INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CAMISA E INTERCAMBIADOR DE CALOR DE SERPENTÍN

Alumnos: Cervantes Álvarez ArturoCovarrubias Márquez Alfredo GeraldyJuárez Casildo ValeriaMartínez Mariel Luis Alberto

GRUPO: 3IM33 EQUIPO: 6

México Distrito federal a 22 de enero de 2015

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CAMISA E INTERCAMBIADOR DE CALOR DE SERPENTÍN

OBJETIVOS

Determinar la eficiencia térmica de los equipos. Determinar el comportamiento del equipo tomando en cuenta las condiciones de

operación. Analizar qué intercambiador de calor es más eficiente, trabajando en las mismas

condiciones de operación. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental y teórico.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA

Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de energía calorífica entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. En la práctica, estos aparatos son de uso común en una amplia variedad de aplicaciones desde los sistemas domésticos de calefacción hasta los procesos químicos y la producción de energía en las plantas.

En un intercambiador, la transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido a través de la pared que los separa. En los análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un Coeficiente global de transferencia de calor U que toma en cuenta la contribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La velocidad de la transferencia de calor entre los dos fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador. Por otro lado, dentro de éste análisis es conveniente trabajar con la Diferencia media logarítmica, la cual es una diferencia equivalente entre los fluidos por todo el intercambiador.

Intercambiador de Calor de Camisa

Se denomina chaqueta al encamisado o cubierta extra de un recipiente; en un espacio anular generalmente concéntrico entre la pared exterior del recipiente y el interior de la camisa. Esta clase de arreglo asegura la transferencia de calo máxima del recipiente; los materiales de uso más común son el acero al carbón, acero inoxidable y níquel. Estos equipos son un tanto económicos; sin embargo e asegura que son bastante menos eficientes que los serpentines, además de que tienen un alto costo inicial, a medida de que pasa el tiempo, resulta bastante complicado ingresar al interior de la camisa para que esta sea limpiada. Aunado a ello este tipo de intercambiador no se ocupa en grandes volúmenes.

Intercambiador de calor Serpentín

Consiste en un serpentín colocado en un recipiente por el que circula agua de enfriamiento. El serpentín sumergido es una buena solución rápida y económica a necesidades no previstas de intercambio, aunque también existen muchos sistemas que lo utilizan de forma permanente. Sus principales aplicaciones se hacen en el enfriamiento de gases a alta presión y cuando se tiene interés en detectar fugas en forma sencilla

El efecto de ensuciamiento puede ser grave, por lo que la resistencia controlante estará del lado externo, en este caso se deberá asumir un valor de resistencia de ensuciamiento no menor de 0.01 con lo cual el coeficiente global U será menor de 100.

A menudo se puede mejorar mucho el coeficiente aplicando agitación, en este caso se deberá hacer uso de correlaciones especiales.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Verificar que todas las válvulas estén cerradas.

Abrir la válvula de alimentación de agua. Abrir las válvulas de alimentación a los tanques de camisa y serpentín. Energizar el tablero de control. Accionar la bomba del intercambiador. Regular el flujo de salida de agua de los intercambiadores de calor. Abrir las válvulas del intercambiador a los enfriadores. Abrir la línea de vapor de manera inversa de la descarga a la alimentación. Alimentar vapor a los intercambiadores, abriendo purga. Fijar la presión a +/- 0.5 kgf/cm2

Observar el mecanismo de convección natural en cada equipo. Tomar las lecturas de temperatura cuando se llegue a un régimen permanente. Cerrar la alimentación de vapor y toda la línea de vapor. Dejar enfriar los equipos.

