guia intercambiadores tubos concentricos 2015-1 (2)

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UNIVERSIDAD DE ANTIOQUÍA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA GUÍA DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS PRÁCTICA: INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCENTRICOS 2015-1 1. OBJETIVOS General Analizar la capacidad de transferencia de calor del intercambiador de tubos concéntricos a las condiciones dadas de operación y el mecanismo de transferencia de calor involucrado. Específicos Determinar las pérdidas de calor en el intercambiador de tubos concéntricos por medio de los balances de energía, para observar qué tan buena es la transferencia entre los fluidos. Calcular los coeficientes globales de transferencia de calor (U) y peliculares (h) de transferencia de calor, en cada uno de los arreglos propuestos para analizar en el equipo la capacidad de transferir calor. Calcular el factor de obstrucción Rd y compararlo con uno de diseño. Observar y comparar en cual configuración (paralelo y contracorriente) el equipo es más eficiente. 2. MARCO TEÓRICO Debe ser realizado por cada grupo para incluirlo en el informe correspondiente.

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Page 1: Guia Intercambiadores Tubos Concentricos 2015-1 (2)

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUÍAFACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICAGUÍA DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

PRÁCTICA: INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCENTRICOS2015-1

1. OBJETIVOS

General

Analizar la capacidad de transferencia de calor del intercambiador de tubos concéntricos a las condiciones dadas de operación y el mecanismo de transferencia de calor involucrado.

Específicos

Determinar las pérdidas de calor en el intercambiador de tubos concéntricos por medio de los balances de energía, para observar qué tan buena es la transferencia entre los fluidos.

Calcular los coeficientes globales de transferencia de calor (U) y peliculares (h) de transferencia de calor, en cada uno de los arreglos propuestos para analizar en el equipo la capacidad de transferir calor.

Calcular el factor de obstrucción Rd y compararlo con uno de diseño. Observar y comparar en cual configuración (paralelo y contracorriente) el equipo es

más eficiente.

2. MARCO TEÓRICO

Debe ser realizado por cada grupo para incluirlo en el informe correspondiente.

3. EQUIPOS Y MATERIALES

EQUIPOS.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

El equipo de intercambio de calor está formado por un arreglo de 5 tubos concéntricos dispuestos horizontalmente y construidos en acero inoxidable, los cuales se encuentran conectados en serie por medio de mangueras del mismo material. Los flujos están dispuestos en contracorriente, es decir, el agua entra por la parte inferior del equipo y fluye por el tubo interno (diámetro ¼’’ NPS) mientras que el vapor entra por la parte superior y fluye por el tubo externo (diámetro 1’’ NPS). El

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equipo está dotado con 9 sensores de temperatura y 9 manómetros que permiten determinar la presión y la temperatura tanto del agua como del vapor en diferentes puntos del sistema.

Figura 1. Diagrama del equipo

Tabla 1. correspondecia de los sensores de temperatura y presión.

Posición del indicador 1 3 4 5 7 2 6 8Temperatura T1 T3 T4 T5 T7 T2 T6 T8Presión P1 P3 P4 P5 P7 P2 P6 P8

Agua Vapor

Tabla 2. Dimensiones del equipo (tubería Shedule 40)

Tubo NPSDiámetro externo

Espesor

Interior 1/4" 0.540" 0.088"Exterior 1" 1.315" 0.113"

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MATERIALES

Bata de laboratorio Guantes de cuero Beacker Cronómetro

4. NORMAS DE SEGURIDAD

- Para el desarrollo de experimento es necesario que tenga en cuenta los siguientes implementos de protección:

- Bata de laboratorio- Zapatos tapados- Guantes de cuero- Casco de seguridad

5. CONDICIONES DE OPERACIÓN O PRECAUCIONES

Para el correcto funcionamiento del equipo tenga en cuenta los siguientes aspectos

1. No abrir el vapor hasta no tener un flujo de agua.2. Hacer la purga de los condensados de la línea. By-paseando la línea de vapor hasta que

solo salga vapor.3. Verificar que la presión en ninguno de los manómetros exceda el rango de los mismos, en

tal caso avise al técnico inmediatamente.4. Verificar que los empaques de las tomas Clamp se encuentren en la posición adecuada y

las abrazaderas bien apretadas, con el fin de evitar fugas y el deterioro de los empaques; se sugiere esta tarea sea realizada por dos personas.

5. Todas las personas que se vayan a agachar a hacer alguna operación deben utilizar casco de seguridad.

6. Todas las personas que vayan a colocar o quitar a manipular elementos calientes deben utilizar guantes de cuero.

7. Cuando se vaya colocar o quitar una manguera, verificar que este el agua y el vapor cerrado para garantizar que las línea no tenga presión.

6. PROCEDIMIENTO

Nota: nunca se debe trabajar el equipo solo con la línea de vapor.

1. Al encender el equipo abrir primero la línea de agua y después la de vapor y cuando se valla apagar cerrar la línea de vapor y luego la de agua.

