Diseño de Un Equipo de Intercambiador de Calor

8/15/2019 Diseño de Un Equipo de Intercambiador de Calor

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Ingeniería Bioquímica

Pre-reporte de práctica 4:“Clasifcación, selección, calculo

y dise o de un sistemacale!actor"#

ContenidoObjetivo.............................................................................................................. 2


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Motivación...........................................................................................................2

Fundamento teórico............................................................................................ 3

Equipo................................................................................................................. 8

Fenómeno físico implicado.................................................................................. 8

Hipótesis........................................................................................................... !

"ariables # par$metros..................................................................................... !

Elección del sistema......................................................................................... !

Hoja de datos.................................................................................................... 3

Muestras # resultados....................................................................................... %

Modelo matem$tico.......................................................................................... &

Equipo # materiales.......................................................................................... '

Desarrollo de la práctica........................................................................................ '

.........................................................................................................................2!

(eferencias....................................................................................................... 2!

$%&eti'o

1. Aprender el modo de operación de un intercambiador doble tubo y unintercambiador de tubo y coraza.2. Determinación de su coeficiente global de transmisión de calor, F, eficiencia y

pérdida de carga.3. elacionar el coeficiente conecti!o de transferencia de calor con la posición de

la barra de cobre dentro del banco de tubos, para diferentes n"meros deeynolds.


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(oti'ación

#l ob$eti!o de este reporte %a sido aprender a manipular los intercambiadores decalor &ue se cuentan los e&uipos de laboratorio.

'omo sabemos en el campo de la industria, conocer los coeficientes de calor esde suma importancia para un ingeniero bio&u(mico ya &ue gracias a éstacaracter(stica se pueden encontrar los conocimientos buscados y aplicar losprocedimientos necesarios.

#stos pueden ayudar en procesos de enfriamiento de l(&uidos, para condensaciónde l(&uidos de interés para la industria por e$emplo en las torres de destilacióninfluyen estas caracter(sticas para obtener ciertos compuestos.

)undamento teórico

)n intercambiador de calor es un e&uipo de transferencia de calor utilizado pararecuperar calor entre dos corrientes de un proceso. Donde una de las corrientes


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se enfr(a y cede calor y la otra se calienta y recibe calor. #l calor es recuperado altransferirse desde la corriente a mayor temperatura %acia la corriente de menor temperatura. *a transmisión de calor se lle!a a cabo mediante los mecanismos decon!ección y conducción. *as corrientes o fluidos pueden estar separados por unabarrera sólida o pueden estar en contacto.+ambién se definen como los aparatos &ue facilitan el intercambio de calor entredos fluidos &ue se encuentran a temperaturas diferentes y e!itan al mismo tiempo&ue se mezclen entre s(.

o es posible caracterizar los intercambiadores de calor &ue usan los ingenieros&u(micos mediante un dise-o "nico de %ec%o, e/iste una gran !ariedad de estose&uipos. 0in embargo, la "nica caracter(stica &ue es com"n en la mayor parte de

los intercambiadores de calor, es la transferencia de calor desde una fase caliente%asta una fase fr(a, manteniendo las fases separadas mediante un l(mite sólido.

Diferentes tipos de ntercambiadores

ntercambiadores de calor de doble tubo#l intercambiador de calor más simple es el de doble tubo. #l intercambiador decalor de doble tubo consiste en dos tubos concéntricos, de manera &ue por el tubocentral fluye un fluido, mientras &ue por el espacio anular fluye otro, ya sea acontracorriente o en paralelo. or lo general la longitud de cada sección se limita ala longitud normal de los tubos, de manera &ue si se re&uiere una superficieapreciable de transferencia de calor, se utilizan con frecuencia, bancos desecciones. 0i el área re&uerida es demasiado grande, no es recomendable usar

un intercambiador de doble tubo.

#l uso de intercambiadores de doble tubo no se limita al intercambio de calor l(&uidol(&uido, sino &ue también puede usarse para el intercambio gas l(&uido y para elintercambio gas gas. *os materiales de construcción pueden !ariar, dependiendo de losfluidos &ue se mane$en.