CÁLCULOS DE LA PRÁCTICA

Tabla de datos experimentales (serpentín)

Lectura del termoparesTermopar 1Entrada de

vapor

Termopar 2Salida de

Vapor

Termopar 3Entrada de

agua

Termopar 4Salida de agua

Termopar 5

105 44 29 33 19104 45 30 34 19104 45 30 34 19104 45 29 34 19

Secuencia de Cálculos

1) Calculo de gasto masa de agua

Gma=Gv∗ρa ρa30℃=995,71 Kgm3

Gv=15

lmin

∗60min

1h∗1m3

1000 l=0.9

m3

h

Gma=0.9m3

h∗995.71 Kg

m3 =896.139Kgh

2) Calculo del gasto masa del condensado

Gv vc=Vθ

=980ml91 s

=10.7692

mls

∗3600 s

1h∗1m3

106ml=0.038

m3

h

3) Calculo del gasto masa del condensado

Gmvc=Gv vc∗ρ vc ρac 45℃=990,22 Kgm3

Gmvc=0.038m3

h∗990.22 Kg

m3=37.6284 Kg

h

4) Calculo del calor ganado o absorbido por el agua (Qa)

Qa=Gma∗Cp∗(t 2−t 1)en dondeCp=1KcalKg℃

Qa=896.139Kgh

∗1 KcalKg℃

∗(34−29.5 )℃=4032.63 Kcalh

5) Calculo del calor concedido

P=0.5Kg

cm2 ≈0.49 ≈̄0.5→̄ λ=2305.4

KjKg

∗1Kcal

4.18Kj=551.52

KcalKg

Qv=Gmvc∗λ=37.6284Kgh

∗551.52 KcalKg

=20752.8 Kcalh

6) Calculo de la eficiencia térmica del equipo

η=Q a

Q v

∗100=4032.63

Kcalh

20752.8Kcalh

∗100=19.4317%

7) Calculo de la diferencia de temperatura∆T=T v−t 2=(104−45 )℃=59℃

8) Calculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental

U exp=Qa

A∗∆Ten donde A para serpentin es0.516m2

U exp=4032.63

Kcalh

0.516m2∗59℃=132.461

Kcal

m2∗h∗℃

Coeficientes de Película interior y exterior

9) Temperatura de superficie (T ¿¿

T ¿=T v+t22

=(104+34)℃

2=69℃

10)Calculo de los coeficientes de Película Interior

hi=1.51∗(4Gmv

0.5 Lsμ)−( 13)∗( k3∗ρ2∗gμ2 )(

13)∗(1+3.5 disds )

En donde:

Ls=10m, μagua=1.296Kgmh

,kaguaa52℃=0.543 Kcalhm℃

, g=1.271376 x 108 m

h2 ,

ρagua a34℃=994.43 Kgm3 , dis=0.0134m , ds=0.305m

Sustituyendo valores:hi=1.51∗¿¿

hi=¿13973.3Kcal

hm2℃

11)Calculo de la temperatura de superficie( T f)

∆T=T v−T ¿=104℃−69℃=35℃T f=T v−0.75∆T=104℃−0.75 (35℃ )=77.75≈78℃

12)Calculo del coeficiente de Película Exterior

he=0.87 kDs

¿ (L2 ρNμ

)0.478

∗(Cp μk

)1 /3

∗( μμs

)0.14

En donde:

Ds=0.375m,kagua a52℃=0.543 Kcalhm℃

, ρaguaa34℃=994.43 Kgm3

,

N=27800 rph ,μagua=1.296Kgmh

, μc=1.328Kgmh

,Cp=1 kcalKg °C

, L=0.14m

Sustituyendo valores:

he=0.870.543

Kcalhm℃

0.375m¿ (0.14m2∗994.43 Kg

m3∗27800 rph

1.296Kgmh

)

0.478

∗(1kcalKg°C

∗1.296 Kgmh

0.543Kcalhm℃

)

1/3

∗(1.296

Kgmh

1.328Kgmh

)

