Intercambiador de Calor de Doble Tubo

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA QUMICA

2015

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO

PROFESOR: Ing. MartinezGRUPO B:Horario: Lunes 4 - 10 pm

Chacn Meja Christian Raphael Chavez Huamani Damian Larios Flores,JuanEliott Leyva Meja Oscar Peje Matos John

TABLA DE CONTENIDO Pg.

1. Resumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Introduccion .. 5

3. Principios Teoricos 52. Detalles Experimentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1. Descripcin del Equipo Experimental 2.1. Descripcin del Procedimiento Experimental 3. Tablas de Datos, Resultados y Grficos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4. Ejemplo de Clculo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5. Discusin de Resultados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6. Conclusiones y Recomendaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 7. Bibliografa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

INDICE DE TABLAS

N Pg.

Tabla N1: Condiciones de trabajo en el laboratorio.

12

Tabla N2: Especificaciones del Intercambiador de Calor.

12

Tabla N3: Temperaturas Experimentales de los Fluidos a la presin de 5 Psi.

12

Tabla N4: Conversin de Unidades.

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Tabla N5: Entalpas para cada corrida en la Trampa de Vapor.

13

Tabla N6: Flujos Msicos para la Trampa de Vapor.

13

Tabla N7: Flujos Msicos para la Trampa de Vapor.

14

Tabla N8: Calor ganado por Fludo Caliente.

14

Tabla N9: Calor perdido al Medio Ambiente.

14

Tabla N10: Resultados de hi

14

Tabla N11: Obtencin del hio , MLDT y Rd

15

Tabla N12: Comparacin entre Qc, Qp y Qh

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NDICE DE GRFICOSN Pg.

Grfico N1: Comparacin entre Qc, Qp y Qh15

Grfico N2: Coeficientes de Pelculas ho Y hio para las diferentes corridas.16

Grfico N3: Coeficientes de Calor Limpio y Sucio (Uc y Ud)

16

RESUMEN

En el siguiente informe se observa el comportamiento de un fluido al intercambiar calor con otro fluido, el cual posee una temperatura ms elevada, de modo que se produce un intercambio de energa entre los fluidos, los cuales no se mezclan entre s.

El calor se puede transferir por tres mecanismos: o conduccin o conveccin o radiacin. En un intercambiador de calor de doble tubo, el fluido caliente circula por un tubo, descendiendo su temperatura desde un valor de entrada, Tentrada, hasta uno de salida, Tsalida, mientras que el fluido fro lo hace por el segundo tubo de manera coaxial, bien en el mismo sentido (corriente directa).

En las medidas del caso, se tomaron las temperaturas correspondientes y el valor de la presin que trabajo entre los dos fluidos que fue de 5 psi, variando los a caudales de 30, 45, 60 LPM, con 3 corridas para cada caudal.

Inicialmente optamos por la siguiente hiptesis: el intercambiador de calor es adiabtico, y por lo tanto, las prdidas al exterior son despreciables, lo cual resulta ser falsa, ya que por ejemplo en el caudal 30 LPM se da 10.37% de calor perdido al ambiente, teniendo como calor ganado por el fluido frio Qc = 103416.7498 BTU/h y calor perdido por el fluido caliente Qh = 115378.210 BTU/h

INTRODUCCIN

El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que estn a diferentes temperaturas y separados por una pared slida, ocurre en muchas aplicaciones de la ingeniera.El dispositivo que se utiliza para realizar este intercambio se denomina intercambiador de calor y las aplicaciones especficas se pueden encontrar en calefaccin de locales y acondicionamiento de aire, produccin de potencia, recuperacin de calor y algunos procesos qumicos.El intercambiador de calor utilizado fue el de doble tubo, que como su nombre indica consta de dos tubosconcntricos; por el tubo interior circula un fluido y por el espacio anular existente entrelos dos tubos, otro fluido. El flujo de los fluidos puede ser en paraleloo en contracorriente. ste ltimo presentageneralmente mayor eficacia trmica.Resultan tiles cuando son necesarios saltos trmicos muy elevados, cuando setrabaja a presiones elevadas o cuando el tamao del intercambiador es pequeo (caso deaplicaciones de laboratorio).Generalmente en el intercambio de calor entre un vapor y un lquido, el primero acta como el fluido caliente y el segundo como el fluido fro. As por parte del vapor intervienen dos formas diferentes de calor: calor latente relacionado con el cambio de estado del vapor a lquido, que sucede porque aqul pierde calor que cede al fluido fro y suele condensarse y el calor sensible relacionado con la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida del fluido caliente. El conjunto de los dos conceptos de calor forma el total de energa intercambiada. Si el vapor no llegara a condensarse todo el calor intercambiado sera sensible.

