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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERA MECNICA
LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR II
PRCTICA N 4
TTULO: Intercambiador de calor de coraza y tubos. Flujo 1-2
Agua/Agua
GRUPO N: 14
INTEGRANTES: NOTA:
- 1 Castro Da Silva Paulo Renato
- 2 Jaramillo Garca Santiago Alejandro
- 3 Mendoza Sarango Christian Santiago
- 4 Proao Snchez Javier Esteban
FECHA DE REALIZACIN: 08- Julio- 2015
FECHA DE ENTREGA: 15- Julio- 2015
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I. TEMA:
Intercambiador de calor de coraza y tubos. Flujo 1-2
Agua/Agua
II. OBJETIVOS:
Determinar el coeficiente global de transferencia de calor Uo
para el
intercambiador de calor de coraza y tubos, flujo 1-2 A/A.
III. MARCO TERICO:
El intercambiador de calor de coraza y tubos es el ms utilizado
en la industria, est formado por
tubos cilndricos que estn montados dentro de una carcasa de
igual forma cilndrica siendo los ejes
de los tubos paralelos al eje de la carcasa. Uno de los fluidos
circula por los tubos mientras que el
otro fluido circula por la carcasa y es aqu donde se da la
transferencia de calor.
El sentido de los mltiples tubos circulares se debe a que as se
incrementa el rea de conveccin
relativa al volumen del flujo mejorando notablemente la
transferencia de calor a que si se tratase de
un solo tubo.
Los tipos de intercambiadores de calor de tubos y coraza
son:
Cabezal fijo
Se caracterizan por tener dos placas de tubos soldadas a la
carcasa, el interior de los tubos se puede
limpiar mecnicamente despus de remover la tapa del canal. El
banco de tubos no se puede extraer
y su limpieza exterior se debe realizar qumicamente. Se utiliza
para fluidos limpios, por el lado de
la carcasa.
Figura 1. Cabezal fijo (Gonzales & Mendizabal, 2002)
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Tubos en forma de U
Se caracteriza por tener solo una placa de tubos en forma de U,
que tienen la particularidad de
moverse libremente con relacin a la carcasa lo que elimina el
problema de la expansin
diferencial. Los bancos de tubos se pueden remover para limpieza
mecnica, pero el interior de
estos se limpia en general qumicamente.
Figura 2. Tubos en U (Gonzales & Mendizabal, 2002)
Cabezal flotante
Se caracteriza por tener una hoja de tubos fijas, mientras que
la otra flota libremente permitiendo el
movimiento diferencial entre la carcasa y los tubos, se puede
extraer todo el haz de tubos para la
limpieza.
Figura 3. Cabezal Flotante (Gonzales & Mendizabal, 2002)
IV. PREGUNTAS:
- Aplicaciones Industriales de los intercambiadores de calor
coraza y tubos. Especifique.
Existen 3 estndares para la construccin y aplicaciones de los
intercambiadores de coraza y tubos
los cuales son:
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Clase R: para aplicaciones en petrleo y procesos
relacionados.
Clase C: para aplicaciones en procesos comerciales.
Clase B: para servicio en procesos qumicos.
Las limitaciones para la aplicacin son:
Dimetro interno de la carcasa 1524 mm (60 in).
Presin 207 bar (3000 psi)
Relacin (dimetro interno carcaza)*(presin) 105000 mm bar (60000
in psi) (Gonzales &
Mendizabal, 2002)
Se amolda prcticamente a cualquier aplicacin que se quiera tener
es el primero en ser
considerado para una determinada aplicacin.
- Cules son las consideraciones para la seleccin de un
intercambiador de calor?
La ms importante gua o consideracin para la seleccin de un
intercambiador de calor es la
experiencia. Pero como en este caso debemos considerar que no se
tiene ninguna experiencia las
consideraciones ms importantes a tomar en cuenta son:
La presin de trabajo del intercambiador.
La temperatura de trabajo de los fluidos en el interior del
intercambiador.
La capacidad del intercambiador a ser utilizada.
rea de trasferencia de calor
Resistencia
Respuesta en operacin lquido lquido
Costos bsicos
Mantenimiento
Limitaciones de espacio y peso (para la misma operacin)
Cada de presin (a velocidad promedio y longitud de fluido
comparables)
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- Qu tipos de arreglos de tuberas existen en los
intercambiadores de coraza y tubos?
