or de Calor de Doble Tubo

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO

INFORME DE LABORATORIO PRESENTADO EN LA

ASIGNATURA DE TRANSFERENCIA DE CALOR I – POR:

Stephanny Díaz Sierra

Daniela Mendoza Martínez

Joel Quintero Montes

Alejandra Rodríguez Martínez

PRESENTADO A:

Ing. Crisóstomo Peralta

INGENIERÍA QUÍMICA – SEXTO SEMESTRE

DICIEMBRE DE 2010

BARRANQUILLA - COLOMBIA

2 Intercambiador de Calor de Doble Tubo

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

Objetivos 5

Procedimiento 5

Datos 5

Análisis y discusión de resultados 7

Conclusiones 18

Bibliografía 19


TABLA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1- Arreglo en Paralelo. 11

Figura 2- Arreglo en Contracorriente. 12


TABLA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1- Datos de Flujo en Paralelo. 6

Tabla 2- Datos de Flujo en Contracorriente. 6 – 7

Tabla 3- Datos calculados a la Tprom para el arreglo en Paralelo. 7

Tabla 4- Datos calculados a la Tprom para el arreglo en Contracorriente.

8

Tabla 5- Valores para el Balance de Calor en el Arreglo en Paralelo.

9

Tabla 6- Valores para el Balance de Calor en el Arreglo en

Contracorriente.

9 – 10

Tabla 7- Cálculo de MLDT en el arreglo en Paralelo. 11

Tabla 8- Cálculo de MLDT en el arreglo en Contracorriente 12

Tabla 9- Especificaciones en cada tramo. 13

Tabla 10- Cálculo de hio y ho en cada tramo para el arreglo en Paralelo.

14 – 15

Tabla 11- Cálculo de hio y ho en cada tramo para el arreglo en Contracorriente.

15 – 16

Tabla 12- Cálculo de los coeficientes globales para el arreglo en Paralelo.

17

Tabla 13- Cálculo de los coeficientes globales para el arreglo en Contracorriente.

18


INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO

OBJETIVOS

Realizar balances de energía en cada corrida para cada arreglo.

Calcular MLDT.

Determinar los coeficientes totales e individuales de transferencia

de calor.

PROCEDIMIENTO

Para esta experiencia se hicieron corridas, tanto en paralelo como en

contracorriente, para los tramos 1-2, 1-3, 1-4 y 1-5. Antes de iniciar un

tramo nos asegurábamos que las respectivas válvulas estuviesen abiertas

y/o cerradas. Además se debía tener la precaución de no abrir las válvulas

para el flujo se vapor sin que se hubiese abierto previamente la de agua,

ya que se corría el riesgo de dañar el equipo. Se leían las temperaturas

registradas en el termómetro digital con el uso de termopares. En el

balde recolectábamos un volumen de condensado en un tiempo de 40

segundos, para la medición de caudal. Para el cambio de arreglo,

verificábamos el estado de las válvulas.

DATOS

Las temperaturas presentadas se encuentran en la escala Fahrenheit, la

conversión desde Celsius se hizo a través de la ecuación °F=9/5°C+32; el

flujo o caudal de vapor (Condensado) con el fin de utilizar el sistema de

medida Ingles se convirtió de unidades de ml/s a ft3/s mediante el factor

2.83*10-8. Para calcular el flujo masico se multiplico por la densidad

equivalente a 62.5 lbm/ft3 y 3600 para expresarlo sobre horas.


Flujo paralelo

TRAMO 1-2Fluido Tent (F) Tsal (F) caudal (pie3/s) flujo (lb/h)Agua 89,6 100,4 0,010686656 2404,497629Vapor 208,4 100,4 0,000114773 25,8238575

TRAMO 1-3Fluido Tent (F) Tsal (F) caudal (pie3/s) flujo (lb/h)Agua 87,8 95 0,019760464 4446,104339Vapor 204,8 98,6 0,000141259 31,7832075

TRAMO 1-4Fluido Tent (F) Tsal (F) caudal (pie3/s) flujo (lb/h)Agua 86 93,2 0,017326873 3898,54652Vapor 197,6 98,6 0,000123601 27,810315


Tabla 3- Datos de Flujo en Paralelo.