PRINCIPIOS TERICOSConceptos bsicosCALOR

Se define como aquella forma de energa que se transmite debido a una diferencia de temperatura que no puede ser medido ni observado directamente, ms no as sus efectos si son susceptibles a ser medidos y observados. TRANSFERENCIA DE CALOR

Es la transmisin de energa en forma de calor desde un cuerpo a otro de menor temperatura. As, la diferencia de temperaturas es la fuerza impulsora que causa el fenmeno de transmisin de calor. Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al recibidor, an cuando muchas de las aplicaciones en la ingeniera son combinaciones de dos o tres. Estas son: conduccin, conveccin, radiacin.Conduccin

Es el paso de calor a travs de un cuerpo sin desplazamiento visible de sus partculas. La energa se transmite de molcula a molcula a travs de la materia slida (transferencia molecular).

Conveccin

Es el paso de calor en el interior de un fluido por mezcla de las porciones a distintas temperaturas. La energa se transmite por el movimiento de fluidos que circulan debido a cambios de temperatura. Si el movimiento del fluido se debe a las diferentes densidades originadas por la variacin de temperaturas se trata de conveccin natural, o si el movimiento se activa por algn medio externo (sopladores, ventiladores, etc) se tratar de conveccin forzada.

Radiacin

Involucra la transferencia de energa radiante desde una fuente a un recibidor Se refiere a la transferencia de calor debida a la emisin y absorcin de energa sin contacto fsico. A diferencia de la conduccin o conveccin que dependen del contacto fsico para la transferencia de energa trmica, la radiacin depende de las ondas electromagnticas como un medio de transferencia de energa trmica.

Tipos De Intercambiadores De CalorNormalmente se clasifican con el arreglo del flujo y el tipo de construccin; los intercambiadores ms comunes son: el intercambiador de doble tubo y el intercambiador de coraza y tubos.Intercambiadores de doble tubo

Los intercambiadores de doble tubo son equipos construidos de dos tubos concntricos, Ts conectados, cabezal de retorno y codo de 180. La tubera interior est sostenida en la superficie exterior en una prensa estopa.

El intercambiador de doble tubo es extremadamente til, ya que se puede ensamblar en cualquier taller de plomera a partir de artes estndar, proporcionando superficies de transferencia de calor a bajo costo

CONEXIONES PARA INTERCAMBIADORES DE DOBLE TUBO

Tubo exterior IPSTubo interior IPS

21

2 1

32

43

Intercambiadores de Coraza y TubosEste equipo es utilizado cuando se requieren superficies grandes de transferencia de calor, ya que el uso de un gran nmero de horquillas de doble tubo consume considerablemente rea superficial, as como presentan un nmero considerable de puntos en los cuales puede haber fugas.Consta de un tubo exterior llamado coraza y un haz de tubos dentro de esta, los cuales presentan arreglo triangular o cuadrado, donde los fluidos caliente y fro se desplazan por el lado de la coraza y por el interior de los tubos, el calor fluye por las paredes de los tubos del fluido caliente al fro.

Clculo para un intercambiador de doble tubo

Los equipos de transferencia de calor se pueden calcular mediante una ecuacin general siguiente:

Coeficiente global U

Es costumbre sustituirse 1/U por R donde U es el coeficiente total de transferencia de calor y hiY ho deben referirse a la misma rea de flujo de calor ya que un tubo real tiene distintas reas por pie lineal tanto en su interior como en su exterior.Si se usa el rea exterior del tubo interno hidebe multiplicarse por (As/A) para dar origen a hio referido al rea mayor A.