Escriba las ventajas y desventajas de cada uno
Existen 4 tipos de arreglos de tubos los cuales son:
Figura 4. Arreglos de tubos. (Gonzales & Mendizabal,
2002)
Arreglo Triangular 30: debe tener un fluido de la carcasa
limpio, los factores de
incrustacin deben ser inferiores a 0,002 ft2 h F / BTU. En
cualquier rgimen de flujo.
Arreglo Triangular rotado 60: debe tener un flujo limpio de la
carcasa, causa cadas de
presin muy altas.
Cuadrado 90: el fluido de la carcasa puede estar sucio, se
utiliza con flujo turbulento y
cuando la limpieza mecnica es crtica.
Cuadrado rotado 45: fluido de carcasa puede ser sucio. Se
prefiere cuando existe flujo
laminar y la limpieza mecnica es crtica.
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- Dada la clasificacin de los intercambiadores de calor de una
aplicacin de cada una de
ellos.
La clasificacin en la cual se tiene mayor variedad y
disponibilidad de tipos de intercambiadores es
en la que est de acuerdo al tipo de construccin.
Tabla 1. Aplicaciones (Gonzales & Mendizabal, 2002)
Tipo Aplicacin
Tubo y carcaza Multiusos prcticamente se amolda a cualquier
servicio, por lo
general es el primero en ser considerado.
Enfriadores con aire y
radiadores
Cuando se requiere enfriar por torre de agua o el costo de agua
es
muy elevado, sistemas de enfriamiento en vehculos.
Doble tubo o concntricos Se usan con reas de trasferencia de
calor pequeas (100 a 200 ft2) y
a altas presiones.
Lminas empacas: PHE con
empacaduras
En aplicaciones alimenticias con fluidos viscosos. Cuando se
requieren condiciones sanitarias extremas.
Lminas empacas: PHE sin
empacaduras Manejo de fluidos viscosos y peligrosos a altas
presiones.
Espiral Utilizados en servicios criognicos y fluidos muy
viscosos lodos o
lquidos con slidos en suspensin (industria del papel).
Laminas soldadas Intercambio gas gas o gas lquido. El fluido que
va por la parte
de las aletas debe ser limpio y poco corrosivo.
Superficie raspadora Utilizado con fluidos que tiende a
solidificar o cristalizar al
enfriarse.
Bayoneta Cuando la diferencia de temperatura del fluido de los
tubos y el del
nulo, es sumamente elevada.
Enfriador de pelcula
descendente Enfriamientos especiales.
Enfriadores de serpentn Enfriamientos de emergencia.
Condensadores
baromtricos
Se emplea cuando no se mezclan el agua y el fluido de proceso
a
enfriar.
Enfriadores de cascada Para enfriar fluidos de procesos muy
corrosivos.
Grafito impermeable En servicios altamente corrosivos.
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V. ELABORACIN DEL CUADRO DE DATOS:
Tabla 2: Datos obtenidos (Temperaturas en C)
Qh Tih Tic Qc Tfh Tfc
0 1,759 31 14 1,637 19 17
2 1,516 42 14 1,031 19 18
4 1,516 46 14 0,91 20 21
6 1,516 48 14 1,516 23 25
8 1,516 49 14 1,516 25 27
10 1,516 51 14 1,152 27 30
12 1,516 52 14 0,667 29 32
14 1,516 52 14 1,516 30 34
16 1,88 52 14 1,88 31 35
18 1,637 53 14 1,637 31 35
20 1,516 53 14 1,516 31 35
Qh Tih Tic Qc Tfh Tfc
0 1,516 54 14 3,093 31 32
2 1,729 54 14 2,729 29 31
4 1,729 54 14 3,093 28 26
6 1,637 54 14 2,851 28 25
8 1,88 54 14 2,972 27 25
10 1,88 54 14 2,859 27 25
12 1,579 54 14 2,729 26 25
t
agua caliente agua frat
agua caliente agua fra
Datos con el caudal fro al doble
1 2 3 4 5 6 7 8
0 21,2 22,4 22,6 20,6 20,8 20,4 19,6 20,4
2 21,2 21,8 21,6 21,4 21,4 21,2 21,2 20,4
4 22,2 22,4 22,2 21,8 22 22,6 22,2 20,6
6 22 22,4 22,4 22,6 21,8 22,6 22 20,6
8 22,4 23 22,8 21,4 22,2 22,2 22,6 20,4
10 22,6 22,4 22,4 22,2 21,8 22,6 22 20,6
12 22,6 23 23 23,2 22,8 23,2 25,8 20,8
