Intercambiadores de Calor de Tubos Concentricos Para Ing. Quimica

8/12/2019 Intercambiadores de Calor de Tubos Concentricos Para Ing. Quimica

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1. OBJETIVOS

1.1. Objetivos Generales

Calcular el coeficiente de transferencia de calor total U del intercambiador de calor. Comparar los resultados obtenidos del coeficiente de transferencia de calor terico y

prctico.

Investigar y establecer las diferencias entre flujo paralelo y contracorriente.2. ALCANCE

En la prctica que se va a llevar a cabo existen condiciones mnimas que limitan el anlisis

de las propiedades a determinar, que encajan en la definicin de errores aleatorios, los

cuales se encuentran asociados a los equipos de medicin que son utilizados para cumplir

con el objetivo definido en el apartado 1 de este informe.

3. INTRODUCCIN TERICA3.1. Intercambiadores de Calor

En un intercambiador de calor participan dos o ms corrientes de proceso, unas actan

como fuentes de calor y las otras actan como receptores del calor, el cual se transfiere a

travs de las paredes metlicas de los tubos que conforman el equipo (contacto indirecto).Los equipos utilizados para calentar fluidos emplean generalmente vapor como fuente de

calentamiento, los equipos utilizados para enfriar fluidos emplean usualmente agua como

fluido de enfriamiento.

Cuando existe una diferencia de temperatura entre un tubo y el fluido que circula por l, setransfiere calor entre la pared del tubo y el fluido. El flujo de calor intercambiado por

unidad de tiempo, puede expresarse en funcin de un rea de intercambio (A), unadiferencia de temperatura caracterstica (DT), siendo la constante de proporcionalidad el

coeficiente de transferencia de calor (h).

Para tubos completamente llenos, rgimen estacionario y seccin transversal circularuniforme, el coeficiente de transferencia de calor es funcin del dimetro del tubo, largo del

ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL

TRANSFERENCIA DE CALOR

PRCTICA # 1: Intercambiadores de calor de tubosconcntricos


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tubo, densidad, viscosidad, calor especfico, conductividad trmica y velocidad promedio

del fluido.

A continuacin se indica el funcionamiento de un intercambiador de calor de tubos

concntricos o doble tubo:

Los intercambiadores de calor de tubos concntricos o doble tubo son los ms sencillos que

existen. Estn constituidos por dos tubos concntricos de dimetros diferentes. Uno de los

fluidos fluye por el interior del tubo de menor dimetro y el otro fluido fluye por el espacio

anular entre los dos tubos.

Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la direccin de los fluidos: a contracorriente

y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyenen sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el

mismo sentido. A continuacin se pueden ver dos imgenes con las dos posibles

configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.

En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio

nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.

En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frio puedeser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso lmite se tiene cuando la

temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente.La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de

entrada del fluido caliente.

En la figura siguiente se muestran esquemas de las dos configuraciones as como la

evolucin de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas:
http://www.epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/tubs_concentrics_cast.swf


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cuantifica mediante el llamado factor de incrustacin, Rf, que est tabulado para los

diferentes fluidos. La acumulacin puede producirse en la pared interior, en la exterior o en

las dos simultneamente lo cual se reflejar en el coeficiente global de transferencia de

calor cuya expresin general quedar:

Y cuya expresin simplificada tiene la siguiente forma:

4. EQUIPOS Y REACTIVOS

Tabla 4.1.Equipos utilizados en la prctica

Equipo Cantidad Especificaciones

Vlvulas de flujo 11

NABanco de Intercambiadores

de calor1 Aluminio, varios dimetros

Termmetros 18 Escala en centgrados

Torre de enfriamiento 1 NA

Caldera de vapor 1 NA

5.PROCEDIMIENTO5.1 PRIMERA PARTE

5.1.1 Clculo de U prctico

Para flujo paralelo:


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Para cada una de las 9 lecturas se calcula:

1. T18T10iYc,oTc,TcyT9T1oTh,iTh,Th 2. Th = (Th,i + Th,o)/2 para obtener hy Cp,h y Tc = (Tc,I + Tc,o)/2 para obtener c

y Cp,c.

3. La conversin de Qh y Qc de Lt/h a 3m /s.4. Flujo msico caliente y fro, (dm/dt)h = h x Qh y (dm/dt)c = c x Qc5. qh = (dm/dt)h x Cp,h x Th y qc = (dm/dt)c x Cp,c x Tc 6. q = (qh + qc)/27. Ai = DiL y Ao = DoL8. A = (Ai + Ao)/29. i)Tc,io)/(Th,Tc,o(Th,/Lni)Tc,i(Th,o)Tc,o(Th,Tml(FP) 10.De la ecuacin )(FPTmlUAq se despeja U prctico.

Para contraflujo:

Para cada una de las 9 lecturas se calcula:

1. T18T10iYc,oTc,TcyT9T1oTh,iTh,Th 2. Th = (Th,i + Th,o)/2 para obtener hy Cp,h y Tc = (Tc,I + Tc,o)/2 para obtener c

y Cp,c .

