiadores de calor: Laboratorio de operaciones unitarias. 3.2. Cambiadores de tubos y coraza, pp. 12-18. Mexico, D.F. Retrieved from: http://fjartnmusic.com/Personal/6o_Semestre_files/CC.pdf Smith, J. & van Ness, H. (2005) Introduction To Chemical Engineering Thermodynamics (7 EDITION) Heat capacities and property changes of formation, pp.683-685. McGraw-Hills. Retrieved from: http://www.slideshare.net/aqeelabazmi/introduction-to-chemical-engineering-thermodynamics-by-jm-smith-hcvan-ness-mm-abbot

6. Anexos Anexo 1. Capacidades calorficas de los lquidos (Smith & Van Ness, S.F, pp.685)

Anexo 2. Diagrama del factor de correccin de la LMTD para intercambiador de tubo y coraza con un paso de coraza y dos o mltiples pasos de tubos (Kaka & Liu, 2002, pp. 50)

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