ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO
EIQ 456: LABORATORIO FISICO-QUÍMICA
Experiencia N° 20: Intercambiadores de calor.
Integrantes: - Grupo 10 - Grupo 14 - Grupo 17 Profesor: Carlos Carlesi Fecha entrega: 09/04/13
Índice
Introducción…………………………………………………….
2
Marco Teórico.………………………………………………....
3
Objetivos…………………………………………………………
8
Materiales ………………………………………………….…..
8
Procedimiento……………………………………………..……
8
Datos.………………………………………………….…….. ….
9
Cálculos………………………………………………………….
12
Conclusión …………………………………………….……….
17
Bibliografía …………………………………………..….………..
18
1
Introducción En nuestra formación como ingenieros existen procesos y fenómenos básicos que debemos estudiar, la transferencia de calor es uno de ellos, ya que se encuentra presente en todos los procesos industriales. Mediante la transferencia de calor se consiguen ahorros de costos energéticos y además se logra un máximo aprovechamiento de la energía ya disponible en el sistema, esto principalmente gracias a los intercambiadores de calor, los cuales a través de la transferencia de calor entre fluidos permiten refrigerar o calentar fluidos y recircularlos para ser nuevamente utilizados en el mismo proceso. A continuación detallaremos la experiencia que realizamos basada en el funcionamiento de este importante dispositivo.
2
Marco teórico [1] Un intercambiador de calor se puede describir de un modo muy elemental como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez. Se requiere conocer los distintos tipos de equipos disponibles ya que corresponden a geometrías y formas diversas que se pueden usar para diferentes operaciones de transferencia de calor y condicionan o determinan las expresiones a usar para el cálculo de las características de la transferencia de calor; específicamente los coeficientes de transferencia de calor.
Tipos de intercambiadores de calor 1) Tubos concéntricos Son equipos de construcción sencilla que se ocupan para cargas pequeñas a transferir. El tamaño no debiera exceder los 70 pies2, ya que sobre ese tamaño se hacen más económicos los equipos más compactos. De construcción simple, una unidad (llamada normalmente horquilla) está compuesta por dos secciones de tubos concéntricos (de 20 pies cada una) unidas por curvas y tees para dar forma al equipo, como se puede ver en la figura 1. Las uniones, normalmente roscadas son la mayor debilidad del equipo.
Figura 1. Intercambiador de tubos concéntricos.
2) Tubos y carcasa Para mejorar la relación área/volumen y disminuir los puntos conflictivos de posibles filtraciones se dispone de este tipo de equipo, que contiene un gran número de tubos (haz de tubos) en una carcasa de sección circular. Los tubos 3
están fijos en una placa (hoja de tubos) que permiten su flujo hidrodinámico independiente del flujo que fluye por la carcasa. Para mejorar las condiciones de transferencia por el lado de la carcasa, en esta se disponen algunas placas deflectoras (bafles normalmente segmentados al 75%) que provocan en el lado de la carcasa un flujo parcialmente paralelo y parcialmente cruzado en relación al fluido que circula por los tubos. Está claro que al disponer los bafles se aumenta las pérdidas de energía por el lado de la carcasa, y este aumento dependerá del número de bafles usados. Este tipo de intercambiador es ampliamente usado por su gran versatilidad, ya que se puede lograr con un solo equipo una gran variedad de configuraciones distintas. Su uso está restringido a soluciones con muy bajo contenido de sólidos y viscosidades menores a 10000 centipoises. A continuación se puede ver en la figura 2 el intercambiador de tubos y carcasa analizado en la experiencia, y en la figura 3 un esquema demostrativo de las conformación de un intercambiador de tubos y carcasa.
Figura 2. Intercambiador de tubos y carcasa.
4
Figura 3. Esquema de intercambiador de tubos y carcasa.
3) Intercambiadores de placas [2] El intercambiador de calor de placas consta de un conjunto de placas metálicas corrugadas, con orificios para permitir el paso de los dos fluidos entre los que se realiza la transferencia de calor. El conjunto de placas está montado entre una placa bastidor fija y otra de presión desmontable, y se mantiene apretado mediante pernos. Las placas incorporan juntas que sellan la periferia y dirigen los fl uidos por canales alternos. El número de placas depende del caudal, propiedades físicas de los fluidos, pérdida de carga máxima permitida y programa de temperaturas. La corrugación de las placas favorece la turbulencia del fluido y contribuye a que las placas resistan la presión diferencial. Las placas de intercambio térmico y placa de presión están suspendidas en una barra guía superior y se apoyan en una barra guía inferior. Ambas barras están fijas a una columna de soporte. Las conexiones están siempre situadas en la placa fija del bastidor a menos que uno o ambos fluidos requieran más de un paso, en cuyo caso también se sitúan en la placa de presión movible. Entre las placas del intercambiador de calor se 5
forman canales y los orificios de las esquinas están dispuestos de manera que los dos líquidos circulen por canales alternos, en la figura 4 se puede observar una fotografía del intercambiador de placas utilizado en la experiencia. El calor se transfiere por la placa entre los canales. Para incrementar la eficiencia al máximo se genera un flujo en contracorriente. La corrugación de las placas provoca un flujo en torbellino que aumenta la eficiencia de intercambio térmico y protege la placa contra la presión diferencial.