3. La conversin de Qh y Qc de Lt/h a 3m /s.4. Flujo msico caliente y fro, (dm/dt)h = h x Qh y (dm/dt)c = c x Qc5. qh = (dm/dt)h x Cp,h x Th y qc = (dm/dt)c x Cp,c x Tc 6. q = (qh + qc)/27. Ai = DiL y Ao = DoL8. A = (Ai + Ao)/29. i)Tc,io)/(Th,Tc,o(Th,/Lni)Tc,i(Th,o)Tc,o(Th,Tml(FP) 10.De la ecuacin )(FPTmlUAq se despeja U prctico.

Se obtendrn 9 valores de U prctico en flujo paralelo y 9 valores de U prctico en

contraflujo.


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5.1.2 Calculo de U terico

Se utilizar la siguiente ecuacin:

)/()/,"(2/)/()/()/( hoAolAoofRkLDiDoLnhiAilUAI

Donde:

U es el coeficiente global de transferencia de calor

Ai es el rea lateral interna = Di L

Ao es el rea lateral externa = Do L

hi es el coeficiente de convencin interno

ho es el coeficiente de convencin externo

Di es el dimetro interno = 0.01661 m.

Do es el dimetro externo = 0.01905 m.

L es la longitud de la tubera = 8 m.

K es el coeficiente de conduccin de la tubera (aluminio)

Rf,i es el factor de incrustaciones interno = 0.0001 2m K/W

Rf,o es el factor de incrustaciones externo = 0.00012m K/W

El clculo de U se tomar de la lectura 5 de flujo paralelo.

Para la lectura 5 en flujo paralelo se calcula:

1. Th = (Th,i + Th,o)/2 y Tc = (Tc,i + Tc,o)2. T = (Th + Tc)/23. K de la tubera de aluminio a la temperatura T4. hi (para flujo interior caliente)

a. Se calcula h, Kh, Prh, vh, h y Cp,h a la temperatura Th


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b. (dm/dt)h = h x Qhc. Re = 4(dm/dt)h/Dihd. NuD = 0.023 3.054 PrRe h e. hi = NuD x Kh/Di

5. ho (para flujo exterior frio)a. Se calcula c, Kc, Prc, vc, c y Cp,c a la temperatura Tcb. (dm/dt)c = c x Qcc. Re = 4(dm/dt)c/ (Di+Do)cd. NuD = 0.023 3.054 PrRe c e. ho = NuD x Kc/(Do-Di)

6. Se despeja U terico de la ecuacin (1)7. Se compara el U terico con el U prctico correspondiente a la lectura 5 en flujo

paralelo.

5.2 SEGUNDA PARTE

En esta parte se realizar el clculo del coeficiente local de transferencia de calor U para las

distintas secciones del intercambiador de calor. Se realizar una grfica de cmo vara U atravs de los 8 tramos del intercambiador de calor. Se usar la misma metodologa para el

clculo del U prctico. La nica diferencia consiste en que en la primera parte la longitud

del tramo es de 8 metros y en esta segunda parte habr 8 tramos de 1 metro de longitud

cada uno.

1. Se tendr 8 tramos de 1 metro de longitud de agua caliente con Th,i y Th,o2. Se tendr 8 tramos de 1 metro de longitud de agua fra con Tc,i y Tc,o3. Para cada tramo de agua fra y caliente se obtendr un valor U prctico.4. Se obtendrn 8 valores de U prctico.5. Se grafican los 8 valores de U prctico vs los 8 tramos de 1 metro de longitud de

tramo de tubera.

5.2.1 Clculos representativos:


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1. Hacer el clculo del U prctico global con (T1, T9, T10 y T18) para las dosprcticas tanto flujo paralelo, como contra flujo. Son 18 U prcticos globales.

2. Hacer el clculo de U terico que te corresponda (distintas lecturas son asignadas aestudiantes). Usar (T1, T9, T10, T18)). Sacar un error entre U terico global y U

prctico global.

3. Hacer el clculo de U prctico local que te corresponda (de la misma lectura que esasignada en el Item anterior). Aqu usar las 18 temperaturas para hallar 8 U locales

por ej: para U1 en flujo paralelo usar:

U1 (T1 = Thi, T2 = Tho, T10 = Tci, T11 = Tco)

6. DATOS


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Tabla 6.4. Propiedades de los fluidos para flujo contracorriente.

Fluido Caliente Fluido Fro

Propiedades Tm1 = 64,5C Tm2 = 56,5C Tm3 = 56,5C tm1 = 38,5C tm2 = 37C tm3 = 35,5C

u (Kg/m-h) 1,656 1,98 1,98 2,66 2,70 2,77

cp (Kj/Kg-C) 4,18 4,18 4,18 4,18 4,18 4,18

k (Kj/h-m-C) 1,139 1,139 1,139 1,28 1,28 1,28

Tabla 6.4. Propiedades de los fluidos para flujo paralelo.

