EFECTOS DE OPERACIÓN EN CAMBIADORESDE CALOR DE UN SOLO PASO

FACULTAD DE QUÍMICA. U N A M LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA .

OBJETIVO.

1. El alumno aprenderá a identificar y cuantificar las características operativas de un cambiador de calor cuando este se conecta en contracorriente y en paralelo.

2. El alumno determinará cualitativamente , de dos cambiadores de calor diferentes, cual de ellos intercambia mayor carga térmica en base a los conceptos de rango y acercamiento

CONCEPTOS QUE DEBEN DISCUTIRSE DURANTE LA SESIÓN.

Los cambiadores de tubos concéntricos y los de coraza y tubos (1,1) ( un paso por la coraza yun paso por los tubos), son dos de los equipos mas empleados en la industria química . En estetipo de intercambiadores se manejan dos tipos de corrientes una fría y otra caliente, las cualesa su paso por el área efectiva de transferencia de calor generan un perfil de temperaturascaracterístico dependiendo como sean arreglados cada uno de los dos fluidos. Las Figs. 2 y 4muestran los arreglos en paralelo y contracorriente, que corresponden a las dos únicas formasen que este tipo de cambiadores pueden arreglarse.En las siguientes secciones se analizarán las características específicas de cada uno de estosdos arreglos.

ARREGLO EN PARALELO

La distribución de temperaturas del fluido caliente y frío asociadas a un arreglo en paralelopuede observarse en la figura 1, de este arreglo se pueden observar las siguientescaracterísticas:

1. El gradiente de temperaturas entre el fluido caliente y frío a la entrada del cambiador T1-t1 es el mas grande que puede alcanzarse de los dos arreglos de flujo posibles, es decir en este arreglo la transferencia de calor a la entrada es la mas alta posible.

2. El gradiente de temperaturas entre las dos corrientes a la salida (T2-t2) tienden a igualarse en cambiadores lo suficientemente largos, ocasionando en el mejor de los casos una transferencia de calor nula o bien en el peor de los casos, el fenómeno de recalentamiento en donde la dirección del flujo de calor se invierte ocasionando que la corriente fría , caliente a la corriente caliente .

FIGURA 1

DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN UN CAMBIADOR ENARREGLO EN PARALELO

3. En este tipo de arreglo la transferencia de calor tiende a disminuir rápidamente tal quela temperatura más fría a la cual se puede enfriar la corriente caliente Tc1 , es igual a latemperatura de salida de la corriente fría tf2 ; Similarmente la temperatura más calientea la cual la corriente fría de entrada tf1 , puede calentarse es la temperatura de salida dela corriente caliente Tc2 .

4. Las trayectorias antes descritas han sido ejemplificadas con una línea punteada en lafigura 1, sin embargo estas condiciones límite sólo pueden alcanzarse en cambiadoresde calor lo suficientemente largos, difícilmente se alcanzan en equipos convencionales.

ARREGLO EN PARALELO.

CAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS

t1 , Wf

T1 T2

WC

t2

CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

FIGURA 2DISTRIBUCIÓN DE FLUIDOS EN UN CAMBIADOR DE CALOR

DE TUBOS CONCÉNTRICOS Y DE CORAZA Y TUBOS EN UN ARREGLO EN PARALELO.

T1 Wc t1 wf

t2 T2

ARREGLO EN CONTRACORRIENTE.

La distribución de temperaturas del fluido caliente y frío asociadas a un arreglo encontracorriente , puede observarse en la figura 3 , de este arreglo pueden observarse lassiguientes características :

1. A diferencia del arreglo en contracorriente , esta configuración permite que la transferencia de calor se lleve acabo entre las partes mas calientes de los dos fluidos T2 y t2 así como entre las partes mas frías T1 y t1 . Por esta razón la diferencia de temperaturas entre la corriente caliente y la corriente fría, con respecto a la longitud del cambiador no es tan grande en ningún lugar como lo es para la región de entrada del intercambiador en arreglo en paralelo.

FIGURA 3

DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN UN CAMBIADOREN ARREGLO EN CONTRACORRIENTE

2. La temperatura máxima de salida del fluido frío solo puede alcanzar, en un caso extremo, la temperatura de salida del fluido caliente, a su vez la temperatura máxima

de salida del fluido caliente será la temperatura de salida del fluido frío.

ARREGLO EN CONTRACORRIENTE.

CAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS

t1 , Wf

T1 T2

WC

t2

CAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

T1 , WC t2

wf , t1 T2

FIGURA 4DISTRIBUCIÓN DE FLUIDOS EN UN CAMBIADOR DE CALOR

DE TUBOS CONCÉNTRICOS Y DE CORAZA Y TUBOS EN UN ARREGLO EN CONTRACORRIENTE.