El coeficiente global de transferencia de calor se define como suma de resistencias trmicas de conveccin y de conduccin como sigue:

La ltima ecuacin se puede relacionar al espesor del tubo:

La ecuacin (3) se simplifica despreciando la resistencia de la pared del tubo, dado que el espesor es pequeo y es construido de un material que tiene una conductividad trmica alto y por tanto buen conductor de calor.

El U de la ecuacin (4) se conoce como coeficiente global de transferencia de calor limpio.

Cuando el equipo opera por enfriamiento y calentamiento de fluidos, se depositan partculas slidas en las superficies. Estos incrementan la resistencia trmica por conduccin y en la ecuacin (5) se agrega un trmino para prevenir esta resistencia.

Coeficiente de pelcula para fluidos en tubosSieder y Tate, basados en los datos de Morris y Whitman, hicieron una correlacin posterior, tanto como para el calentamiento como enfriamiento de varios fluidos en tubos horizontales y verticales extendiendo sta para flujos turbulentos para nmeros de Reynolds mayores a los 10 000, esta ecuacin dio una desviacin media mxima de +15 y -10%.

Para flujo en dimetro exterior tenemos:Donde:

Donde:f,f,Kf,f : Calor latente de vaporizacin, densidad, conductividad trmica, viscosidad del fluido evaluados a temperatura TF.Tw : Temperatura de la pared del tubog : Aceleracin de la gravedaddo : Dimetro exterior del tubo interiorTf : Temperatura de pelcula Tc : Temperatura promedio de entrada y salida del fluido caliente

Diferencia media logartmica de temperaturasGeneralmente los fluidos experimentan variaciones de temperatura, que no son lneas rectas cuando las temperaturas se grafican contra longitudes.La diferencia de temperaturas es la fuerza motriz mediante la cual el calor se transfiere desde la fuente hacia el receptor. La direccin relativa de los fluidos influye en el valor de la diferencia de temperaturas.

Contracorriente

Paralelo

Temperatura de la pared del tuboEsta temperatura puede ser calculada a partir de las temperaturas calorficas cuando tanto hi como ho son conocidas, se considera que el tubo en su totalidad est a la superficie externa de la pared tw. Si la temperatura calorfica exterior es Tc y la temperatura calorfica interior es tc y l/Rio = hio= hi x (Ai/A) = hi x (DI/DE), donde el coeficiente io se refiere al valor del coeficiente dentro del tubo, referido a la superficie exterior del tubo.

Reemplazando las resistencias por coeficientes de pelcula

Resolviendo por tw:

Incrustaciones (Rd)Pasado cierto tiempo en operacin las superficies de transferencia de calor de un cambiador de calor pueden cubrirse con diversos depsitos presentes en los sistemas de flujo, o las superficies pueden oxidarse como resultado de la interaccin entre los fluidos y el material usado para la construccin del aparato. En ambos casos, esta capa representa una resistencia adicional al flujo de calor y tiene como resultado una reduccin en el rendimiento. El efecto total se representa casi siempre por medio de un factor de incrustacin o resistencia por incrustacin, Rf, que debe incluirse junto con las dems resistencias trmicas que forman el coeficiente de transferencia de calor total. Los factores de incrustacin deben obtenerse experimentalmente determinando los valores de U tanto para condiciones limpias como de incrustacin en el cambiador de calor. El factor de incrustacin se define por consiguiente como:

DETALLES EXPERIMENTALES

2.1 Materiales y Equipo

Intercambiador de calor de doble tubo. Balanza de tres brazos. 3 baldes Cinta mtrica. Cronmetro.

2.2 Descripcin del Equipo Experimental

Este intercambiador de calor esta hecho de tuberas de 1 y 2 pulgadas de dimetro y accesorios, estn acomodados de tal manera que el lquido que fluye a travs de la tubera interior puede ser calentada por medio de vapor o agua caliente que fluye a travs del equipo en direccin contracorriente.

