Facultad de Ingeniería Semestre Semestre 2017-II Fecha de realización: 3 de Octubre de 2017 Fecha de presentación: 17 de Octubre de 2017 –
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I nte nter cam cambi ador de calo calorr de vasi sijj a encam ncami sad sada ( E D I B ON) ON ) J acket keted V esse ssel hea heat E xcha xchanger nger (E D I B ON) ON ) Valeria Alarcon Muñoz1*
Mauro Anillo De la hoz1
Ronaldo Consuegra Duncan1
Lizdany Escobar Díaz1
Daniela López Argumedo1
Julieth Pertuz Alcocer 1
1
Universidad del Atlántico, Puerto Colombia, Colombia; *
[email protected]. *
[email protected] co
Resumen — El siguiente documento detalla la practica realizada con un intercambiador de calor de vasija encamisada, permitiendo realizar el cálculo de la transferencia de calor en el proceso, el coeficiente global de transferencia transf erencia de calor y la forma como la capacidad de transferencia de calor se ve afectada por el área área con respecto a los diferentes equipos que se utilizaron en practicas anteriores; además de la transferencia de calor debido a un aumento del caudal de fluido caliente y decidir cuál sería el equipo más apropiado para trabajar dependiendo de las condiciones a las que se realice la práctica.
Palabras clave: Vasija encamisada, caudal, caliente, transferencia de calor. Abstract — The following document details the practice realized with a jacketed vessel heat exchanger, allowing for calculate the heat transfer in the process, the overall coefficient coeff icient heat transfer and the way of how heat transfer capacity is affected by the area as much as the different equipment used in practices before; however the heat transfer due to the increasing of hot flow and decide what could be the best equipment to job depending onhot, theheat conditions K ey eywo worr ds: Jacketed they work. vessel, flow, transfer. as
LISTA DE ABREVIATURA ABREVIATURAS S Qp = Pérdidas de calor [W] Qc = Calor absorbido por el líquido frío [W] Qh = Calor transferido por el líquido caliente [W] Cp = Calor específico [KJ/K ⸱Kg]
̇ = Flujo másico del fluido caliente [Kg/s] ̇ = Flujo másico del fluido frío [Kg/s] c
h
T = Temperatura absoluta [K] ΔTml = Diferencia logarítmica de temperatura [K]
U = Coeficiente global de transferencia de calor [W/m 2K]
ε = Efectividad [Adimnesional]
NTU = El número número de unidades de transmisión transmisión CR = = Coeficiente de capacidad T∞, h = Temperatura media del fluido caliente [K] T∞, c = Temperatura media del fluido frío [K] Re = Número de Reynolds [Adimensional] ρ = Densidad del fluido [Kg/m 3]
D = Diámetro de la tubería [m2] V = Velocidad del fluido [m/s] µ = Viscosidad dinámica [N ⸱s/m2] I. I NTRODUCCIÓN Hoy por hoy, todos los procesos industriales llevados a cabo en el mundo constan de diferentes d iferentes equipos a lo largo del recorrido del mismo, consta de diferentes equipos tales como calderas, reactores, condensadores o intercambiadores de calor. Estos equipos son muy importantes debido a la gran ventaja tanto económica como en medida de tiempo, debido a que permite aprovechar la energía desde que se inicia hasta que termina. Un equipo muy importante dentro de la industria química es un intercambiador de calor, además de existir diferentes tipos, son muy usados debido a la capacidad que tienen de aprovechar la energía en forma de calor, lo cual permite calentar o enfriar un fluido; sin embargo, para la práctica se usa un tipo en particular de intercambiador conocido como intercambiador de vasija encamisada; es decir, un contenedor diseñado para controlar la temperatura en su interior. [1] Una chaqueta no es más que una cavidad externa a la vasija que permite el intercambio de calor de manera uniforme entre el fluido que lo atraviese y las paredes de la vasija. Sin embargo, dentro de las vasijas existe un proceso de agitación del fluido lo que permitirá una homogeneidad en el mismo, permitiendo permitiendo que
Intercambiador de calor de vasija encamisada (EDIBON)
el intercambio de calor sea más eficiente. Además, se tiene que existen 2 tipos de arreglos, que corresponde o depende del fluido que pasa a través de la vasija, ya que puede ser por lote; lo que permite mantener la temperatura constante en el fluido, lo que es de mucha utilidad en la industria química; o de alimentación alimentaci ón continua, cuando existe un caudal permanente de entrada y de salida a la vasija.
