or de calor de doble tubo
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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
3 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
TABLA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1- Arreglo en Paralelo. 11
Figura 2- Arreglo en Contracorriente. 12
4 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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
5 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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.
6 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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
TRAMO 1-5Fluido Tent (F) Tsal (F) caudal (pie3/s) flujo (lb/h)Agua 84,2 93,2 0,008896895 2001,801286Vapor 204,8 96,8 0,000079458 17,87805
Tabla 3- Datos de Flujo en Paralelo.
Flujo en contracorriente
TRAMO 1-2Fluido Tent (F) Tsal (F) caudal (pie3/s) flujo (lb/h)Agua 91,4 96,4 0,021363798 4806,854625Vapor 208,4 91,4 0,000105944 23,83740004
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
7 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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
TRAMO 1-3Fluido Tprom(F) visc(lb/pieh) Cp(btu/lbF) K(btu/hpieF)Agua 91,4 1,9965 1 0,3585Vapor 151,7 0,0242 0,45 0,012643195
TRAMO 1-5Fluido Tprom(F) visc(lb/pieh) Cp(btu/lbF) K(btu/hpieF)Agua 88,7 2,057 1 0,35725Vapor 150,8 0,02662 0,45 0,012627422
Tabla 3- Datos calculados a la Tprom para el arreglo en Paralelo.
Arreglo en Contracorriente
8 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
TRAMO 1-2Fluido Tprom(F) visc(lb/pieh) Cp(btu/lbF) K(btu/hpieF)Agua 93,9 1,8755 1 0,359657407Vapor 149,9 0,027346 0,45 0,012611649
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
TRAMO 1-5Fluido Tprom(F) visc(lb/pieh) Cp(btu/lbF) K(btu/hpieF)Agua 87,8 1,9965 1 0,3568333Vapor 145,4 0,027104 0,45 0,01253278
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
9 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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
10 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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:
´
11 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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).
12 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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
13 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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.
14 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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
(cu/K)^(1/3) 1,77151483 DI/DE 0,74047619ho (BTU/hft2F) 2700,89663 hio (BTU/hft2F) 18,21698996
TRAMO 1-4Anulo: 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) 18359,30652De (ft) 0,07992 Rep 30288,48778
Ga (lb/hft2) 1192497,78 JH 103Rea 49227,4908 (cu/K)^(1/3) 0,983812016
15 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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
TRAMO 1-5Anulo: 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) 11802,40497De (ft) 0,07992 Rep 19471,16022
Ga (lb/hft2) 612316,3 JH 82Rea 23790,1403 (cu/K)^(1/3) 0,982581592JH 91 hi (BTU/hft2F) 23,16689345
(cu/K)^(1/3) 1,79234119 DI/DE 0,8432ho (BTU/hft2F) 729,086135 hio (BTU/hft2F) 19,53432456
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
Anulo: Fluido Frio Tubo Interior: Fluido CalienteD2 (ft) 0,08291667 D (ft) 0,043916667D1 (ft) 0,05208333 ap (ft2) 0,00151478aa (ft2) 0,00326923 Gp (lb/hft2) 15736,53998De (ft) 0,07992 Rep 25272,30238
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
16 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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) 13179,42613De (ft) 0,02821677 Rep 24981,11562
Ga (lb/hft2) 2511757,89 JH 93,41905077Rea 36608,308 (cu/K)^(1/3) 0,992268846JH 113,9564 hi (BTU/hft2F) 22,52599816
(cu/K)^(1/3) 1,75480881 DI/DE 0,74047619ho
(BTU/hft2F) 2534,80062 hio (BTU/hft2F) 16,6799653
TRAMO 1-4
Anulo: Fluido Frio Tubo Interior: Fluido CalienteD2 (ft) 0,08291667 D (ft) 0,043916667D1 (ft) 0,05208333 ap (ft2) 0,00151478aa (ft2) 0,00326923 Gp (lb/hft2) 18359,29665De (ft) 0,07992 Rep 29484,35278
Ga (lb/hft2) 953495,812 JH 101,8274646Rea 37486,9074 (cu/K)^(1/3) 0,992261137JH 115,37048 hi (BTU/hft2F) 28,97943539
(cu/K)^(1/3) 1,78389867 DI/DE 0,8432ho
(BTU/hft2F) 922,132883 hio (BTU/hft2F) 24,43545993
TRAMO 1-5
Anulo: Fluido Frio Tubo Interior: Fluido CalienteD2 (ft) 0,08291667 D (ft) 0,043916667D1 (ft) 0,05208333 ap (ft2) 0,00151478aa (ft2) 0,00326923 Gp (lb/hft2) 7868,269992De (ft) 0,07992 Rep 12748,97397
Ga (lb/hft2) 511876,817 JH 65,84524542Rea 20490,4559 (cu/K)^(1/3) 0,990982824JH 84,2721631 hi (BTU/hft2F) 18,62124435
(cu/K)^(1/3) 1,77528457 DI/DE 0,8432ho
(BTU/hft2F) 667,97779 hio (BTU/hft2F) 15,70143324
Tabla 11- Cálculo de hio y ho en cada tramo para el arreglo en Contracorriente.
17 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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
TRAMO 1-4Uc (BTU/hft2F) 23,91558394Ud (BTU/hft2F) 22,8238906
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.
TRAMO 1-3Uc (BTU/hft2F) 18,09494331Ud (BTU/hft2F) 17,46296074
TRAMO 1-5Uc (BTU/hft2F) 19,02460053Ud (BTU/hft2F) 18,32726282
18 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
Coeficientes globales para arreglo en Contracorriente
TRAMO 1-2Uc (BTU/hft2F) 22,1468829Ud (BTU/hft2F) 21,2075219
TRAMO 1-4Uc (BTU/hft2F) 23,8046637Ud (BTU/hft2F) 22,7228444
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.
TRAMO 1-3Uc (BTU/hft2F) 16,5709222Ud (BTU/hft2F) 16,0393486
TRAMO 1-5Uc (BTU/hft2F) 15,3408328Ud (BTU/hft2F) 14,884162
19 Intercambiador de Calor de Doble Tubo
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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