2.3 Descripcin del Procedimiento Experimental

1. Poner en funcionamiento la caldera con el fin de generar vapor de agua que es necesario en el intercambiador.2. Abrir la vlvula de entrada del lquido de agua fra del intercambiador y regular el flujo en tres medidas: 60, 45 Y 30 LPM.3. Abrir la vlvula de entrada de vapor de agua mantenindolo a la presin de 5 psia constante y 60 LPM, dejar que el sistema se estabilice (es decir que el agua fluya por todo el equipo y que las temperaturas sean constantes).4. Anotar las temperaturas en los puntos de entrada y salida tanto del fludo caliente como del fludo fro.5. Recolectar en un balde el condensado que sale del intercambiador por un lapso de tiempo de 300s y luego pesarlo para obtener un flujo msico de fludo caliente.6. Recolectar en un balde el fluido frio por un lapso de tiempo de 5s y luego pesarlo para obtener un flujo msico de fludo fro.7. Repetir este procedimiento para los caudales 45LPM y 30LPM obtenidos regulando el rotmetro.

TABLAS DE DATOS Y RESULTADOS

Tabla N1: Condiciones de Trabajo en el Laboratorio.

Temperatura T (C) 20

Presin P (mm Hg) 756

Densidad H2O (Kg/L)0.9982

Tabla N2: Especificaciones del Intercambiador de Calor.

Dimetro nominalpulgmft

Externo 2 pulgD120.670.52501.723

Interno 1 pulgdi1.380.03510.115

do1.660.04220.138

Longitud (m)L112.202.859.350

Tabla N3: Temperaturas Experimentales de los Fluidos a la presin de 5 Psi.

Caudal Q (LPM)Fluido CalienteFluido Fro

Temperatura Entrada T1(C)Temperatura Salida T2(C)Temperatura Entrada t1(C)Temperatura Salida t2(C)

60107.0101.523.032.0

45107.0105.023.034.0

30107.0102.023.037.5

Tabla N4: Datos obtenidos para el clculo de los flujos msicos a una presin de 5Psi.

FLUJO CALIENTE

CorridaCaudal (LPM)w (Kg)t (s)Caudal (Kg/s)Caudal (lb/h)Caudal Prom (lb/h)

1605.219300.0000.01740138.06969138.0696888

5.230300.0000.01743138.36070

5.362300.0000.01787141.85278

2454.792300.0000.01597126.77332126.7733184

4.702300.0000.01567124.39235

4.719300.0000.01573124.84209

3304.454300.0000.01485117.83146117.8314608

4.250300.0000.01417112.43460

4.429300.0000.01476117.17008

FLUJO FRO

CorridaCaudal (LPM)w (Kg)t (s)Caudal (Kg/s)Caudal (lb/h)Caudal Prom (lb/h)

1604.84950.969807696.875897696.88

5.09551.019008087.35464

5.16351.032608195.29186

2453.99350.798606338.136826338.14

3.89550.779006182.58024

3.68950.737805855.59397

3302.4150.482003825.421923825.42

2.52550.505004007.96280

2.40750.481403820.65998

Tabla N5: Conversin de Unidades.

FLUJO CALIENTE

Caudal (LPM)T ent (OF)T sal (OF)Caudal (lb/h)T prom

60224.6214.7138.0696888219.65

45224.6221126.7733184222.8

30224.6215.6117.8314608220.1

FLUJO FRO

Caudal (LPM)T ent (F)T sal (F)Caudal (lb/h)T prom(F)

6073.489.67696.8881.5

4573.493.26338.1483.3

3073.499.53825.4286.45

Tabla N6: Entalpas para cada corrida en la Trampa de Vapor.

Caudal (LPM)604530

EntalpiasT(F)HT(F)HT(F)H

h1 (BTU/lb)212.0180.21220188.28212180.21

214.7182.93221189.29215.6183.84

220.0188.28230198.37220188.28

h2 (BTU/lb)212.01150.30212.01150.30212.01150.30

h3 (BTU/lb)212.0180.21212.0180.21212.0180.21

Tabla N7: Flujos Msicos para la Trampa de Vapor.

Caudal (LPM)m1 (lb/h)m2 (lb/h)m3 (lb/h)

60138.45842470.388735918138.07

45127.97098941.19767095126.77

30118.27421640.442755638117.83

Tabla N8: Calor ganado por Fludo Fro.

Caudal (LPM) (kg/m3)mc (lb/h)Qc (BTU/h)

60998.57924.65516128379.4136

45998.55943.49137117681.1291

30998.53962.32758103416.7498

Tabla N9: Calor ganado por Fludo Caliente.

