Informe Rev Tubos Coraza Mclaudia

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

TRANSFERENCIA DE CALOR

INFORME 1 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA

Mara Claudia Romero Dorado, Natalia Ballesteros, Julin Echeverry

ABSTRACT In this practice, it were was used five tubes and shell heat exchangers and shell, one as a heater and the others four as coolers, . with With this experiment, we seeks to study and understand the operation of the exchanger, also perform an energy balances for each exchanger and calculate their overall coefficients of heat transfer. Keywords: Heat exchangers, tubes and shell, energy balance, overall coefficient of heat transfer. OBJETIVOS Objetivo General

Calcular los coeficientes totales de

transferencia de calor para los

intercambiadores de calor del

laboratorio de Operaciones Unitarias.

Objetivos Especficos

Identificar y operar un intercambiador

de calor de tubos y coraza.

Identificar cada una de las corrientes

involucradas en el intercambiador de

calor de tubos y coraza.

Efectuar balances de calor para los

intercambiadores que operan como

calentador y enfriador y calcular las

prdidas de calor a los alrededores.

DATOS Tabla 1. Configuracin 1-2

Q1 (cm3/s) 532 Condensado Recogido

Q2 (cm3/s) 462 Toma Vol(ml) Tiempo(s) Temp(C)

T1 (C) 74 1 100 3.64 66

T2 (C) 52 2 100 2.16 66

T3 (C) 31 3 100 2.50 66

T4 (C) 49 4 100 2.85 66

P1 (PSI) 8 5 100 2.97 66

Tabla 2. Configuracin 1-3



T1 (C) 64 1 100 4.07 63

T2 (C) 52 2 100 4.37 63

T3 (C) 34 3 100 3.87 63

T4 (C) 48 4 100 3.31 63

P1 (PSI) 8 5 100 3.35 63




T1 (C) 65 1 100 4.41 61

T2 (C) 40 2 100 4.04 61

T3 (C) 35 3 100 4.47 61

T4 (C) 49 4 100 3.03 61

P1 (PSI) 8 5 100 3.75 61




T1 (C) 70 1 100 2.93 67

T2 (C) 53 2 100 3.52 67

T3 (C) 36 3 100 3.88 67

T4 (C) 51 4 100 3.55 67

P1 (PSI) 8 5 100 3.59 67

Con cambios en el caudal Tabla 5. Configuracin 1-5



T1 (C) 69 1 100 3.06 71

T2 (C) 54 2 100 3.94 71

T3 (C) 36 3 100 3.25 71

T4 (C) 50 4 100 2.86 71

P1 (PSI) 8 5 100 3.79 71




T1 (C) 60 1 100 2.09 55

T2 (C) 42 2 100 2.21 55

T3 (C) 36 3 100 2.00 55

T4 (C) 49 4 100 2.03 55

P1 (PSI) 8 5 100 2.28 55

CLCULOS BALANCES DE ENERGA Balances de energa para la seccin de calentamiento de cada configuracin:

= 1 3

+

Donde: M Rata de condensacin del vapor, se extrae de la trampa en Kg/s Calor latente de condensacin del vapor (KJ/Kg) a P1 W Rata de flujo de agua a calentar se obtiene del rotmetro 1 (Q1) en Kg/s Cp Calor especfico del agua a calentar (KJ/Kg K) evaluado en un valor promedio entre las temperaturas T1 y T3. T3 Temperatura de entrada del agua fra (Reserva) (C). Temperatura de entrada del fluido de proceso al calentador en C T1 Temperatura de salida del agua que fue calentada (C). Temperatura

de salida del fluido de proceso del calentador en C Ojo con el texto mostrado. Hay espacios innecesarios

Para realizar los balances de energa se necesita conocer las siguientes variables, para esto se toman los datos y se sigue el modelo de clculo.

1. Para M la rata de condensacin

del vapor.

Con los datos de condensado recogido, tenemos que caudal es:

=

Qu es V, qu es t? No se dice qu

representan estas variables.

Luego se halla el caudal promedio obtenido en cada configuracin:

=

!"

#

Qu es n?

Para obtener la rata msica de condensacin del vapor, se hace uso de la densidad del agua a la temperatura a la que se tomaron los caudales.

