Laboratorio de operaciones operaciones unitarias, unitarias, Universidad Universidad de Cartagena
INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA Steeven Altamiranda González 1, Andrés García Meza 1, Jaime Leal Navarro 1, Fernando Puello Cantillo1, Yeison Castellar Torres 1, Ángel González2. 1
Estudiante VI semestre semestre de Ingeniería Ingeniería Química. Química. Docente Universidad Universidad de Cartagena, Cartagena, Ingeniero Ingeniero Químico, Químico, Ph.D
2
RESUMEN Los intercambiadores de calor son equipos ampliamente utilizados, sus usos van desde los sistemas domésticos de acondicionamiento de aire, hasta los sistemas de refrigeración y calentamiento en grandes plantas industriales. El presente trabajo se realizó para estudiar la operación básica de un intercambiador de tubos y coraza, el sistema contenía aceite por dentro de los tubos y agua corriente por el lado de la coraza, se calculó la eficiencia y el factor de ensuciamiento. Se realizaron medidas de temperatura durante al menos 15 minutos a dos caudales distintos para cada arreglo (Co-Corriente y Contra Corriente). Palabr as claves claves : Intercambiador de calor, eficiencia, factor de ensuciamiento
ABSTRACT Heat exchangers are widely used equipment, uses ranging from domestic air conditioning systems, systems, to cooling and heating systems in large industrial plants. This work was conducted to study the basic operation of a shell and tube exchanger, the oil system contained within the pipes and running water on the side of the shell, efficiency and fouling factor was calculated. Temperature measurements at two different flow rates for each array (co-current and counter current) are conducted for at least 15 minutes. Keywords: heat exchanger, efficiency, fouling factor
INTRODUCCIÓN El proceso de intercambio de energía en operaciones unitarias, constituyen uno de los aspectos de mayor importancia a nivel de proceso, esto debido en parte a las condiciones condiciones con las que se desea que un flujo llegue a cierta unidad en un determinado tiempo y parte del proceso, lo cual hace importante el estudio de procesos que permiten controlar este
intercambio energético de la forma más conveniente posible. En este caso estudiaremos el proceso de intercambio de calor en sistema de tubos y corazas, y se evaluara la efectividad de esta configuración cuando se opera en condiciones controladas, en la medida que nos permitan analizar las características de fenómeno así como las principales variables que son
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relevantes para aumentar la eficiencia del proceso.
MARCO TEORICO El proceso de intercambio de calor entre dos fluido que están a diferentes temperaturas y separado por una pared sólida se realiza en dispositivos denominados intercambiadores de calor. Los procesos de intercambio de calor tienen lugar cuando dos cuerpos con diferente temperatura entran en contacto de forma directa o indirecta. Su fuerza motora es un gradiente de temperatura. Su uso abarca desde la refrigeración, la calefacción, producción de energía, procesos de transformación. Los intercambiadores de calor se pueden clasificar según:
Arreglo del flujo: Flujo Paralelo
Tipo de construcción: Doble tubo (tubos concéntricos)
Contraflujo
tubo y coraza
Flujo cruzado.
Compactos
de pasos y coraza, siendo la más simple la que implica un solo paso por tubos y coraza. La principal ventaja que este sistema de transferencia presenta es que puede manejar grandes volúmenes de control con flujos a velocidades relativamente altas, esto en parte debido a que la disposición de los ases de tubos que permiten disponer de una mayor área de contacto entre el flujo que pasa a través de la carcasa, favoreciendo la transferencia de calor. Por esto aspecto en particular este sistema es el más usado industrialmente.
: esquema Fi gura 1
general de un sistema de transferencia de calor de tubos y coraza. Los componentes fundamentales de un sistema de transferencia de calor de tubo y coraza son:
Tabla 1. Clasificación de intercambiadores de
calor
Intercambiador de calor de tubo y coraza: Un dispositivo de transferencia de calor de tubos y corazas consiste básicamente haz de tubos cilíndricos montados dentro de una carcasa de forma también cilíndrica de forma que la disposición del haz de tubos es paralela a la disposición de la carcasa, a través de los cuales circula dos fluidos, uno por el haz de tubos y el otro por la carcasa, a diferente temperatura y esto es lo que causa la transferencia entre ambos fluidos. Para estos las formas difieren de acuerdo con el número
Coraza. Cubierta de coraza. Tubos. Cabezal. Cubierta de cabezal. Espejo de tubos. Bafles deflectores. Boquillas de entradas de fluidos.
