Coraza y Tubos REctificacion
January 18, 2023 | Author: Anonymous | Category: N/A
Short Description
Download Coraza y Tubos REctificacion...
Description
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECÁNICA ESCUELA DE INGENIERA
LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR PRÁCTICA NO. NO. 2.- INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS
1. DATOS GENERALES: NOMBRE(S):
CODIGO(S):
Edwin David Saca Llamba
7141
Guido Alexander Garcia Jara
7149
Washington Marcelino Naranjo Cantos
7239
Omar Sebastián Barahona Guambo
7140
Marco Fabricio Caiza Moposita
7127
GRUPO No.: 2
FECHA DE REALIZACIÓN:
FECHA DE ENTREGA:
01-02-2019
07-02-2019
2. OBJETIVOS: Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental y teórico
Conocer el funcionamiento y comportamiento de un intercambiador de calor de
carcasa y tubos
Determinar la diferencia de temperatura media logarítmica
Determinar los coeficientes convectivos para el agua y vapor
Analizar e interpretar los resultados
3. EQUIPOS, MATERIALES E INSTRUMENTACIÓN: INSTRUMENTACIÓN: Caldera
Banco de pruebas del intercambiador carcasa y tubos
Tarjeta DAQ USB 6009
Sensores LM-35 Termohigrómetro
Flexo metro
Computador
ESQUEMA
Donde: Tv1: Temperatura de entrada del vapor Tv2: Temperatura de salida del condensado
Ta1: Temperatura de entrada del agua Ta2: Temperatura de salida del agua Datos Geométricos del intercambiador de Carcasa y Tubos Tubos
l os deflectores Figura 1. Esquema de distribución de los
Figura 2. Definiciones de la longitud del tubo
Diámetro Interno de la Carcasa Diámetro Exterior de los Tubos Diámetro Interno de los Tubos Paso en el Arreglo de Tubos Espacio entre deflectores
= 0,10226 = 0,00909525525 = 0,007077575 = 0,0131355 = 0,0088
Distancia entre el diámetro exterior de los tubos y el diámetro interior de la carcasa
= 0,013136161 = 0,079 = 0,446262 = 0,443737 = 0,441010 Ө = 30˚ = 26
Diámetro de la circunferencia que une los centros de los tubos adyacentes de la carcasa
Longitud total del tubo
Longitud efectiva del tubo para el área de transferencia
Longitud del tubo en el tramo ocupado por los deflectores
Ángulo característico en el arreglo de tubos Número total de tubos tubos
4. MARCO TEÓRICO
El intercambiador de calor de coraza y tubos es el más utilizado en la industria; está formado por una coraza y por multitud de tubos. Se clasifican por el número de veces que pasa el fluido por por la coraza y ppor or el número de vec veces es que pa pasa sa el fluido por los tubos. tubos. En los intercambiadores de calor de paso múltiple se utiliza un número par de pasos en el lado del tubo y un paso o más por el lado de la coraza.
Figura 3. Interior de un intercambiador i ntercambiador de coraza y tubo
Fuente: http//www.epsem.upc.edu/-intercanviadorsde http//www.epsem.upc.edu/-intercanviadorsdecalor/castella.html calor/castella.html
Los tubos que van por dentro de la coraza son colocados mediante una placa deflectora perforada. Estas placas deflectoras están puestas puestas para generar un flujo cruzado e inducir una mezcla turbulenta en el fluido que va por la coraza, la cual mejora el intercambio por convección.
