5/25/2018 Intercambiadores de Tubos Conc ntricos

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INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTRODUCCIN

En la mayor parte de las industrias se llevan a cabo procesos de transferencia de calor, laforma mas usual de hacerlo es mediante intercambiadores de calor en los cuales los fluidosintercambian calor a travs de las superficies que los separan.

En esta prctica de laboratorio se estudiara el proceso de intercambio de calor en unintercambiador de calor de tubos concntricos que costa de dos etapas; en la primera deellas el fluido fro (aceite mineral) es calentado mediante vapor de agua, en la segundaetapa el aceite es refrigerado por medio de agua.

1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVOS GENERALES

Determinar el coeficiente de transferencia de calor y la MLDT para el intercambiador decalor de tubos concntricos.

1.2. OBJETIVOS ESPECFICOS.

Elaborar una grafica de temperatura en funcin de la longitud para todo elintercambiador.

Realizar el balance de energa del intercambiador, tanto en la seccin decalentamiento, como en la de enfriamiento y determinar las perdidas por radiacin yconveccin del sistema.

Determinar la diferencia media logartmica de temperatura (MLDT) considerandodos intercambiadores: vapor-aceite y agua-aceite.

Determinar los coeficientes de pelcula para cada uno de los intercambiadores. Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor para los dos

intercambiadores. Calcular el factor de suciedad (Rd) combinado. Comparar los coeficientes obtenidos con los suministrados por la literatura.

2. MARCO TERICO.

2.1. INTERCAMBIADORES DE CALOR.

Un Intercambiador de Calor es un sistema que permite la transferencia de calor de un fluidoa otro sin que los dos fluidos se mezclen.

Existen muchas modalidades de intercambiadores de calor, desde un simple tubo dobleconcntrico con algunos pies cuadrados de superficie para la transferencia de calor, hasta

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complicados condensadores de superficie y evaporadores con muchos miles de piescuadrados de superficie para la transferencia de calor.

2.2. INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCNTRICOS.

Es el tipo ms simple de intercambiador de calor, est constituido por dos tubosconcntricos de dimetros diferentes, tambin es llamado intercambiador de calor de dobletubo. En este tipo de intercambiador uno de los fluidos fluye por el tubo de menor dimetroy el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

El intercambiador de calor de tubos concntricos tiene dos posibles configuraciones encuanto a la direccin del flujo de los fluidos; estas son: flujo paralelo y contraflujo. En laconfiguracin en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en elmismo sentido. En la configuracin en contraflujo los fluidos entran por los extremosopuestos y fluyen en sentidos opuestos.

Para el anlisis de un intercambiador de calor deben tenerse en cuenta conceptosimportantes de transferencia de calor como lo son el Coeficiente de transferencia de calortotal, el Factor de incrustacin y la diferencia media logartmica de temperatura MLDT, loscuales se analizaran mediante la presente prctica de laboratorio.

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3. MATERIALES Y EQUIPOS.

3.1 Intercambiador de tubos concntricos de cinco tubos.Material de construccin: Tubera de cobre tipo k, sus caractersticas se muestran acontinuacin:

Tubo

DimetroNominal

DimetroExterior

EspesorPared

Dimetrointerior

LongitudPeso

Presin

in in mm in mm in mm m Kg/m lb/ ft2

Tubointerior

1/2 5/8 15,87 0.049 1.24 0,527 13.39 1.57 0.508 995

Tuboexterior

1 1 1/8 28,57 0.065 1.65 0, 995 25.27 1.57 1.25 725

Tabla 1.Caractersticas de la tubera de cobre.

Longitud de cada tubo 1 = 1.57 mLongitud tubos 2 al 5 = 1.84 m

La imagen de este equipo es la mostrada en la siguiente figura 1.

Figura 1. Intercambiador de calor de tubos concntricos de la U.P.T.C Duitama.

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El intercambiador de calor existente en el laboratorio de transferencia de calor de Duitamaes del tipo de tubos concntricos o doble tubo, la transferencia de calor se realiza en dosetapas:

En la primera el fluido caliente es vapor que fluye en el anulo formado entre el tubo interior

y el tubo exterior numero 1 y trasmite su calor al fluido fro que es aceite que fluye pordentro del tubo interior, las direcciones relativas de los dos fluidos tienen sentidos opuestospor lo tanto se trata de un arreglo en contra flujo.

La segunda etapa ocurre en los tubos 2 al 5, en esta etapa el fluido caliente es el aceite elcual es enfriado por medio de agua a temperatura ambiente que circula por el anuloformado entre los tubos concntricos. Segn el arreglo de flujo puede observarse que en lostubos 2 al 5 los fluidos estn en contra flujo.

