Tc1 (1).docx

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Laboratorio de Transferencia de Calor

Intercambiador de Doble Tubo o Tubos Concéntricos

Alumno: Robles Frías Dadlaugi Isaías Grupo: 2IM53 Profesor encargado: José Medina Huerta Fecha de Entrega: 7 de Marzo de 2019

1.0 INTRODUCCIÓN Los intercambiadores de calor son equipos que permiten el calentamiento, cambio de fase o enfriamiento de un fluido (liquido o gas) por medio de otro fluido a diferente temperatura y separado por una pared general metálica. En la industria química la transmisión de calor se efectúa por medio de intercambiadores de calor y el más sencillo está formado por medio de diferentes diámetros, de tal manera que uno está dentro del otro, al espacio entre ambos se le denomina anulo o sección anular por donde uno de los fluidos circula, el otro fluido circula dentro del tubo interior. Este intercambiador se conoce como intercambiador de tubos concéntricos. Los intercambiadores se clasifican normalmente de acuerdo con el arreglo del flujo. Usos: Debido a que la sección transversal es pequeña estos cambiadores manejan poco volumen de fluido, tiene la ventaja de trabajarse a presiones y temperaturas elevadas, debido a que la relación entre el diámetro y espesor es alta, lo que le da una alta resistencia mecánica. Estos intercambiadores presentan poca área de transferencia de calor, si se desea aumentarla se unen varios tramos de estos equipos, constituyéndolos en intercambiadores de múltiple paso. Actualmente su uso es limitado por el espacio que ocupan.

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA (CUESTIONARIO) 1.1 Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Estan constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen. 1.2 Ventajas: 

Fácil mantenimiento.



Facilidad de control.



Económico en construcción.

Desventajas: 

Muchas fugas.



Poca transferencia de calor. (escape de calor hacia el ambiente)

1.3 Cálculo de los coeficientes de película 𝑘 𝑑𝑖 𝑣 𝜌 0.8 𝐶𝑝 𝜇 0.4 ℎ𝑖 = 0.0225 ( ) ( ) 𝑑𝑖 𝜇 𝑘 2

3

1 4

𝜌𝑓 𝑘𝑓 𝜆𝑣 𝑔 ℎ𝑒 = 0.725 [ ] 𝑑𝑒 𝜇𝑓 ∆𝑇𝑓

1.4 Se presentarán números adimensionales como el Prandtl y el Reynolds.

2.0 DESARROLLO EXPERIMENTAL 2.2 Diagrama de Bloques Verificar que todas las válvulas estén cerradas

Ajustar a 0.9 Kgf/𝑚2 vigilando que no rebase al valor.

Recolectado el condensado tomar durante intervalos de tiempo datos experimentales

Abrir válvula de alimentación general del agua y alimentar el tanque de agua fría

Purgar con la válvula reguladora de presión y volver a cerrar

Finalizada la experimentación se suspende el flujo de vapor, esperar 3-5 min para que el agua se enfrie

Se suspende el funcionamiento de la bomba y se cierran todas las válvulas de la línea de agua, y se suspende la alimentación eléctrica

Ajustar la alimentación de agua fría de tal manera que no se vacíe ni se derrame.

Abrir la línea de vapor y condensado, excepto la reguladora de presión.

2.3 Tabla de Datos Experimentales %R

Pvman (kgf/cm2)

Tv (°C)

Tcc (°C)

taf (°C)

tac (°C)

∆zC (cm)

Θcond (min)

40

0.9

112

111

25

52

.98

5

60

0.9

113

112

25

46

1.2

5

80

0.9

114

113

26

45

1.4

5

2.4 Secuencia de Cálculos Calculo del gasto volumétrico del agua. Gva = 40% ∗ (

L 3 3 min) = 8.64 L (60 min) ( 1 m ) = 0.2592 m 100% min 1h 1000 L h

10.8

1. Calculo del gasto masa de agua. Gma = (0.5184

m3 h

)(997

𝑘𝑔 kg ) = 258.4 3 𝑚 h

2. Calculo del gasto volumétrico del condensado. Gvc =

π 0.014 m m3 (0.385 m)2 = 0.0137 4 0.0833 h h

3. Gasto masa del vapor condensado. Gmvc = (0.0196

m3 𝑘𝑔 kg )(997 3 )= 13.65 h 𝑚 h

4. Calor ganado o absorbido por el agua. kg kcal kcal Qa = (516.8448 ) ∗ (0.999 ) ∗ (45 − 26)°C = 6970 h kg °C h 5. Calculo del calor cedido por el vapor. Qv = (19.5070

