Informe 2 Calculo de Intercambiadores de Tubos y Coraza

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR II

Informe No. 2 CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA Grupo No. 2M Integrantes:    

Carlos Aragón Tamara Isch Juan Pablo Pillajo Gabriela Ruiz

Fecha de realización de la práctica: Miércoles, 10 de noviembre de 2010

Fecha de entrega del informe: Miércoles, 17 de noviembre de 2010

NOTA Presentación Resumen Teoría Discusión Conclusiones Cálculos Coloquios TOTAL

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Índice 1.

OBJETIVOS...................................................................................................................................................................3 1.1.

OBJETIVO GENERAL ......................................................................................................................................3

1.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................................3

2.

RESUMEN.....................................................................................................................................................................3

3.

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................................4

4.

FUNDAMENTO TEÓRICO ......................................................................................................................................4 4.1.

INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA ...........................................................................................4

4.2.

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR ..............................................................6

4.3.

DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGARÍTMICA ...........................................................6

4.4.

RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO........................................................................................................6

5.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ..................................................................................................................7

6.

ESQUEMA DE LOS EQUIPOS ................................................................................................................................7

7.

DATOS EXPERIMENTALES ...................................................................................................................................8

8.

RESULTADOS .......................................................................................................................................................... 11

9.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS ........................................................................................................................... 13

10. CONCLUSIONES...................................................................................................................................................... 15 11. RECOMENDACIONES ........................................................................................................................................... 15 12. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................................................ 15 13. ANEXOS ..................................................................................................................................................................... 16 13.1.

EJEMPLO DE CÁLCULO ......................................................................................................................... 16

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CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA 1. 

OBJETIVOS 1.1. OBJETIVO GENERAL Analizar la transferencia de calor entre agua fría y una solución de agua – etilenglicol (80 – 20) a diferentes temperaturas en un intercambiador de tubos y coraza con deflectores en las configuraciones en contracorriente y paralelo.

1.2.          

2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Medir las temperaturas de entrada y de salida de los líquidos que fluyen a través de los tubos y de la coraza; y el caudal de dichos líquidos. Determinar la temperatura de entrada y de salida de cada fluido en el sistema, cuando éste ha llegado al estado estacionario. Representar gráficamente la distribución de temperaturas del intercambiador de calor para las configuraciones en contracorriente y paralelo. Determinar el valor de los coeficientes peliculares de transferencia de calor por convección para el fluido que viaja por los tubos y para el fluido que viaja por la coraza. Calcular los coeficientes globales de transferencia de calor sucio y limpio del sistema para el intercambiador de calor en las configuraciones contracorriente y paralelo. Calcular la resistencia al ensuciamiento del intercambiador para cada configuración. Calcular la caída de presión del sistema, por los tubos y por la coraza, en las configuraciones en contracorriente y paralelo. Determinar la eficiencia del sistema para flujos en contracorriente y paralelo. Demostrar experimentalmente que la configuración en contracorriente es más eficiente que la configuración en paralelo. Comprobar si el intercambiador de tubos y coraza es más eficiente respecto al intercambiador de tubos concéntricos.

RESUMEN

En la presente práctica se estudió la transferencia de calor entre una mezcla de agua - etilenglicol y agua, la última a menor temperatura, en un intercambiador de calor de tubos y coraza en las configuraciones paralelo y en contracorriente. Para esto se conectó las mangueras de obturación propia, fijando un flujo en contracorriente para el intercambiador de calor de tubos y coraza. Entonces, se accionó las bombas de los fluidos frío y caliente, y se tomó las lecturas de temperatura de los termómetros cada 2 minutos, hasta que el sistema llegó al equilibrio. Luego se cambió la configuración del intercambiador de calor a paralelo, cambiando la conexión de las mangueras de obturación propia, y se repitió el proceso. Con los datos obtenidos experimentalmente se determinó el valor de los flujos calóricos para las configuraciones en paralelo y en contracorriente, además de la diferencia de temperaturas media logarítmica, los coeficientes peliculares de convección, el coeficiente global de transferencia de calor, la resistencia al ensuciamiento, la eficiencia y la caída de presión por el lado de los tubos y por el lado de la coraza del intercambiador en cada configuración. Así, se llegó a comprobar que la configuración en contracorriente es la más eficiente, pero que el intercambiador de calor no cumple con todas los parámetros que se evalúan en la transferencia de calor. 3

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3.