Flujo en contracorriente


TRAMO 1-3Fluido Tent (F) Tsal (F) caudal (pie3/s) flujo (lb/h)Agua 86 93,2 0,017317749 3896,493414Vapor 204,8 93,2 0,000123601 27,81030004

TRAMO 1-4Fluido Tent (F) Tsal (F) caudal (pie3/s) flujo (lb/h)Agua 86 95 0,013854199 3117,194731Vapor 199,4 98,6 0,000123601 27,81030004


TRAMO 1-5Fluido Tent (F) Tsal (F) caudal (pie3/s) flujo (lb/h)Agua 84,2 91,4 0,007437519 1673,441765Vapor 203 87,8 5,2972E-05 11,91870002

Tabla 4- Datos de Flujo en Contracorriente.

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Propiedades Fisicoquímicas

Para el balance de calor y demás cálculos se utilizaron diversos valores de

propiedades fisicoquímicas de las sustancias empleadas. Para ello se

utilizaron los diagramas del libro “Procesos de Transferencia de Calor” de

Donald Q. Kern, usando los valores de temperatura promedios. Los

valores se presentan seguidamente:

Arreglo en paralelo

TRAMO 1-2Fluido Tprom(F) visc(lb/pieh) Cp(btu/lbF) K(btu/hpieF)Agua 95 1,815 1 0,360167Vapor 154,4 0,026378 0,15 0,012690515

TRAMO 1-4Fluido Tprom(F) visc(lb/pieh) Cp(btu/lbF) K(btu/hpieF)Agua 89,6 1,936 1 0,35767Vapor 148,1 0,02662 0,45 0,012580103



Tabla 3- Datos calculados a la Tprom para el arreglo en Paralelo.

Arreglo en Contracorriente



TRAMO 1-4Fluido Tprom(F) visc(lb/pieh) Cp(btu/lbF) K(btu/hpieF)Agua 90,5 2,0328 1 0,35808333Vapor 149 0,027346 0,45 0,012595876

TRAMO 1-3Fluido Tprom(F) visc(lb/pieh) Cp(btu/lbF) K(btu/hpieF)Agua 89,6 1,936 1 0,35767Vapor 149 0,027346 0,45 0,01259588


Tabla 4- Datos calculados a la Tprom para el arreglo en Contracorriente.

Balance de calor

Lo que inicialmente se asume es que el calor cedido por el fluido caliente

es el calor ganado por el fluido frio, es decir.

Donde W y w son los flujos másicos del fluido caliente y frío,

respectivamente, en lb/h, es el calor latente de vaporización

evaluado a cada en la tabla 7 del libro “Procesos de Transferencia

de Calor” de Donald Q. Kern, Cp es el calor especifico evaluado a ,

el cual se mantiene constante para el agua a las condiciones de trabajo (1

BTU/lb F) y es la diferencia de temperaturas del fluido frío.

Cabe anotar que el flujo de agua antes presentado en la tabla

corresponde al despejado de esta ecuación, w; partiendo de que el flujo


de agua condensada corresponde al flujo de vapor que hizo parte de la

transferencia ya que el vapor aporto su calor latente.

Balance de calor en flujo paralelo:

Tabla 5- Valores para el Balance de Calor en el Arreglo en Paralelo.

Balance de calor en flujo en contracorriente


Tabla 6- Valores para el Balance de Calor en el Arreglo en Contracorriente.

Como se había establecido ambos flujos de calor son los mismos, esta

igualdad supuesta, nos permite determinar el flujo de agua requerida, sin

embargo, es pertinente considerar que para este sistema esto realmente

no sucedió, ya que existen perdidas de calor en las tuberías de

conducción y quizás descalibración de los medidores de temperatura. Se

puede comprobar que este equipo no opera de la manera supuesta,

cuando se calculen los MLDT.

Cálculo de MLDT

El concepto de MLDT nació de la necesidad de obtener una media de

temperaturas más precisa entre los fluidos que están intercambiando

calor. El término MLDT denota, media logarítmica de diferencia de

temperaturas, y su fórmula es:

´


MLDT en flujo paralelo:

Para el flujo en paralelo:

Figura 3- Arreglo en Paralelo.

Donde T, indica temperaturas del fluido caliente; y t, temperaturas del

fluido frio.

Tramo Δ t2 Δt1 MLDT1--2 118,8 0 #¡DIV/0!1--3 117 5,4 36,283538521--4 111,6 5,4 35,066608931--5 120,6 3,6 33,31866326

Tabla 7- Cálculo de MLDT en el arreglo en Paralelo.