kg 𝑘𝑐𝑎𝑙 kcal ) (530.1395 ) = 7231 h 𝑘𝑔 h

6. Calculo de la eficiencia térmica del equipo.

η=

9810.2311 x100 = 96.4% 10341.4085

7. Calculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental.

Uexp

kcal kcal h = = 955.4 (0.1004 m2 )(72.67℃) h m2 ℃ 6970

9. Calculo de la media logarítmica de la diferencia de temperatura. ∆TML =

(87 − 60)°C = 77.11℃ 87 ln 60

∆T1 = (112 − 25)°C = 87°C ∆T2 = (112 − 52)°C = 60°C 10. Área de transferencia de calor. 𝐴 𝑇𝐶 = 𝜋 ∗ (0.0213 𝑚) ∗ (1.5 𝑚) = 0.1004 m2 11. Coeficiente de película interior. (25 + 52)°C 𝑡𝑚 =

2

= 38.5 °C

μ@38.5°𝐶 = 0.673𝑥10−3

kcal mh℃ kg = 992.67 3 m

k @38.5℃ = 0.5408 ρ@38.5℃

Cpagua a 38.5°C = 0.99873

4 (0.5184

v=

hi = 0.0225

kg kg = 2.42 ms mh

m3 ) h

π(0.0158)2

= 1322

kcal kg °C

m h

0.5408 992.67 ∗ 1322 ∗ 0.0158 0.8 0.99873 ∗ 2.52 0.4 kcal ( ) ( ) = 2147.62 2 0.0158 2.42 0.5408 hm °C

12. Coeficiente de película para condensación de vapor por el exterior de un tubo

horizontal. he = 0.725 [ Tf = (112 − 0.75 ∗ 37)°𝐶 = 84.25 °𝐶 ∆Tf = (112 − 75)°𝐶 = 37°𝐶

ρ2 k3 λv g deqμ∆Tf

1 4

] [=]

kcal hrm2 °C

Tsup =

(112 + 111 + 25 + 52) °C = 75 °𝐶 4

kcal mh℃ kg = 968.55 3 m

λ@84.25°𝑐 = 548.9

k @84.25℃ = 0.5801 ρ@84.25℃

μ@84.25 ℃ = 1.2106

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔

2

g = 9.81

m 3600s m | | [=] 2 s2 1 h h

kg mh 𝑑𝑒𝑞 = 0.0363 𝑚 1

(974.7)2 (0.5547)3 (554.73)(9.81𝑥36002 ) 4 kcal he = 0.725 [ ] = 5384.54 2 (0.0363)(1.3608)(84.25)

13. Calculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico: de = 0.0213 m di = 0.0158 m e = 0.00275 m 𝐾𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 = 48.6805

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ 𝑚 °𝐶

dm = 0.01855 m

hm °C

Uteórico =

1 (0.0213) (0.00275)(0.0213) 1 + + (955.4)(0.0158) (48.6805)(0.01855) (5384.54)

= 1066.6

kcal hm2 °C

14. Calculo del porcentaje de diferencia de los coeficientes U teo y U exp %𝐷 =

1066.6 − 955.4 × 100 = 10.42% 1066.6

15. Calculo del factor de incrustación (Rd) con los coeficientes U teo y U exp 𝑅𝑑 =

1066.6 − 955.4 × 100 = 0.0109 (1066.6)(955.4)

Repitiendo los cálculos a los porcentajes de rotámetro 60% y 80 % Nos queda la siguiente Tabla de Resultados

Corrida

Gma Kg/h

Gmvc Kg/h

Qa Kcal/h

Qv Kcal/h

n

∆𝑇𝑚𝑙

Ud

hi

he

1

258.4

13.5

6978

7231

96.4

72.67

955.4

2147.62

5384.54

2

387.6

16.17

8132

8854

91.85

77.07

1052

2891.85

3

516.8

19.5

9810

10329.6

94.97

77.11

1267

3640.21

Uc Rd

%D

1066.6

0.0019

10.42

5367.58

1313.45

0.0189

19.9

5367.58

1523.3

0.0132

16.82

𝐾𝑐𝑎𝑙 / ℎ 𝑚2 °𝐶