Una de las características de gran importancia de este sistema de transferencia es que el arreglo de tuberías puede variar su disposición de las cuales se distinguen el arreglo cuadrado y el arreglo triangular, a la vez la triangular puede ser sencilla o espaciada, buscando en esta última dejar espacios para el fácil aseo y mantenimiento.
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analizar que parámetros generan dichas desviaciones. Determinar cuáles variables son las que favorecen la transferencia de calor en este tipo de sistemas.
METODOLOGÍA
Arreglos Figura 2:
comunes de tubos en
intercambiadores Y de estas pueden derivarse dos formas adicionales que corresponden al arreglo en cuadrado rotado y arreglo en triangular rotado. Estas configuraciones están caracterizadas por aspectos prácticos tales como el trabajo con caudales grandes, régimen de flujo, factores de ensuciamiento, limpieza, economía de diseño, etc. Por ejemplo la configuración de tubos triangular rotada es muy poco usado debido a que genera grandes caídas de presión, mientras que los de configuración triangular son preferibles puesto generan menos caídas de presión y trabaja mejor para cualquier régimen de flujo.
OBJETIVOS Objetivo General
Estudiar el fenómeno de transferencia de calor a través de un sistema de tubos y coraza, en forma práctica o experimental.
El equipo consiste en una unidad de transferencia de calor de sistema de tubos y coraza dispuesto conectado a un sistema de tuberías a través del cual se harán circular diferentes flujos de diferentes fluidos a distintas temperaturas. Las temperaturas se registraran en un panel de control el cual da medidas de temperatura en lugares distintos del sistema, a la entrada de este y a las salida, con un valor de la temperatura media, que permitan establecer la diferencia de temperatura para ambos flujos y poder calcular así la transferencia de calor. Comprendido la forma en que se realiza el proceso se procede a trabajar mediante la siguiente serie de pasos: 1. Asegurar el correcto funcionamiento del equipo antes de iniciar la experiencia. 2. Encender el termostato para el calentamiento del primer fluido. 3. una vez alcanzada la temperatura deseada, abrir la válvula para permitir la circulación del fluido caliente.
Objetivos específicos
Determinar de forma cuantitativa la transferencia de calor que se da en este tipo de sistemas. Analizar la desviación de los datos teóricos con respectos a los datos obtenidos de manera experimental, y
4. Abrir la válvula para permitir la circulación del segundo fluido y elegir el caudal que se quiere (recomendación: escoger caudales altos y bajos).
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5. Escoger la configuración que se desea estudiar. Ejemplo de 2 pasos por la tubería y 1 paso por la coraza. 6. Registrar datos de temperaturas a las entradas y salidas de ambos subsistemas, tuberías y coraza. 7. Variar el caudal de flujo de uno o ambos fluidos. 8. Repetir el proceso desde el tercer procedimiento hasta el séptimo para diferentes caudales y configuraciones de paso.
Figura 3. Intercambiador de calor de tubos y coraza, en el equipo para el estudio de la transferencia de calor.
CALCULOS Y RESULTADOS
T(s) T1(°C) T2(°C) T3(°C) T4(°C) 0 31.1 31.5 60.6 48.6 60 31.2 31.6 60.5 50.1 120 31.2 31.7 60.8 50.4 180 31.4 31.8 60.7 50.7 240 31.4 31.8 60.7 50.8 300 31.4 31.9 60.8 50.7 360 31.5 31.9 60.5 51 420 31.5 32 60.4 51 480 31.5 32 60.7 50.9 540 31.6 32.1 60.6 50.9 600 31.7 32.1 60.7 51 660 31.7 32.1 60.8 50.8
720 31.7 32.2 60.7 51 780 31.9 32.2 60.8 51 840 31.9 32.3 60.6 51.1 900 31.9 32.4 60.8 51.1 Tabla 2. Datos de temperatura experimental y tiempo, flujo paralelo y caudal de 23,9LPM.