Teóricamente hablando, como la grafica lo muestra en el arreglo en

paralelo la mínima temperatura alcanzada por el fluido caliente es la que

alcanza el fluido frio, sin embargo esto implica que la superficie de

transferencia debe ser infinita ya que las curvas son prácticamente

asíntotas, lo cual es imposible. Es de esta manera como se evidencia que

en realidad, el sistema tiene perdidas y fallas en los medidores ya que

para el trama 1-2, se alcanzo esta condición (Δt1=0).


MLDT en flujo a contracorriente:

Para el flujo a contracorriente:

Figura 4- Arreglo en Contracorriente.

Tramo Δ t2 Δt1 MLDT1--2 112 0 #¡DIV/0!1--3 111,6 7,2 38,09051211--4 104,4 12,6 43,41384411--5 111,6 3,6 31,450321

Tabla 8- Cálculo de MLDT en el arreglo en Contracorriente.

En el arreglo a contracorriente se puede verificar según la gráfica que la

temperatura de salida del fluido caliente siempre va a ser mayor que la

temperatura de salida del fluido frio a cualquier área de transferencia, lo

que teóricamente muestra ser más eficiente que en el arreglo en paralelo.

Análogamente el tramo 1-2 se presento que la salida del fluido caliente es

la misma de entrada del fluido frio y esto es imposible. Una vez más se

verifica que el sistema posee defectos por perdidas de energía y los

medidores de temperatura.

Cálculo de los coeficientes individuales de transferencia de calor

Para conocer los coeficientes individuales se utiliza el método planteado

en el libro “Procesos de Transferencia de Calor” (Donald Q.

Kern).Conociendo las especificaciones de diámetro, longitud se calculan

flujos másicos y el numero de Reynolds. Luego se obtienen los valores de


jh mediante la figura 24 del texto mencionado. Como el vapor y el agua

son poco viscosos se asume , lo que permite que se empleen las

siguientes ecuaciones.

Para el tubo interior:

Para el anulo:

En los diferentes tramos las horquillas son de 6ft de longitud, y el

coeficiente de ensuciamiento Rd =0.002. Las especificaciones de cada

tramo son las siguientes:

Tabla 9- Especificaciones en cada tramo.


Flujo en paralelo:

Los valores de hio y ho, se obtienen mediante una malla de Excel

basándonos en el método especificado por el libro “Procesos de

Transferencia de Calor” (Donald Q. Kern)”. Los resultados son los

siguientes:

TRAMO 1-2Anulo: Fluido Frio Tubo Interior: Fluido Caliente

D2 (ft) 0,08291667 D (ft) 0,043916667D1 (ft) 0,05208333 ap (ft2) 0,00151478aa (ft2) 0,00326923 Gp (lb/hft2) 17047,92324De (ft) 0,07992 Rep 28383,04505

Ga (lb/hft2) 735494,128 JH 100Rea 32386,0555 (cu/K)^0.33 0,678349237JH 107 hi (BTU/hft2F) 19,60212789

(cu/K)^(1/3) 1,71352369 DI/DE 0,8432ho (BTU/hft2F) 826,270664 hio (BTU/hft2F) 16,52851424

TRAMO 1-3

Anulo: Fluido Frio Tubo Interior: Fluido CalienteD2 (ft) 0,08291667 D (ft) 0,051833333D1 (ft) 0,07 ap (ft2) 0,00211013aa (ft2) 0,0015513 Gp (lb/hft2) 15062,20482De (ft) 0,02821677 Rep 32261,33402

Ga (lb/hft2) 2866048,13 JH 106Rea 40506,1903 (cu/K)^0.33 0,951506934JH 120 hi (BTU/hft2F) 24,60172278




Ga (lb/hft2) 1192497,78 JH 103Rea 49227,4908 (cu/K)^(1/3) 0,983812016


JH 133 hi (BTU/hft2F) 29,02713516(cu/K)^(1/3) 1,75579691 DI/DE 0,8432

ho (BTU/hft2F) 1045,08824 hio (BTU/hft2F) 24,47568037



Ga (lb/hft2) 612316,3 JH 82Rea 23790,1403 (cu/K)^(1/3) 0,982581592JH 91 hi (BTU/hft2F) 23,16689345


Tabla 10- Cálculo de hio y ho en cada tramo para el arreglo en Paralelo.

Se observa que los coeficientes individuales de transferencia de calor son

mayores en los tramos 1-3, 1-4 debido al uso de acero como material en

el tubo interior, en el tramo 1-5; aun cuando se usa este material el flujo

cruzado disminuyo la transferencia desde el anulo ya que el coeficiente de

película fue menor incluso que el del tramo 1-2.

