INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA

INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO INTEGRAL III

PRÁCTICA 1. TRANSFERENCIA DE CALOR.

BALTAZAR J IMÉNEZ ADRIANA

CHÁVEZ SANTIAGO ALEJANDRA

GALVÁN MARTÍNEZ KATE ALEJANDRA

SÁMANO FRANCÉS ITZEL ALEJANDRA

T INOCO CORTEZ JANETZY ISABEL

11281014

11281028

11281018

11281048

12280737

ING. ALEJANDRO AGUIRRE CARBAJAL

METEPEC, ESTADO DE MÉXICO A 02 DE SEPTIEMBRE DE

2015.

SEP SESTNM TNM

1

ÍNDICE DE CONTENIDO

DIAGRAMA..............................................................................................................2

OBJETIVO................................................................................................................3

INTRODUCCIÓN.....................................................................................................5

PROCEDIMIENTO...................................................................................................6

CÁLCULOS............................................................................................................11

VARIACIONES.......................................................................................................13

ANEXOS................................................................................................................15

A1. Datos Útiles..................................................................................................15

A2. Densidad del Agua Saturada........................................................................16

A3. Viscosidad Cinemática del Agua Líquida / Temperatura de Saturación.......17

FUENTES CONSULTADAS...................................................................................18

2

DIAGRAMA

1 Fusible 15 Válvula de purga2 Interruptor de circuito (ON-OFF) 16 Cámara de Vapor3 Interruptor de Reajuste 17 Condenador4 Control de Calentador 18 Deflectores5 Interruptor de Presión 19 Elemento Calentador6 Calibrador de Presión 20 Colector Intercambiable7 Válvula de Control de Flujo de Purga 21 Distribuidor8 Válvula de control de Flujo del

Condensador22 Válvula de distención de

Presión9 Sumidero 23 Válvula de Control de

desviación del manómetro10 Eliminador de Aire 24 Manómetro de Hg11 Medidor de Flujo de entrada/purga

hacia y desde el circuito de refrigeración

25 Termopar No. 1

12 Válvula de aislamiento del Agua de Refrigeración

26 Termopar No. 2

13 Bomba de Circulación 27 Termopar No. 314 Medidor de Flujo de agua de

refrigeración a través del 28 Indicador de Temperatura

Electrónico

3

condenador

4

OBJETIVO

Utilizar el intercambiador de calor a vapor de agua H930 con un arreglo de

cuatro pasos por los tubos para mostrar su funcionamiento al grupo.

Obtener mediciones del funcionamiento del equipo en un estado estable.

Comparar los resultados obtenidos con datos de prácticas anteriores

prácticas donde se utilizó el equipo con un paso del fluido por los tubos y

con dos pasos por los tubos.

Elaborar una guía práctica y de fácil comprensión para que el uso de este

equipo sea accesible a los diferentes usuarios y de esta manera profundizar

y reforzar el aprendizaje matemático y teórico de la materia procesos de

separación II de forma experimental. Teniendo siempre en cuenta que si la

experimentación es llevada a cabo de manera correcta los datos obtenidos

se acercaran mucho a los datos obtenidos matemáticamente.

5

INTRODUCCIÓN

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA

En las industrias de proceso, la transferencia de calor entre dos fluidos casi

siempre se lleva a cabo en intercambiadores de calor. Lo más común es que el

fluido caliente y el frío no entren en contacto directo el uno con el otro, para evitar

que se alteren sus propiedades o su pureza, es por esto que los fluidos están

separados por una pared de tubos o una superficie plana o curva hecha de un

material con altos coeficientes de conductividad térmica que favorece la

transferencia de temperatura; los equipos de transferencia de calor más utilizados

son los intercambiadores de calor de doble tubo y los intercambiadores de tubo y

coraza.

En estos intercambiadores, la transferencia de calor se efectúa en tres etapas: por

convección desde el fluido caliente a la pared o la superficie en los tubos, a través

de la pared de tubos o paca por conducción, y luego por convección al fluido frio.

Cuando se manejan fluidos con un bajo coeficiente de película se requiere de un

área de transferencia de calor grande por lo que utilizar un intercambiador de calor

de doble tubo resulta poco eficiente y en su lugar se utiliza un intercambiador de

calor de tubo y coraza. Este tipo de intercambiador es más difícil de diseñar y de

armar que el de doble tubo sin embargo el hecho de diseñarlo específicamente

para un proceso determinado permite que los flujos de estos intercambiadores

sean continuos.

En el intercambiador de calor de condensación de vapor, puede hacerse pasar el

fluido que ha de ser calentado, a través de un sistema de tubos seleccionando el

número de pasos del fluido por los mismos permitiendo que el vapor se condense

en la superficie externa de estos tubos promoviendo así la condensación por

“goteo”.