T(s) T1(°C) T2(°C) T3(°C) T4(°C) 0 31.9 32.4 60.2 48.2 60 32 32.6 60.8 51.1 120 32 32.6 60.9 50.9 180 32.1 32.7 60.7 51.3 240 32 32.7 60.7 51.2 300 32.1 32.8 60.7 51.2 360 32.2 32.8 60.7 51.2 420 32.3 33.1 60.7 51.5 480 32.3 33.1 60.7 51.6 540 32.4 33 60.8 51.5 600 32.3 33.1 60.7 51.4 660 32.3 33.1 60.6 51.4 720 32.4 33.1 60.9 51.5 780 32.4 33.1 60.7 51.3 840 32.4 33.2 60.6 51.4 900 32.4 33.2 60.7 51.5 Tabla 3. Datos de temperatura experimental y tiempo, flujo paralelo y caudal de 15,8LPM. T(s) T1(°C) T2(°C) T3(°C) T4(°C) 0 32.4 32.9 61.1 50.3 60 32.6 33 60.7 51.5 120 32.7 33.1 60.7 51 180 32.8 33.1 60.7 51 240 32.9 33.2 60.9 51 300 32.9 33.2 60.7 51.3 360 32.9 33.3 60.8 51.2 420 32.9 33.3 60.8 51.2 480 32.9 33.3 60.7 51.2 540 32.9 33.3 60.6 51.4 600 33 33.4 60.4 51.3 660 33 33.4 60.8 51.3 720 33 33.4 60.6 51.2 780 32.9 33.4 60.7 51.2 840 32.8 33.3 60.7 51.2 900 32.7 33.1 60.8 51.1 Tabla 4. Datos de temperatura experimental y tiempo, flujo en contracorriente y caudal de 24,9LPM.
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T(s) T1(°C) T2(°C) T3(°C) T4(°C) 0 32.4 33 60 50.3 60 32.5 33.1 60.8 51.1 120 32.5 33.2 60.6 51.2 180 32.5 33.2 60.7 51.2 240 32.5 33.2 60.7 51.1 300 32.5 33.2 60.7 51.2 360 32.6 33.2 60.6 51.1 420 32.5 33.2 60.7 51.2 480 32.6 33.3 60.7 51.3 540 32.7 33.3 60.7 51.2 600 32.7 33.4 60.7 51.1 660 32.7 33.4 60.7 51.2 720 32.8 33.4 60.7 51.2 780 32.8 33.4 60.6 51.4 840 32.8 33.5 60.8 51.3 900 32.8 33.5 60.6 51.2 Tabla 5. Datos de temperatura experimental y tiempo, flujo en contracorriente y caudal de 13,4LPM.
Temperatura vs Tiempo 32,8
) 32,4 C ° ( a r u 32 t a r e p m31,6 e T 31,2
30,8
0
200
400 600 Tiempo (S)
800
T1
1000
T2
Grafica 1. Temperatura del agua. Flujo paralelo y caudal de 23.9L/min.
Donde: T1= temperatura de entrada del agua. T2=temperatura de salida del agua. T3=temperatura de entrada del aceite. T4=temperatura de salida del aceite.
Fluido (Kg/m3) Cp(KJ/Kg.K) 845 2,05 Aceite 996 4,18 H20 Tabla 6. Propiedades físicas del agua y del aceite.
Temperatura vs Tiempo 70 ) 60 C ° ( a 50 r u t a 40 r e p 30 m e T20
10 0 0
Graficamos los resultados obtenidos que reflejan el perfil térmico del sistema en función del tiempo, para cada una de las dos configuraciones: en serie y en paralelo, para los distintos caudales seleccionados
200
400 600 Tiempo (s) T3
800 T4
Grafica 2. Temperatura del aceite. Flujo paralelo y caudal de 23.9L/min.
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1000
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Temperatura vs Tiempo
Temperatura vs Tiempo 33,6
33,3
) c ° ( a r u t a r e p m e T
33 ) C ° ( a r 32,7 u t a r e 32,4 p m e T 32,1
33,3 33 32,7 32,4 32,1
31,8
0
200 T1
400 600 Tiempo(s)
800
0
100
200
400 600 Tiempo (S)
T1
T2
Grafica 3. Temperatura del agua. Flujo paralelo y caudal de 15.8L/min.