Flujo en contracorriente.

TRAMO 1-2


Ga (lb/hft2) 1470333,47 JH 93,98371322Rea 62654,786 (cu/K)^(1/3) 0,991855421JH 150,693149 hi (BTU/hft2F) 26,76969832

(cu/K)^(1/3) 1,73315316 DI/DE 0,8432ho

(BTU/hft2F) 1175,34127 hio (BTU/hft2F) 22,57220962

TRAMO 1-3




(cu/K)^(1/3) 1,75480881 DI/DE 0,74047619ho


TRAMO 1-4



(cu/K)^(1/3) 1,78389867 DI/DE 0,8432ho


TRAMO 1-5



(cu/K)^(1/3) 1,77528457 DI/DE 0,8432ho


Tabla 11- Cálculo de hio y ho en cada tramo para el arreglo en Contracorriente.


Similar al arreglo en paralelo, la tendencia fue que el coeficiente de

película fue mayor en los tramos 1-3,1-4; además de que en el tramo 1-5

haya disminuido también.

Cálculo de los coeficientes globales de transferencia de calor

Para calcular los coeficientes globales de transferencia se utilizan las

siguientes ecuaciones:

Donde UD es el coeficiente total de diseño o sucio (Dirty), Uc es el

coeficiente total considerando al intercambiador completamente limpio

(Clean), Rd es el factor de obstrucción el cual corresponde a 0.002 cuando

utilizamos un intercambiador de agua-vapor de agua.

Coeficientes Globales para arreglo en Paralelo

TRAMO 1-2Uc (BTU/hft2F) 16,2043661Ud (BTU/hft2F) 15,69568873


Tabla 12- Cálculo de los coeficientes globales para el arreglo en Paralelo.

Los coeficientes globales de transferencia son mayores en los tramos 1-4

y 1-5, lo cual indica que en contrariedad a lo mencionado en los cálculos

de hio y ho, los flujos cruzados favorecen la transferencia de calor.




Coeficientes globales para arreglo en Contracorriente



Tabla 13- Cálculo de los coeficientes globales para el arreglo en Contracorriente.

Para este arreglo los coeficientes globales de transferencia son mayores

en los tramos 1-2 y 1-4, y no se puede dar un indicio claro sobre cuál es el

sistema que mayor beneficia una transferencia de calor.

CONCLUSIONES

Aún cuando la bibliografía nos muestra que en un intercambiador

de calor de doble tubo arreglado en flujo a contracorriente la

transferencia de energía calórica de un fluido caliente a un fluido

frío es mas eficiente que en un arreglo de flujo en paralelo,

inicialmente en nuestra experiencia se observo que la transferencia

de calor fue en general mayor para el arreglo en paralelo que para

el arreglo en contracorriente. Sin embargo, si se analiza desde los

resultados obtenidos de los MLDT, se observa que el arreglo en

contracorriente beneficia a la transferencia, lo cual implica que aun

cuando la transferencia haya sido mayor en paralelo, el sistema

funcionara mejor en contracorriente.

Debido a los defectos de las mediciones, consideraciones y demás

variables que juegan dentro de la experiencia, se obtuvo que para

el tramo 1-2 el MLDT era indeterminado, lo cual directamente nos

lleva a que para una transferencia de calor y un coeficiente global

definidos, el area que se emplea es infinita es decir un tubo

extremadamente largo, lo cual es imposible.




La igualdad de los flujos de calores, cedido por el flujo caliente y

ganado por el fluido frío, no se cumple para ningún arreglo ya que

después de evidenciar los MLDT en el tramo 1-2 se verifica que el

sistema tiene perdidas o que las mediciones son imprecisas

llevando a que nuestros cálculos estén alejados de lo que

realmente está sucediendo dentro de las tuberías, por lo tanto se

concluye que ningún sistema por muy adiabático que parezca

cumple perfectamente la ecuación del balance calor.

Se concluye finalmente que en los tramos 1-3,1-4 y 1-5, la

transferencia de calor es más eficiente debido al material que usan

además de la forma como se encuentran organizadas las tuberías.

BIBLIOGRAFÍA

KERN, Q. Donald. Procesos de Transferencia de Calor. 27ma edición.

Guías experimentales del Laboratorio de Operaciones Unitarias de

la Universidad del Atlántico.

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