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'ual&uiera de los dos fluidos puede desplazarse a tra!és del conducto o anular, a!elocidades relati!amente altas, ayudando de esta manera al proceso detransferencia de calor.

ntercambiadores de tubo y coraza'uando se re&uiere una superficie de transferencia de calor grande, el tipo deintercambiador &ue se recomienda corresponde a la !ariedad de tubo y coraza. #neste tipo de calentador o enfriador, es posible obtener de manera económica ypráctica, una gran superficie de transferencia de calor, colocando los tubos en un%az los e/tremos de los tubos se montan en un soporte de lámina. #sto se suelelle!ar a cabo e/pandiendo el e/tremo del tubo dentro de un agu$ero de fi$ación de

la lámina de soporte, mediante un proceso &ue se conoce como 4rolado4.#ntonces, el %az de tubos resultante está encerrado en una cubierta cil(ndrica 5lacoraza6, con el segundo fluido circulando alrededor y a tra!és del %az de tubos.

ntercambiadores de calor de superficie e/tendida0i el intercambio de calor se presenta entre dos fluidos en los &ue uno de ellostiene una resistencia muy alta a la transferencia de calor en comparación con elotro, el fluido de mayor resistencia 4controla4 la !elocidad de transferencia de calor .+ales casos ocurren por e$emplo, al calentar el aire con !apor de agua o en elcalentamiento de un aceite muy !iscoso con flu$o laminar, mediante una mezcla desales fundidas.

*a magnitud relati!a del coeficiente de transferencia de calor es deapro/imadamente 17 para el aceite o el aire, comparado con 2777 para el !apor ola sal. #sta pobre situación de transferencia de calor re&uerirá de una gran

superficie de transferencia para obtener una !elocidad de flu$o razonable de aire oaceite.


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A fin de compensar la gran resistencia del aceite o aire, es posible incrementar lasuperficie de transferencia de calor e/puesta a estos fluidos, e/tendiendo la

superficie, como por la inclusión de aletas en el e/terior del tubo. *as aletas seconocen como una superficie e/tendida éstas incrementan de manera sustancialel área de transferencia en una cantidad de espacio dada.

ntercambiadores con cabezal de tubos estacionario.#l tipo más simple de intercambiador es el tipo fi$o o intercambiador con cabezalde tubo estacionario. *as partes esenciales son la coraza 5 1 6, e&uipada con dosentradas y &ue tiene dos cabezales de tubos o espe$os 526 a ambos lados, &ue

también sir!en como bridas para fi$ar los dos carretes 536 y sus respecti!as tapas586. *os tubos se e/panden en ambos espe$os y están e&uipados con deflectorestrans!ersales 596 en el lado de la coraza. #l cálculo de la superficie efecti!afrecuentemente se basa en la distancia entre las caras interiores de los espe$os enlugar de la longitud total de los tubos.


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artes de ntercambiadores de Doble +ubo

+ubos concéntricos

2 tés conectoras

)n cabezal de retorno

)n codo en ).

#l fluido entra al tubo interior a tra!és de una cone/ión roscada localizada en laparte e/terna del intercambiador. *as tés tienen bo&uillas roscadas &ue permiten

la entrada y salida del fluido del anulo &ue cruza de una sección a otra a tra!és delcabezal de retorno.

*a tuber(a interior se conecta mediante una cone/ión en ) &ue estageneralmente e/puesta y &ue no proporciona superficie de transferencia de calor.

'uando se arregla en dos pasos se llama %or&uilla.


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*quipo

•

Sitema de intercambiador de calor: es el &uipo donde se lle!aran losintercambiar(an de calor del fluido cuenta con diferentes tipis deintercambiador de calor de diferentes flu$os.

• Cubatas de plástico: para contener y llenar el tan&ue de agua.• Termómetros : para medir la temperatura inicial y final de cada muestra.

ara !er si el e&uipo está funcionando correctamente

)enómeno !ísico implicado

;rea de superficie del intercambiador

'onsidere un tubo de longitud * como se muestra en la figura 5 ?di* 586


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0o > ?do* 596#n el caso de un tubo con aletas, una %acia adentro del tubo y otra %acia afuera,como se muestra en la figura las áreas de las superficies de dic%as aletas sonentonces

0f i > 2nibi* 5@60f o > 2nobo* 5 6


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Donde ni y noson el n"merode aletas dentroy fuera de lapared del tubo,

respecti!amente, y despreciamos la transferencia de calor &ue ocurre a tra!és delárea de la pared e/trema 5en la punta de la aleta6 de las aletas, tanto en las aletasinternas como en las e/ternas. #n este caso podemos decir &ue las áreas primaso las áreas de superficie básicas son entonces:

0bi > 5?di B ni=f i6 * 5 5?do B no=f o6 *


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+ipótesis

1. #l 'oeficiente de Fricción estático depende del Flu$o de 'alor

2. #l coeficiente +otal limpio depende de los coeficientes de transferencia de calor.

3. #l área de flu$o es in!ersamente proporcional a la !elocidad de masa

8. #l flu$o de calor depende directamente del peso del fluido

aria%les y parámetros

#l parámetro buscado en esta práctica es el tiempo en &ue tarda el e&uipo enrealizar la transferencia de calor. +ambién el coeficiente de calor y la perdida decalor por el mismo tiempo

*as parámetros a controlar y medir son

• Ciscosidad• +emperatura• Flu$o másico• resión• Diámetro del e&uipo y material &ue esta ec%o.•

*lección del sistema

*os intercambiadores de tubo y carcaza 5o tubo y coraza6 se dise-an de acuerdo alos estándares publicados por la Asociación de Fabricantes de ntercambiadores+ubulares, conocida como +# A 5Tubular E /c%anger Manufacturers Association6.

