ndice1.OBJETIVOS31.1.OBJETIVO GENERAL31.2.OBJETIVOS ESPECFICOS32.RESUMEN33.INTRODUCCIN44.FUNDAMENTO TERICO44.1.INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA44.2.COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR64.3.DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGARTMICA64.4.RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO64.5. DISEO Y CALCULO DE UN INTERCAMBIADOR DE CARCASA Y TUBO 1-2 (METODO KERN).65.EQUIPOS,INSTRUMENTOS Y MATERILAES76.PROCEDIMIENTO87.CALCULOS Y RESULTADOS118.CONCLUSIONES159.BIBLIOGRAFA15

CLCULO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA

1. OBJETIVOS1.1. OBJETIVO GENERALAnalizar la transferencia de calor entre agua fra y vapor de agua caliente a diferentes temperaturas en un intercambiador de tubos y coraza en la configuracin en contracorriente, determinndose as los coeficientes globales de transferencia de calor sucio y limpio del sistema para el intercambiador de calor en las configuraciones contracorriente.1.2. OBJETIVOS ESPECFICOS Familiarizarse con la primera versin realizada del diseo de intercambiadores, realizar los ajustes pertinentes e implementar los mdulos necesarios. Medir las temperaturas de entrada y de salida de los lquidos que fluyen a travs de los tubos y de la coraza; y el caudal de dichos lquidos. Calcular la resistencia al ensuciamiento del intercambiador para esta configuracin. Realizar la evaluacin y el diseo de intercambiadores de carcasa y tubo por el mtodo de Kern Calcular la cada de presin del sistema, por los tubos y por la coraza, en la configuracin en contracorriente

2. RESUMENLos intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre s. En la prctica, los intercambiadores de calor son de uso comn en una amplia variedad de aplicaciones, desde los sistemas domsticos de calefaccin y acondicionamiento del aire hasta los procesos qumicos y la produccin de energa en las plantas grandes. Losintercambiadores de calor difieren de las cmaras de mezclado en el sentido de que no permiten que se combinen los dos fluidos que intervienen. En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender conveccin en cada fluido y conduccin a travs de la pared que los separa. En el anlisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente total de transferencia de calor U que toma en cuenta la contribucin de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razn de la transferenciade calor entre los dos fluidos en un punto dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, la cual vara a lo largo de dicho intercambiador.

3. INTRODUCCINLa aplicacin de los principios de la transferencia de calor al diseo de un equipo destinado a cubrir un objetivo determinado en ingeniera, es de capital importancia, porque al aplicar los principios al diseo, el individuo est trabajando en la consecucin del importante logro que supone el desarrollo de un producto para obtener provecho econmico. A la postre, la economa juega un papel clave en el diseo y seleccin de equipos de transferencia de calor, y el ingeniero debera tener esto en cuenta al abordar cualquier problema nuevo de diseo de transferencia de calor. El peso y el tamao de los cambiadores de calor empleados en el espacio o en aplicaciones aeronuticas son parmetros fundamentales, y en estos casos, las consideraciones sobre los costes de material y fabricacin del cambiador de calor quedan frecuentemente subordinados a aqullos; sin embargo, el peso y el tamao son factores de coste importantes dentro de la aplicacin global en estos campos, y deben seguir considerndose, por tanto, como variables econmicas. Cada aplicacin en particular dictar las reglas a seguir para obtener el mejor diseo en relacin a consideraciones econmicas, de tamao, de peso, etc. Un anlisis de todos estos factores va ms all del alcance de la presente discusin, pero es bueno recordar que en la prctica, todos ellos deben tenerse en cuenta. Esta discusin sobre cambiadores de calor adoptar la forma de un anlisis tcnico; esto es, se destacarn los mtodos que predicen el funcionamiento de los cambiadores de calor, junto con una discusin sobre los mtodos que pueden emplearse para estimar el tamao y tipo de cambiador de calor necesario para realizar una tarea en particular.

4. FUNDAMENTO TERICOLos procesos de transferencia de calor son, sin duda alguna, uno de los problemas ms importantes a resolver en el campo de la Ingeniera. A continuacin se presentan los conceptos que describen el funcionamiento bsico de los intercambiadores de calor, sus principales caractersticas, clculo y diseo entre otros. 4.1. INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZAUn intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes evitando que se mezclen entre s.Quizs el tipo ms comn de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales sea el de tubos y coraza, mostrado en la figura 1. Estos intercambiadores de calor contienen un gran nmero de tubos (a veces varios cientos) empacados en una carcaza con sus ejes paralelos al de ste. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de stos, pasando por la coraza. Es comn la colocacin de desviadores en la coraza para forzar al fluido a moverse en direccin transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia de calor, y tambin para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos. Apesar de su extendido uso no son adecuados para utilizarse en automviles y aviones debido a su peso y tamao relativamente grandes. Ntese que en un intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales, que se encuentran en ambos extremos de la carcaza o envolvente, en donde el fluido del lado de los tubos se acumula antes de entrar y salir de ellos.

