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Instituto TecnológicoInstituto Tecnológicode Ciudad Maderode Ciudad Madero
Departamento de IngenieríaDepartamento de IngenieríaQuímica y BioquímicaQuímica y Bioquímica
Laboratorio Integral IIILaboratorio Integral III
Ing. Delia Berenice Castro PérezIng. Delia Berenice Castro Pérez
Práctica 1Práctica 1
Intercambiadores de CalorIntercambiadores de Calor
Realizada: 31 de agostoRealizada: 31 de agostoReportada: 7 de septiembreReportada: 7 de septiembre
Periodo Agosto – Diciembre 2010Periodo Agosto – Diciembre 2010
PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
Avalos García Jorge Alberto 07070553 _______________
Castellanos Casiano Alejandro 07070564 _______________
García Flores Juan Rafael 07070566 _______________
Hoyos Camacho Víctor Manuel 07070631 _______________
Montes Galarza Leila Yamileth 07070698 _______________
Moreno Tenorio Ángela Victoria 07070588 _______________
Rossell Topete Daniel Liceo 07070557 _______________
Gonzalo Salinas Morales 06071092 _______________
Claudia María de León Almazán 07070547 _______________
Andrés Antonio Varela González 07070548 _______________
Gabriela Raygoza Díaz 07070561 _______________
Stefany Adhara Ríos Martínez 07070567 _______________
Nancy Vázquez Maya 07070573 _______________
José Rafael Alanís Gómez 07070581 _______________
Jaime Eduardo Sosa Sevilla 07070630 _______________
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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
María Fernanda Quintos Aguilar 06071620 _______________
Índice
Objetivo....................................................................................................................4
Teoría y Desarrollo Matemático...............................................................................4
Material y Equipo.....................................................................................................7
Procedimiento..........................................................................................................8
Datos Experimentales..............................................................................................8
Resultados...............................................................................................................9
Discusión de Resultados.........................................................................................9
Comentarios............................................................................................................9
Bibliografía.............................................................................................................10
Apéndice................................................................................................................10
Distribución de actividades....................................................................................11
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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
Objetivo
Determinación experimental del coeficiente global medio de transmisión de
calor (U) en un cambiador de calor de tubos concéntricos.
Teoría y Desarrollo Matemático
Intercambiadores de doble tubo
Anteriormente se han mostrado aparatos de tubos concéntricos para las
derivaciones relacionadas con la transferencia de calor. La imagen industrial de
este aparato es el intercambiador de doble tubo, que se muestra en la Fig. 1.
Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos T
conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta
en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una
conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las tres tienen
boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del
anulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno. La tubería
interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y
que no proporciona superficie de transferencia de calor. Cuando se arregla en dos
pasos, como en la Fig. 1, la unidad se llama horquilla.
El intercambiador de doble tubo es extremadamente útil, ya que se puede
ensamblar en cualquier taller de plomería a partir de partes estándar,
proporcionando superficies de transferencia de calor a bajo costo.
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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
Figura 1. Esquema de un Intercambiador de calor de doble tubo.
Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en
longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies, la longitud efectiva es la distancia en
cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor y excluye la prolongación del
tubo interior después de la sección de intercambio.
Cuando las horquillas se emplean en longitudes mayores de 20 pies
correspondientes a 40 pies lineales efectivas o más de doble tubo, el tubo interior
se vence tocando el tubo exterior, por lo que hay una mala distribución del fluido
en el ánulo.
La principal desventaja en el uso de los intercambiadores de doble tubo es
la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple.
Cuando se usa con equipo de destilación en un proceso industrial, se requiere
gran número de ellos. Esto requiere considerable espacio, y cada intercambiador
de doble tubo introduce no menos de 14 puntos en donde pueden ocurrir fugas.
El tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles limpieza
periódica son prohibitivos comparados con otros tipos de equipo. Sin embargo, los
intercambiadores de doble tubo encuentran su mayor uso en donde la superficie
total de transferencia requerida es pequeña, 100 a 200 ft2 ó menos.
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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
Para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor en estos
dispositivos se utiliza una combinación de las ecuaciones:
Q=wCP (T b2−Tb1 ) y Q=Ah(T 0−T b1 )−(T 0−T b2 )
ln(T0−Tb1T0−Tb2 )Posteriormente se despeja el coeficiente h para tener:
h=wC p (T b2−Tb1 )
A [ (T01−T b1 )−(T 02−T b2 ) ]ln(T01−T b1T02−T b2 )
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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
Material y Equipo
El equipo de intercambio de calor empleado en esta práctica es un
cambiador de placas que consta de los siguientes elementos:
Depósito de agua (en el interior del
equipo)
Sondas de temperatura
Válvula de llenado/vaciado
Resistencias de calentamiento
Entrada de agua fría
Salidas de agua fría
Intercambiador
Bombas de alimentación
Válvulas de regulación de caudal
Medidores de caudal
Válvulas de selección de flujos paralelos
o flujos en contracorriente
Interruptor general
Controlador de temperatura del depósito de agua caliente
Medidores de temperatura en diversos puntos
Cuadro de mando y protecciones eléctricas
Visor de nivel del depósito de agua caliente
Llenado del depósito de agua caliente
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Fig. 2. Intercambiador de calor de doble tubo simple utilizado para la práctica
PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
Procedimiento
1. Se inicia la computadora que regula la operación.
2. Se abren válvulas y encienden bombas. (En la Fig. 3 puede observarse la
sección de encendido de la bomba del equipo).