14 22,8 23 23,4 23,6 22,6 23,4 23,2 20,8
16 23 23,2 23,6 23,6 23 23,6 23,6 21
18 23,4 23,2 23,4 23,6 23,2 23,6 23,2 21,4
20 23,4 24,4 24,2 24,4 23,6 24,4 24,6 21,6
tTemperatura superficial TS (Datos con caudales iguales)
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VI. CLCULOS:
El detalle de los clculos se muestra en ANEXOS
a. Trasferencia de calor q
Clculo con los caudales iguales:
Calor perdido por el agua caliente:
= 2303[]
Calor ganado por el agua fra:
= 2214[]
Clculo con el caudal fro al doble:
Calor perdido por el agua caliente:
= 3055[]
Calor ganado por el agua fra:
= 2086[]
b. Coeficiente de conveccin del lado de los tubos
Clculo con los caudales iguales:
= 149.6 [
2]
Clculo con el caudal fro al doble:
= 151.6 [
2]
1 2 3 4 5 6 7 8
0 24,2 23,6 23,8 24,4 23,8 24,4 24,6 22,6
2 24,6 24,8 24,2 24,6 23,8 24,6 24,4 22,6
4 24,4 23,8 24,4 24,2 24,2 24,4 24,4 23
6 24,2 24,2 24,2 24,2 24,8 24,6 24,8 22,8
8 23,6 23,8 23,8 24,4 23,6 24,6 24,8 23,6
10 24 24 24,2 24,2 23,8 24,2 24,8 23,6
12 23,6 24,2 24,2 24,6 24,8 24,4 24,8 23,6
tTemperatura superficial TS (Datos con el caudal fro al
doble)
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c. Coeficiente de conveccin del lado de la coraza
Clculo con los caudales iguales:
= 284.5 [
2]
Clculo con el caudal fro al doble:
= 352.9 [
2]
d. Coeficiente global de transferencia de calor Uo
Clculo con los caudales iguales:
= 98.04 [
2]
Clculo con el caudal fro al doble:
= 106.03 [
2]
e. Calor que atraviesa el aislante y pasa al aire
= 8.233
f. Eficiencia del intercambiador
Considrese que la eficiencia de un intercambiador de calor es:
qu tanto calor emitido por el flujo
caliente es absorbido por el flujo fro. (Cengel & Ghajar,
2011)
Clculo con los caudales iguales:
= 96.15 %
Clculo con el caudal fro al doble:
= 68.27 %
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VII. ELABORACIN DE GRFICOS
1. Realizar el grfico de temperatura vs tiempo para el agua
caliente y fra, tanto
a la entrada como a la salida.
Con los caudales iguales:
Figura 5. Temperatura vs. Tiempo (caudales iguales)
Con el caudal fro al doble del caliente:
Figura 6. Temperatura vs. Tiempo (caudal fro al doble)
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25
Tem
per
atu
ra
C
Tiempo [minutos]
Entrada Caliente
Entrada Fria
Salida Caliente
Salida Fria
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15
Tem
per
atu
ra
C
Tiempo [minutos]
Entrada Caliente
Entrada Fria
Salida Caliente
Salida Fria
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2. Graficar el coeficiente global experimental en funcin del
flujo de agua fra.
Figura 7. Coeficiente global experimental vs. Caudal de agua
fra
VIII. ANLISIS DE RESULTADOS
En base a las Figuras 5 y 6 se observa que el sistema tiende a
estabilizarse.
Al estabilizarse las temperaturas, se ha calculado que la
eficiencia del intercambiador disminuye
cuando aumenta el flujo de agua fra.
El calor perdido por el agua caliente es mayor cuando el caudal
fro aumenta. Sin embargo el calor
ganado por el agua fra es menor.
En la figura 6 se observa que la temperatura de entrada de agua
caliente se mantiene constante, a
diferencia de la figura 1 en donde dicha temperatura tiene una
pendiente positiva.
En general todos los coeficientes de transferencia de calor
aumentan conforme se incrementa el
flujo del agua fra.
En la figura 7 se observa el incremento del coeficiente global
de transferencia de calor en funcin
del aumento del caudal de agua fra.