Fluido Caliente Fluido Fro

Propiedades Tm1 = 64C Tm2 = 64C Tm3 = 62C tm1 = 34C tm2 = 34C tm3 = 35,5C

u (Kg/m-h) 1,653 1,653 1,764 2,808 2,808 2,770

cp (Kj/Kg-C) 4,18 4,18 4,18 4,18 4,18 4,18

k (Kj/h-m-C) 1,139 1,139 1,139 1,28 1,28 1,28


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7.CALCULOS Y RESULTADOSSe muestran clculos realizados para la corrida de 1000/400 (a tomando

en cuenta que este procedimiento se realiz para las otras 2 corridas ms

para el flujo de 1000 Kg/ h del fluido caliente.

7.1.Clculo de U prcticoPara el clculo del coeficiente global de transferencia (U), debemos realizar el

procedimiento detallado a continuacin:

Clculo del MLDT:

Balance de Energa:

( )( )

( )( )


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rea de Transferencia de Calor:

Clculo del coeficiente global de transferencia de calor U:

7.2 Clculo de U terico

Flujo Msico Superficial


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Clculo del Nmero de Reynolds:

Clculo del Nmero de Prandt:

( )


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( )

ECUACIN DE SIEDER Y TATE FLUJO TURBULENTO

( )

FLUIDOS POR EL EXTERIOR DE TUBOS CONCNTRICOS

( )

CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR TERICO

CALCULO DEL ERROR DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA

( )


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Tabla 7.1.Variables calculadas para la determinacin de U prctico para el flujo en contracorriente

Caudal (Kg/h) Temperaturas (oC)Diferencia de

Temperaturas (C) Cp (Kj/Kg C)Calor (Kj/s)

MLDT (oC)Ud

(watt/(m^2 -C)CALIENTE FRIO T1 T2 t2 t1 Dt2 Dt1 QT Qt Q prom

1000 400 69 60 50 27 19 33 4,18 10,45 10,68 10,57 25,36 868,33

1000 800 62 51 48 26 14 25 4,18 12,70 20,43 16,56 18,97 1818,661000 1000 62 51 44 27 18 24 4,18 12,77 19,73 16,25 12,76 2653,14

Tabla 7.2.Variables calculadas para la determinacin de U prctico para el flujo en paralelo

Caudal (Kg/h) Temperaturas (oC)Diferencia de

Temperaturas (C) Cp (Kj/Kg C)Calor (Kj/s)

MLDT (oC)Ud

(watt/(m^2 -C)

CALIENTE FRIO T1 T2 t1 t2 Dt2 Dt1 QT Qt Q prom

1000 400 68 60 26 42 42 18 4,18 9,28 7,43 8,35 28,32 614,26

1000 800 69 59 26 42 43 17 4,18 11,61 14,86 13,23 28,02 983,67

1000 1000 69 55 26 43 43 12 4,18 16,25 19,74 17,99 24,29 1542,99


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Tabla 7.3.Variables calculadas para la determinacin del U terico para flujo en contracorriente

Flujos(Kg/h)

Gt Ga Ret Reo Pr(tubos) Pr (nulo)Hi

(Kj /h-m^2 -C)

Ho(Kj /h-m^2 -

C)

Hio(Kj /h-m^2 - C)

Ud(watt/(m^2

-C)

1000/400 1280,08 222,67 46222,02 10065,35 5,25 8,69 20086,43 3386,31 17513,68 776,011000/800 1280,08 445,33 38658,42 19832,03 6,28 8,82 18478,27 5854,85 16111,50 1165,10

1000/1000 1280,08 556,60 38658,42 24160,86 6,28 9,05 18478,27 6915,34 16111,50 1308,89

Tabla 7.4.Variables calculadas para la determinacin del U terico para flujo en paralelo

Flujos

(Kg/h) Gt Ga Ret Reo Pr(tubos) Pr (nulo)

Hi

(Kj /h-m^2 -C)

Ho

(Kj /h-m^2 -C)

Hio

(Kj /h-m^2 - C)

Ud

(watt/(m^2-C)

1000/400 1280,08 222,67 46305,91 9534,84 5,24 9,17 17251,77 3301,76 15042,10 740,94

1000/800 1280,08 445,33 46305,91 19069,26 5,24 9,17 17251,77 5748,59 15042,10 1129,24

1000/1000 1280,08 556,60 43392,10 24160,86 5,59 9,05 16736,03 6915,34 14592,41 1270,22


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Tabla 7.5.Valores de U prctico obtenidos

Flujo msico (kg/h) U prctico (W/m2-C)

Caliente Frio Paralelo Contracorriente

1000 400 614,26 868,33

1000 800 983,67 1818,661000 1000 1542,99 2653,14

Grfico 7.6 Grfico deU prctico para paralelo vs contracorriente

8.CONCLUSIONESUna vez realizada la prctica se observa que el flujo msico incrementa proporcionalmente

con el coeficiente de transferencia de calor. Este comportamiento es ms evidente en las

pruebas con las corrientes en contracorriente, donde podemos ver que se disparan conforme

se aumenta el flujo comparado con el flujo en paralelo. Se observa un aumento del

coeficiente de transferencia en flujo a contracorriente lo cual puede ser debido a que los


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Astrid Faras Ludy Rivas

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