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INFORME

INTERCAMBIADOR DE CORAZA Y TUBOS

Sebastian Camilo Lemus Fonseca: 234524 sclemusf@unal.edu.co, Diego Alexander Pinzón Zabala: 233935 dapinzonz@unal.edu.co, Julio Alejandro Gomez Orduz: 234514

juagomezor@unal.edu.co, Diana Duque: 234582 dianaduqueg@gmail.com, Jose David Riveros: 234727 josedavidriveros@hotmail.com.

ABSTRACT. RESUMEN.

I. INTRODUCCION Los intercambiadores de coraza y tubos están compuestos por unidades de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al líquido de la coraza. Para ésta práctica se analizará la transferencia de calor para este tipo de intercambiador, obteniendo los coeficientes de convección del mismo tanto internos y externos.

II. PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTAL Y DATOS OBTENIDOS.

Esta práctica inicia solicitando los materiales para la realización de la misma los cuales son 4 termómetros de mercurio; luego de esto se procede a graduar la presión del vapor de agua y se estabiliza a 10 psi, está presión se mantiene estable durante toda la práctica. Se procede a seleccionar el intercambiador de inicio que fue el número 1 con 5 bafles, abrir las válvulas de paso de agua del proceso y la de enfriamiento; seguido a esto procedemos a estabilizar el caudal de agua caliente y de agua fría, inmediatamente procedemos a purgar el equipo abriendo la válvula para esto se espera alrededor de 10 minutos y se cierra la válvula de purga. A lo largo del desarrollo de toda la práctica se verifica que la presión se mantenga estable en 10 psi. Se ubican los termómetros en la entrada y salida del agua

caliente, y a la entrada y salida del agua de enfriamiento, nuevamente verificamos la estabilidad del equipo y se procede a tomar las 4 mediciones de temperatura. Finalmente se realiza 3 tomas de medidas con 3 caudales diferentes variando únicamente el caudal de agua caliente y manteniendo igual el caudal de agua fría. Para los 3 intercambiadores siguientes se procede con los mismos pasos ya descritos anteriormente. Cuando se han tomado ya los datos necesarios para el primer intercambiador, y se busca pasar al segundo, ocurre un error debido a que no se abre totalmente una de las válvulas que controla el comportamiento de dicho intercambiador. Es por esto que al agotarse el tiempo, no se pudieron tener datos coherentes y aceptables para este intercambiador y por tanto, no se tienen en cuenta en el presente informe. Finalmente los Datos Obtenidos durante la práctica son:

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Tabla 1. Datos Intercambiador de 1-5 bafles

Tabla 2. Datos Intercambiador de 2-9 bafles

Tabla 3. Datos Intercambiador de 3-15 bafles

Tabla 4. Datos Intercambiador de 4-21 bafles

III. MUESTRA DE CALCULOS. Muestra de cálculos para el primer intercambiador de calor de 1-5 bafles: Agua fría y Agua caliente: Se obtienen una temperatura promedio para así obtener las propiedades del agua.

𝑇� =𝑇𝑒 + 𝑇𝑠

2 (1)

Donde 𝑇𝑒 y 𝑇𝑠, son las temperaturas de entrada y salida del agua respectivamente, de aquí se obtiene por tabla:

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Agua caliente Agua Fría [gal/min] 8 9,6 Tprom [°C] 30,25 18,75 Densidad ρ [Kg/m3] 996 998,5 Visc. Din μ [N.s/m2] 7,98E-04 1,08E-03 Diámetro D [m] 0,009525 0,1016 Pr 5,42 7,35 k [W/m k] 0,615 0,593 N(tubos) 44 L(tubos) [m] 0,89535 As [m2] 1,17885495

Tabla 5. Propiedades del agua fría para 1-5 bafles Se obtiene el flujo másico, para realizar los cálculos: �̇�𝑎𝑔𝑢𝑎 = �𝐺 𝑔𝑎𝑙

𝑚𝑖𝑛� �1 𝑚𝑖𝑛

60 𝑠� �3,7854𝑥10−3𝑚

3

𝑔𝑎𝑙� �𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎� (2)