2 alcanzar las condiciones de operación estacionaria. Se fijó la velocidad de giro del agitador en 15 rpm. Este proceso se repitió a condiciones constantes y finalmente se registraron en cada caso los valores de las temperaturas y caudales indicados por los sensores. ESULTADOS III. R ESULTADOS
Tabla 1. Datos del experimento 1
Es importante mencionar que el proceso de transferencia de calor ocurre de afuera hacia adentro; es decir, desde la chaqueta atransferencia la vasija. Lo queconvectiva existe un proceso inicial de de cual calorindica de forma a través del fluido que se encuentra a mayor temperatura, para luego vencer la resistencia que ejerce la pared de la vasija que contiene al fluido que se encuentra a menor temperatura; proceso que ocurre por conducción, para luego iniciar nuevamente un proceso de convección mientras se le aporta energía al fluido en forma de calor.[2] De esta forma se puede realizar un balance global de energía para el sistema, determinando el calor cedido por el fluido caliente a lo largo del proceso, también la forma en cómo afecta el caudal la transferencia de calor y así mismo el número de Reynolds o el régimen contenido dentro de la vasija. II. METODOLOGÍA Para darabiertas inicio ya una la práctica se comprobó las válvulas estuviesen configuración en flujoque paralelo y que el depósito de calentamiento estuviese lleno de agua, por encima del interruptor de nivel. Luego se comprobó que la válvula AV9 estuviese abierta y la AV10 estuviese cerrada. Finalmente se encendió la bomba y la resistencia (alimentación del equipo).
Ensayo 1
Ensayo 2
ST-16 (°C)
50
60
ST-1 (°C)
32,0
32,2
ST-2 (°C)
33,7
34,3
ST-3 (°C)
33,7
34,1
ST-4 (°C)
45,8
50,9
ST-5 (°C)
39,4
41,0
SC-1 (l/min)
1,0
1,0
SC-2 (l/min)
3,1
3,1
Volumen vasija (L)
5,5
5,5
Velocidad giro (rpm)
15
15
Tabla 2. Datos del experimento 2. Ensayo 3
Figura #. Montaje y configuración en paralelo del
intercambiador de calor de vasija encamisada. Experimento 1: Balance
global de energía y cálculo de
pérdidas En esta parte de la práctica se fijó la temperatura del depósito depó sito en 50°C (ST 16), se fijó el caudal de agua caliente en unos 1,0 L/min (SC1) y se ajustó el caudal de agua fría hasta alcanzar las condiciones de operación estacionaria. Se fijó la velocidad de giro del agitador en 15 rpm. Posteriormente se realizó este proceso a diferentes diferentes temperaturas temperaturas del agua depósito: 60°C, se registraron en cada caso los valores de las temperaturas y caudales indicados por los sensores, en flujo en paralelo. Experimento 2:
Determinación de la eficiencia del
Ensayo 4
ST-16 (°C)
60
60
ST-1 (°C)
32,3
32,4
ST-2 (°C)
35,0
35,8
ST-3 (°C) ST-4 (°C)
34,5 52,1
35,7 54,2
ST-5 (°C)
43,0
45,5
SC-1 (l/min)
1.0
1.0
SC-2 (l/min)
3,2
3,2
Volumen vasija (L)
5.5
5.5
Velocidad (rpm)
15
15
giro
intercambi intercambiador NTUparte de la práctica se fijó la temperatura del Para la ador segunda depósito en 60°C (ST 16), se fijó el caudal de agua caliente en unos 1,0 L/min (SC1) y se ajustó el caudal de agua fría hasta Universidad del Atlántico