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2. Respecto a la figura 1, ubicar las mangueras de forma adecuada (en paralelo o en contracorriente) teniendo en cuenta donde se encuentran los manómetros y las termocuplas e identifique a que presión y temperatura pertenecen.

3. Verificar que las válvulas de las líneas de agua y vapor estén cerradas y abra la válvula ubicada cerca de la trampa de vapor en la parte inferior izquierda del equipo para extraer el condensado de la línea de vapor. Una vez deje de salir líquido ciérrela nuevamente.

4. Encender el indicador digital de la temperatura mediante el switch ON/OFF ubicado en la parte inferior derecha del mismo

5. Abrir la válvula del agua de refrigeración hasta que el manómetro P1 marque 50 o 60 psig.6. Medir el flujo del agua mediante el medidor de flujo ubicado en la parte izquierda inferior

de la línea de agua.7. Abrir la válvula de entrada de vapor 8. Espere 10 minutos aproximadamente, para que el sistema se estabilice antes de la toma de

datos.9. Medir el flujo de condensado usando un beacker y un cronómetro haciendo uso de la

trampa de vapor y tome los datos de temperatura y presión de dicho flujo y todos los señalados en la figura 1. Con dichos datos diligencie la tabla 3 y 4.Nota: Tener en cuenta que cuando se enciende el banco de bombas del laboratorio fluctúa la presión del agua y disminuye las temperaturas. Para la toma de datos verificar que la bomba este apagada para evitar errores en las mediciones. Una vez se tomen los datos se proceda a apagar el equipo de la siguiente manera.

10. Cerrar la válvula de entrada de vapor.11. Dejar la válvula de agua abierta para enfriar la unidad hasta que la temperatura de entrada

y salida sean aproximadamente iguales y luego cierre la válvula de entrada de agua.12. Apagar el indicador digital de la temperatura mediante el switch ON/OFF.

Este procedimiento se debe de realizar para el sistema funcionando en contracorriente y en paralelo. El procedimiento es igual solo hay que tener presente que en contracorriente los flujos van en direcciones contrarias y en paralelo los flujos van en la misma dirección, recuerde que las corrientes de entrada en contracorriente son las de salida cuando el sistema está en paralelo.

CONDICIONES DE DEVOLUCIÓN DEL EQUIPO

1. Cerrar el vapor y dejar circulando agua unos 5 minutos para que el sistema se enfrié2. Secar los derrames ocasionados durante la práctica. Dejar elementos como: sillas,

empaques, abrazaderas, mangueras, entre otros en su lugar.3. Devolver los elementos usados al técnico.

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Nota:

- Cualquier daño y/o pérdida ocasionada por el no adecuado uso del equipo que se genere durante la práctica será asumido por el grupo que lo opero (equipo que no se pague generara impedimento de matrícula).

- En caso de un ruido extraño, fugas de agua, demoras en los tiempos de estabilización, etc. Informar al docente y al técnico del laboratorio.

7. REGISTRO DE DATOS

Tabla 1. Registro de datos para el agua

ARRREGLOFLUJO

TEMPERATURA DEL AGUA (°C)

PRESION AGUA (BARES)

GALONES TIEMPO(s) T1 T3 T4 T5 T7 T9 P1 P3 P4 P5 P7 P9

CONTRACORRIENTE1

1

PARALELO1

1

Tabla 2. Registro de datos para el vapor

ARREGLOCARACTERISTICAS DEL CONDENSADO

TEMPERATURA DEL VAPOR(°C)

PRESION PARA EL VAPOR

(BARES)

VOLUMEN (m3)

TIEMPO(s)TEMPERATURA

(°C)T2 T6 T8 P2 P6 P8

CONTRACORRIENTE

PARALELO

8. MODELO DE CÁCULO

Los cálculos se realizaran bajo la suposición, de que el intercambiador de calor de tubos concéntricos, es un solo tubo con una longitud equivalente a la suma de los cinco (5) tramos que lo componen.

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CALOR PERDIDO.

Para determinar el calor perdido se debe partir de un balance de calor global tal como se muestra a continuación:Para determinar el calor perdido se debe partir de un balance de calor

(1)

Dónde:

Wc = Caudal de condensación del vapor W = Caudal del agua Cp,c = Calor específico del vapor a una temperatura promedio entre Ts vapor y T8.Cp = Calor específico del agua a una temperatura promedio entre T1 y T9.T8 = Temperatura de entrada del vapor de la sección de intercambiador de calor.Ts vapor = Temperatura de salida del vapor de la sección de intercambiador de calor.Te= Temperatura de entrada del agua a la sección de intercambio de calorTs = Temperatura de salida del agua de la sección de intercambio de calorQper = Calor perdido por convección.