Donde se tiene G y ρ, en galones y en kg/m3 para cada caso respectivamente. De aquí se obtiene: Agua caliente Agua Fría �̇�𝑎𝑔𝑢𝑎 [kg/s] 0,50 0,60

Tabla 6. Flujo másico para el agua De aquí se obtiene el número de Reynolds para los dos casos, donde para facilitar los cálculos Redi es para el agua caliente y Rede para el agua fría:

𝑅𝑒𝑑𝑖 = 4�̇�𝑎𝑐

𝜋 𝜇𝑎𝑐 𝐷𝑎𝑐 (3)

𝑅𝑒𝑑𝑒 = 4�̇�𝑎𝑓

𝜋 𝜇𝑎𝑓 𝐷𝑎𝑓 (4)

Reemplazando se obtiene:

Reynolds Valor Re_di 84208,02 Re_de 7050,0

Tabla 7. Reynolds interno y externo para 1-5 bafles Se halla el número de Nusselt y por consiguiente los coeficientes de convección, tanto interno y externo:

𝑁𝑢 = 0,023 𝑅𝑒𝑑4/5𝑃𝑟0,4 (5) Donde se obtiene para cada caso:

Nusselt Valor Nui 394,10 Nue 61,2

Tabla 8. Nusselt interno y externo para 1-5 bafles De aquí se obtienen los coeficientes de convección internos y externos para el intercambiador de 1-5 bafles, y se obtiene el coeficiente global de transferencia de calor:

𝑁𝑢 =ℎ 𝐷𝑘

(6) Despejando se obtiene:

Coeficiente Valor hi [W/m2k] 25446,05 he [W/m2k] 357,2

Tabla 9. Coeficientes de transferencia internos y externos Se obtiene el coeficiente global de transferencia de la forma:

𝑈 = 1

1ℎ𝑖

+ 1ℎ𝑒 (7)

Donde se obtiene:

Coeficiente Valor U 352,29

Tabla 10. Coeficiente global de transferencia de calor Se calcula el factor de corrección para el intercambiador de calor:

𝑃 =𝑡0 − 𝑡𝑖𝑇𝑖 − 𝑡𝑖

(8)

𝑅 =𝑇𝑖 − 𝑇0𝑡𝑜 − 𝑡𝑖

(9)

Donde

t0 = Ts agua caliente ti = Te agua caliente Ti = Te agua fría T0 = Ts agua fría

3

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Se obtienen los siguientes valores y por gráfica el factor de corrección F:

FACTOR DE CORRECCIÓN P 0,417 R 0,733 F 0,97

Tabla 8. Factor de corrección para 1-5 bafles Se procede a calcular la diferencia media logarítmica LMDT para el intercambiador:

𝐿𝑀𝐷𝑇 = ∆𝑇1− ∆𝑇2

ln �∆𝑇2∆𝑇1�

(10)

Se tiene entonces:

∆𝑇1 = 𝑇𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟í𝑎 − 𝑇𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (11) ∆𝑇2 = 𝑇𝑠 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑇𝑠 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟í𝑎 (12)

Se corrige la LMDT de la siguiente forma:

𝐿𝑀𝐷𝑇𝐶𝑂𝑅𝑅 = 𝐿𝑀𝐷𝑇 ∗ 𝐹 (13) Donde se obtienen los siguientes resultados:

Diferencia Valor ∆T1 18,00 ∆T2 5,0 LMDT 10,149 LMDTCORR 9,743

Tabla 9. Diferencia media corregida para 1-5 bafles Y se obtiene el flujo de calor para el intercambiador:

�̇� = 𝑈 𝐴𝑠 𝐿𝑀𝑇𝐷𝐶𝑂𝑅𝑅 (14) Se obtiene para el intercambiador de 1-5 bafles:

Valor

Q [W] 4046,21 Tabla. 10 Flujo de calor para el intercambiador 1-5 bafles

IV. RESULTADOS.

Como se mostró se obtienen los resultados para las demás tomas de datos con las variaciones de caudales y cambio de intercambiador: INTERCAMBIADOR 1-5 BAFLES Agua caliente Agua Fría [gal/min] 7,1 9,6 Tprom [°C] 32 19,75 Densidad ρ [Kg/m3] 996 998 Visc. Din μ [N.s/m2] 7,80E-04 1,00E-03 Diámetro D [m] 0,009525 0,1016 Pr 5,42 7 k [W/m k] 0,615 0,598 N(tubos) 44 L(tubos) [m] 0,89535 As [m2] 1,17885 �̇�𝑎𝑔𝑢𝑎 [kg/s] 0,45 0,60 Reynolds 76459,26 7575,0 Nusselt 364,81 63,57 h [W/m2k] 23554,9 374,2 U [W/m2k] 368,33 P 0,42 R 0,69 F 0,95 LMDT 10,89 LMDTCORR 10,35 Q [W] 4491,98

Tabla 11. Resultados para 1-5 bafles con 7,1 y 9,6 galones Agua caliente Agua Fría [gal/min] 8,9 9,6 Tprom [°C] 31,5 20,25 Densidad ρ [Kg/m3] 996,3 997,5 Visc. Din μ [N.s/m2] 7,96E-04 9,80E-04 Diámetro D [m] 0,009525 0,1016 Pr 5,5 6,98 k [W/m k] 0,61 0,6 N(tubos) 44

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L(tubos) [m] 0,89535 As [m2] 1,17885 �̇�𝑎𝑔𝑢𝑎 [kg/s] 0,56 0,60 Reynolds 93945,09 7725,7 Nusselt 432,69 64,51 h [W/m2k] 27710,03 380,96 U [W/m2k] 375,79 P 0,400 R 0,786 F 0,850 LMDT 9,98 LMDTCORR 8,48 Q [W] 3757,22

Tabla 12. Resultados para 1-5 bafles con 8,9 y 9,6 galones INTERCAMBIADOR 3-15 BAFLES Agua caliente Agua Fría [gal/min] 8,9 9,6 Tprom [°C] 31,75 22,75 Densidad ρ [Kg/m3] 996 998,5 Visc. Din μ [N.s/m2] 7,98E-04 1,08E-03 Diámetro D [m] 0,009525 0,1016 Pr 5,42 7,35 k [W/m k] 0,615 0,593 N(tubos) 44 L(tubos) [m] 0,895 As [m2] 1,179 �̇�𝑎𝑔𝑢𝑎 [kg/s] 0,559 0,605 Reynolds 93681,4 7050,0 Nusselt 429,19 61,21 h [W/m2k] 27711,5 357,2 U [W/m2k] 352,7 P 0,5 R 0,6 F 0,92 LMDT 7,456 LMDTCORR 6,860 Q [W] 2852,0 Tabla 13. Resultados para 3-15 bafles con 8,9 y 9,6 galones

Agua caliente Agua Fría [gal/min] 8 9,6 Tprom [°C] 33,5 22,5 Densidad ρ [Kg/m3] 996 998,5 Visc. Din μ [N.s/m2] 7,98E-04 1,08E-03 Diámetro D [m] 0,009525 0,1016 Pr 5,42 7,35 k [W/m k] 0,503 0,605 N(tubos) 44 L(tubos) [m] 0,895 As [m2] 1,179 �̇�𝑎𝑔𝑢𝑎 [kg/s] 0,559 0,605 Reynolds 84208,02 7050,0 Nusselt 394,10 61,21 h [W/m2k] 25446,1 357,2 U [W/m2k] 352,29 P 0,50 R 0,56 F 0,90 LMDT 9,308 LMDTCORR 8,377 Q [W] 3479,05

Tabla 14. Resultados para 3-15 bafles con 8 y 9,6 galones INTERCAMBIADOR 4-21 BAFLES