Diferencia de la temperatura media logarítmica Cuando se requiere analizar o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, se debe agrupar la transferencia total de calor con las temperaturas de entrada y salida del fluido, el coeficiente global de transferencia de calor y la superficie total de transferencia. Con el objeto de determinar
∆
, se considera el intercambiador en flujo paralelo, al
realizar un balance de energía sobre el elemento diferencial mostrado en la figura 4 y tomando en cuenta la siguiente consideración; las perdidas de calor al ambiente son despreciables,, se puede deducir la si despreciables siguiente guiente ecuación:
= ∆∆∆∆
Figura 4. Diferencia de temperatura media logarítmica
∆∆ ==
Coeficiente global de transferencia transferencia de calor experimental Para determinar el coeficiente global de transferencia experimental se consideran despreciables las pérdidas de calor al ambiente, esta condición permite igualar el calor sensible del agua con el calor latente del vapor:
̇ ̇ = =
Correlación de Convección intercambiadores de carcasa y tubos El coeficiente de transferencia de calor en el lado de la coraza para un banco de tubos ideal se determina por:
ℎ =̇ −/ (), ̇ = ̇ =[ ]
Donde: = Velocidad másica de flujo f lujo en la carcasa
̇
= Área de flujo
= Factor de transferencia de calor
= 1,3⁄3
Los factores a se determinan en la tabla 1, en función del número de Reynolds y el ángulo característico: = 1 0,14
Tabla 1. Coeficientes de correlaciones para j
Fuente: HEWITT, G. F. Hea Heatt Exchanger De Design sign Handbook. Handbook. Part 3. Para determinar el coeficiente de trasferencia de calor en la coraza se utiliza el método de Bell-Delaware que considera el flujo en un banco ideal y las desviaciones de la idealidad, es decir el factor de corrección para diversas fugas, by pass, distorsiones, etc. Esto hace que el cálculo del coeficiente perpendicular por el lado de la coraza sea más preciso.
ℎ = ℎ
Donde: = Coeficiente de transferencia de calor ideal Factor de corrección por el efecto del flujo en la ventana del deflector ℎ = = Factor de corrección por el efecto fugas del fluido en el deflector = = Factor Factor de corrección por el efecto de bypass del fluido de corrección para el gradiente de temperatura = Factor de corrección por espacios desiguales en los deflectores
Condensación de la película en tubos horizontales La mayoría de condensación de película dentro de tubos horizontales. Para velocidades bajas de vapor, Chato recomienda la siguiente ecuación para la condensación condensación de vapor saturado:
ℎ =0,555 55 ℎ,
Para este caso el calor latente modificado es:
ℎ, = ℎ 38
5. PROCEDIMIENTO Encender la fuente de calor (caldera) hasta obtener una presión de 40 psi y temperatura de trabajo. Acoplar la tarjeta de adquisición de datos DAQ USB 6009, conectar el cable de comunicación entre la tarjeta y el computador (Puerto USB). Abrir la aplicación “Intercambiadores de Calor” ubicado
en el escritorio del computador.
Posteriormente seleccionar el pulsador con el nombre I_CORAZA, esto desplegara la siguiente ventana:
Abrir la válvula de entrada y salida de agua al intercambiador de calor. Determinar el caudal de agua que entra en el intercambiador con la ayuda del flujómetro Abrir la válvula de condensado y revise que se encuentre cerrada la válvula de condensadoo de la Camisa y Serpentín de calefacción. condensad Abrir la válvula de entrada de vapor, inmediatamente después se debe pulsar en el programa el botón “inicio”, para realizar el registro de los datos de temperatura
y
visualizar su comportamiento en las gráficas y en la tabla. Registrar los datos de temperatura hasta que la salida del agua se estabilice o hasta que se crea conveniente. Pulsar “inicio” nuevamente para detener la prueba. Por defecto en mis documentos se crea una carpeta “Intercambiadores” dentro de la cual se genera otra carpeta “Coraza”, en esta carpeta se guardan los datos de
temperatura en
una hoja de cálculo Excel. Después de cada prueba se debe cerrar el programa, de no hacerlo los datos en las pruebas siguientes se guardarán a continuación de los datos anteriores lo que podría generar complicaciones en el momento de tabular tab ular los resultados de las pruebas. Los estudiantes podrán grabar el documento Excel para realizar su posterior análisis. En caso que se desee realizar las pruebas en otro intercambiador pulsar “atrás” “atrás ” para volver
al panel principal.