= %

Qu es ?

2. Para W Rata de flujo de agua a

calentar se obtiene del rotmetro

1.

= 1 %

La densidad se evala a se evala

la temperatura promedio entre

T3 y T1.

Texto centrado?

=1 + 3

2

3. Para el Cp para cada

configuracin, se evala la

temperatura promedio entre T3 y

T1.

=1 + 3

2

Tabla 7. Datos para el balance de energa en la seccin de calentamiento para cada configuracin

Configuracin

1-2

Configuracin

1-3

Configuracin

1-4

Configuracin

1-5

(m3/s) 3.65 x 10-5 2.67 x 10-5 2.59 x 10-5 2.89 x 10-5

%, para M

Kg/m3

980.15 981.59 982.70 979.43

M (Kg/s) 0.03577 0.02621 0.02545 0.02831

(KJ/Kg) 2232.165 2232.165 2232.165 2232.165

T promedio para

Cp y W (C)

52.5 49 50 53

%, para W

Kg/m3

986.87 988.34 987.95 986.58

Q1 (m3/s) 5.32 x 10-4 5.32 x 10-4 5.32 x 10-4 5.32 x 10-4

W (Kg/s) 0.5250 0.5258 0.5256 0.5249

Cp (KJ/Kg K) 4.1822 4.1808 4.1812 4.1824

No se indica la presin atmosfrica

Tabla 8. Datos para el balance de energa en la seccin de calentamiento para la configuracin 1-5 variando los caudales

Configuracin 1-5

Cambiando Q2

Configuracin 1-5

Cambiando Q1

(m3/s) 3.00 x 10-5 4.72 x 10-5

%, para M kg/m3 977.14 985.42

M (Kg/s) 0.02931 0.04651

(KJ/Kg) 2232.165 2232.165

T promedio para Cp y W

(C)

52.5 48

%, para W Kg/m3 986.87 988.73

Q1 (m3/s) 5.32 x 10-4 7.85 x 10-4

W (Kg/s) 0.5248 0.7761

Cp (KJ/Kg K) 4.1822 4.1804

Tabla 9. Resultados prdidas de calor para la seccin de calentamiento en cada

configuracin.

Configuracin 1-2 Configuracin 1-3 Configuracin 1-4 Configuracin 1-5

-14.56 KJ/s -7.45 KJ/s -9.12 KJ/s -11.45 KJ/s

Tabla 10. Resultados prdidas de calor seccin de calentamiento para la configuracin 1-5 variando los caudales

Configuracin 1-5

Cambiando Q2

Configuracin 1-5

Cambiando Q1

-7.00 KJ/s 25.95 KJ/s

Balances de energa para la seccin de enfriamiento de cada configuracin:

'4 3 + = 1 2

Donde: W Rata de flujo de agua caliente se obtiene del rotmetro 1 (Q1) en Kg/s w Rata del fluido refrigerante se obtiene del rotmetro 2 (Q2). Kg/s Cpr Calor especfico del fluido refrigerante (J/Kg K).Valor promedio entre las temperaturas T3 y T4. Cp Calor especfico del agua caliente (J/Kg K) evaluado en un valor promedio entre las temperaturas T1 y T2. T3 Temperatura de entrada del agua de refrigeracin. C T4 Temperatura de salida del agua de refrigeracin. C T2 Temperatura de salida del agua caliente. C

T1 Temperatura de entrada del agua que fue calentada. C

1. Para W Rata de flujo de agua a

caliente se obtiene del rotmetro

1.

= 1 %

La densidad se evala a una temperatura promedio entre T1 y T2

2. Para w Rata de flujo de agua a

fra se obtiene del rotmetro 2.

W = Q1

La densidad se evala a una temperatura promedio entre T3 y T4-

3. El Cpr se evala la temperatura

promedio entre T3 y T4.

T-./0Cpr =T4 + T3

2

4. El Cpr se evala la temperatura

promedio entre T1 y T2.