6

Con el fin de reducir el tamaño del intercambiador de calor de tubo y coraza para

una tarea determinada o aumentarla capacidad de transferencia de calor de una

unidad de un tamaño determinado, se puede aumentar el número de pasos del

fluido a través de la unidad logrando aumentar el área de trasferencia de calor.

7

PROCEDIMIENTO

En la siguiente figura se muestran los pasos para el funcionamiento.

A continuación se describe cada uno de los pasos.

1. Encienda la unidad.

2. Antes de hacer funcionar el calentador presione el botón de reajuste

(interruptor negro) situado debajo del control del calentador.

3. Instale el colector de cuatro pasos y haga funcionar la unidad durante 5

minutos aproximadamente a toda potencia calefactora, máximo flujo del

condensador y baja tasa de flujo de drenaje. Esto es para calentar todos los

componentes y reducir la condensación en el cristal.

Para instalar el colector

8

a. Apague el interruptor eléctrico principal (rojo) y cierre la válvula de

aislamiento del agua de refrigeración.

b. Acabe con cualquier vacío existente en la cámara de vapor

levantando la válvula de distención de presión usando el anillo de

levantamiento.

c. Abra la válvula de drenaje del agua de refrigeración y, usando la

llave tubular suministrada, afloje el cierre de agarre del colector de

latón en la parte superior de la cámara de vapor. Esto permitirá la

entrada de aire en el sistema de enfriado y se producirá el drenaje de

agua a partir del tubo de drenaje.

d. Cuando se vea que el nivel de agua disminuye al punto medio del

medidor de flujo del condensador, cierre la válvula de drenaje del

agua de refrigeración y retire por completo el cierre de agarre del

colector de latón, arandela y anillo en forma de “O”.

*Si la unidad ha funcionado recientemente, el agua y la tapadera superior

estarán calientes y deberían tratarse de acuerdo con ello.

e. Coloque el colector deseado en posición asegurándose que los

cuatro anillos de sellado en forma de "O" están colocados

correctamente y que la clavija de latón está colocada en el agujero

en la placa superior de la cámara de vapor-

f. Vuelva a colocar la arandela del cierre de agarre del colector y el

anillo en forma de "O" asegurándose de que el anulo en forma de

"O" está en la posición correcta.

g. Apriete el cierre de agarre del colector con la llave tubular

suministrada y abra la válvula de aislamiento del agua de

refrigeración.

h. Deje que el sistema se llene hasta que salga agua a través del tubo

de drenaje y pulse el interruptor de conexión eléctrica.

i. El flotador del medidor de flujo subirá y el control de flujo de drenaje

debería cerrarse hasta que se indique 8 g s-1 aproximadamente en el

medidor de flujo de drenaje del agua de refrigeración.

9

j. Con el fin de sacar el aire que haya entrado en los tubos del

manómetro, apriete la válvula de desviación del manómetro durante

30 segundos aproximadamente.

4. Retire el aire del sistema.

a. Con la cantidad de agua correcta en la cámara, encienda el

suministro eléctrico y abra la válvula de aislamiento del agua de

refrigeración.

b. Ajuste el flujo del agua de refrigeración del condensador al máximo y

cierre la válvula de control de flujo del agua de drenaje.

c. Mueva el indicador de temperatura a la posición 1 para indicar la

temperatura del vapor.

d. Apriete el interruptor de reajuste negro situado debajo del control del

calentador para encender el calentador.

e. A medida que la presión de la cámara sube por encima de la presión

atmosférica (0 kN/m2 en el indicador) suba la válvula de distensión

de presión con el anillo adjunto y deje que se ventile la cámara. La

tasa de flujo del condensador del condensador aumentará

inmediatamente indicando que se ha reducido la cantidad de aire en

la cámara.

f. Suelte la válvula de desahogo de presión y permita que suba la

presión de la cámara otra vez.

g. Repita este proceso hasta que la temperatura del agua/vapor sea

100 'C aproximadamente y se vea salir vapor continuamente de la

válvula de distensión cuando se mantenga abierta.

h. Deje que se cierre la válvula de distensión de presión y abra el flujo

de drenaje a 8 g/s aproximadamente.

i. El ajuste cuidadoso del flujo de drenaje y la entrada de calor

permitirá que se estabilice el sistema en las condiciones

establecidas.

10

5. Llene el sistema de circulación de agua de refrigeración.

a. Con el suministro y drenaje de agua conectados, asegúrese de que

el tornillo de agarre del colector de latón en la parte superior de la

cámara de vapor se aprieta con la llave de tuerca la llave tubular y

barra de drenaje.

b. Deje que se llene el sistema hasta que se vea salir poco o nada de

aire a través del tubo de drenaje.

c. Cierre la válvula de control de flujo de drenaje, encienda el

suministro eléctrico y apriete el interruptor principal (rojo). La bomba

empezará a funcionar y el flotador del medidor de flujo del

condensador subirá.

d. Abra la válvula de control de flujo de drenaje despacio hasta que se

indique un flujo de aproximadamente 8 g/s en el medidor de flujo de

drenaje de agua refrigerante. Deje que la unidad funcione durante

varios minutos durante los cuales se verá fluir agua a través del tubo

del manómetro.

e. Cuando el tubo vertical del manómetro no tenga burbujas de aire,

cierre el suministro eléctrico y cierre la válvula de aislamiento del

agua de refrigeración.