6. RESULTADOS Datos obtenidos. A continuación, se muestran los datos registrados por el Software LabVIEW.
Tabla 2. Datos de temperatura de un intercambiador de coraza y tubos. Tiempo (s) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51
T.V1 93.4294 96.23315 99.54667 101.3308 103.36997 105.91884 107.44816 110.10679 110.76168 117.38873 117.38873 118.15335 118.36316 119.17294 120.95714 120.702225 120.95414 121.46691
T.V2
T.A2
98.58069 30.23919 101.13955 30.74905 103.43352 31.51384 105.47261 31.0039 108.27636 32.53357 109.29591 31.76877 110.82522 31.76877 112.09965 32.0237 113.62897 32.0237 116.17783 30.23919 117.70715 31.00398 118.47181 30.7495 118.7267 30.23919 118.7267 30.49412 117.96204 30.23919 117.96204 29.4744 118.47181 29.4744 118.7267 29.4744
T.A1 22.08901 22.08901 22.08901 21.32425 21.59917 21.5917 20.81441 21.08901 20.81441 21.83409 20.81441 20.81441 20.81441 22.08901 21.57917 21.57917 21.57917 21.57917
Con estos datos se puede obtener las curvas de (Ta1, Ta2, Tv1, Tv2) en función del tiempo para un un cauda caudall determinado, como se mue muestra stra en la figura que se presenta a continuación. continuación.
Figura 4. Resultados
Resultados 140 120 C ° 100 a r u t 80 a r e 60 p m e 40 T
Entrada caliente Salida Caliente Salida Frio Entrada Frío
20 0 0
10
20
30
40
50
60
Tiempo
Cálculo de la diferencia de temperatura media logarítmica lo garítmica (LMTD)
Para el cálculo del LMTD se usaron los valores de temperaturas máximos registrados registrados en el Software, los cuales fueron:
Tabla 3. Resumen de la prueba del Interc. De Carcasa y Tubos T.V1 T.V2 121.46691 118.7267
T.A1 22.08901
Aplicando lo conceptos revisados anteriormente se tiene:
∆∆ == A
T.A2 29.4744
= ∆∆∆∆
Tabla 4. Resultado del LMTD
LMTD
99.378
89.252
94.224
∆
∆
Teniendo de esta forma una diferencia de temperatura t emperatura media logarítmica (LMTD) de aproximadamente 94.224˚C
Determinación de las propiedades necesarias
Tabla 5. Propiedades del Agua Propiedades del Agua T. Promedio 25.7817 Densidad (kg/m^3) Calor Especifico (J/Kg °C) Conductividad Térmica (W/m°C) Viscosidad (Kg/m.s) Prandtl
996.844 4179.844 0.608 0.875 E-3 6.027
Tabla 6. Datos para el cálculo U Datos para el cálculo U Caudal (m^3/s) Flujo másico (kg/s) Área (m^2) F (Factor de correción)
0.0000217 0.02163 0.340 1
Cálculo del coeficiente global de transferencia experimental.
Aplicando la siguiente fórmula se puede determinar el coeficiente global de transferencia experimental:
Reemplazando datos se tiene:
= ̇
Uexp (W/m^2°C)
20.8424
Cálculo del coeficiente global de transferencia teórico.
Primero determinamos las dimensiones y parámetros específicos del intercambiador de calor, los cuales se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 7. Datos del Intercambiador Datos del Intercambia Intercambiador dor Diámetro Interno de la Carcasa (D)
0.1022
m
Diámetro Exterior de los Tubos (de)
0.00953
m
Diámetro Interno de los Tubos (di)
0.00775
m
341
W/m°C
0.0135
m
0.08
m
0.0131
m
0.079
m
Longitud Total del Tubo (L)
0.462
m
Longitud efectiva del tubo para el área de transferencia
0.437
m
0.41
m
Ángulo característico en el arreglo de tubos
30
°
Número total de tubos
26
Conductividad Térmica de los tubos (K) Paso en el arreglo de Tubos (Ltp) Espacio entre deflectores (Lbc) Distancia entre el diámetro exterior de los tubos y el diámetro interior de la carcasa (Lbb) Diámetro de la circunferencia que une los centro de los tubos adyacentes a a caracasa (Dc)
(La) Longitud en el tramo del tubo del tubo ocupado por los deflectores
Es necesario también conocer los coeficientes convectivos para el agua y vapor, los cuales se determinaras en los siguientes pasos.
Cálculo de convección del agua.
A continuación, se resumen los cálculos realizados y las fórmulas f órmulas utilizadas para obtener el coeficiente convectivo del agua.