800 T2
Grafica 5. Temperatura del agua. Flujo contracorriente y caudal de 24,9L/min.
Temperatura vs Tiempo
Temperatura vs Tiempo 70
70
60
60
) C ° 50 ( a r u 40 t a r e p 30 m e T 20
) c ° ( a 50 r u t a 40 r e p m 30 e T
10
10
20
0 0
200 T3
400 600 800 Tiempo (S) T4
1000
Grafica 4. Temperatura del aceite. Flujo paralelo y caudal de 15,8L/min.
0 0
200 T3
400 600 Tiempo (S)
800 T4
Grafica 6. Temperatura del aceite. Flujo contracorriente y caudal de 24.9L/min.
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1000
1000
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Ahora aplicando la ecuación (1) para los valores previamente tabulados se obtienen los siguientes resultados.
Temperatura vs Tiempo 33,6
) C ° ( a 33,3 r u t a r 33 e p m e T32,7
32,4 32,1 0
200
400 600 Tiempo (s) T1
800
1000
T2
Grafica 7. Temperatura del agua. Flujo contracorriente y caudal de 13,4L/min. Temperatura vs Tiempo 70 ) 60 c ( a 50 r u t a 40 r e p 30 m e T 20 10 0
Tiempo(s) Q(KW) 0 8.28 60 7.18 120 7.18 180 6.90 240 6.83 300 6.96 360 6.55 420 6.49 480 6.76 540 6.69 600 6.69 660 6.90 720 6.69 780 6.76 840 6.56 900 6.69 Tabla 7. Calor transferido, flujo paralelo y caudal de 23.9L/min.
°
0
200 T3
400 600 Tiempo (s)
800
1000
T4
Grafica 8. Temperatura del aceite. Flujo contracorriente y caudal de 13.4L/min. Ahora se determine el valor cedido por el aceite y ganado por el agua en cada experimento.
Para esto se utilizará la siguiente ecuación.
Tiempo(s) Q(KW) 0 8.28 60 6.69 120 6.90 180 6.49 240 6.55 300 6.56 360 6.56 420 6.34 480 6.27 540 6.42 600 6.41 660 6.35 720 6.49 780 6.49 840 6.35 900 6.35 Tabla 8. Calor transferido, flujo paralelo y caudal de 15,8L/min.
= ̇ ∆ = ̇ ∆ 1 16 de Diciembre de 2015
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Tiempo(s) Q(KW) 0 7.45 60 6.39 120 6.69 180 6.69 240 6.83 300 6.49 360 6.62 420 6.62 480 6.56 540 6.35 600 6.28 660 6.56 720 6.49 780 6.56 840 6.56 900 6.69 Tabla 9. Calor transferido, flujo contracorriente y caudal de 11,5L/min. Tiempo(s) Q(KW) 0 6.69 60 6.69 120 6.49 180 6.56 240 6.62 300 6.56 6.56 360 420 6.56 480 6.49 540 6.56 600 6.62 660 6.56 720 6.561 780 6.35 840 6.56 900 6.49 Tabla 10. Calor transferido, flujo contracorriente y caudal de 19,2L/min. La eficiencia del intercambiador se calculara mediante la siguiente ecuación.
=
2
Donde el calor máximo seria el que tendría el líquido que presenta menor capacidad
calorífica más baja al alcanzar la temperatura inicial del otro líquido.
= ̇ (, − , )
3
Aplicando las ecuaciones 2 y 3 a los datos previamente tabulados obtenemos los siguientes valores de eficiencia.
Tiempo(s) Qmax(KW) 0 20.36 0.40 60 20.22 0.35 120 20.42 0.35 180 20.21 0.34 240 20.21 0.33 300 20.28 0.34 360 20.01 0.32 420 19.94 0.32 480 20.14 0.33 540 20.01 0.33 600 20.01 0.33 660 20.07 0.34 720 20.01 0.33 780 19.94 0.34 840 19.80 0.33 900 19.94 0.33 Tabla 11. Calor máximo y eficiencia, flujo paralelo y caudal de 23.9L/min. Tiempo(s) Qmax(KW) 0 19.52 0.42 60 19.87 0.33 120 19.94 0.34 180 19.73 0.32 240 19.80 0.33 300 19.73 0.33 360 19.66 0.33 420 19.59 0.33 480 19.59 0.32 540 19.59 0.32 600 19.59 0.32 660 19.52 0.32 720 19.66 0.32 780 19.52 0.33 840 19.45 0.32 900 19.52 0.32 Tabla 12. Calor máximo y eficiencia, flujo paralelo y caudal de 15.8L/min.
