INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA.docx

DETERMINACION DEL COEFICIENTE GLOBAL DE DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA

Introducción: El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una creciente importancia recientemente al empezar a ser consientes los ingenieros de la necesidad de ahorrar energía. En consecuencia se desea obtener equipos óptimos, no solo en función de un análisis térmico y rendimiento económico de lo invertido, sino también en función del aprovechamiento energético del sistema. Los intercambiadores de calor de tubo y coraza generalmente se usan cuando se necesita una gran superficie de intercambio en un espacio reducido. Un intercambiador de calor de tubos y coraza consiste en una coraza contenido en su interior de un haz de tubos. El intercambiador objeto de estudio con un paso de coraza por dos pasos de tubos con arreglo triangular.

Objetivo: Determinar el coeficiente global de díselo U D y la efectividad £ del intercambiador de calor de tubo y coraza existentes en el laboratorio de Operaciones Unitarias para determinar condiciones de operación.

Fundamento Teórico: El tipo más ampliamente usado de intercambiadores de calor es el de coraza y tubos. El diseño proporciona una gran área superficial como se puede apreciar en la figura siguiente:

Características de los Intercambiadores de Tubo y Coraza. Los intercambiadores de tubo y coraza ofrecen una razonable compactación y permiten un económico proceso de transferencia de calor en concordancia con la fortaleza de la estructura mecánica y constructiva. Permiten una fácil limpieza por el lado de los tubos y generalmente aceptable por el lado de la coraza. Una amplia variedad de las características o parámetros del diseño necesitan requerimientos especiales tales como, presiones extremas y temperaturas, vibraciones, erosiones, corrosión, cambio de fase y reposición de los componentes. Son permitidas áreas de transferencia en el rango de 0.1-90000 m2 en una coraza simple. Por todo esto, los intercambiadores de tubo y coraza son los más utilizados en la energía, control ambiental y procesos industriales en una vasta variedad de servicios. La mayor desventaja de los intercambiadores de tubo y coraza es que los mismos no pueden ser modificados una vez que han sido construidos, en oposición a otros tipos. Escoger un óptimo y eficiente método de diseño es fundamental para garantizar la utilidad y funcionabilidad adecuada y prolongada de estos equipos (Wilbur.1985).

Componentes básicos. (Wilbur.1985), señala que mientras existe una enorme variedad de las características específicas de diseño que se manejan en los intercambiadores de tubo y coraza, el número de componentes básicos es relativamente pequeño; así mismo hace la siguiente descripción de estos y sus características. El intercambiador térmico más simple es aquel en el cual los fluidos frío y caliente se mueven en iguales u opuestas direcciones en un tubo concéntrico. Cuando los flujos tienen iguales direcciones se le denomina flujo paralelo, en este caso ambos fluidos entran por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y abandonan el equipo por el extremo opuesto; en el caso contrario, flujos en direcciones opuestas, se le conoce como contracorriente, los fluidos frío y caliente entran por extremos opuestos y salen por extremos opuestos.

Otra configuración, la que nos ocupa en nuestro caso, son los intercambiadores de tubo y coraza. Estos difieren de los demás en el número de corazas, de tubos y pasos de tubos, además de poseer otros aditamentos como los deflectores, que tienen un objetivo específico dentro del equipo.

Tubos. Los tubos, A en la figura 1.1, son los componentes básicos de los intercambiadores de tubo y coraza, proveen la superficie de transferencia de calor

entre el fluido que fluye por dentro del tubo y otro fluido que fluye a través del exterior de los mismos. Los tubos se construyen sin costura o soldados a lo largo de la superficie. Los materiales más empleados son aceros de bajo contenido de carbono, aceros de bajas aleaciones,  aceros inoxidables, cobre,  admiralty, cobre-níquel, aluminio(en forma de aleaciones), titanio, y otros materiales para aplicaciones específicas.

Figura 1.1- Esquema de las partes principales de un intercambiador de tubo y coraza. Los tubos pueden ser lisos o con pequeñas aletas en la superficie exterior. Estas aletas son usadas cuando el fluido en el lado de la coraza tiene un coeficiente de transferencia de calor mucho menor que el del lado de los tubos.

a

b

Figura 1.2- Configuraciones típicas para los tubos. a-) Paso cuadrado, b-) Tresbolillo La superficie de estas aletas incrementan de 2 ½ - 5 veces el área de transferencia de calor, lo que ayuda a contrarrestar el bajo coeficiente de transferencia. Los tubos son arreglados en un patrón regular, usualmente uno de los mostrados en la figura 1.2. Estas configuraciones están caracterizadas por la relación de distancia de centro a centro de tubos adyacentes con respecto al diámetro del tubo. Un pequeño

valor de esta relación significaría un gran valor del área de transferencia por unidad de volumen.

Intercambiadores de Calor de Coraza y Tubos con Dos Pasos de Coraza y Dos Pasos de Tubos Las ecuaciones más importantes para el diseño y apreciación de un intercambiador de calor son los siguientes:

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Calculo de

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Descripción del Equipo: El equipo de trabajo es un intercambiador de coraza y tubos con u paso de coraza y dos pasos de tubos. Por los tubos circula agua líquida y por el lado de la coraza el vapor de agua. El equipo se muestra en la figura siguiente:

CALDERO VERTIVAL

INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA

MANOMETRO

TERMOCUPLA

Caldero Vertical e Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza Experimental con Un Paso de Coraza y Dos Pasos de Tubos Longitud

Arreglo PT C

L

3.2808 pies Triangular 0.76 pulg. 0.25 pulg.