Intercambiador de calor de vasija encamisada (EDIBON)
3
Tabla 3. Resultados del experimento experimento 1 Ensayo 1
Ensayo 2
ℎ (w) (w) (w)
534.7
896.1
367.0
410.1
262.4
509.7
ΔTlm (K)
9.56
12.37
U (w/m2K)
111486
142440
V. CONCLUSIONES R EFERENCIAS EFERENCIAS [1] F. Incropera and D. HeWitt, Fundamentos de transferencia de calor, 1st ed. Madrid: Pearson-Prentice Hall, 1999, pp. 561-563. [2] F. Incropera and D. HeWitt, Fundamentos de transferencia de calor, 1st ed. Madrid: Pearson-Prentice Hall, 1999, pp. 567-574. [3]
Yunnus A. transferd, 4thCengel, ed., vol. Afshin 1. McGrawHill, J. Ghajar, 2011, Heat pp.631 and – mass 652. 652. [4] Robert L. Mott, Applied fluid mechanics,6th ed., vol. 1. Pearson, 2005, pp.42 – 667. 7. A NEXOS (O MATERIAL SUPLEMENTARIO) Con base a los datos del experimento 2, se halló:
Tabla 4. Resultados del experimento experimento 2. Ensayo 3
Ensayo 4
ɛ
0.11
0.15
ℎ (w)
1267
1757
ΔTlm (K)
13.87
15.64
U.A (w/m2)
91.45
112.35
NTU CR
656.3 0.63
806.3 0.91
ɛNTU
1.00
1.00
h,o (°C) , (°C)
32.30
32.40
26.61
24.51
ESULTADOS IV. A NÁLISIS DE R ESULTADOS Para los ensayos realizados en el experimento 1 se puede observar que existen perdidas positivas que, de acuerdo a la literatura, esto indica el sentido de flujo de calor del fluido
caliente al fluido la capacidad transferencia de frio; calorademás entre selosobserva fluidosqueaumenta con de la temperatura, se observa al calcular el coeficiente global de transferencia de calor que aumenta con la temperatura; mostrando que existe una relación a la transferencia de calor con la misma sin importar el diseño del equipo, debido a que el área de transferencia de calor no varía durante los ensayos. Sin embargo, para el experimento 2, el cálculo del intercambiador NTU, aumenta gracias al caudal, esto quiere decir que la transferencia de calor entre fluidos es mucho más eficiente cuando se tiene un régimen de flujo turbulento; cabe resaltar que, dicho proceso consta de un agitador que permite una transferencia uniforme a través del fluido frio ya que en constante movimiento, el fluido hace contacto con toda la superficie de transferencia de calor y al mismo tiempo permitiéndole permiti éndole ganar mayor cantidad de energía en forma de calor.
̇ =0.05/ ̇ ℎ =0.03/ @ 33,5 33,5° ° = 4.178 178 ℎ @ 45° 45° = 4.180 180 ̇ =0.2089 ̇ ℎℎ = 0.11254 254 ̇ > ̇ ℎℎ Para hallar la efectividad, ɛ, lo calculamos mediante la ecuación
= −− = 34.5 − 32.3 52.1−32.3 = 0.11 Para hallar el calor cedido por el agua caliente, Qh, se calculó mediante la siguiente ecuación:
ℎ = ̇ ℎℎ ( − ) 325.25−316.15)) 4.178)) (325.25−316.15 ℎ = (0.03 0.03)) (4.178 ℎ =1.267 1000 1 ℎ =1267 = Universidad del Atlántico
Intercambiador de calor de vasija encamisada (EDIBON)
Luego se halla la diferencia de temperatura media logarítmica entre el agua caliente y el agua fría:
= ( − ()−−()− ) [[( − )]
4
325.25−307.65)) −(316.15−305.45) = (325.25−307.65 325.25−307.65))] 325.25−307.65 [[((316.15−305.45) = 13 13.8.877
Universidad del Atlántico