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S. Altamiranda et al.: Intercambiador de tubo y coraza
Tiempo(s) Qmax(KW) 0 19.80 0.37 60 19.38 0.32 120 19.32 0.34 180 19.25 0.34 240 19.32 0.35 300 19.18 0.33 360 19.25 0.34 420 19.25 0.34 480 19.18 0.34 540 19.11 0.33 600 18.90 0.33 660 19.18 0.34 720 19.04 0.34 780 19.18 0.34 840 19.25 0.34 900 19.38 0.34 Tabla 13. Calor máximo y eficiencia, flujo en contracorriente y caudal de 24.9L/min. Tiempo(s) Qmax(KW) 0 19.04 0.35 60 19.52 0.34 120 19.38 0.33 180 19.45 0.33 240 19.45 0.34 300 19.45 0.33 360 19.32 0.33 420 19.45 0.33 480 19.38 0.33 540 19.32 0.33 600 19.32 0.34 660 19.32 0.33 720 19.25 0.34 780 19.18 0.33 840 19.32 0.33 900 19.18 0.33 Tabla 14. Calor máximo y eficiencia, flujo en contracorriente y caudal de 13,4L/min. ANALISIS DE RESULTADOS Al observar los resultados obtenidos se puede notar que: El cambio de temperatura global registrado fue de aproximadamente 2°C en 1 hora de estudio, sin embargo las temperaturas de los fluidos no
eran muy elevadas, razón por la cual no se genera una transferencia de calor más notable. Por otro lado la eficiencia del intercambiador fue aproximadamente del 33% lo que energéticamente no lo hace un proceso muy rentable, sin embargo se nota que para caudales mayores, la transferencia resulta ser más óptima, esto se debe principalmente a la dependencia de la masa en el proceso de transferencia, pues se está procesando una mayor masa de los fluidos que a caudales bajos. Un factor importante a considerar con respecto a experiencias anteriores es que la transferencia de calor es casi 3 veces mayor (33% en intercambiadores de tubo y coraza frente a un 13% en intercambiadores de tubos concéntricos), que la presentada en un intercambiador de tubos concéntricos, pues el área de contacto entre los fluidos es mayor. Entre los factores que reducen la transferencia de calor, se encuentra el factor de ensuciamiento que se define como la mayor causa de perdida de calor pues este produce en las paredes de la tubería un efecto aislante, razón por la cual la transferencia de calor no es la esperada Finalmente en cuanto en cuanto a la eficiencia del proceso, se puede decir que el flujo a contracorriente presento valores ligeramente más altos de transferencia de calor que el proceso de flujo en paralelo, por lo cual se recomienda utilizar el arreglo a contracorriente
CONCLUSIONES A partir del trabajo realizado se llegó a las siguientes conclusiones:
Los intercambiadores de calor de tubo y coraza son ampliamente utilizados en la industria química. 16 de Diciembre de 2015
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La operación a Contra Corriente es más eficiente que la operación del intercambiador a Co-Corriente. El factor de ensuciamiento en un intercambiador de calor es una variable a controlar debido a que reduce sustancialmente la eficiencia del mismo. La eficiencia de un intercambiador de calor de tubos y coraza no es muy alta (33%) a pesar de esto es más alta en comparación con los intercambiadores de tubos concéntricos (13%). El aumento del área de contacto en este tipo de intercambiadores hace que la operación sea más eficiente.
REFERENCIAS 1. CENGEL, YANUS, A; (2007). “transferencia de calor ”.3 ed. McGraw-Hill F., DeWitt, D. 2. Incropera, (2001)” Fundamentos de transferencia de calor .cuarta edición. Purdue university. 3. PERRY R.H., GREEN D.W., (1997). ”
“Perry’s Chemical Engineers’ Handbook ”. Estados Unidos de
America. McGraw-Hill. 4. KERN, D. (2001), “Procesos de transmisión de calor” , 3ra edición
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