INTRODUCCIÓN

Como resultado de una diferencia de temperatura entre cuerpos materiales se lleva a cabo un intercambio de energía, que termodinámicamente se conoce como calor. En base a los conocimientos adquiridos en transferencia de calor se puede predecir la rapidez con la que, bajo condiciones específicas, tiene lugar esa transferencia, además de otros parámetros importantes como el valor del coeficiente global de transferencia de calor o de coeficientes peliculares. [3] La aplicación de los principios de la transferencia de calor al diseño de equipos destinados a cubrir un objetivo determinado en ingeniería es de capital importancia, porque al aplicar los principios al diseño el individuo está trabajando en la consecución del importante logro que supone el desarrollo de un producto para obtener provecho económico. A la postre, la economía juega un papel clave en el diseño y selección de equipos de transferencia de calor, y el ingeniero debería tener esto en cuenta al abordar cualquier problema nuevo de diseño de transferencia de calor. El peso y el tamaño de los intercambiadores de calor empleados en el espacio o en aplicaciones aeronáuticas son parámetros fundamentales, y en estos casos las consideraciones de los costes de material y fabricación del cambiador de calor quedan frecuentemente subordinados a aquéllos; sin embargo, el peso y el tamaño son factores de coste importantes dentro de la aplicación global en estos campos, y deben seguir considerándose como variables económicas. [1] Por eso en la presente práctica se pretende aprovechar el intercambio de energía entre agua fría y una mezcla caliente de etilenglicol - agua, a fin de estudiar la transferencia de calor entre un flujo caliente y un flujo frío en un intercambiador de calor de tubos y corazas y evaluar qué configuración beneficia más al proceso. Así, se adoptarán algunos de los criterios con los que se puede determinar la rentabilidad de un equipo de ingeniería, además de los principios que se deben considerar en el diseño de un intercambiador de calor.

4.

FUNDAMENTO TEÓRICO 4.1. INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA

Un intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes evitando que se mezclen entre sí. El intercambiador de tubos y coraza es el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales. Está compuesto por gran cantidad de tubos contenidos en un casco o coraza. Los tubos se disponen con sus ejes paralelos al eje del casco. En este tipo de intercambiadores, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por una pared metálica y tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por el interior de los tubos mientras que el otro se mueve por fuera de éstos. Para asegurar que el fluido por el lado de la coraza fluya a través de los tubos e induzca una mayor transferencia de calor, se colocan deflectores ó placas verticales. Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador, las diferencias dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. En cuanto al primer punto, se puede encontrar intercambiadores con flujo paralelo y en contracorriente, y en cuanto a los detalles de construcción existen intercambiadores de paso múltiple, se clasifican por el número de pasos por el casco y por el número de pasos por los tubos, estos pasos son pares y la configuración de flujo es siempre en contracorriente. A continuación se presenta en la Figura 4.1 una representación de las configuraciones en paralelo y en contracorriente. 4

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(a)

(b)

Figura 4.1. Configuraciones de un intercambiador de calor: a) Circulación en Paralelo, b) Circulación en Contracorriente Donde tras que

y y

representan las temperaturas de entrada y de salida del fluido caliente, mienson las temperaturas de entrada y salida del fluido frío.

Suponiendo que el intercambiador ha llegado a las condiciones de estado estable y que no existen pérdidas de calor hacia el exterior, se tiene que el calor entregado por el fluido caliente y recibido por el fluido frío está dado por la siguiente ecuación:

4.1 Donde se refiere al flujo másico de cada corriente, es la capacidad calorífica y se refiere a la diferencia de temperaturas a la entrada y salida del intercambiador para el fluido caliente y para el fluido frío. Por otra parte, la ecuación de diseño para un intercambiador de calor está dada por la expresión: 4.2 Donde es el coeficiente global de transferencia de calor, el área de transferencia y la diferencia de temperaturas media logarítmica. En seguida se describe a cada uno de ellos.

es

En el diseño de un intercambiador de calor se deben determinar los siguientes parámetros:        

Parámetros que definen la eficiencia: factor de traspaso, diferencia de temperaturas Factores límites: caída de presión, velocidad, viscosidad Configuración del intercambiador: paralelo, serie Tipo de superficie de transferencia de calor Dimensiones del intercambiador Coeficiente Global de Transferencia de Calor Diferencia de Temperaturas Media Logarítmica Resistencia al Ensuciamiento

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4.2.