CONCEPTO DE RANGO Y ACERCAMIENTO.

RANGO.

Este concepto se refiere a la diferencia de temperaturas (entrada – salida ) que se da en cadauna de las corrientes al paso por el intercambiador. Para la corriente caliente será ;(T1 - T2 ).Para la corriente fría será; ( t2 - t1 ). Esta definición aplica para cualquiera de los dos tipos dearreglo, contracorriente o paralelo, e indica:

RANGOS GRANDES TRANSFERENCIA DE CALOR ALTA

RANGOS PEQUEÑOS TRANSFERENCIA DE CALOR BAJA

ACERCAMIENTO.

Este concepto tiene dos significados distintos, dependiendo del tipo de arreglo que se tenga enlas corrientes del cambiador. Para arreglo a contracorriente, el acercamiento es el gradiente detemperaturas que existe entre el fluido caliente y el fluido frío en ambos extremos delcambiador de calor.En relación a la Figura 1 puede observarse que para un arreglo en paralelo , ( Tc1- tf1) , evalúael gradiente de temperaturas máximo posible que puede tenerse en el cambiador de calor, sinembargo este gradiente no es indicativo de la intensidad de transferencia de calor entre los dosfluidos al hacer el recorrido por el cambiador de calor, por el contrario , el gradiente (Tc2 – tf2 )indica el grado de acercamiento de temperaturas que tienen los dos fluidos simultáneamente alhacer el recorrido por el área efectiva de transferencia de calor , de esto se puede concluir :

ARREGLO EN PARALELO

ACERCAMIENTOS PEQUEÑOS TRANSFERENCIA DE CALOR A LA SALIDA DE LAS ALTA DOS CORRIENTES

ACERCAMIENTOS GRANDES TRANSFERENCIA DE CALOR A LA SALIDA DE LAS BAJA DOS CORRIENTE

De la misma manera en relación a la figura 3 puede observarse que para un arreglo encontracorriente, (Tc1-tf2 ) evalúa el acercamiento de temperaturas que tiene la corriente fríaa la entrada del fluido caliente al hacer el recorrido por toda el área de transferencia decalor, de igual manera (Tc2 – tf1) evalúa el acercamiento de temperaturas que tiene lacorriente caliente a la entrada del fluido frío al recorrer toda el área de transferencia decalor, de estas observaciones puede concluirse cualitativamente que :

ACERCAMIENTOS PEQUEÑOS TRANSFERENCIA DE CALOR ALTA

ACERCAMIENTOS GRANDES TRANSFERENCIA DE CALOR BAJA

CARGA TÉRMICA.

El calor intercambiado o carga térmica es igual al calor cedido por el fluido caliente, obien, el absorbido por el fluido frío , Para calcular este calor cuando no hay cambio de faseusamos :

)()( 1221 ttCpwTTCPWQ ffCC −=−= Ec.1

Wc = Gasto másico del fluido calientewf = Gasto másico del fluido fríoCpc = Calor específico del fluido calienteCpf = Calor específico del fluido fríoT1, T2 = Temperaturas de entrada y salida del fluido caliente t1 , t2 = Temperaturas de entrada y salida del fluido fríoQ = Calor total intercambiado

EQUIPO EXPERIMENTAL

El equipo con que cuenta el Laboratorio de Ingeniería Química, es un módulo para laenseñanza de la transferencia de calor. Integrado por dos cambiadores de calor de coraza ytubos y uno de tubos concéntricos (ver Figura . 5 ), además de la instrumentación necesariapara controlar, medir temperaturas y gastos de cada corriente.

ARREGLO EN CONTRACORRIENTE

FIGURA 5MODULO DE TRANSFERENCIA DE CALLOR

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO

INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS. INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS

CONCEPTO CORAZA TUBOS CONCEPTO TUBOINTERNO

TUBOEXTERNO

Longitud 0.97000 m 0.97000 m Longitud 1.0 m 1.0 mDiámetrointerno

0.06350 m 0.01270 m Diámetrointerno

0.025 m 0.0420 m

Diámetroexterno

0.05598 m 0.01021 m Diámetroexterno

0.033 m 0.0509 m

Número detubos.

4

Número depasos.

1 1

NOTA: Todos los cambiadores están construidos de acero inoxidable..