0.14

he=816.032 Kcal

hm2℃

13)Calculo de la temperatura de pared (tp)

tp=t v+ t22

tp=45+342

=39.5 °C

14)Calculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico

U teo=1

dehidi

+edeKdm

+1he

U teo=1

0.0159m

13973.3Kcal

hm2℃∗0.0134m

+0.00125m∗0.00159m

96Kcalhm℃

∗0.305m+

1

816.032Kcal

hm2℃

U teo=763.11Kcal

hm2℃

15)Calculo de la desviación porcentual (%D) de los coeficientes experimentales

%D=U teo−U exp

U teo

∗100comoel valor deuexpes mayor seinvertiran

%D=763.11

Kcal

hm2℃−132.461 Kcal

m2h℃

763.11Kcalhm2℃

∗100=82.642%

Tabla de datos experimentales (Camisa)

Lectura del termoparesTermopar 1Entrada de

vapor

Termopar 2Salida de

Vapor

Termopar 3Entrada de

agua

Termopar 4Salida de agua

Termopar 5

103 67 20 52 25102 76 20 52 21102 72 20 52 19102 69 20 52 19102 67 20 52 19

Secuencia de Cálculos

1) Calculo de gasto masa de agua

Gma=Gv∗ρa ρa20℃=998.29 Kgm3

Gv=11.6

lmin

∗60min

1h∗1m3

1000 l=0.696

m3

h

Gma=0.696m3

h∗998.28 Kg

m3=694.80Kgh

2) Calculo del gasto masa del condensado

Gv vc=Vθ

=918ml16.6 s

=55.30

mls

∗3600 s

1h∗1m3

106ml=0.19908

m3

h

3) Calculo del gasto masa del condensado

Gmvc=Gv vc∗ρ vc ρac 70℃=977.63 Kgm3

Gmvc=0.19908m3

h∗977.63 Kg

m3=194.63Kgh

Nota: Se tomara el Gmvc=50Kg

m3 para corregir un error debido a que una válvula de

condensado estaba abierta cuando no debería haber estado abierta4) Calculo del calor ganado o absorbido por el agua (Qa)

Qa=Gma∗Cp∗(t 2−t 1)en dondeCp=1KcalKg℃

Qa=694.80Kgh

∗1 KcalKg℃

∗(52−20 )℃=22233.6 Kcalh

5) Calculo del calor concedido

P=0.5Kg

cm2 ≈0.49 ≈̄0.5→̄ λ=2305.4

KjKg

∗1Kcal

4.18Kj=551.52

KcalKg

Qv=Gmvc∗λ=50Kgh

∗551.52 KcalKg

=27576 Kcalh

6) Calculo de la eficiencia térmica del equipo

η=Qa

Q v

∗100=22233.6

Kcalh

27576Kcalh

∗100=80.62%

7) Calculo de la diferencia de temperatura∆T=T v−t 2=(102−52 )℃=50℃

8) Calculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental

U exp=Qa

A∗∆Ten donde A para camisaes 0.67m2

U exp=22233.6

Kcalh

0.67m2∗50℃=663.69

Kcal

m2∗h∗℃

Coeficientes de Película interior y exterior

9) Temperatura de superficie (T ¿¿

T ¿=T v+t22

=(102+52)℃

2=77℃

10)Calculo de los coeficientes de Película Interior

hi=0.36∗kDc

∗( L2∗ρ∗Nμ )0.52

∗(Cp∗μk )13∗( μμc )

0.14

En donde

μa t 2=52℃=1.9044 Kgmh

,μcatsup=77℃=1.3284 KgmH

y kagua a52℃=0.553112 Kcalhm℃

ρagua a52℃=987.09 Kgm3

hi=0.36∗0.553112 Kcal

hm℃0.375m

∗( (0.14m )2(28200 1h )(987.09 Kgm3 )1.9044

Kgmh

)0.52

∗( 1.9044Kgmh

∗1 KcalKg℃

0.553112Kcalhm℃

)13

∗( 1.9044Kgmh

1.3284KgmH

)0.14

=580.31 Kcalhm2℃

11) Calculo de la temperatura de superficie( T f)

T ¿=T v+t22

=(102+52)℃

2=77℃

∆T=T v−T ¿=102℃−77℃=50℃T f=T v−0.75∆T=102℃−0.75 (77℃ )=44.25≈ 44℃

12)Calculo del coeficiente de Película Exterior

he=1.13( k 3ρ2 λ∗gμL∆T )0.25

En donde:

ρaT f=990.64 Kg

m3k aT f

=0.546904 Kcalhm℃

μT f=2.1852 Kg

mhg=1.271376 x108 m

h2

he=1.13( (0.546904Kcalhm℃ )

3

(990.64 Kgm3 )2

(551.52 KcalKg )(1.271376 x108 mh2 )2.1852

Kgmh

∗0.5m∗50℃ )0.25

he=2910.01 Kcal

hm2℃13)Calculo del coeficiente global de transferencia de calor teorico

U teo=1

dehidi

+edeKdm

+1he

U teo=1

0.385m

580.31Kcal

hm2℃∗0.375m

+0.005m∗0.385m

40Kcalhm℃

∗0.38m+

1

2910.01Kcal

hm2℃

U teo=446.537Kcal

hm2℃

14)Calculo de la desviación porcentual (%D) de los coeficientes experimentales

%D=U teo−U exp

U teo

∗100comoel valor deuexpes mayor seinvertiran

%D=663.69

Kcal

hm2℃−446.537 Kcal

m2h℃

663.69Kcalhm2℃

∗100=32.71%

ANALISIS DE RESULTADOS

Lo más importante son los coeficientes de película obtenidos que nos indican cuanta resistencia producen dichas películas y observando los resultados tenemos que los coeficientes del equipo son mayores lo que hace que tengan una menor resistencia al flujo de calor debido a que se forma una mayor área de transferencia de calor lo que hace que el equipo de serpentín sea el mejor a la hora de transferencia de calor aunque el rendimiento obtenido no fue el esperado pero esto puede ser debido a las condiciones a las que se trabajó el equipo como las incrustaciones o que no estén totalmente aislados.

Los rendimientos fueron bajos y esto puede deberse a las condiciones del equipo o que la medición del condensado no se realizó correctamente, pero para el caso de camisa, hay que tomar en cuenta la válvula que estuvo abierta durante la recolección de condensado que no debía haber estado abierta durante la recolección.

La práctica podría mejorarse si también tomáramos el tiempo para ver cuál de los dos equipos es mucho más rápido para llegar al equilibrio, haciendo notar aún más el porqué de los coeficientes de transferencia de calor son tan diferentes.

OBSERVACIONES SOBRE EL DESARROLLO EXPERIMENTAL

Lo más importante que se tenía que hacer en ambos intercambiadores de calor, era ponerlos a régimen constante, ya que había que estar abriendo y cerrando diferentes válvulas, para de esta manera poder tomar las mediciones de la temperatura de una forma adecuada. En el equipo de serpentín no hubo mayor problema para llevar al régimen permanente, la única observación que se hizo fue: que las incrustaciones en el serpentín eran demasiadas, había una capa muy gruesa de sales.

En el equipo de camisa fue un poco más complicada la experimentación, ya que desde un principio en intercambiador de serpentín salía un flujo constante de condensado, por lo que nos podíamos dar cuenta de que todo iba bien… pero en el de camisa se tenía que dejar transcurrir un cierto tiempo para que el condensado se acumular y en cuanto empezara a salir, midiéramos el gasto volumétrico. Además una de las válvulas en este equipo estaba abierta y no debió haber sido así, ya que por ahí se escapaba el vapor y se obtenía un cálculo erróneo de gasto de condensado.

Cervantes Álvarez Arturo

Es importante mencionar que el equipo de intercambiadores de camisa y serpentín ha sido uno de los más difíciles de operar, no tanto porque se tengan que hacer cosas complejas, sino porque siempre hay que estar al tanto de cada equipo o tanque, por ejemplo a la hora de tratar de llegar a régimen permanente había que cuidar mucho la altura del volumen en los tanques, ya que cualquier descuido podría provocar proyecciones del agua, e incluso ocasionar accidentes.