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Para evaluar el intercambio calórico en un intercambiador de calor es necesario unificar los coeficientes de transferencia de calor para los tres tipos de mecanismos. Ello lleva a definir el concepto de Coeficiente Global de Transferencia de Calor, que engloba a los coeficientes de convección peliculares ( , ) y al coeficiente de conducción ( ) en la siguiente ecuación:

4.3

4.3.

DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGARÍTMICA

Para dos arreglos básicos simples, como los mostrados en la Figura 4.1 o como los desarrollados en la presente práctica, la diferencia media logarítmica viene dada por la siguiente ecuación:

(

) 4.4

Donde es la variación de temperatura a la entrada del intercambiador, mientras que es la variación de temperatura a la salida del intercambiador. Así, la diferencia involucra a las temperaturas de entrada y salida de los fluidos, cuyos valores pudieron ser fácilmente obtenidos.

4.4.

RESISTENCIA AL ENSUCIAMIENTO

Habrá una tendencia a adquirir incrustaciones debido a suspensiones presentes en los fluidos que circulan por el interior del intercambiador. Por tanto, es necesario considerar la resistencia al ensuciamiento ( ), ya que afecta directamente en la eficiencia real que el equipo alcanzará durante su operación. El coeficiente global de transferencia de calor sucio (o de operación) está relacionado con el de diseño (o limpio) según lo indica la siguiente expresión:

4.5 Un valor negativo para la resistencia de ensuciamiento indica un subdimensionamiento del intercambiador debido a que los coeficientes de transferencia de calor por convección, interno y externo, que fueron considerados para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor de diseño son menores a los que en realidad actúan durante su la operación del equipo. Conforme opera el intercambiador, la película de incrustaciones aumenta de espesor, de modo que los coeficientes de transferencia de calor por convección disminuirán de tal forma que, en algún momento, la resistencia al ensuciamiento llegará a ser negativa. Ello indicará, como se mencionó en el párrafo anterior, que el equipo está subdimensionado y que es necesario darle mantenimiento o reemplazarlo a fin de que la transferencia de calor sea la que se espera.

6

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5.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El procedimiento experimental seguido durante el desarrollo de la práctica fue el siguiente: 1. Se identificó todas las partes del equipo, especialmente los puntos y fluidos a los que corresponde cada termómetro. 2. Se conectó las mangueras de obturación propia, fijando un flujo en contracorriente para el intercambiador de calor de tubos y coraza. 3. Se accionó las bombas de los fluidos frío y caliente. 4. Se tomó las lecturas de temperatura de los termómetros cada 2 minutos, hasta que el sistema llegó al equilibrio, esto es, cuando las temperaturas de entrada y de salida de cada fluido se mantuvieron constantes. 5. Se apagó las bombas. 6. Se cambió la configuración del intercambiador de calor, para lo cual se desconectó y conectó las mangueras de obturación propia fijando un flujo en paralelo. 7. Se repitió el procedimiento experimental, desde los pasos 3 – 5. 8. Se desconectó el sistema y se apagó el equipo.

6.

ESQUEMA DE LOS EQUIPOS

El equipo de laboratorio consiste de un intercambiador de calor de tubos y coraza con deflectores transversales. Consta de cinco tubos de cobre dentro de un cuerpo cilíndrico del mismo material, que contiene deflectores transversales equidistantes a lo largo del intercambiador. A continuación se presentan, en las Figuras 6.1 y 6.2, el esquema de instalación de los equipos utilizados para el cálculo de intercambiadores de calor de tubos concéntricos.

1 3

2

5

4

7

6

8

10

9 Figura 6.1. Esquema de instalación del equipo utilizado en la presente práctica 7

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Tfs Tce

Tcs 6

Tfe

2

8 2

9

Figura 6.2. Esquema del equipo Complementariamente a lo mostrado en las Figuras 6.1 y 6.2 se presentan a continuación, en la Tabla 6.1, datos respectivos a los equipos utilizados en la práctica. Estos se refieren al número con el que cada material fue designado en la figura anterior, a la cantidad y al nombre del mismo. Tabla 6.1. Equipos utilizados en el cálculo de Intercambiadores de calor de Tubos concéntricos Número Cantidad Nombre del Equipo 1 2 Sistema de control eléctrico 2 2 Termómetro a la entrada del intercambiador 3 2 Termómetro a la salida del intercambiador 4 1 Rotámetro correspondiente al fluido frío 5 1 Rotámetro correspondiente al fluido caliente 6 1 Intercambiador de calor de tubos y coraza 7 4 Mangueras de obturación propia 8 1 Tanque de almacenamiento del fluido caliente 9 1 Tanque de almacenamiento del fluido frío 10 2 Bombas Adicionalmente a esto, se empleó un cronómetro.