El intercambiador de calor esta construido en tubera de cobre, la cual esta sujeta medianteabrazaderas a dos columnas soporte; estas columnas estn conformadas por dos tubos de

perfil cuadrado de una pulgada y segn el diseo original deben ir empotradas en el piso.Durante todo el proceso, por el tubo interior circula aceite mineral blanco, que es calentadoen el tubo nmero uno mediante vapor de agua que circula por la regin anular formadaentre ambos tubos; este vapor es suministrado por una caldera elctrica. El agua utilizadacomo fluido de refrigeracin en la etapa 2 es agua.

3.2 Bomba centrifuga.3.3 Deposito de aceite.3.4 Rotametro para agua3.5 Rotametro para aceite.3.6 Tablero Indicador de temperaturas3.7 Trampa de vapor, vlvulas de control de flujo.3.8 Caldera de vapor

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4. PROCEDIMIENTO.

Revise el manual de operacin y siga el procedimiento teniendo presente todas lascondiciones de seguridad.

Procedimiento para operar el Intercambiador:4.1.Realizar una inspeccin visual para verificar que el equipo se encuentra conectado de

acuerdo al plano del intercambiador.

4.2.Revisar que las vlvulas y dispositivos cumplan las condiciones de la tabla 1.

Tabla 1.Estado inicial y final de las vlvulas y dispositivos.No. NOMBRE DESCRIPCIN FUNCIN ESTADO

INICIALESTADOFINAL

1 V1 Vlvula de entrada

de agua

Regula la entrada de

agua para la etapa deenfriamiento

Cerrada Cerrada

2 V2 Vlvula decompuerta

Regula el caudal deaceite

Cerrada Cerrada

3 V3 Vlvula de globo Regula la entrada devapor proveniente dela caldera elctrica

Cerrada Cerrada

4 V4 Vlvula de purga Desaloja el vaporcondensado delequipo

Cerrada Abierta

5 V5 Vlvula de bay

pass

Permita reducir la

presin de la bombasin forzarla.

Cerrada Cerrada

6 TI1 Tablero indicadorde temperatura

Indica lastemperaturas deentrada y salida delos fluidos quecirculan por elintercambiador tantoen la etapa decalentamiento comoen la etapa de

enfriamiento.

Apagado Apagado

7 B1 Bomba Centrifuga Hace circular elaceite a travs deltubo interior.

Apagado Apagado

4.3.Poner en circulacin el agua de refrigeracin por medio de la vlvula V1 hasta obteneren el rotametro R1 una rata de flujo constante de 3 galones por minuto o el valor dado aconocer por el profesor al comienzo de la prctica.

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4.4.Abrir un cuarto de vuelta la vlvula V2 que controla el flujo de aceite.4.5.Encender la bomba para iniciar el flujo de aceite a travs del intercambiador.4.6. Continuar abriendo la vlvula V2 hasta obtener en el rotametro R2 un caudal de 4

galones por minuto o el indicado por el profesor.4.7.Abrir la vlvula V3 que controla el flujo de vapor hasta obtener una presin que no

sobrepase los 30 PSI. Este valor se mantendr constante durante el desarrollo de laprctica.4.8.Encender el sistema de medicin de temperatura y esperar a que el equipo se estabilice;

el equipo entra en estado estable cuando las temperatura registradas no varan con eltiempo.

Nota:Por ningn motivo el sistema indicador de temperaturas debe destaparse ni modificarlos potencimetros del mismo.

Iniciar la toma de lecturas en el formato indicado, teniendo en cuenta que:

T1: Temperatura de entrada de aceite en el tubo No.1.T2. Temperatura del aceite en la salida del tubo 1 y la entrada del tubo 2.T3: Temperatura del aceite en la salida del tubo 2 y la entrada del tubo 3.T4: Temperatura del aceite en la salida del tubo 3 y la entrada del tubo 4.T5: Temperatura del aceite en la salida del tubo 4 y la entrada del tubo 5.T6: Temperatura del aceite en la salida del sistema.T7: Temperatura del agua a la entrada del tubo 5.T8: Temperatura del agua a la salida del tubo 5 y la entrada del tubo 4.T9: Temperatura del agua a la salida del tubo 4 y la entrada del tubo 3.T10: Temperatura del agua la salida del tubo 3 y la entrada del tubo 2.T11: Temperatura del agua a la salida del tubo 2.T12: Temperatura del vapor a la entrada del tubo 1.T13: Temperatura del vapor a la salida del tubo 1.M1: Manmetro: Indica la presin de entrada del vapor en el tubo uno.