Caudal (LPM)Masa Vapor (lb/h)Hvap (BTU/lb)Tent (OF)Tsal (OF)Qh (BTU/h)

60138.070970.090224.600214.700135320.583

45126.773970.090224.600221.000123442.476

30117.831970.090224.600215.600115378.210

Tabla N10: Calor perdido al Medio Ambiente.

Caudal (L/min)Qc (BTU/h)Qh (BTU/h)Qp (%)

60128379.4136135320.5835.13

45117681.1291123442.4764.67

30103416.7498115378.21010.37

Tabla N11: Resultados de hi

Caudal (L/min)di (pie)rea (pie2)Caudal Prom (lb/h) (lb/h.pie)ReK (Btu/h.pie2.F)Prhi (btu/h.pie2.F)

600.1150.01047696.882.038141812.70.3555475.7322743.6756

450.1150.01046338.141.993335204.50.3564845.5916644.4113

300.1150.01043825.421.920122057.70.3581245.3616439.1838

Tabla N12: Obtencin del hio , MLDT y Rd

hoMLDTUd BTU/(h-pie2 -F)UcBTU/(h-pie2 -F) Rd (h-pie2 -F)/ BTU

1532.6170138.126055228.7248440.53190.00210208

1600.6286139.343085207.8331401.37800.00232014

1812.9545133.467477190.6816303.90270.00195382

GRFICAS

Grfica N1: Comparacin entre Qc, Qp y Qh

Grfica N2: Coeficientes de Pelculas ho Y hio para las diferentes corridas.

Grfica N3: Coeficientes de Calor Limpio y Sucio (Uc y Ud)

EJEMPLOS DE CLCULOS

1. Calculo del Flujo Msico de Vapor (Para un Caudal de 60 LPM)

Hacemos un balance de masa y energa en la trampa de vapor, para calcular el flujo msico del vapor total.

Datos de Tablas:

h1 (liq. Sat, 214.7F): 182.93 BTU/lbh2 (vap. Sat, 14.7 Psia): 1150.30 BTU/lbh3 (liq. Sat, 14.7 Psia): 180.21 BTU/lb

Adems: m3= 138.069 lb/h

Haciendo un balance de materia:m1 = m2 + m3

Haciendo un balance de materia y energa en la Trampa de Vapor:

m1h1 = m2h2 + m3h3Q=0, W=0

Reordenando y reemplazando:

(m2 + m3) h1 = m2h2 + m3h3

m2 (h1-h2) = m3 (h3-h1)

m2 = 0.3887 lb/h

Entonces la masa de vapor total ser:

m1 = m2 + m3 = 0.3887 + 138.069

m1 = 138.458 lb/h

1. Clculo del Calor ganado por el Fluido Frio:

Qc = mcCpc (Tc2 - Tc1)Donde:

mc : Flujo msico del Fluido (60 Lpm =7924.65 lb/h)Cpc : Capacidad calorfica a presin constante del Fluido Frio.Tc1 : Temperatura de entrada del Fluido Frio.Tc2 : Temperatura de salida del Fluido Frio.

Reemplazando:

2. Determinacin del Calor perdido por el Fluido Caliente

Qh = mv hVAP + mv Cph (Th1 - Th2)

Donde:

mv : Flujo msico total del Fluido Caliente.hvap : Entalpia de Vaporizacin.Cph : Capacidad Calorfica a Presin constate de Fluido Caliente.Th1 : Temperatura de entrada del Fluido Caliente.Th2 : Temperatura de salida del Fluido Caliente.

Factorizando y Reemplazando:

3. Clculo del Porcentaje del Calor Perdido

4. Determinacin de hi y hio en el tubo interno

Tubo: 1 pulgdi = 0.1150 piesdo = 0.1383 pies

Reemplazando: A = 0.0104 pie2

Ahora hallamos el flujo msico de agua, usando el Q promedio:

Con esto determinamos el Reynolds:

Este resultado indica un rgimen turbulento.

Tambin calcularemos el nmero de Prandtl:

Donde k es la conductividad del fluido:

Reemplazamos:

Ahora calcularemos el coeficiente de pelcula para rgimen turbulento con la ecuacin de Mc Adams:

Con las condiciones de: Re>104 y Pr