Figura 4. Intercambiador de placas.
6
4) Economizadores [3] Es básicamente un intercambiador de calor que se coloca en la chimenea de una caldera para transferir el calor contenido en los gases de combustión al agua de la caldera. En la figura 5 se puede ver un esquema de un economizador y sus partes principales.
Figura 5. Economizador.
5) Estanques con chaquetas y/o serpentín (kettles) [4] El serpentín es un equipo intercambiador de calor que al estar en contacto con el aire de retorno el cual regresa caliente, enfría el aire gracias al refrigerante a baja temperatura que circula por su interior, y lo envía de nuevo mediante los ductos transportadores a las instalaciones y mediante este proceso la temperatura del aire presente en las instalaciones se mantiene bajo condiciones de confort. En la figura 6 se tiene una imagen de un serpentín.
Figura 6. Serpentín.
7
Objetivos
Comprender el principio de funcionamiento básico de un intercambiador de calor, en este caso un intercambiador de calor de tubos y carcasa y uno de placas.
Notar la diferencia de eficiencia y funcionamiento entre un intercambiador de tubos y carcasa, y uno de placa.
Obtener el coeficiente de calor para cada intercambiador, y luego interpretar el resultado.
Materiales
Intercambiador de calor de placas
Intercambiador de calor de tubos y carcasa
Procedimiento
Primero el ayudante de laboratorio abre las válvulas de las llaves de agua fría y caliente en ambos intercambiadores de calor.
Esperamos el tiempo que sea necesario hasta que se estabilicen las temperaturas y los flujos de las corrientes de agua fría y caliente en ambos intercambiadores de calor.
Una vez lograda la estabilización en ambos intercambiadores de calor anotamos los datos de temperaturas de entrada, salida y flujos.
8
Datos Intercambiador de tubos y carcasa Número de tubos: 21 Largo tubos: 0.5 m Tubo interno:
Diámetro interior = 0.008 m
Diámetro exterior= 0.01 m
Tubo externo:
Diámetro interior= 0.148 m
Diámetro exterior= 0.160 m
En las siguientes tablas, tabla 1 y tabla 2, se recopilan los datos correspondientes a temperaturas y flujos en proceso co-corriente y contracorriente del intercambiador de tubos y carcasa.
Co-corriente
Entra
Sale
Flujos(l/min)
Corriente fría (°C)
ST2=21.36
ST10=33.13
SC2=0.47
Corriente caliente (°C)
ST3=45.86
ST5=37.52
SC1=1.14
Tabla 1. Datos co-corriente de intercambiador de tubos y carcasa.
9
Contra-corriente
Entra
Sale
Flujos
Corriente fría (°C)
ST10=20.06
ST2=41.11
SC2=0.40
Corriente caliente (°C)
ST3=46.5
ST5=39.01
SC1=1.17
Tabla 2. Datos contra-corriente de intercambiador de tubos y carcasa
Intercambiador de placas Largo: 28.575 cm Ancho: 11.2 cm Número de placas: 10 En las siguientes tablas, tabla 3 y tabla 4 se recopilan los datos correspondientes a temperaturas y flujos en proceso co-corriente y contracorriente del intercambiador de tubos y carcasa. Co-corriente
Entra
Sale
Flujos(l/min)
Corriente fría (°C)
ST2=21.45
ST4=36.76
SC2=0.82
Corriente caliente (°C)
ST3=49.15
ST5=39.37
SC1=2.11
Tabla 3. Datos co-corriente de intercambiador de placas.
10
Contra-corriente
Entra
Sale
Flujos(l/min)
Corriente fría (°C)
ST4=22.46
ST2=47.60
SC2=0.80
Corriente caliente (°C)
ST3=50.23
ST5=43.93
SC1=5.55
Tabla 4. Datos contra-corriente de intercambiador de placas.