Afortunadamente se pudieron estabilizar os dos equipos y llegar al régimen permanente, de donde se tomaron los datos experimentales. Como ya he mencionado, es muy importante estar al tanto de todo lo que se esta realizando debido a que si estas al tanto, sabes que tienes que hacer y que medidas vas a tomar para llegar a un resultado, en nuestro caso tuvimos un serio descuido a la hora de dejar abierta la una válvula que permite la salida del condensado (pero que no pasa por la trampa de vapor), por lo cual este hecho afecto de forma significativa nuestros cálculos para el equipo de camisa.

Covarrubias Márquez Alfredo Geraldy

A medida en que se llevaban a cabo las actividades correspondientes al desarrollo experimental, se presentaron diferentes situaciones que vale la pena mencionar y que definitivamente de alguna u otra forma afectan en nuestra experimentación; en primera instancia tenemos el hecho de que cada uno de los equipos, en especial serpentín presentaban grandes cantidades de incrustación, lo cual se vuelve una resistencia que impide una transferencia de calor eficiente. Aunado a ello, se cometió el error de abrir la

válvula de la trampa de vapor cuando se experimentaba con camisa, provocando que el vapor se quedara atrapado ahí y se condensara junto con el que salía del condensador y debido a ello se tomó erróneamente el valor del gasto volumétrico del condensado.

Por otro lado fue posible percatarse de que el equipo de serpentín llegó de forma más rápida a régimen permanente en comparación con el de camisa pues fueron necesarias varías lecturas hasta que dejara de cambiar, definitivamente en ese experimento, controlar el flujo fue algo complicado. Finalmente, al momento de abrir la purga de la camisa me di cuenta de que la camisa no tiene 100% de vapor sino que también llega a tener agua.

Juárez Casildo Valeria

Controlar el flujo de agua para mantenerlo a régimen permanente era un poco difícil de controlar y había que estar cuidando que tanto el tanque de serpentín o de camisa no se vaciaran o que el tanque de reflujo se quedara sin agua o se desbordara.

Las incrustaciones eran visibles en los equipos tanto de serpentín como de camisa.

Cuando se experimentó con la parte de camisa una de las válvulas por donde viajaba el condensado está abierta cuando no debería haberlo estado, lo que puede haber producido un error a la hora de la medición de condensado en el equipo de camisa.

Martínez Mariel Luis Alberto

CONCLUSIONES

Para el intercambiador de camisa, se puede concluir que el rendimiento fue alto debido a la corrección que se hiso al gasto del condensado, esto gracias a que una de las válvulas de la salida del condensado tenía que estar cerrada y no era así, por lo que el vapor no pasaba por la trampa de vapor y generaba un acumulado del condensado, es por eso que cuando el condensado salía de la tubería, lo hacía de una manera muy espontánea y brusca.

Ahora, haciendo el análisis de los coeficientes de película de ambos equipos, se puede notar que los del equipo de serpentín son mayores a los de camisa, esto no indica que: entre mayores sean los coeficientes calculados, menor va a ser oposición que estos tengan al intercambio de calor. Por lo que se puede llegar a la conclusión de que el serpentín es un equipo más eficiente. Esto resultaría no ser coherente ya que la desviación que resulta es muy elevada, pero esto debido a las incrustaciones tanto del

serpentín como del recipiente. De igual manera el área que está en contacto con al agua, es mayor en la camisa que en el serpentín

Otra conclusión pertinente es que: el coeficiente global de transferencia de calor de la camisa es mayor a la del serpentín, por lo que podemos concluir que también es un equipo muy eficiente y se podría utilizar a nivel industrial. Solo que es un poco más caro que el de serpentín.

Cervantes Álvarez Arturo

Resulto ser muy interesante el conocer nuevos equipos de trasferencia de calor (en este caso intercambiador de camisa e intercambiador de serpentín), puesto que además de utilizarlos con su finalidad básica que es calentar o enfriar un fluido, también podemos aprender su modo de operación y las variables que rigen su comportamiento las cuales son también muy comunes en los demás equipos de transferencia de calor, lo interesante aquí es aprender que comportamiento tienen dichas variables en este tipo de equipos.