7.

DATOS EXPERIMENTALES

A continuación se presenta, en la Tabla 7.1, las especificaciones del intercambiador de calor utilizado. Éstas se refieren al número de tubos, al diámetro interno y externo de los tubos y de la coraza, a la longitud del intercambiador de calor y al tipo de deflectores. 8

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Tabla 7.1. Especificaciones del equipo Tubos Longitud ( ) 600 Número de tubos 5 Separación ( ) 25 Diámetro externo ( ) 22 Diámetro interno ( ) 20,2 Área de flujo total ( ) 0,001602

Coraza Diámetro interno ( ) 73 Espesor ( ) 1,6 Número de deflectores 3 Espaciamiento ( ) 150,0 L* ( ) 0,00911 Área de flujo total ( ) 0,00131

Los datos experimentales obtenidos durante la realización de la práctica se detallan a continuación, en las Tablas 7.2 y 7.3. Éstos se refieren a las temperaturas de entrada (T entrada) y de salida (T salida) de los fluidos frío y caliente, y de sus caudales respectivos (Q), en cada uno de los tiempos indicados (t) para las configuraciones en contracorriente y en paralelo, respectivamente, del intercambiador de tubos y coraza. Tabla 7.2. Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente del intercambiador de tubos concéntricos en contracorriente Fluido Frío Fluido Caliente t (min) T entrada (℃) T salida (℃) Q (L/s) T entrada (℃) T salida (℃) Q (L/s) 0 7,0 8,5 0,725 30,5 27,0 0,355 2 8,5 9,8 0,725 30,0 26,5 0,304 4 9,5 10,5 0,725 31,0 28,0 0,295 6 10,0 11,0 0,725 31,5 28,5 0,278 8 10,0 11,5 0,725 32,0 28,5 0,255 10 10,0 11,5 0,725 32,0 28,5 0,245 12 10,0 11,5 0,725 32,0 28,5 0,258 10,0 11,5 0,725 32,0 28,5 0,253 Tabla 7.3. Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente del intercambiador de tubos concéntricos en paralelo Fluido Frío Fluido Caliente t (min) T entrada (℃) T salida (℃) Q (L/s) T entrada (℃) T salida (℃) Q (L/s) 0 9,8 11,0 0,725 31,0 28,0 0,310 2 10,2 11,5 0,725 31,5 29,0 0,290 4 10,5 12,0 0,725 31,0 28,0 0,295 6 11,0 12,5 0,725 31,0 28,5 0,300 8 11,5 12,5 0,725 31,0 28,5 0,292 10 11,9 13,0 0,725 32,0 29,0 0,278 12 12,0 13,0 0,725 32,0 29,0 0,258 14 12,0 13,0 0,725 32,0 29,0 0,265 12,0 13,0 0,725 32,0 29,0 0,262 Finalmente se detallan a continuación, en las Tablas 7.4 y 7.5, las propiedades de los fluidos frío y caliente a la temperatura representativa, es decir, a la temperatura media para el agua y a la temperatura calórica para la mezcla de agua – etilenglicol, para las configuraciones en contraco9

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rriente y en paralelo respectivamente. Se incluyen además las propiedades del agua a la temperatura correspondiente, con las que se determinará si el fluido es o no viscoso. Tabla 7.4. Propiedades de los fluidos frío y caliente a la temperatura media/calórica para el intercambiador de tubos concéntricos en contracorriente1

Temperatura media/calórica (°K)

̇

Fluido Frío

Fluido Caliente

283,75

303,02

0,577 1000,00 4194,75 0,0013 9,4250 1000,0000 0,0013 2332,3640

0,544 1021,99 3956,14 0,0011 7,9870 996,0250 0,0008111 999,5846

Tabla 7.5. Propiedades de los fluidos frío y caliente a la temperatura media/calórica para el intercambiador de tubos concéntricos en paralelo

Temperatura media/calórica (°K)

̇

Fluido Frío

Fluido Caliente

285,50

303,14

0,577 1000,00 4194,75 0,0013 9,4250 1000,0000 0,0013 3104,1629

0,544 1021,94 3956,87 0,001098 7,9711 996,0250 0,0008111 1034,7210

FUENTE: MILLS A.F., 1995, “Transferencia de Calor”, 1ª ed., Editorial McGraw Hill, México D.F., México, Apéndice A, Pág. 874 1

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8.