6. Asegúrese de que el nivel del agua en la cámara de vapor es el correcto,

es decir, aproximadamente 3 cm por encima del elemento calentador.

7. Seleccione una tasa de flujo del condensador y mediante el ajuste del

control del calentador y la válvula de control de flujo obtenga condiciones

estables a una temperatura de vapor t1 de aproximadamente 100 ⁰C.

11

8. Anote la temperatura de vapor t1, de entrada del agua de refrigeración t2, la

temperatura de salida del agua de refrigeración t3, y la tasa de flujo del

condensador V w.

9. Sin ajustar el control del calentador, reduzca el flujo del agua de

refrigeración del condensador y deje que la unidad se estabilice a la

temperatura de vapor original t1.

10. Anote de nuevo t1, t2, t3 y V w.

11.Repita a otras tasas de flujo del agua de refrigeración reducidas.

12

CÁLCULOS

Lecturas a Realizar:

Temperatura de Vapor t 1 ° CTemperatura de entrada del agua de refrigeración del condensador t 2 ° CTemperatura de salida del agua de refrigeración del condensador t 3 ° CTasa de flujo del volumen de agua de refrigeración V w m3/s

Temperatura media del agua de refrigeración [° C]

Tm=t2+t 32

A partir de los datos gráficos de Viscosidad cinemática y Densidad en los Anexos

de este documento, tomar la Temperatura media del agua de refrigeración (Tm)

para la obtención de los siguientes datos

Viscosidad Cinemática [m2/s] ν H 2OaTm=¿

Densidad [kg /m3] ρ H2O aTm=¿

Flujo de masa del agua de refrigeración [kg/s].

mw= ρ∙ V w=¿

Tasa de transferencia de calor al agua de refrigeración [W].

Q=mw ∙CP∙ (t 3−t 2 )

Área de la superficie de Transferencia de Calor

¿40.9×10−3m2

Ver en tabla de Datos útiles en los Anexos:

Flujo de Calor [W /m2].

Φ= QA

13

Media Logarítmica de la Diferencia de Temperatura [K].

Δt LM=(t 1−t2 )−(t 1−t3 )

ln( t1−t 2 )( t1−t 3 )

Como el Flujo de calor es:

Φ= QA

Y

QA

=U ∙ Δt LM

Por lo tanto:

Coeficiente de Transferencia de Calor General [W /m2K] :

U= ΦΔtLM

Área de flujo del Condensador:

A=3.019×10−5m2

Diámetro interior del tubo condensador

d=6.2×10−3m

Ver Tabla de Datos útiles en Anexos:

Velocidad de Flujo [m/s].

V=V w

A

Número de Reynolds.

ℜ=V ∙dν

14

VARIACIONES

Variación del coeficiente de transferencia de calor total con el número de

Reynolds y el número de pasos a través del tubo.

15

Variación del coeficiente de transferencia de calor total con la tasa de flujo

del volumen de agua de refrigeración del condensador y el número de pasos

a través del tubo.

16

ANEXOS

A1. Datos Útiles

Áreas Relevantes a los Tubos de Condensación

Área de superficie Total Externa: 0.0409m2

Área de superficie Total Interna: 0.0317m2

Área de superficie media: 0.0363m2

Diámetro Interno del Tubo de Condensación:

¿6.2mm

Diámetro Externo del Tubo de Condensación:

¿8.0mm

Área de Flujo Libre de un Solo Tubo: ¿3.019×10−5m2

Capacidad de Calor específica del agua en Condiciones de Funcionamiento Típicas:

¿4.20 KJkg ∙ K

Densidad del mercurio ρHg: 13563kg

m3

Presión Atmosférica Estándar ¿1013mbar=101.3 kN

m2

Presión Absoluta ¿ Presión Atmosférica+PresióndelCalibrador

100kN

m2=14.5lbf

¿2

1kW=3412 BTUh

17

18

A2. Densidad del Agua Saturada.

19

20

A3. Viscosidad Cinemática del Agua Líquida / Temperatura de Saturación.

21

1.0×10−6

22

FUENTES CONSULTADAS

P. A. Hilton LDT. (1992). Intercambiador de vapor a calor de agua: Manual experimental de operación y mantenimiento.

Kern, D. (1999). Procesos de Transferencia de Calor. México: Editorial Continental.