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL

1. Los equipos con los que se realizará la práctica serán los cambiadores C-2 y C-3 ,mientras que el cambiador C-1 se ocupará solamente para calentar agua.Alinee al cambiador de coraza y tubos C-2 en contracorriente de tal manera que suscorrientes de salida se desalojen en las rejillas del drenaje

2. Con las válvulas V-1 y V-2 , regule un gasto de agua para ambas corrientes tal que

permita que se alcancen diferencias de temperatura razonables en las lecturas de lostermómetros a la entrada y a la salida de el cambiador C-2. Es muy importante que laabertura de estas válvulas no se modifique a lo largo de el experimento ya que estasgarantizarán el mismo gasto en el cambiador C-3 , cuando este sea alineado.

3. Con la válvula V-4 suministre vapor al cambiador C-1 hasta alcanzar una presión de 1.5 Kg/cm2 . 4. Espere un tiempo razonable para que el cambiador C-2 alcance el régimen permanente

y evalúe gastos , temperaturas de entrada y salida de ambas corrientes.

5. Compruebe el balance de energía usando la Ec.1 despreciando las pérdidas a losalrededores.

6. Suspenda el servicio de vapor y el flujo general del agua , en esa misma secuencia, talque permita alinear el mismo cambiador de calor para que ahora opere en arreglo enparalelo, y suministre nuevamente agua y después vapor, procurando que los gastos Wcy Wf así como las temperaturas de entrada T1 y t1 sean los mismos que en el arregloanterior.

7. Vacíe los datos experimentales tomados de este cambiador en la Tabla 1.

8.- alinee las corrientes del agua caliente y fría hacia el cambiador C-3 tal que opere en contracorriente abriendo las válvulas V-3 y V-6 y V-9 , cerrando V-5 y V-7 . con ayuda de las válvula V-1 y V-2 , reproduzca los mismos gastos del agua caliente y agua fría que se ocuparon en el cambiador anterior, mientras que con la válvula V-4 regule la presión del vapor de manera que se obtenga la misma temperatura de entrada del agua caliente ( Puede que la presión sea mas grande que para el caso del cambiador de coraza y tubos), haga las lecturas de gastos y temperaturas y viértalas sobre la tabla 1.

9.- Suspenda el servicio de vapor y del agua general antes de alinear el cambiador C-3 para que opere en paralelo , una vez hecha la alineación haga lecturas de gastos y temperatu- ras y escríbalas en la tabla 1.

TABLA 1

EQUIPO MIXTO DE CAMBIADORES DE TUBOS CONCÉNTRICOS Y DE CORAZA Y TUBOS

TIPO DECAMBIADOR ARREGLO

WC

(GPM )Wf

( GPM )T1

ºCT2

ºCt1

ºCt2

ºCQ

(Kcal / hr)Q

(Kcal/hr)

TUBOSCONCÉNTRICOS

CONTRACORRIENTE

TUBOSCONCÉNTRICOS

PARALELO

TIPO DECAMBIADOR ARREGLO

Wc

( GPM)Wf

( GPM )T1

ºCT2

ºCt1

ºCt2

ºCQ

(Kcal / hr)Q

(Kcal/hr)

CORAZAY TUBOS

CONTRACORRIENTE

CORAZAY TUBOS

PARALELO

Tabla 2

TIPO DECAMBIADOR

ARREGLO RANGO*F. CALIENTE.

RANGOF. FRÍO.

ACERCAMIENTOFLUIDO CALIENTE.

ACERCAMIENTOFLUIDO FRÍO.

TUBOSCONCÉNTRICOS

CONTRACORRIENTE

TUBOSCONCÉNTRICOS

PARALELO

TIPO DECAMBIADOR

ARREGLO RANGOF. CALIENTE.

RANGOF. FRÍO.

ACERCAMIENTOFLUIDO CALIENTE.

ACERCAMIENTOFLUIDO FRÍO.

CORAZAY TUBOS CONTRA

CORRIENTE

CORAZA YTUBOS PARALELO

CONTENIDO DEL INFORME.

1. Concluya cual de los cambiadores, el de tubos concéntricos o bien el de coraza ytubos transfirió mayor carga térmica, en base a los conceptos de rango,acercamiento y del balance de energía.

2. Concluya que arreglo, contracorriente o paralelo transfirió mayor carga térmica en base a los conceptos de rango y acercamiento.

LISTA DE MATERIAL

1 Termómetro de mercurio con rango de 0 a 150 ºC

BIBLIOGRAFÍA.

1. DONALD. Q. KERN PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. 1965.

2. ANTONIO VALIENTE B. PROBLEMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. DE. LIMUSA 1988.

3.- FRANK P. INCROPERA AND DAVID P. DE WITT FUNDAMENTALS OF HEAT AND MASS TRANSFER ED. JHON WILEY & SONS 1990

4. FRANK KREITH & MARK S. BOHN PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ED. THOMSON LEARNING 2001