Agua caliente Agua Fría [gal/min] 8,9 9,6 Tprom [°C] 32,5 22,75 Densidad ρ [Kg/m3] 996 998,5 Visc. Din μ [N.s/m2] 7,98E-04 1,08E-03 Diámetro D [m] 0,009525 0,1016 Pr 5,42 7,35 k [W/m k] 0,615 0,593 N(tubos) 44 L(tubos) [m] 0,895 As [m2] 1,179 �̇�𝑎𝑔𝑢𝑎 [kg/s] 0,559 0,605 Reynolds 93681,4 7050,0 Nusselt 429,19 61,21 h [W/m2k] 27711,5 357,24

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U [W/m2k] 352,69 P 0,53 R 0,61 F 0,94 LMDT 7,56 LMDTCORR 8,05 Q [W] 3345,71 Tabla 15. Resultados para 2-9 bafles con 8,9 y 9,6 galones

Agua caliente Agua Fría [gal/min] 8 9,6 Tprom [°C] 33,75 22,75 Densidad ρ [Kg/m3] 996 998,5 Visc. Din μ [N.s/m2] 7,98E-04 1,08E-03 Diámetro D [m] 0,009525 0,1016 Pr 5,42 7,35 k [W/m k] 0,615 0,593 N(tubos) 44 L(tubos) [m] 0,895 As [m2] 1,179 �̇�𝑎𝑔𝑢𝑎 [kg/s] 0,503 0,605 Reynolds 84208,02 7050,0 Nusselt 394,10 61,21 h [W/m2k] 25446,05 357,24 U [W/m2k] 352,29 P 0,51 R 0,58 F 0,95 LMDT 9,01 LMDTCORR 8,56 Q [W] 3554,34

Tabla 16. Resultados para 2-9 bafles con 8 y 9,6 galones

V. ANALISIS Y CONCLUSIONES .Para esta práctica se tienen unas suposiciones importantes, las medidas del intercambiador para cada uno de sus bancos de tubos fueron dadas por la máquina, también es importante resaltar que se hizo una suposición de flujo estacionario como la condición principal de operación del equipo, dado el tiempo de

estabilización provisto para la toma de datos una vez que se ha cambiado algún parámetro en el intercambiador. El análisis se enfoca a hacia la dependencia de la transferencia de calor en función de la cantidad de bafles para cada intercambiador y el cómo influye la variación de caudal para cada intercambiador, se tiene entonces para el primer caso en el intercambiador 1, que tiene 5 bafles, se puede notar como el cambio del caudal afecta el flujo de calor, ya que al tener un caudal de 7,1 gal/min para el fluido caliente se puede notar un flujo de calor de 4491,98 W a comparación en el mismo intercambiador con un caudal de 8,9 gal/min para el fluido caliente donde se obtiene un flujo de calor de 3757,22W, esto es debido a que se tiene un menor flujo másico el cual es capaz de entregar en mayor cantidad el calor hacia el fluido frío, se puede notar una variación considerable, que se observa en los resultados de todos los intercambiadores sin importar el número de bafles, esta relación se mantiene. También se puede observar que el número de bafles afecta de forma importante la transferencia de calor, ya que en un mayor número de bafles se ve un menor intercambio de calor siendo estos tomados en el mismo caudal, lo cual se puede interpretar con una mayor velocidad de transferencia la cual se puede ver al comparar las temperaturas de entrada y de salida del agua fría y caliente para cada caso. CONCLUSIONES

• El flujo másico para los intercambiadores de calor de coraza y tubos afecta de forma importante la transferencia, dando unos valores permisibles donde se da una transferencia que puede ser máxima a un caudal especifico.

• Un intercambiador que posea un mayor número de bafles permite operar un mayor flujo másico, así dando una transferencia en un menor tiempo para una gran cantidad de masa, ya sea enfriando o calentando, a comparación de un

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intercambiador con un menor número de bafles.

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VI. REFERENCIAS. [1] KERN. D, (PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR), Compañía Editorial Continental S.A, México. Primera edición. Fecha: Marzo de 1981. [2] INCROPERA. F, DeWITT. D, (Fundamentos de Transferencia de Calor), Ed: Prentice Hall. Cuarta edición. México 1999. [3] CENGEL, Y. (Transferencia de Calor). Editorial McGraw Hill. Tercera Edición. Madrid, 2006.

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