T-./0Cp =T1 + T2

2

Tabla 11. Datos para el balance de energa en la seccin de enfriamiento para cada configuracin

Configuracin Configuracin Configuracin Configuracin

1-2 1-3 1-4 1-5

Q1 (m3/s) 5.32 x 10-4 5.32 x 10-4 5.32 x 10-4 5.32 x 10-4

T promedio para

Cp y W (C)

63 58 52.5 61.5

%, para W

Kg/m3

981.60 983.86 986.87 982.51

W (Kg/s) 0.5222 0.5234 0.5250 0.5227

Cp (KJ/Kg K) 4.1864 4.1844 4.1822 4.1858

Q2 (m3/s) 4.62 x 10-4 4.62 x 10-4 4.62 x 10-4 4.62 x 10-4

T promedio para

Cpr y w (C)

40 41 42 43.5

%, para w

Kg/m3

991.87 991.47 991.08 990.49

w (Kg/s) 0.4582 0.4581 0.4579 0.4576

Cpr (KJ/Kg K) 4.1786 4.1788 4.1790 4.1793

Tabla 12. Datos para el balance de energa en la seccin de enfriamiento para la configuracin 1-5 variando los caudales

Configuracin 1-5

Cambiando Q2

Configuracin 1-5

Cambiando Q1

Q1 (m3/s) 5.32 x 10-4 7.85 x 10-4

T promedio para Cp y W

(C)

61.5 51

%, para W Kg/m3 982.51 987.56

W (Kg/s) 0.5227 0.7752

Cp (KJ/Kg K) 4.1858 4.1816

Q2 (m3/s) 5.72 x 10-4 4.62 x 10-4

T promedio para Cpr y w

(C)

43 42.5

%, para w Kg/m3 990.69 990.88

w (Kg/s) 0.5667 0.4578

Cpr (KJ/Kg K) 4.1792 4.1791

Tabla 13. Resultados prdidas de calor para la seccin de enfriamiento en cada

configuracin.


13.63 KJ/s -0.52 KJ/s 28.10 KJ/s 8.51 KJ/s

Tabla 14. Resultados prdidas de calor seccin de enfriamiento para la configuracin 1-5 variando los caudales

Configuracin 1-5

Cambiando Q2

Configuracin 1-5

Cambiando Q1

-0.34 KJ/s 33.48 KJ/s

COEFICIENTES TOTALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR Para calcular el coeficiente total de transferencia de calor para el calentador

U =WCpT1 T3

AoF8LMTD

Donde W Rata msica del fluido de agua a calentar se obtiene del rotmetro 1 (Q1).

Cp Capacidad calorfica del agua a calentar evaluado en un valor promedio entre las temperaturas T1 y T3. T3 Temperatura a la entrada del agua a calentar del fluido de proceso T1 Temperatura de salida del fluido de proceso

U Coeficiente total de transferencia de calor para el calentador. LMTD Diferencia de temperatura promedia logartmica para el calentador (C)

LMTD =T1 T3

lnTv T3Tv T1

Tv Temperatura de saturacin del vapor de calentamiento, correspondiente

a la presin del vapor leda con el manmetro P1 FT Factor de correccin para la media logartmica de temperaturas. Ao rea de transferencia de calor basada en el lado externo de los tubos = 1.1492 m2.

A" = 2 21 Tubos 0.9144 m 0.009525= 1.1492mH

Tabla 15. Datos para el clculo del coeficiente total de transferencia de calor para el

calentador para cada configuracin.

Configuracin

1-2

Configuracin

1-3

Configuracin

1-4

Configuracin

1-5

W (Kg/s) 0.5250 0.5258 0.5256 0.5249

Cp (KJ/Kg K) 4.1822 4.1808 4.1812 4.1824

Ao m2 I. IJKL I. IJKL I. IJKL I. IJKL

FTCmo se

ley?