El calor perdido se despeja de la ecuación (1) y queda de la siguiente forma:

Para una disposición en contracorriente:

Te=T1= Temperatura de entrada del agua a la sección de intercambio de calorTs=T9 = Temperatura de Salida del agua de la sección de intercambio de calor

Para una disposición en paralelo:

Ts=T1= Temperatura de salida del agua a la sección de intercambio de calor

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Te=T9 = Temperatura de entrada del agua de la sección de intercambio de calorCOEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA TOTAL

El calor transferido en todo el sistema, es decir el que se transfiere entre el vapor y el agua se rige por la siguiente ecuación:

Para disposición en contracorriente:

Dónde:

Q= Calor transferido al aguaT1= Temperatura de entrada del agua a la sección de intercambio de calorT9 = Temperatura de Salida del agua de la sección de intercambio de calorU= coeficiente total de transferencia de calor

Para disposición en paralelo:

Dónde:

Q= Calor transferido al aguaT1= Temperatura de salida del agua a la sección de intercambio de calorT9 = Temperatura de entrada del agua de la sección de intercambio de calorU= coeficiente total de transferencia de calor Ao= Área de transferencia de calor y se define como;

(4)

Donde:

Do= Diámetro del tubo interior (1/4’ NPS-10s).L= Longitud total de transferencia de calor (5 tramos de 93 cm)LMTD= Diferencia de temperatura media logarítmica y se define como:

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(5)

Despejando la ecuación (3.a) y (3.b) se obtiene una expresión matemática para el cálculo del coeficiente total de transferencia de calor:Para disposición en contracorriente:

(6a)

Para disposición en paralelo:

(6b)

FACTOR DE OBSTRUCCIÓN Rd

Al determinar el valor del coeficiente total de transferencia de calor (U), se procede a calcular el factor de obstrucción (Rd) mediante la siguiente ecuación:

(7)

Donde:

Rd= Factor de costra para la sección de calentamiento del intercambiador.U= coeficiente total de transferencia de calor. Uc= coeficiente total de transferencia de calor para el intercambiador limpio.

Nota: Este factor Rd debe compararse con el máximo valor permitido para determinar si el intercambiador requiere limpieza.

(8)

Donde:

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hi= coeficiente pelicular de transferencia de calor para el tubo interiorhio= coeficiente pelicular hi referido al lado exterior del tubo interior.

Donde:

Ho= coeficiente pelicular de transferencia de calor para el tubo interiorDi= Diámetro interno del tubo interior (1/4’’ NPS – 10 s).Do= Diámetro externo del tubo interior (1/4’’ NPS – 10 s).

(10)

Donde

Jh Factor adimensional. Es una función der número de Reynolds Re y del parámetro L/D y se encuentra en el apéndice del Kern Fig. 24 pág. 834.

µ Viscosidad del agua a una temperatura promedia entre T1 y T2 en (lb/pie h)K conductividad térmica para el agua a una temperatura promedia entre la temperatura de

entrada y salida del intercambiadorCp calor específico del agua a una temperatura promedia entre la temperatura de entrada y

salida del intercambiador.∅= 1El número de Reynolds se obtiene mediante la ecuación (10)

Gp Velocidad superficial del fluido por el tubo interior

W Caudal del fluidoAp Área para el fluido que pasa por el tubo interior.

Page 10: Guia Intercambiadores Tubos Concentricos 2015-1 (2)

De= Diámetro equivalenteD1 Diámetro del tubo interiorD2 Diámetro del tubo exteriorCon los cálculos realizados en las ecuaciones (8) a (13), se retoma la ecuación (7), para obtener el valor del factor de obstrucción. Este valor del factor de obstrucción se compara con un factor de diseño consultado en la literatura. La comparación de los valores se centra en determinar si el equipo debe de ser limpiado.

En la tabla 12 del libro Proceso de Transferencia de Calor de Kern, se pueden encontrar factores de obstrucción de referencia de acuerdo a la temperatura de trabajo, el tipo de fluido y equipo de trabajo.

9. CÁLCULOS

1. Realizar los balances de energía necesarios para los arreglos en paralelo y contracorriente.

2. Calcular los coeficientes totales de transferencia de calor.

3. Calcular el factor de obstrucción Rd y comparar con el de diseño.

4. Calcular el calor perdido por el sistema.

10. PREGUNTAS

1. ¿Son significativas las pérdidas de calor? ¿A qué se deben dichas pérdidas?

2. Comparar el coeficiente de obstrucción calculado y el de diseño y determinar si el equipo necesita limpieza.

3. ¿Cómo se podría reducir el factor de obstrucción?

4. De acuerdo a las pérdidas de calor halladas para ambos arreglos, ¿cuál es más eficiente y por qué?

11. REFERENCIAS

[1] Incropera, F. Fundamentos de Transferencia de Calor. Cuarta edición. Prentice Hall, México. 1999. pp.10. ISBN 970-17-0170-4

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[2]. Kern, Donald. Proceso de transferencia de calor. Cuarta edición. pp. 132. ISBN 978-0-495-3.http://www.epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/tubs_concentrics.html[3] Kreit, F; Manglik, R; Bohn M; “Principles of heat transfer”. Cengage Learning 2003.SeventhEdition. Charper 8, pag 497.