RESULTADOS

En seguida se presenta, en las Tablas 8.1 y 8.2, las temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente, una vez que se ha llegado al equilibrio, para las configuraciones en contracorriente y en paralelo del intercambiador. Tabla 8.1. Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente (Sistema Internacional) Fluido frío Fluido caliente T entrada T salida T media T entrada T salida T media T calórica (℃) (℃) (℃) (℃) (℃) (℃) (℃) Contracorriente 10,0 11,5 10,75 32,0 28,5 30,25 30,02 Paralelo 12,0 13,0 12,5 32,0 29,0 30,5 30,14 Configuración

Tabla 8.2. Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos frío y caliente (Sistema Inglés) Fluido frío Fluido caliente T entrada T salida T media T entrada T salida T media T calórica (℉) (℉) (℉) (℉) (℉) (℉) (℉) Contracorriente 50 52,7 51,35 89,6 83,3 86,45 86,04 Paralelo 53,6 55,4 54,5 89,6 84,2 86,9 86,25 Configuración

A partir de la información tabulada en las Tablas 8.1 y 8.2 se presenta, a continuación, las Figuras 8.1 y 8.2, en las que se muestra la distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador de calor de tubos y coraza para las configuraciones en contracorriente y en paralelo respectivamente.

Temperatura vs Longitud Configuración en Contracorriente 35 30 T (°C)

25 20 15

Fluido Caliente

10

Fluido Frío

5 -0.2

0 1E-15

0.2 L (m)

0.4

0.6

Figura 8.1. Distribución de temperaturas en el Intercambiador de calor de tubos y corazas para la configuración en contracorriente 11

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Temperatura vs Longitud Configuración en Paralelo 35 30 25 T (°C)

20 15

Fluido Caliente

10

Fluido Frío

5 -0.2

0 1E-15

0.2 L (m)

0.4

0.6

Figura 8.2. Distribución de temperaturas en el Intercambiador de calor de tubos y corazas para la configuración en contracorriente En las Tablas 8.3 y 8.4 se muestran, a continuación, los valores del flujo calórico ( ̇ ), el flujo másico ( ̇ ) y el caudal ( ) de los fluidos frío y caliente en las configuraciones en contracorriente y en paralelo para los sistemas internacional e inglés respectivamente. Cabe indicar que cada uno de los valores tabulados son determinados para cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio. Tabla 8.3. Calor transferido entre los fluidos, flujo másico y caudal de los fluidos frío y caliente (Sistema Internacional) Fluido caliente ̇

Configuración

( )

Contracorriente 3498,5460 0,253 Paralelo 3104,1629 0,262

̇ (

)

0,2527 0,2615

Fluido frío ( )

̇ (

0,725 0,725

)

0,5560 0,7400

Tabla 8.4. Calor transferido entre los fluidos, flujo másico y caudal de los fluidos frío y caliente (Sistema Inglés) Fluido caliente Configuración

̇ (

)

Contracorriente 11939,8018 Paralelo 10593,8553

(

)

0,0089 0,0092

̇ ( ) 0,5570 0,5765

Fluido frío (

)

0,0256 0,0256

̇

( )

1,2258 1,6314

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A continuación se presentan, en las Tablas 8.5 y 8.6 los resultados finales obtenidos para el intercambiador de calor de tubos y coraza en las configuraciones en contracorriente y paralelo para los sistemas internacional e inglés respectivamente. Tabla 8.5. Resultados finales (Sistema Internacional) Configuración

Contracorriente Paralelo 19,4829 17,9257 por el lado de los tubos 0,1543 0,1597 por el lado de la coraza 0,4232 0,5632 ( ) 423,1555 427,9297 ( ) 3226,7009 3775,0208 ( ) 866,0447 835,1703 ( ) 374,0959 384,3594 ( ) ( ) 7202,72057 7715,49807 ( ) 1236,7245 2190,63145 15,9091% 15,0000% ℃

Tabla 8.6. Resultados finales (Sistema Inglés) Configuración

Contracorriente ℉ 35,0692 por el lado de los tubos 0,5062 por el lado de la coraza 1,3883 ℉) ( 74,5222 ℉) ( 568,2506 ℉) ( 152,5483 ℉) ( 65,8822 ℉ ( ) 1,0447 0,1794 15,9091%

9. 