0.98 0.98 0.99 1.0

Tv (C) 109.44 109.44 109.44 109.44

LMTD 54.12 C-

327.12 K

59.17C-

332.18 K

58.16C-

331.16 K

54.69C-

327.69 K

Tabla 16. Datos para el clculo del coeficiente total de transferencia de calor para el

calentador para la configuracin 1-5 variando los caudales

Configuracin 1-5

Cambiando Q2

Configuracin 1-5

Cambiando Q1

W (Kg/s) 0.5248 0.7761

Cp (KJ/Kg K) 4.1822 4.1804

Ao m2 I. IJKL I. IJKL

FT 1.0 1.0

Tv (C) 109.44 109.44

LMTD 55.31 C-328.31 K 60.65C-333.65 K

Tabla 17. Resultados coeficiente total de transferencia de calor para el calentador en cada configuracin. Todos los U estn mal


256.27 W/m2 K 176.28 W/m2 K 175.00 W/m2 K 198.21 W/m2 K

Tabla 18. Resultados coeficiente total de transferencia de calor para el calentador para la configuracin 1-5 variando los caudales Los U estn mal

Configuracin 1-5

Cambiando Q2

Configuracin 1-5

Cambiando Q1

191.97 W/m2 K 203.08 W/m2 K

Para calcular el coeficiente total de transferencia de calor para los enfriadores

M ='4 3

OPQRST

Donde

w Rata msica del fluido refrigerante se obtiene del rotmetro 2 (Q2) Cpr Calor especfico del fluido refrigerante. Valor promedio entre las temperaturas T3 y T4.

T3 Temperatura de entrada del agua de refrigeracin. T4 Temperatura de salida del agua de refrigeracin U Coeficiente total de transferencia de calor para el enfriador

LMTD Diferencia de temperatura promedia logartmica para el enfriador

ST =RUVRWVRHVRX

Y!Z[\Z]

Z^\Z_

Ao rea de transferencia de calor del intercambiador

O" = 2 24 `aP 0.9144m b0.009525= 1.3134cH

Tabla 19. Datos para el clculo del coeficiente total de transferencia de calor para los enfriadores de cada configuracin.

Configuracin

1-2

Configuracin

1-3

Configuracin

1-4

Configuracin

1-5

w (Kg/s) 0.4582 0.4581 0.4579 0.4576

Cpr (KJ/Kg K) 4.1786 4.1788 4.1790 4.1793

Ao m2 1.3134 1.3134 1.3134 1.3134

FT 0.88 0.87 No aplica en la

grafica

0.85

LMTD Estn

mal calculados

15.02 C-

288.02 K

12.90C-

285.90 K

No se puede

calcular T4>T2

11.29C-

284.29 K

Tabla 20. Datos para el clculo del coeficiente total de transferencia de calor para los

enfriadores de la configuracin 1-5 variando los caudales

Configuracin 1-5

Cambiando Q2

Configuracin 1-5

Cambiando Q1

w (Kg/s) 0.5667 0.4578

Cpr (KJ/Kg K) 4.1792 4.1791

Ao m2 1.3134 1.3134

FT 0.9 No aplica en la grafica

LMTD Estn mal calculados 13.74 C-286.74 K No se puede calcular T4>T2

Tabla 21. Resultados coeficiente total de transferencia de calor para los enfriadores de cada configuracin. Todos los U estn mal


103.53 W/m2 K 82.03 W/m2 K No se pudo calcular 90.45 W/m2 K

Tabla 22. Resultados coeficiente total de transferencia de calor para los enfriadores de la configuracin 1-5 variando los caudales

Configuracin 1-5

Cambiando Q2

Configuracin 1-5

Cambiando Q1

97.82 W/m2 K No se pudo calcular

DISCUSIN Y ANLISIS Al realizar los balances de energa para la seccin de calentamiento se nota que las prdidas son negativas para todas las configuraciones, exceptuando cuando se cambio cambi el caudal Q1, esto indica que tericamente el fluido frio gano gan ms calor del que le ofreci el fluido caliente, lo cual es imposible para la configuracin de los intercambiadores de calor, el resultado de las perdidas prdidas negativas se debe a que en los balances se presume que el sistema est operando en estado estable, lo cual no es cierto para la prctica, ya que el flujo de vapor no es constante y la toma de datos

para el condensado es bastante imprecisa. Lo mismo ocurre al realizar los balances de energa para la seccin de enfriamiento, en algunos casos se presentan perdidas prdidas negativas, aunque en menor magnitud, . al Al realizar el anlisis con el mismo tipo de configuracin 1-5, variando el caudal del agua caliente se nota que las prdidas son mayores, esto es porque el agua de enfriamiento no logra despojar de todo el calor al agua caliente, ya que esta lleva un mayor caudal lo que causa un menor tiempo de contacto.