CÁLCULOS
] =[ ̇ = ̇
Sm
0.00295
m^2
7.3322
̇
Kg/m^2. s
Para encontrar los valores de a, nos dirigimos a la tabla 1 y dependiendo de numero de Reynolds y el ángulo característico
30°,
de acuerdo al arreglo de tubos. de
== ̇ .
Re
79.8162
+. = 1.33
a=
a
0.61459
⁄ . −/ ℎ = ̇ () ⁄. ℃ ℎ ℎ = ℎ, , , , ℎ ⁄. ℃
j
0.07360
681.09035
(LLangarí, 2012).
408.65421
Ya conocido el coeficiente convectivo del agua, se puede calcular su resistencia termina equivalente.
ℎ
⁄. ℃
408.65421
R1
11== ℎ1. ℃⁄ 0.007197
Ahora, debido al espesor de la tubería se procede a calcular la resistencia térmica equivalente por conducción como se muestra a continuación.
Cálculos
r1 r2 R2
22== 2ln .
0.003875
0.0047625 0.00019662
C/W
En este punto debemos determinar el coeficiente de convección del vapor y su respectiva resistencia térmica equivalente, como se resume en la siguiente tabla. Determinamos los valores de las variables a utilizar con la temperatura fílmica del vapor de agua c p y h fg tomados de la Tabla A-9 del Apéndice 1 del libro de Transferencia de Calor y Masa de Cengel.
Temperatura fílmica del vapor de agua cp
120 2120
℃
. . .
hfg
2203
k
0,0275
µ
1.296 x 10-5
Densidad
1.121
Realizamos los cálculos respectivos: CÁLCULOS
′ = ′ =. ℃
/ ′ =, = ,, ℃ = = . − ℃
Finalmente, el coeficiente global de transferencia teórico se determina de la siguiente forma:
= = 235.9565 ℃
i ntercambiadorr de calor Cálculo de la eficiencia del intercambiado
Tomando en cuenta los datos que se obtuvieron anteriormente a través el uso del software a una presión de vapor de aproximadamente 30 PSI se puede calcular la eficiencia del intercambiador de calor estudiado.
Datos obtenidos: VAPOR AGUA
=121,46691℃ = 118, 118, 7267 7267 ℃ = 22,22,089 ℃ = 29,29,4747444 ℃
Se determinan las propiedades del agua a 25,7817 ˚C, para ello es necesario interpolar int erpolar los
valores presentados en la Tabla A-9 del Apéndice 1 del libro de Transferencia de Calor y Masa de Cengel.
Tabla 8. Propiedades del agua saturada
Interpolando se obtuvo: Densidad
996,844
Kg/m˄3 Kg/m˄3
Cpf
4,179,844
J/Kg.K
Flujo Masico
0,02163
Kg/s
Vale recalcar que el flujo másico se obtuvo del producto de la densidad y el caudal. La efectividad del intercambiador estudiado la obtenemos de la siguiente si guiente ecuación:
= ̇ ̇ = . . . La velocidad de transferencia de calor real se puede calcular aplicando la siguiente ecuación:
̇ = ̇
Reemplazando valores obtenemos:
̇ =0.02163 ˄3 ∗ 4179,844 /.29.474422.089K
Obteniendo finalmente:
̇ =667,7142w
La velocidad máxima de transferencia de calor la obtenemos a partir de la siguiente ecuación:
̇ =
Definimos como
=
esto debido a que el fluido caliente es un vapor de
condensación, y por lo tanto tiene una capacidad calórica que tiende al infinito, una vez especificado este punto se reemplazan los datos en la ecuación como se muestra a continuación:
̇ =21200.02163121.4669122.08901 ̇ =4557.033 667,741422316 ∗100% = 8984, = . %
Obteniendo finalmente:
Finalmente, la eficiencia del intercambiador queda definida así:
TABLA RESUMEN DE RESULTADOS Tabla 09. Resumen de Resultados
ha
408.65421
W/m^2°C
hv
579,967
W/m^2°C
Uexpereimental
20.8424
W/m^2C
Uteórico
235.9565
W/m^2C
Ɛ
14.65
%
7. CONCLUSIONES
Comprobamos
que
los
coeficientes
convectivos
se
relacionan
estrechamente con las propiedades físicas del fluido, es decir, la temperatura del fluido es fundamental f undamental para los cálculos del coeficiente convectivo convectivo,, ya que según dicha temperatura la densidad, la viscosidad (sea dinámica o cinemática), el número de Prant, el calor específico y la conductividad, irán variando. Otro punto que que se p pudo udo comprobar comprobar es que que las pérdidas a lo largo de la
tubería que transporta el vapor de agua juegan un papel fundamental al momento de calcular el coeficiente convectivo del vapor, ya que en este intervienen los factores de corrección que dependen de las fugas, el flujo, f lujo, la diferencia de temperaturas y espacios entre deflectores. Se conoce que la eficiencia de un intercam intercambiador, biador, sin importar el sistema
que use, está dado por la relación entre el calor disipado, ya sea del fluido caliente o del fluido frío; y del calor máximo que en teoría debería disipar el intercambiador, que relaciona el entrada de ambos fluidos.