3. Regulación de flujos para las corrientes de agua.
4. Toma de lecturas de temperaturas en diversos puntos de la tubería. (En la
Fig. 4 se observa el panel de control y toma de lecturas del aparato).
5. Cerrado de válvulas y bombas y posterior apagado general del equipo.
Fig. 3. Panel de encendido de Fig. 4. Panel de toma de lectura de
la bomba temperaturas y regulación de flujo
Datos Experimentales
Agua Caliente Agua Fría
Flujo (lts/min) 4 2
Temperatura de entrada (°C) 50.2 22.3
Temperatura de salida (°C) 43.5 24.6
Temperatura media (°C) 46.0 24.8
Áreade transferencia=0.0068m2
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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
Resultados
Coeficiente de transferencia de calor para la corriente de agua fría (hc)
Coeficiente de transferencia de calor para la corriente de agua caliente (hh)
hc=2.0297KJ
m2 s Khh=11.825
KJ
m2 s K
Discusión de Resultados
La magnitud numérica del coeficiente de transferencia de calor es mayor
para la corriente caliente debido a que, tanto el flujo volumétrico, como el
gradiente de temperatura, son mayores para la corriente fría que para la
caliente.
Comentarios
En esta práctica pudimos apreciar las diferencias de temperaturas de dos
flujos de agua, debidas a una transferencia de calor para un equipo de doble tubo
con un flujo a contracorriente.
Como sabemos los intercambiadores de calor son los dispositivos que
permiten la transferencia de calor entre dos corrientes sin que estas se mezclen
entre sí. Es por eso que uno de los factores principales de utilizar un
intercambiador de calor seria para;
• Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.
• Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.
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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
De una manera muy rápida y sencilla, obtuvimos las temperaturas con solo
regular los flujos de entrada del agua fría y caliente, para poder realizar los
cálculos y ver de qué manera afecta el flujo en la transferencia.
La práctica requiere tener mucha precisión con la medición de temperaturas
y corroborar que las temperaturas que se proyectan en la computadora y las del
equipo sean iguales o muy parecidas, ya que una mala lectura alteraría el
resultado, y el cálculo del coeficiente de transferencia sería equivocado. No
obstante debe considerarse que la lectura de datos en el equipo está sujeta a
errores de calibración.
Bibliografía
Manual del Ingeniero Químico. PERRY Robert H., GREEN Don W. Mc.
Graw Hill. Séptima Edición.
Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Mc Cabe, Smith, Harriot.
Séptima Edición. Mc Graw Hill
Apéndice
Se tiene que para una corriente:
Q=wCP (T b2−Tb1 ) y Q=Ah(T 0−T b1 )−(T 0−T b2 )
ln(T0−Tb1T0−Tb2 )Igualando ambas expresiones:
wC p (T b2−Tb1 )=Ah(T0−Tb1 )−(T 0−T b2)
ln (T 0−T b1T 0−T b2 )Despejando h:
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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
h=wC p (T b2−Tb1 )
A [ (T01−T b1 )−(T 02−T b2 ) ]ln(T01−T b1T02−T b2 )
Considerando (de acuerdo al promedio de las temperaturas utilizadas):
CP=4.181KJKg K
ρ=995 Kgm3A=0.0068m2
Calculando los flujos másicos de la corriente de agua fría (c) y caliente (h):
w c=2¿min ( 1min60 s )¿
wh=4¿min ( 1min60 s )¿
Determinando h con respecto a la corriente fría:
hc=(0.033167 kgs )(4.181 KJ
Kg K ) (24.6−22.3 ) °C
(0.0068m2 ) [ (50.2−22.3 )−(43.5−24.6 ) ]° Cln ( 50.2−22.343.5−24.6 )=2.0297 KJ
m2 s K
hc=2.0297KJ
m2 s K
Determinando h con respecto a la corriente caliente:
hh=(0.066333 kgs )(4.181 KJ
Kg K ) (43.5−50.2 ) °C
(0.0068m2 ) [(22.3−50.2 )−(24.6−43.5 ) ]° Cln ( 22.3−50.224.6−43.5 )= KJ
m2 s K
hh=11.825KJ
m2 s K
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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo
Distribución de actividades
Sección del reporte Responsable
Presentación e Índice Nancy Vázquez
Objetivo Jaime Sosa
Teoría y Desarrollo Matemático Andrés Varela
Material y Equipo Gabriela Raygosa
Procedimiento Gabriela Raygosa
Datos Experimentales Gonzalo Salinas
Resultados Claudia De León
Discusión de Resultados Stefany Ríos
Comentarios Stefany Ríos
Bibliografía Rafael Alanís
Apéndice Claudia De León
Fotografías Claudia De León
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