Procedimiento de parada del Intercambiador:

Suspender el funcionamiento del equipo utilizando la siguiente secuencia:

Apagar el sistema de medicin de temperatura Cerrar la vlvula V3 que da paso al vapor Apagar la bomba Cerrar la vlvula V2 que da paso al aceite Abrir la vlvula V4 para desalojar el condensado Esperar mnimo 10 minutos y drenar la totalidad del agua para esto cerrar la vlvula

V1que controla el flujo de agua.

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NOTA: Para suministrar vapor al intercambiador debe encenderse la caldera elctrica yprecalentarla hasta que esta alcance la presin requerida para la prctica, para ello debenseguirse cuidadosamente los pasos del manual de operacin de la caldera elctrica, con elfin de evitar riesgos en la operacin de la misma.

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5. ECUACIONES NECESARIAS.

5.1 El balance de energa para la seccin de calentamiento se determina mediante lassiguientes ecuaciones:

pacv QQQ Ecuacin 1

Donde: esvv hhmQ : Flujo de calor entregado por el vapor.

eh : Entalpa de vapor a la entrada.

sh : Entalpa del condensado a la salida.

espAcac TTCmQ : Flujo de calor tomado por el aceite.

eT : Temperatura del aceite a la entrada.

sT : Temperatura del aceite a la salida.

pQ : Flujo de calor perdido.Acm : Flujo msico del aceite

vm : Flujo de msico del condensado.

5.2. El balance de energa para la seccin de enfriamiento se determina mediante:

paAc QQQ Ecuacin 2

Donde: espAcAc TTCmQ : Flujo de calor entregado por el aceite.

espa TTCmaQ : Flujo de calor tomado por el agua.

pQ : Flujo de calor perdido.

5.3. La diferencia media logartmica de temperatura en la seccin de calentamiento secalcula as:

2

1

21

lnt

t

ttMLDT Ecuacin 3

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Figura 2.Variacin de las temperaturas de los fluidos en la etapa de calentamiento

Donde:t1 = T2t1 y t2= T1t2T1= T2: temperatura de saturacin del vapor de agua a la presin de trabajo.

1t : Temperatura de entrada del fluido fro.

2t : Temperatura de salida del fluido fro.

El valor anterior es igual si se calcula suponiendo flujo paralelo o contracorriente.

La diferencia media logartmica de temperatura en la seccin de enfriamiento suponiendoflujo en contracorriente se calculas as:

1

2

12

lnt

t

ttMLDT Ecuacin 4

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Figura 3.Variacin de las temperaturas de los fluidos en la etapa de enfriamiento

Donde:t1 = T2t1 y t2= T1t2T1: Temperatura de entrada del fluido caliente.

2T : Temperatura de salida del fluido caliente.

1t : Temperatura de entrada del fluido fro.

2t : Temperatura de salida del fluido fro.

5.4. Calculo de los coeficientes de pelcula para el aceite, el agua y el vapor:

1. Temperaturas calricas: ( cT y ct )

Para fracciones del petrleo o hidrocarburos viscosos las temperaturas calricas puedencalcularse por las siguientes ecuaciones:

212 TTFTT cc Ecuacin 5 121 ttFtt cc Ecuacin 6

Fcse determina mediante la curva de Transferencia de calor lado de tubos que aparece en lafigura 24 del apndice del libro Procesos de Transferencia de Calor de Donald Q. Kern.

Si los lquidos no son muy viscosos, no mas de 1.0 centipoises, si el intervalo detemperatura no excede de 50 a 100 F y si la diferencia de temperaturas es menor de 50 F,la media aritmtica entre

1T ,

2T y entre

1t ,

2t puede utilizarse en lugar de las temperaturas

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calricas para la evaluacin de las propiedades fsicas. Para fluidos no viscosos

14.0/ w puede tomarse como 1.0.

2. Coeficiente de pelcula para el aceite (tubo interior)rea de flujo = 4/2Dap

D= dimetro interno del tubo internoVelocidad msica = pAcp amG /

Acm : Flujo de masa del aceite.

p

p

DG(Re) Ecuacin 7

= viscosidad a la temperatura calrica.

A partir de la figura 24 del apndice del libro Procesos de Transferencia de Calor deDonald Q. Kern. Se determina:

14.03/1 /// wiH KCKDhj Ecuacin 8Se calcula ahora:

3/1/KC y 14.0/ w Ecuacin 9C, ,K: Se determinan a la temperatura calorica.

w : Se determina a la temperatura de pared.