Basándonos en los coeficientes de película de ambos equipos podemos deducir varias cosas. Los coeficientes de película influyen fuertemente en la transferencia de calor, debido que al ser más grande el coeficiente, mayor transferencia de calor habrá en dicho equipo. Sabiendo lo anterior y comparándolo con los resultados podemos ver que el equipo del intercambiador de serpentín tiene un coeficiente de película muy superior al de camisa, por lo cual podemos decir que las condiciones más optimas de transferencia de calor las podemos obtener del intercambiador serpentín.

Como también podemos ver en nuestros resultados, las desviaciones son quienes nos indican que muy probablemente hubo problemas en la experimentación, lo cual provoco un gran problema de eficiencia en los intercambiadores

Covarrubias Márquez Alfredo Geraldy

Realizando un análisis de todas las actividades y conceptos involucrados en esta práctica, me es posible concluir que debido a los resultados obtenidos, el equipo con mayor eficiencia en la transferencia de calor es el de camisa debido a que posee mayor área de transferencia en comparación con el equipo serpentín. Por otro lado hablando de coeficientes globales experimentales tenemos que el mayor valor de U lo obtuvo nuevamente el equipo de camisa, esto quiere decir que ofrece menor resistencia al flujo de calor, pues serpentín, debido a las incrustaciones presentaba una resistencia realmente grande. Desgraciadamente, los resultados no fueron los que esperábamos obtener ya que los porcentajes de desviación resultaron un poco altos.

En fin, bajo las condiciones en que se operaron los equipos, tenemos que el equipo más eficiente es el de camisa, sin embargo en la bibliografía se afirma que en la

industria el sistema de mayor uso y eficiencia es Serpentín, lo que me lleva a pensar lo siguiente:

Cada uno de los intercambiadores de calor tienen propiedades y características que los hacen muy útiles dentro de la industria dependiendo del uso que se le planee dar, pues cada uno de ellos puede resultar muy eficiente en diferentes situaciones, ya sea por los costos o por la seguridad que ofrece el equipo. Por último me gustaría resaltar la gran importancia que tiene el estudio de esta clase de equipos en nuestra preparación académica ya que el conocer sus propiedades, los casos en que uno resulta más eficiente que el otro y su funcionamiento termodinámico es necesario para cumplir con un concento crucial en la industria: LA OPTIMIZACIÓN.

Juárez Casildo Valeria

Analizando los resultados del equipo de camisa obtuvimos en rendimiento alto pero esto fue debido al cambio de gasto masa que se le dio como corrección debido a la falla de la válvula abierta lo que pudo haber producido una mala lectura de la cantidad de condensado que viajaba a través de la tubería ya que pudo haberse acumulado, lo que hacía que por momentos tardara en salir el condensado y en otros momentos saliera muy rápido produciendo este error.

Los valores de los coeficientes de película nos indican la resistencia a la transferencia de calor por lo que mientras más altos sean será menor la oposición a la transferencia por lo que el equipo de serpentín tiene menor resistencia lo que lo hace el mejor equipo de transferencia de calor y esto también es debido en parte a que el equipo de serpentín tiene un mayor área de transferencia lo que hace que el fluido interactúe con más área lo que ayuda a la transferencia de calor.

Los valores obtenidos de los coeficientes de películas interior y exterior están en el rango aceptable y bueno lo que ocasiona que estos valores no sean muy buenos son por la condiciones a las que trabaja nuestro equipo ya que no todo está aislado o totalmente aislado como donde está la camisa y el serpentín que no están tapados lo que produce que haya perdidas de calor en esas partes y de igual manera por las tuberías donde fluye el agua, además otros factores como el desgaste del equipo ya que no es nuevo o las incrustaciones que esta tiene pueden afectar mucho estos valores.

Martínez Mariel Luis Alberto

BIBLIOGRAFÍA

www.radiadoresgallardo.cl/topintercambiaodres.pdf

Cengel A. Transferencia de Calor.McGrawHill.. Segunda edición,México DF 2005.