Fig. 1

Los intercambiadores de tubos y coraza se clasifican todava ms segn el nmero de pasos que se realizan por la coraza y por los tubos. Por ejemplo, los intercambiadores en los que todos los tubos forman una U en la coraza se dice que son de un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. De modo semejante, a un intercambiador que comprende dos pasos en la coraza y cuatropasos en los tubos se le llama de dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos (Figura 2 y Figura 3).Para asegurarse de que el fluido del lado de la carcasa circule transversalmente a los tubos, ocasionando as una mayor transferencia de calor, se colocan en la carcasa unos deflectores, como se muestra en la figura. Dependiendo del montaje de entrada en los extremos del cambiador, se pueden utilizar uno o ms pasos de tubos.

Fig. 2 Un paso por la coraza y dos pasos por los tubos

Fig. 3 Dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos

Un tipo innovador de intercambiador de calor que ha encontrado un amplio uso es el de placas y armazn (o slo de placas), el cual consta de una serie de placas con pasos corrugados y aplastados para el flujo . Los fluidos caliente y fro fluyen en pasos alternados, de este modo cada corriente de fluido fro queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo que da por resultado una transferencia muy eficaz de calor. Asimismo, este tipo de intercambiadorespueden crecer al aumentar la demanda de transferencia de calor sencillamente montando ms placas. Resultan muy apropiados para aplicaciones de intercambio de calor de lquido hacia lquido, siempre que las corrientes de los fluidos caliente y fro se encuentren ms o menos a la misma presin.

Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador, las diferencias dependen de la distribucin de configuracin de flujo y de los aspectos especficos de construccin. En cuanto al primer punto, se puede encontrar intercambiadores con flujo paralelo y en contracorriente, y en cuanto a los detalles de construccin existen intercambiadores de paso mltiple, se clasifican por el nmero de pasos por el casco y por el nmero de pasos por los tubos, estos pasos son pares y la configuracin de flujo es siempre en contracorriente. A continuacin se presenta en la Figura 4 y Figura 5 una representacin de las configuraciones en paralelo y en contracorriente.

Fig. 4 Flujo en Contracorriente Fig. 5 Flujo en paralelo

En donde y representan las temperaturas de entrada y de salida del fluido caliente, mientras que y son las temperaturas de entrada y salida del fluido fro.

Entre sus principales ventajas se encuentran las siguientes: Amplio rango de diseo y condiciones de operacin. Son muy usados cuando se requieren grandes superficies de transferencia de calor. Pueden ser construidos de diversos materiales. Son de fcil desmantelamiento y limpieza.

CRITERIOS DE DISEO PARA INTERCAMBIADORES DE CARCASA Y TUBO:

La construccin de un intercambiador de carcasa y tubo, depende de ciertos parmetros de diseo, los cuales facilitan la seleccin del intercambiador ms ptimo a utilizar. Entre los parmetros ms importantes se tienen los siguientes:

Las carcasas hasta 24 pulg. de dimetro IPS se fabrican en tubos de acero. Las carcasas mayores de 24 pulg. de dimetro se fabrican con placas de acero roladas. En el apndice 10 se pueden apreciar diferentes dimetros para carcasas. Entre 12 y 24 pulg. el dimetro exterior y el dimetro nominal del tubo son los mismos.

Las longitudes de los tubos ms usuales en la prctica industrial corresponden a 8, 12, 14, 16 y 20 pies, siendo las ms recomendadas las de 16 y 20 pies, ya que las mismas hacen menos dificultoso el mantenimiento.

El espesor estndar para carcasas con dimetros interiores de 12 a 24 pulg. es de 3/8 pulg, lo que satisface hasta 300 psi. Los tubos para intercambiadores de calor tambin se conocen como tubos para condensador, y se encuentran disponibles en varios metales como el acero, cobre, admiralty, metal muntz, latn, cobre-niquel, aluminio-bronce y acero inoxidable como los principales.