Se despeja ih y se corrige para obtener ioh mediante la ecuacin:

DEDIhh iio / Ecuacin 10

ioh = coeficiente de pelcula referido al dimetro exterior.DI= dimetro internoDE= dimetro externo.

3. Coeficiente de pelcula para el agua (anulo)

rea de flujo = 4/2122 DDaa D2 = dimetro interno del tubo exterior.D1 = dimetro externo del tubo interior.Velocidad msica = aaa amG / .

ma = flujo de masa de agua.

ae

a

GD(Re) Ecuacin 11

De = dimetro equivalente.

1

2

1

2

2 )(*4

D

DD

umedoperimetroh

oareadeflujDe

Ecuacin 12

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= viscosidad del agua a la temperatura media

A partir de la figura 24 del apndice del libro de Donald Kern se calculaHj .

El coeficiente de pelcula del agua ser:

14.03/1 /// weHo KCDKjh Ecuacin 13

4. Coeficiente de pelcula para el vapor en la seccin de calentamiento:Como no es posible medir la temperatura de la pared del tubo en este equipo, esta se calculamediante la siguiente ecuacin:

asoio

o

aw TThh

hTT

Ecuacin 14

Ta = temperatura media del fluido fro.

Para el calulo anterior puede suponerse un valor adecuado del coeficiente de pelicula oh

para el vapor de agua de .../1500 2 FpiehBTU Se utilza la ecuacion de Nusselt para condensacion laminar tipo pelicula sobre la superficiede un tubo horizontal:

25.03

725.0

DTT

Khgh

wsL

fgvLL

o

Ecuacin 15

Donde:g = aceleracin de la gravedad

L = densidad del condensado a sT v = densidad del vapor a sT

sT = temperatura de saturacin del vapor

wT = temperatura de pared del tubo

fgh = entalpa de condensacin

K = conductividad trmica del liquido a sT

L = viscosidad del condensado a sT

D = dimetro exterior del tubo.5.5 Coeficiente Global limpio.

ohio

oio

ch

hhU

.

Ecuacin 16

Coeficiente de diseo DU :

tA

QUD

. Ecuacin 17

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Q = flujo de calor transferido en el intercambiador.A = rea total de transferencia de calor

LDEA Ecuacin 18DE= diametro externo del tubo interno

L= longitud total del intercambiador.t = diferencia media logartmica de temperatura.

5.6. Factor de suciedad ( dR ) combinado.

Dc

Dc

dUU

UUR

.

Ecuacin 19

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6. FORMATO DE TOMA DE DATOS: PRACTICA INTERCAMBIADOR DECALOR DE TUBOS CONCNTRICOS.

ACEITE AGUA

Tiempo(minutos) TEMPERATURA (C)T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11

Tabla 2. Temperaturas del aceite y del agua en estado transitorio.

PRESIN DEL VAPOR DE AGUA (PSI): _______CAUDAL DEL AGUA (G.P.M.): _______CAUDAL DEL ACEITE. (G.P.M.): _______SECCIN DECALENTAMIENTO

Temperatura del fluidocaliente. (vapor de agua) (C)

Temperatura del fluido fro.(aceite) (C)

T entrada T salida T entrada T salidaTubo 1 T12: T13: T1: T2:SECCIN DE

ENFRIAMIENTO

Temperatura del fluido

caliente. (aceite) (C)

Temperatura del fluido fro.

(agua) (C)T entrada T salida T entrada T salidaTubo 2 T2: T3: T10: T11:Tubo 3 T3: T4: T9: T10:Tubo 4 T4: T5: T8: T9:Tubo 5 T5: T6: T7: T8:

Tabla 3. Temperaturas en estado estable.

PROFESOR: __________________________ GRUPO No._______ FECHA: D___M___A___COPIA DE ESTE FORMATO DEBE SER ENTREGADO AL PROFESOR AL FINALIZAR LA PRCTICA.

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7. CARACTERSTICAS A OBTENER.

1) Dibuje una grafica de temperatura vs longitud para todo el intercambiador.

2) Haga un balance de energa del intercambiador para la seccin de calentamiento al igual

que para la seccin de enfriamiento.3) Determine la diferencia media logartmica (MLDT) para los dos intercambiadoresestudiados.

4) Obtenga los coeficientes de pelcula para ambos intercambiadores.

5) Determine los coeficientes globales de transferencia para los dos intercambiadores.

6) Calcule el factor de suciedad (Rd) combinado, y compare los coeficientes obtenidos conlos suministrados en la literatura.