Paralelo 32,2662 0,5239 1,8477 75,3630 664,8146 147,1099 67,6897 1,1190 0,3177 15,0000%

DISCUSIÓN DE RESULTADOS Se observa en las Tablas 7.2 y 7.3 que el caudal del fluido caliente no se mantuvo constante debido al mal estado de la bomba. Lo mismo sucedió con el fluido frío, sólo que, debido a inconvenientes con el rotámetro que le correspondía, no se pudo tomar el valor del caudal en cada tiempo. Esto puede ser la causa de errores en los resultados obtenidos experimentalmente, y también fluctuaciones y problemas en la transferencia de calor. Como se puede observar en las Tablas 7.2 y 7.3, la temperatura de entrada del fluido caliente no se distancia mucho de la temperatura de salida del mismo, lo cual indica que el intercambiador de calor no fue muy eficiente, sea por los bajos flujos por los que se tra13

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bajó o por la similitud en el valor de las propiedades físicas de los fluidos que se seleccionaron, sobretodo en la capacidad calorífica. En las Tablas 7.2 y 7.3 se observa también que el sistema no tomó más de 15 minutos llegar al estado estacionario en el intercambiador de calor de tubos y corazas, lo cual es bueno ya que, hablando a nivel industrial, eso implica costos. No sucedió lo mismo con el intercambiador de calor de tubos concéntricos, para el cual el sistema estacionario tomó alrededor de 20 minutos. En las Tablas 8.1 y 8.2 se observa que la temperatura calórica del fluido caliente es un tanto menor a la temperatura calórica, por lo cual se pudo hacer los cálculos sin necesidad de calcular factores controlantes. Sin embargo, considerar todos los aspectos disminuyen el error que se puede cometer en cuanto a los resultados. Se puede ver en las Tablas 8.1 y 8.2 que la temperatura de salida del fluido caliente es menor para la configuración en contracorriente que para la configuración en paralelo, bajo una misma temperatura de entrada, lo que sugiere que, si el objetivo es enfriar el fluido caliente, la configuración en contracorriente es la más eficiente. En las Figuras 8.1 y 8.2 se ve que la distribución de temperaturas obtenida para las configuraciones en contracorriente y en paralelo es igual a la esperada. Se observa en las Tablas 8.3 y 8.4 que el calor transferido entre los fluidos es mayor para la configuración en contracorriente que para la configuración en paralelo. Si bien los flujos másicos de los fluidos caliente y frío no son iguales, sí se aproximan, por lo que se puede decir que el intercambiador de calor en contracorriente es más efectivo. Los valores de la velocidad por el lado de los tubos y por el lado de la coraza presentados en la Tabla 8.6 son mucho menores a los especificados en las referencias bibliográficas, las cuales indican que cuando los fluidos son agua, estas velocidades deben estar comprendidas en el rango de 2 a 4 ft/s para el lado de la coraza y entre 3 y 6 ft/s para el lado de los tubos. Esto sugiere que ni la configuración en contracorriente ni la configuración en paralelo hacen del intercambiador de calor un equipo válido. Las pequeñas variaciones de temperatura de los fluidos frío y caliente evidencian que la transferencia de calor en el intercambiador de tubos y coraza utilizado es ineficiente. Esto se comprueba con el valor de la eficiencia, mostrado en las Tablas 8.5 y 8.6, mucho menor a 70% para las configuraciones en contracorriente y en paralelo, aunque se observa que la configuración en contracorriente es menos ineficiente que la configuración en paralelo. En las Tablas 8.5 y 8.6 se observa que el valor de la diferencia de temperatura media logarítmica para la configuración en contracorriente es mayor que la correspondiente al arreglo en paralelo, lo cual confirma nuevamente que la configuración en contracorriente es la menos ineficiente. También se observa en las Tablas 8.5 y 8.6 que la resistencia al ensuciamiento calculada tiene un valor negativo, ya que el coeficiente global de transferencia de calor real (sucio) es mayor al coeficiente global de transferencia de calor de diseño (limpio). Esto indica que el intercambiador de calor estudiado no tiene la capacidad de resistir más ensuciamiento, lo que afecta significativamente a la cantidad de calor transferido entre los dos fluidos. Posiblemente el tiempo de operación del intercambiador de calor con el que se trabajó amerita un mantenimiento más minucioso y que los fluidos con los que se trabaje sean más limpios, es decir, más puros y de una dureza mínima. En las Tablas 8.5 y 8.6 se evidencia que la caída de presión es muy pequeña, tanto por el lado de los tubos como por el lado de la coraza para las dos configuraciones analizadas. Esto es resultado de que los flujos con los que se trabajó son relativamente bajos y no provocan una considerable variación de la presión, además de que al ser líquidos, son fluidos incompresibles. Cabe recordar que la máxima caída de presión permisible para 14

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10. 