11
Cálculos
Ecuaciones necesarias 1) Ecuación de diseño Ecuación (1)
Q: Flujo de transferencia de calor A: Área de transferencia de calor U: Coeficiente global de transferencia de calor ∆T: Fuerza impulsora para la transferencia de calor, LMTD.
2) Calor transferido Para un caso sencillo de calentamiento o enfriamiento el flujo de calor corresponderá al flujo necesario para llevar la materia desde un nivel de energía a otro, es decir: Ecuación (2)
3) Diferencia de temperatura (∆T) Corresponde a alguna forma de diferencia de temperaturas que dependerá de la geometría o disposición de los flujos, pero que necesariamente está definida en función de las temperaturas de proceso que son inicialmente conocidas (balances de masa y energía)
(
)
12
4) Área de transferencia de calor En la tabla 5 se indican las ecuaciones que se deben utilizar para obtener el área de transferencia de calor de cada intercambiador. Tubos y carcasa
Ecuación (4)
Placas
Ecuación (5)
Tabla 5. Área de transferencia de calor de cada intercambiador.
Desarrollo de los cálculos 1) Intercambiador de tubos y carcasa Para encontrar U (coef. de transferencia de calor), debemos calcular A, Q y ∆T. Ya que Q y ∆T dependen de la temperatura de las corrientes, deben ser calculados para co-corriente y contra-corriente por separado. Por otro lado A es igual para ambos casos. De ecuación (4):
a) Co-corriente ∫
13
Reemplazando en ecuación (2):
De ecuación (3):
(
)
(
)
Finalmente reemplazando en ecuación (1):
b) Contra-corriente ∫
Reemplazando en ecuación (2):
De ecuación (3):
(
)
(
) 14
Finalmente reemplazando en ecuación (1):
2) Intercambiador de placas Para encontrar U (coef. De transferencia de calor), debemos calcular A, Q y ∆T. Ya que Q y ∆T dependen de la temperatura de las corrientes, deben ser calculados para co-corriente y contra-corriente por separado. Por otro lado A es igual para ambos casos. De ecuación (5):
a) Co-corriente
∫
Reemplazando en ecuación (2):
De ecuación (3):
(
)
(
)
Finalmente reemplazando en ecuación (1):
15
b) Contra-corriente ∫
Reemplazando en ecuación (2):
De ecuación (3):
(
)
(
)
Finalmente reemplazando en ecuación (1):
16
Conclusión Para comenzar concluimos en conjunto que la experiencia realizada fue muy enriquecedora ya que la mayoría estamos cursando el ramo transferencia de calor, y entender los conceptos y ejercicios nos resulta mucho más fácil luego de estar frente a frente a un proceso de transferencia de calor en una unidad fundamental como lo es el intercambiador de calor. Por otro lado al concluir los cálculos es notorio que el intercambiador más eficiente resulta ser el de placas. Esto puede explicarse debido a que el tamaño de un intercambiador de placas es mucho menor al de tubos, y como sabemos el tamaño es un factor muy importante en la relación costo-producción, debido a que cuando se tiene una unidad de mayor tamaño aunque podría pensarse que se logrará mayor producción y por lo tanto se tendrá un proceso más eficiente, la verdad es que se necesita más energía y por lo tanto resulta en un balance negativo para la producción, lo que se traduce en menor tamaño -> mayor eficiencia. Además de lo anterior, en un intercambiador de placas la diferencia de temperatura de entrada de un fluído y salida del otro es menor, lo que resulta beneficioso, y el número de Reynolds mínimo para flujo turbulento es menor, lo que además resulta en que se puedan utilizar fluidos viscosos, mientras que en un intercambiador de tubos y carcasa no es posible.
17
Bibliografía [1] http://es.scribd.com/doc/16985266/DISENO-Y-CONSTRUCCION-DE-UNINTERCAMBIADOR-DE-CALOR-COMO-HERRAMIENTA-DIDACTICA-ENPROCESOS-DETRANFERENCIA-DE-CALOR-Y-EN-APLICACIONES-DE-LAENERGIA-SO Visitada el viernes 5 de Abril del 2013
[2] http://t-soluciona.com/wp-content/uploads/2013/01/Catalogo-modelo-TS6.pdf Visitada el viernes 5 de Abril del 2013.
[3] http://www.industrialtijuana.com/pdf/ECONHOJAWEB.pdf Visitada el viernes 5 de Abril del 2013
[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Serpent%C3%ADn Visitada el sábado 6 de Abril del 2013
18
Número del grupo
Entrega oportuna de los datos
Aporte a las discusiones y conclusiones
Predisposición al trabajo en grupo
10
7
7
7
14
7
7
7
17
7
7
7
19