#n #uropa, por lo general, se emplean las normas D .+# A presenta tres estándares para la construcción mecánica, los &ueespecifican dise-o, fabricación y materiales a utilizar en los intercambiadores detubo y carcaza. #stos son:'lase : ara aplicaciones en petróleo y procesos relacionados.'lase ': ara aplicaciones en procesos comerciales.


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'lase E: ara ser!icio en procesos &u(micos.

Aplicables con las siguientes limitaciones: Diámetro interno de la carcaza G 1.928 mm 5@7 in6 resión G 27 bar 53.777 psi6 elación 5diámetro interno carcaza6H5presión6 G 179.777 mm bar [email protected] in

psi6

*a intención de cumplir con los parámetros anteriores es limitar el diámetro de lospernos utilizados en el ensambla$e del e&uipo y el espesor de la carcaza a 97,<mm 5in6, apro/imadamente.

+# A también propone un sistema de normas para la designación de los tipos deintercambiadores, conformada por tres letras &ue definen completamente ale&uipo. *a primera letra designa al tipo de cabezal anterior o estacionarioempleado la segunda el tipo de carcaza y la "ltima al tipo de cabezal posterior.

ara la especificación de las medidas del intercambiador, se tiene un sistema dedesignación basado en el diámetro interno de la carcaza en mil(metros. or lotanto la descripción completa de estos e&uipos es como sigue: diámetrocarcazaIlongitud tubos JJJ donde JJJ son las tres letras &ue lo definen.

ara determinar la longitud de los tubos, en el caso &ue sean tubos en ), se midedesde el e/tremo %asta la tangente &ue pasa por el fondo de la 4)4 en caso de notener este tipo de tubos, se toma sencillamente la longitud de los mismos.*a selección del tipo de e&uipo es gobernada por factores tales como la facilidadde limpieza del mismo, la disponibilidad de espacios para la e/pansión entre el%az de tubos y la carcaza, pre!isión de empacaduras en las $untas internas, ysobre todo la función &ue !a a desempe-ar. A continuación se detallarán los

componentes básicos de este tipo de e&uipos.


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)anto para el calentamiento como enfriamiento de la ma#or parte de los *uidosnormales +!.,- r-,!!/ en *ujo completamente turbulento (e0 !1!!!1 # conlas propiedades físicas medidas en las condiciones del seno del *uido.

+ /

. ( 4imen de transición del *ujo en tubos5 2 !!-(e- !1!!!

+2/

6. Flujo 7aminar en tubos

a/ Flujo 7aminar no desarrollado + 9:(e r;i


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+3/

b/ Flujo laminar desarrollado + 90 !!/

+%/

=. >ección nular5 ara *ujo de calor ?acia la pared del tubo interior.

+&/

=oe@ciente lobal de transferencia de =alor

+o&a de datos

PRACTICA 4 “Clasificación selección calculo ! dise"o de un sistemacalefactor#$

#K) L 1


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(uestras y resultados

Flujo en =ontra =orriente ) entrada :8ABF ) salida : '8BFFlujo condensado: &! ml en , minFlujo de salida del a4ua: 4al


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(odelo matemático


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*quipo y materiales

•

0istema de intercambiador de calor • 97 litros de agua

%esarrollo de la práctica

rocedimiento #/perimental.

. 'álculo de 'oeficiente de Dilatación

1. Abra el paso del agua al sistema.

2. *lene el tan&ue &ue se encuentra detrás del e&uipo.

8. #sperar a &ue la temperatura del tan&ue alcance @9M'.

9. Cerificar &ue el dispositi!o para medir la Fe/pansión se encuentre suelto. #sdecir, no este e$erciendo ninguna fuerza %acia el lado iz&uierdo

@. Abrir las !ál!ulas de entrada de las tuber(as, para de$ar circular agua fr(adurante 9min.

. Fi$ar el medidor de e/pansión en cero.


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19. epetir el procedimiento

.1@. 'ontinuar con las demás barras. 1 . 'ambiar la temperatura de traba$o, ycomenzar con el paso


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e!erencias

516 Eird E., Oarren 0., y *ig%tfoot #. Fenómenos de transporte. #d. e!erté,#spa-a 51N@86

526 Can Oazer Q., *yons Q., Rimm R., y 'olSell . Ciscosity and floS measurement.ntersciense ublis%er, )0A 51N@36

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