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12.

este tipo de intercambiador corresponde a 10 psi, por tanto la caída de presión no constituye un problema bajo las condiciones que opera el intercambiador. Comparando entre la configuración en contracorriente y la configuración en paralelo, se observa en la Tabla 8.6 que la caída de presión, ya sea por el lado de los tubos o por el lado de la coraza, es mayor para el régimen en paralelo, lo que demuestra una vez más que, aunque dichas caídas de presión no son considerables, la configuración en contracorriente es más eficiente. El intercambiador de tubos y coraza que se dispone en el laboratorio es ineficiente, lo que hace que el fluido caliente no se enfríe significativamente. Sin embargo, se evidencia que la configuración en contracorriente es más eficiente que la configuración en paralelo.

CONCLUSIONES El intercambiador de tubos y coraza analizado es un equipo ineficiente, tal como lo reflejan los valores de eficiencia de 15,9% para el caso de la configuración en contracorriente y del 15,00% para el arreglo en paralelo, si los fluidos de trabajo son agua fría y una mezcla de etilenglicol – agua caliente. Las velocidades de flujo tanto por el lado de los tubos como por el lado de la coraza no caen en los rangos establecidos, lo cual indica que los flujos empleados no son los requeridos para que el intercambiador funcione bajo condiciones óptimas. Las incrustaciones en el intercambiador de calor hacen que la resistencia al ensuciamiento presente un valor negativo, lo que indica que en las condiciones actuales este equipo ya no tiene capacidad de soportar incrustaciones. La caída de presión bajo las condiciones que opera el intercambiador tanto por el lado de los tubos y por el lado de la coraza está dentro del rango establecido, lo que indica que desde este punto de vista el intercambiador no presenta problemas. Pese a su ineficiencia, se logró demostrar experimentalmente que el intercambiador de calor de tubos y coraza en contracorriente es más eficiente (o menos ineficiente) que el intercambiador de calor de tubos y coraza en paralelo.

RECOMENDACIONES Fijar un intervalo de tiempo de máximo 2 minutos para leer la temperatura que marcan los termómetros, a fin de que no se tenga que repetir la toma de los datos debido a que las bombas utilizadas no están en perfecto estado. Comprobar que se ha llega al estado estacionario con el menos tres temperaturas iguales para la entrada y la salida de cada uno de los fluidos, ya que si bien para un caso se puede mantener constante, no necesariamente sucede lo mismo para los otros. Realizar un mantenimiento minucioso al intercambiador de calor de calor de tubos y coraza, no sólo porque los resultados obtenidos en la práctica pueden ser erróneos, sino porque también, hablando ya a nivel industrial, las incrustaciones hacen que la transferencia de calor sea ineficiente y que las temperaturas finales esperadas no sean las adecuadas.

BIBLIOGRAFÍA [ 1 ]. [ 2 ].

HOLMAN, J.P., “Transferencia de Calor”, octava edición, editorial McGraw Hill/Interamericana de España, Madrid, España, 1998, pp. 379 – 409 INCRÓPERA, Frank, DEWITT, David, “Fundamentos de transferencia de calor”, cuarta edición, Editorial Prentice Hall, México D.F., México, 1999, pp. 582 – 619 15

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13.