con la variación de temperaturas de
Se debe debe considerar considerar también si el el interca intercambiador mbiador se puede considerar como
nuevo o como usado, ya que en el transcurso del tiempo se genera suciedades internas que a la larga pueden ser considerados como una resistencia extra a la transferencia de calor. Se evidenció evidenció q que ue el coeficiente convectivo que in influye fluye de mayor manera e en n
los cálculos es el del agua, comprobando así que los gases, en su mayoría, presentan coeficiente convectivos relativamente bajos. Al comprobar los resultados obtenidos en el cálculo de los ccoeficientes oeficientes
globales, teórico y experimental, se evidenció un error de aproximadamente 90%, por lo que no es recomendable seguir este método para procesos que requieran precisión. En el ensayo realizado se encontró encontró una eficiencia d del el 14.65%, vvalor alor que se
puede justificar por varios factores que intervienen en el proceso, uno de ellos es el tiempo de funcionamiento, f uncionamiento, ya que por el corto tiempo en el que se analizó, se considera que no existió el necesario para que exista un
intercambio de calor mayor, lo que provocó que las temperaturas de salida presenten un gradiente muy bajo con respecto a la salida. La interfaz gráfica del software La LabView bView facilita la visualización de los datos
que se van adquiriendo a lo largo de la práctica, lo que ayuda a una interpretación de resultados más rápida y entendible. De igual manera su versatilidad al momento de conectarse con sensores de distinto tipo, hace que sea fácil la integración e interpretación de las señales emitidas por los sensores localizados en el intercambiador. Otra de las facilidades que pre presenta senta el software LabView es ssu u programac programación ión
tipo G, es decir su código basado en diagramas de bloques gráficos, ayudando al seguimiento del código de programación para entender las variables que intervienen durante el proceso, para así poder detectar posibles errores que se presenten a lo largo de la vida útil del banco de pruebas o incluso mejorándolo según se presenten nuevas necesidades. Se debe recalcar que la programación gráfica de LabView ay ayuda uda a la integración de varias variables, transformándolas y representándolas en un
interfaz muy amigable con el usuario, pero se debe tener especial cuidado en el diagrama de bloques, ya que mientras más recursos se usen, mayor deberá ser la organización y ordenamiento de dichos bloques para que sus hilos no sean difusos y hagan difícil el seguimiento de la ejecución del programa.
En conclusión, el software LabView es una herramienta muy potente en el ámbito ingenieril, facilitando la recolección de datos, el control de procesos y la detección de errores sin la necesidad de la presencia constante del operador.
8. BIBLIOGRAFÍA
HEWITT, G. F. Heat Exchanger Desig Design n Handbook. Part 3. Thermal and hydraulic design of heat exchanger Exec. Ed. New York: Begell House. 1998. INCROPERA, F. P. Fundamentos de Transferencia de Calor. 4ta ed. México: Prentice Hall. 1999 CENGEL, Y. A. Transferencia de Calor. 2da ed. México: McGraw-Hill, 2004 LLangarí, V. (2012). DISEÑO TÉRMICO E HIDRÁULICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS. Riobamba, Chimborazo, Ecuador.
View more...
Comments