19.3 mm. 6.35 mm.

1 metro

Diámetro externo BWG Diámetro interno Espesor de Pared de tubo rea de flujo por tubo Superficie por pie lineal ( exterior)

DE

0.51 pulg

0.013m

DI e

16 0.3937 pulg. 0.065 pulg.

0.0100m 0.00165m

0.12 pulg. 0.1309 pie /pie

7.7E-05m 4.0E-02m /m

a”

at

Tipo de Arreglo de los Tubos

PT

e C´

Número total de Tubos: 40

Configuración Lado de la Coraza:

Diámetro interior de la Coraza Espaciado de deflectores Numero de deflectores Numero de Cruces

Dls

6 pulg.

0.152 m.

B N N+1

5.6 pulg. 6 7

0.14 m.

5.- Metodología Experimental:

Diagrama del Intercambiador de Calor mas Caldero

Puesta en marcha del Caldero. 

Realizar el llenado del agua al caldero bajo el asesoramiento del jefe de laboratorio.

Realizar el procedimiento de encendido del caldero con el asesoramiento del jefe de laboratorio. Verificar que realice el procedimiento de purga hasta el manifold abriendo la válvula correspondiente. Regule la entrada de gas combustible al caldero hasta lograr presurizar el caldero a 1.0333 kg/ cm2 . Mantenga el nivel adecuado de agua en el visor del caldero encendiendo la bomba centrifuga cuando se lo precise









Operación del Intercambiador de Calor Pre- Operación: 

Verificar que las posiciones de las válvulas de la línea de vapor estén abiertas  Para obtener el caudal de agua deseando manipular la válvula correspondiente  Verificar que las posiciones de las válvulas de la línea de agua que estén abiertas  Encender la bomba de agua para llenar el intercambiador de liquido

Operación:        

Hacer correr el fluido frio por lo menos 5 minutos  Abrir la válvula de agua Verificar que no exista fuga en el sistema Verificar que la presión de entrada de vapor al intercambiador se estabilice a la presión de trabajo (aproximadamente 1 kg/ cm 2 ) Verificar que la temperatura de salida de agua del intercambiador se estabilice a la temperatura deseada ( aproximadamente 50 o C) Controlar la temperatura de salida del agua reduciendo la presión del caldero para mantener la presión de trabajo del vapor en el intercambiador de calor Controlar la presión de salida del caldero manipulando la entrada de gas combustible y manipulando el nivel de agua Controlar la salida de condensado de vapor

Paro de Operación: 

Realizar el procedimiento de apagado del caldero bajo la supervisión del jefe de laboratorio   Abrir la válvula de vapor para despresurizar totalmente el sistema del caldero  Mantener funcionando la bomba de agua hasta que la temperatura de salida de agua del intercambiador de calor sea igual a la temperatura de entrada  Drenar todo el sistema de condensado y de agua del intercambiador de calor

6.-Tabulación de Datos: a) Tomar datos de las velocidades másicas de los fluidos frio y caliente. b) Tomar datos de la temperaturas de entrada y salida de los fluidos frio y caliente. c) Tomar datos de la presiones de entrada y salida de los fluidos frio y caliente

Tiempo

Masa

Flujo másico fluido caliente lado de la coraza

Temperatura de Entrada

Temperatura de Salida

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11.83S 11.83S

Presiones de Entrada

Presiones de Salida

0.1psi 25 psi

1. Cálculos:

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Calculo MLDT.

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Presión en el caldero

Calor Especifico

Volumen

1 atm.

4.187

790 ml

1 atm.

4.181

2400ml

 

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2. Resultados: a) Presentar los coeficientes peliculares de los fluidos tanto de lado de la coraza como del lado de los tubos debidamente justificados en base al punto 7 b) Presentar el coeficiente global de transferencia de calor del intercambiador limpio c) Determinar la caída de presión de los fluidos del lado de la coraza y del lado de los tubos debidamente justificados en el apartado anterior 7 d) Realice una comparación entre los valores calculados y los observados e) Calcule el coeficiente de incrustación f) Determine el rendimiento del intercambiador de calor

Datos Teóricos Temperatura de entrada de Vapor Temperatura de salida del condensado Flujo másico del vapor Flujo latente del vapor Calor especifico del condensado Flujo másico del condensado Velocidad másica del vapor Velocidad másica del condensado Temperatura de entrada del agua Temperatura de salida del agua Flujo másico del agua Velocidad másica del agua Media logarítmica de la diferencia de temperaturas Calor especifico del agua Área de transferencia de calor Coeficiente global de diseño Coeficiente de incrustación Rendimiento del intercambiador Flujo de calor

Observados

CONCLUCIONES.El laboratorio realizado nos brindo un panorama muy amplio respectó a los intercambiadores de calor su funcionamiento y las diferencias q existen Los resultados obtenidos son satisfactorios pues si bien presentan errores evidentes pero la tendencia se conserva y resulta coherente así mismo se satisficieron los objetivos de la practica pues mas allá de calcular coeficientes de transferencia de calor pudimos entender el funcionamiento de tan importantes aparatos

BIBLIOGRAFIA  

Transferencia de calor CENYEL, Yunus. Transferencia de calor. 2 ed. McGraw-Hill. 793 p Guías experimentales del Laboratorio de Operaciones Unitarias II