Al calcular los coeficientes totales de transferencia de calor para la seccin de calentamiento, al ser experimentales difieren un poco de una configuracin a otra, pero al analizar con distintos caudales con la configuracin 1-5, estos coeficientes totales permanecen en un rango pequeo a pesar del cambio del caudal, lo que confirma que los coeficientes totales son propios de cada intercambiador. Para algunos enfriadores no se pudo calcular el coeficiente total de transferencia de calor, porque la temperatura de salida del agua de refrigeracin es mayor que la temperatura de salida del agua caliente, esto se debe a que en el intercambiador se est utilizando el mismo fluido, lo cual es imposible que logre despojar de todo el calor al otro (Redaccin confusa). Esto se debe a la situacin de inestabilidad con que se tomaron los datos. Los coeficientes de transferencia de calor para los enfriadores difieren del coeficiente de calentador, ya que estos tienen un mayor nmero de tubos, por lo cual mayor es el rea de transferencia de calor. CONCLUSIONES Para que un intercambiador de calor opere en condiciones ptimas se debe buscar el flujo adecuado para mejorar la transferencia, tratar de que opere en estado estable y tener buenos aparatos de medicin con el fin de determinar las condiciones de operacin, aislar los intercambiadores para que no se presenten prdidas de calor (Redaccin algo confusa).

En el caso de esta prctica se presentaron algunos errores debido a que el caudal vara considerablemente en la toma de datos. por loYa que los aparatos de medicin son muy sensibles, no se obtiene un valor constante de flujos de agua, - Adems, el flujo de vapor de la caldera no es constante y es difcil determinar la rata msica de vapor en el calentador. No se pudo determinar el efecto de los bafles para cada configuracin, estos deberan mejorar la transferencia de calor por la situacin de turbulencia del fluido de la coraza. Los coeficientes totales de transferencia de calor son mayores para el calentador que para el enfriador por el rea de transferencia de calor, ya que los enfriadores tienen un mayor nmero de tubos que el calentador, as mismo ellos tienen ms bafles que el calentador, lo que ocasiona menos resistencia a la transferencia. BIBLIOGRAFIA

GEANKOPLIS, C.J, Procesos de

transporte y operaciones unitarias, 3

edicin, Editorial Cecsa, 1998, Mxico.

Gua Laboratorio proporcionada por el

docente.

INCROPERA, Frank P y DEWITT David,

Fundamentals of heat and mass

transfer, 4 edicin, Editorial Wiley,

1996, EUA.

TUBOS Y CORAZA

tem evaluado Observaciones Nota %

informe

Objetivos e introduccin Hace falta la introduccin 2,5 10

Abstract y palabras clave Hay que mejorar algunas cositas en la redaccin 4,5 7

Datos obtenidos tabulados y correspondencia con el preinforme Bien

5,0 7

Clculo Modelo No se muestra clculo modelo. Slo se mostraron las ecuaciones 2,5 12

Resultados Tabulados Los resultados de prdidas estn bien. El resultado de los U est mal. EL LMTD para los enfriadores est mal

4,0 17

Discusin y anlisis Lo planteado est bien. Se puede mejorar al comparar los distintos valores numricos obtenidos

4,5 22

Conclusiones Bien 5,0 12

Bibliografa A lo largo del informe no se especifica el uso de la bibliografa. Por ejemplo: de dnde se leyeron los lambda, las densidades, los Ft?

4,0 7

Presentacin del informe

Para obtener una mejor presentacin, es mejor disminuir el tamao de la letra (tamao 10). El diseo de las tablas se puede mejorar. Es necesario adems que dentro del texto del informe se hable o se mencionen las tablas. Por ejemplo: "En la tabla 10 se muestran las prdidas de calor obtenidas para la configuracin 1-5. Se puede observar que...". Esto le da mayor claridad al trabajo.

4,5 6

NOTA FINAL 4,0

Date post:	09-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	carlosaltamar
View:	16 times
Download:	0 times

Informe Rev Tubos Coraza Mclaudia

Documents