KERN, Donald, “Transferencia de Calor”, primera edición, Compañía editorial Continental S.A., México D.F., México, 1999, pp. 131 – 159 BONILLA OMAR, “Folleto de Transferencia de Calor”, Escuela Politécnica Nacional, pp. 12, 16, (Noviembre, 2010) MILLS A.F., 1995, “Transferencia de Calor”, 1ª ed., Editorial McGraw Hill, México D.F., México, Apéndice A, Pág. 874

ANEXOS 13.1. EJEMPLO DE CÁLCULO CONFIGURACIÓN EN CONTRACORRIENTE

1) Temperaturas de entrada y de salida de los fluidos caliente y frío cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio Evidentemente las temperaturas de entrada y de salida los fluidos caliente y frío cuando éste ha alcanzado el equilibrio van a ser los últimos valores medidos, ya que son precisamente éstos los que se mantuvieron constantes. Por lo tanto, si es la temperatura caliente de entrada, es la temperatura caliente de salida, es la temperatura fría de entrada y es la temperatura fría de salida, se tiene que: ℃ ℃ ℃ ℃ 2) Temperatura media/calórica de los fluidos frío y caliente Para determinar el valor de la temperatura media de cada uno de los fluidos, simplemente se calcula el promedio entre las temperaturas de entrada y de salida de cada fluido. Para esto, se aplica la siguiente ecuación: ̅ ℃

̅ ̅

℃

℃

℃

̅ ̅

℃

16

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℃

℃

Sin embargo, si se analizan las propiedades tabuladas en la Tabla 7.4 se observa que para el fluido caliente, que corresponde a la mezcla de etilenglicol – agua, la viscosidad del fluido es mayor a la viscosidad del agua, de modo que se trata de un fluido viscoso. Por lo tanto, sus propiedades no se deben evaluar a la temperatura media sino más bien a la temperatura calórica, la que se calcula de la siguiente manera: ℉ ℉ ℉ ℉

℃ ℃

℃ ℉

℉ ℃

℃

℃ ℃

℃

℃ ℃ ℃

Dado que el agua, o fluido frío, es un líquido no viscoso, el factor controlante determinado para el fluido caliente vendrá al ser el factor controlante mínimo. (

)

℃

℃ ℃

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3) Flujo másico del fluido caliente Debido a las dificultades que se presentaron durante la práctica para la mediación del caudal del fluido frío, se determinará el valor del calor transferido entre los dos fluidos a partir de los datos tomados para el fluido caliente. Dado que la bomba que controlaba el fluido caliente tampoco estaba en perfectas condiciones, ya que el flujo que se emitía no era constante, se va a tomar como valor del caudal el promedio de los caudales que se midieron cuando el sistema ya llegó al estado estacionario, es decir, cuando las temperaturas se mantuvieron constantes. Por lo tanto, si se verifican los datos tabulados en la Tabla 7.2, se tiene que el caudal es:

̇ ̇

(

)(

)

̇ 4) Calor transferido entre los dos fluidos ( ̇ ) ̇ ̇ ̇

̇

̇

(

̇ )(

(

)

)

℃

℃

̇ 5) Flujo másico del fluido caliente Si bien se midió el caudal del fluido frío, debido a los problemas con la bomba y sobre todo con el rotámetro se prefiere ̇

(

)

̇

(

)

18

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℉

(

(

) (

℉

)

℉

) ℉ ̅

℉

℉ 6) Eficiencia ( ) ̇

(

℉

)

℉ ̇

(

℉

)

℉ ℉ (

) (

) ℉ ℉

7) Coeficiente de convección externo ( (

℉ ℉

) )

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(

(

)

)(

)

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(

℉

)

℉ 8) Coeficiente de convección interno (

)

Tubos ¾ DE, 18 BGW

(

)

̇

(

)

21

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(

)(

)(

)

(

) ℉

℉

℉ 9) Coeficiente Global de Transferencia de Calor Limpio (

)

℉

℉

℉ 10) Diferencia de Temperaturas Media Logarítmica (

)

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(

)

℉ (

℉ ℉ ) ℉ ℉

11) Coeficiente Global de Transferencia de Calor Sucio (

(

)

)

̇

̇ (

̇

℉

)

℉

℉

℉ 12) Resistencia al ensuciamiento (

)

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℉

℉ [

13) Caída de presión (

℉

]

)

a) Caída de presión por el lado de la coraza (

)

̇

( )

(

(

)

)

→ De tablas (Manual de Perry)

(

)

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(

) (

b) Caída de presión por el lado de los tubos (

)

)

̇

→ De tablas (Manual de Perry)

(

)(

(

)

) (

)

Donde corresponde a la caída de presión para la entrada y la salida del intercambiador ( ), responde a la caída de presión a la entrada y salida de los tubos ( )y es la caída de presión para la entrada y la salida de los cabezales ( ).

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(

) (

)

(

(

)

) ( (

(

) )

) ( (

) )

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