Otra caracterstica de los tubos es que presentan una gran variedad de tamaos. Enel Apndice 11 se enlistan los tamaos de tubo que generalmente estn disponiblespara el diseo de intercambiadores de calor.

El arreglo entre los tubos es un parmetro importante para el diseo deintercambiadores. Las configuraciones bsicas ms usadas son el arreglo triangular(30), y el arreglo cuadrado (90) como se muestra en la Figura 15. Los arreglostriangulares pueden acomodar mayor cantidad de tubos que los cuadrados, ademsde producir mayor turbulencia y por lo tanto, mayores coeficientes de transferenciade calor.

Por otra parte, la menor distancia entre dos centros de tubos adyacentes se denominaespaciado de los tubos. Para arreglos triangulares, las normas TEMA (Standard ofthe Tubular Exchangers Manufacturers Association) especifican un espaciadomnimo de 1,25 veces el dimetro externo de los tubos. Para arreglos cuadrados, serecomienda una distancia mnima de de pulg. para acceso de limpieza. En elApndice 12 se encuentran los diferentes tipos de arreglos para diversos dimetrosde tubo.

Los deflectores se colocan en ngulos rectos con los tubos, lo que provoca unaconsiderable turbulencia. Adems se usan para soportar los tubos y evitar fallas enellos por efectos de la vibracin. Los ms recomendados son los deflectores concortes entre 20 y 35 %, siendo los de 25 % los ms usados. Usualmente el espaciadode los deflectores no es mayor que una distancia igual al dimetro interior de lacarcasa, o menor que una distancia igual a un quinto de dimetro interior de lacarcasa [KERN, 1997].

La diferencia verdadera de temperatura para el proceso se suele determinarasumiendo la trayectoria del fluido (1-2, 1-4, 1-6, 1-8, 2-4), y empleandorepresentaciones grficas se determina el factor de correccin de la temperaturamedia logartmica, el cual debe estar por encima de 0,75 para obtener una arreglosatisfactorio.

4.2. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOREn el anlisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combinar todas las resistencias trmicas que se encuentran en la trayectoria del flujo de calor del fluido caliente hacia el fro en una sola resistencia R y expresar la razn de la transferencia de calor entre los dos fluidos como

en donde U es el coeficiente total de transferencia de calor, cuya unidad es W/m2 C, la cual es idntica a la unidad del coeficiente de conveccin comn,h. Cancelando T, la ecuacin 11-3 se convierte en

Cuando la pared del tubo es pequea y la conductividad trmica del material del mismo es alta, como suele ser el caso, la resistencia trmica de dicho tubo es despreciable (Rpared = 0) y las superficies interior y exterior del mismo son semejantes (Ai = Ao = As). Entonces la ecuacin 11-4 para el coeficiente de transferencia de calor total se simplifica para quedar

donde U _ Ui _ Uo. Los coeficientes de transferencia de calor por separado, de adentro y de afuera del tubo, hi y ho, se determinan aplicando las relaciones de la conveccin4.3. DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGARTMICAPara dos arreglos bsicos simples, como los mostrados en la Figura 4.1 o como los desarrollados en la presente prctica, la diferencia media logartmica viene dada por la siguiente ecuacin:4.4Donde es la variacin de temperatura a la entrada del intercambiador, mientras que es la variacin de temperatura a la salida del intercambiador. As, la diferencia involucra a las temperaturas de entrada y salida de los fluidos, cuyos valores pudieron ser fcilmente obtenidos.4.4. RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTOTras un perodo de funcionamiento, las superficies de transferencia de calor de un cambiador de calor pueden llegar a recubrirse con varios depsitos presentes en las corrientes, o las superficies pueden corroerse como resultado de la interaccin entre los fluidos y el material empleado en la fabricacin del cambiador de calor. En cualquiera de los casos, esta capa supone una resistencia adicional al flujo de calor y, por tanto, una disminucin de sus prestaciones. El efecto global se representa generalmente mediante un factor de suciedad, o resistencia de suciedad, que debe incluirse junto con las otras resistencias trmicas para obtener el coeficiente global de transferencia de calor. Los factores de suciedad se tienen que obtener experimentalmente, mediante la determinacin de los valores de U del cambiador de calor, tanto en condiciones de limpieza como de suciedad. El factor de suciedad se define entonces

En la Tabla 10.2 se ofrece una lista abreviada de valores recomendados del factor de suciedad de varios fluidos:

4.5. DISEO Y CLCULO DE UN INTERCAMBIADOR DE CARCASA Y TUBO 1-2 (MTODO KERN)A continuacin se presentarn una serie de ecuaciones que se combinarn para bosquejar la solucin de un intercambiador de calor de carcasa y tubo tipo 1-2 (un solo paso de carcasa por dos pasos de tubera), debido a que ste representa la configuracin base y la ms sencilla de este tipo de intercambiadores, adems de destacar que esta solucin tambin es vlida para configuraciones 1-4, 1-6 y 1-8 [KERN, 1997]. El clculo se realizar por el mtodo Kern, donde las temperaturas del flujo caliente y el flujo fro se representan por letras maysculas y minsculas respectivamente, al igual que las propiedades fsicas de los fluidos, para eliminar la necesidad de una nueva nomenclatura.Antes de comenzar el clculo, las condiciones de proceso requeridas para ambos fluidos son: Temperaturas de entrada y salida. Flujos msicos. Capacidades calorficas. Conductividades trmicas. Densidades. Viscosidades. Cadas de presin permisibles. Factores de obstruccin o ensuciamiento. Dimetros de las tuberas.Adems deben conocerse los siguientes datos:

Por el lado de la carcasa: Nmero de pasos. Arreglo y disposicin de los tubos. Espaciado entre los centros de los tubos.

Por el lado de los tubos: Longitud de los tubos. Dimetro Externo. BWG (espesor de la pared del tubo).

Una vez obtenidos estos datos, se procede a calcular el intercambiador de carcasa y tubo realizando los siguientes pasos [KERN, 1997]:

5. Equipos, instrumentos y materiales: EQUIPOS:Intercambiador de doble tubo y coraza

Est formado por una coraza y por multitud de tubos. Se clasifican por el nmero de veces que pasa el fluido por la coraza y por el nmero de veces que pasa el fluido por los tubos.

Un tanque a presin

Es un contenedor estanco diseado para contener fluidos (gases o lquidos) apresionesmucho mayores que la presin ambiental.

Instrumentos:Termmetro

Untermmetro constan de un bulbo de vidrio que incluye un pequeo tubo capilar; ste contiene mercurio (u otro material con alto coeficiente de dilatacin), que se dilata de acuerdo a la temperatura y permite medirla sobre una escala graduada.

Probeta

Materiales :Lea

Laleaes lamaderautilizada para hacerfuego debido a su poder calorfico que contiene

6. Procedimiento:

7. Clculos y resultados:

8. CONCLUSIONES:Comparando entre la configuracin en contracorriente y la configuracin en paralelo, se observa en la Tabla 8.6 que la cada de presin, ya sea por el lado de los tubos o por el lado de la coraza, es mayor para el rgimen en paralelo, lo que demuestra una vez ms que, aunque dichas cadas de presin no son considerables, la configuracin en contracorriente es ms eficiente.Las incrustaciones en el intercambiador de calor hacen que la resistencia al ensuciamiento presente un valor negativo, lo que indica que en las condiciones actuales este equipo ya no tiene capacidad de soportar incrustaciones.

El intercambiador de tubos y coraza que se dispone en el laboratorio es ineficiente, lo que hace que el fluido caliente no se enfre significativamente. Sin embargo, se evidencia que la configuracin en contracorriente es ms eficiente que la configuracin en paralelo.

Pese a su ineficiencia, se logr demostrar experimentalmente que el intercambiador de calor de tubos y coraza en contracorriente es ms eficiente (o menos ineficiente) que el intercambiador de calor de tubos y coraza en paralelo.

El mtodo Kern para el diseo y evaluacin de intercambiadores de carcasa y tubo es satisfactorio, obtenindose desviaciones entre un 5% y un 15%, que se encuentran dentro del margen de error permisible.

9. BIBLIOGRAFA: HOLMAN, J.P., Transferencia de Calor, McGraw Hill Editores, octavo edicin (1era en espaol), Espaa, 1998, 484 pp.

RUIZ, M., Seleccin y Diseo Industrial de Intercambiadores de Calor, Instituto de Petrolqumica Aplicada, Universidad Politcnica de Barcelona, 1980, 305 pp.

Transferencia de calor y masa 4ta edicin Yunus A. Cengel.

KERN, Donald, Transferencia de Calor, primera edicin, Compaa editorial Continental S.A., Mxico D.F., Mxico, 1999, pp. 131 159

GARCA, F., Desarrollo de un Procedimiento de Clculo para el Diseo y Evaluacin Trmica de Intercambiadores de Calor del tipo Carcasa y Haz de Tubos, Trabajo Especial de Grado, Universidad Central de Venezuela, Escuela de Ingeniera Mecnica, Caracas, 1992.