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
0 1 2 3 4 5
Co
oef
icie
nte
glo
bal
de
tran
sfer
enci
a d
e C
alo
r W
/m^2
K
Caudal de agua fra l/min
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IX. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Paulo Castro:
Conclusiones:
- El intercambiador es menos eficiente cuando tiene un mayor
caudal de agua fra porque no
hay una transferencia de calor eficaz al fluido de menor
temperatura, sin embargo se tiene
una mayor prdida de calor de fluido caliente. Por lo que si el
objetivo es enfriar un fluido
conviene tener una menor eficiencia pero si el objetivo es
calentar un fluido entonces se
debe disminuir el caudal de agua fra.
- El coeficiente global de transferencia de calor Uo calculado
en la prctica aumenta
alrededor de 8 [w/m2k] cuando se incrementa al doble el caudal
de agua fra, cambiando de
98 a 106 [w/m2k].
- El coeficiente global de transferencia de calor no da una idea
de la eficiencia del
intercambiador sino solo cuanto calor se transfiere en general
porque como se observa en
los clculos, cuando aumenta el coeficiente global de
transferencia, la eficiencia
disminuye.
Recomendaciones:
- Se recomienda acoplar el intercambiador a un desage para
evitar vaciar el balde con agua
cada cierto tiempo.
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Santiago Jaramillo:
Conclusiones:
- El coeficiente global de transferencia de calor Uo calculado
experimentalmente es de 98.04
[w/m2k] cuando los caudales son iguales; y es de 106.03 [w/m2k]
cuando el caudal fro se
duplica.
- La eficiencia del intercambiador baja cuando aumenta el caudal
de agua fra porque si bien
el calor perdido por el agua caliente es mayor, el calor ganado
por el agua fra es menor.
Esto se debe a que el agua fra tiene un menor tiempo de contacto
con el tubo de agua
caliente causando que la transferencia de calor al fluido de
menor temperatura sea ineficaz.
- Los datos calculados no son confiables porque los valores de
caudal nunca llegaron a una
estabilizacin, estos presentaban variaciones significativas
durante toda la prctica, por lo
que decir que los flujos eran iguales o que uno era el doble que
el otro es un error.
Recomendaciones:
- Se recomienda utilizar una vlvula que permita tener una mayor
precisin en la regulacin
del caudal.
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Christian Mendoza:
Conclusiones:
- El intercambiador de tubos y coraza es el ms aplicado en la
industria debido a su mayor
eficiencia frente a otros tipos de intercambiadores de
calor.
- Dentro de los intercambiadores de tubos y carcaza el de tubos
en u tiene mayor
transferencia porque una seccin de las tuberas se encuentran en
paralelo con el flujo de la
carcasa mientras que la otra seccin en contraflujo aumentando as
el rea de transferencia
por conveccin del sistema.
- Para diferentes tipos de fluidos el de mayor densidad debe
circular por la carcasa y el de
menor densidad por los tubos de esta manera se asegura una mejor
circulacin y por ende
mejor transferencia de calor
Recomendaciones:
- Se recomienda realizar la toma de temperaturas con el medidor
de temperatura de manera
rpida tratando de mantener la misma distancia desde el tubo
hacia el instrumento y
manteniendo el instrumento de manera perpendicular al tubo.
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Javier Proao:
Conclusiones:
- Se pudo verificar que el sistema de flujo cruzado del
intercambiador de tubos y
coraza es muy eficiente en comparacin con los otros medios
existentes para la
trasferencia de calor.
- El intercambiador de coraza y tubos es el ms usado ya que se
puede adaptar a
cualquier tipo de aplicacin y tambin porque tiene una eficiencia
muy grande en
comparacin a las otras disposiciones.
- Se verifico que el coeficiente global de trasferencia de calor
es alto en comparacin
con otros sistemas con lo cual se puede afirmar que este sistema
de trasferencia de
calor es mucho ms eficiente que otros sistemas.
Recomendaciones:
- Colocar termocuplas acopladas al equipo en los sitios donde se
toma la
temperatura con el pirmetro para que sean un poco ms exactas y
no tan
aleatorios los valores.
- Verificar que los tubos internos del intercambiador no estn
llenos de lodos debido
a la actividad bacteriana del agua que se usa en el sistema.
REFERENCIAS:
Cengel, Y., & Ghajar, A. (2011). Transferencia de Calor y
Masa. Mexico: Mc Graw Hill.
Gonzales, & Mendizabal. (2002). Guia de intercambiadores:
tipos generales y aplicaciones.
Venezuela: Universidad Simn Bolivar.
Incropera, F. (2007). Fundamentals of heat and mass transfer.
United States of America.
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ANEXOS
Hoja de datos. Prctica N4
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Detalle de los Clculos (utilizando Mathcad)
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