INSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA QUMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVASDEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA INDUSTRIAL

A C A D E M I A D E O P E R A C I O N E S U N I T A R I A S

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

PRACTICA No. 3:TUBOS CONCNTRICOS

EQUIPO 6Integrantes Bernal Rodrguez Yssica Areli Culebro Reyes David Jimnez Alva Kenia Sherezada Jimnez Cuellar Pablo (Equipo No. 5) Medina Espinoza Ianel Mungua Chvez Jos Francisco (Equipo No. 5) Ocaa Vergara Araceli Joana (Equipo No. 5) Padilla Limn Yessica Andrea

Grupo: 2IM26

Fecha: 23 de Enero de 2015 INTRODUCCINEn un intercambiador de calor participan dos o ms corrientes de proceso, unas actan como fuentes de calor y las otras actan como receptores del calor, el cual se transfiere a travs de las paredes metlicas de los tubos que conforman el equipo (contacto indirecto). Los equipos utilizados para calentar fluidos emplean generalmente vapor como fuente de calentamiento, los equipos utilizados para enfriar fluidos emplean usualmente agua como fluido de enfriamiento. Proporciona superficies de transferencia de calor a bajo costo, la principal desventaja es la pequea superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple. Cuando se usa con un equipo de destilacin se requiere gran nmero de horquillas y en cada horquilla existe la posibilidad de fugas debido a las conexiones. Cuando existe una diferencia de temperatura entre un tubo y el fluido que circula por l, se transfiere calor entre la pared del tubo y el fluido. El flujo de calor intercambiado por unidad de tiempo, puede expresarse en funcin de un rea de intercambio (A), una diferencia de temperatura caracterstica (DT), siendo la constante de proporcionalidad el coeficiente de transferencia de calor (h). Para tubos completamente llenos, rgimen estacionario y seccin transversal circular uniforme, el coeficiente de transferencia de calor es funcin del dimetro del tubo, largo del tubo, densidad, viscosidad, calor especfico, conductividad trmica y velocidad promedio del fluido.Los intercambiadores de calor son equipos que permiten el calentamiento, cambio de fase o enfriamiento de un fluido (liquido o gas) por medio de otro fluido a diferente temperatura y separado por una pared generalmente metlica.Un intercambiador de calor es un dispositivo diseado para transferir calor entre dos medios, que estn separados por una barrera o que se encuentren en contacto.Son parte esencial de los dispositivos de calefaccin, refrigeracin, acondicionamiento de aire, produccin de energa y procesamiento qumico.Un intercambiador de calor es un aparato que transfiere energa trmica desde un fluido a alta temperatura hacia un fluido a baja temperatura, con ambos fluidos movindose a travs del aparato.Los intercambiadores de calor tienen diferentes nombres segn el uso, como por ejemplo:Los calentadores: Se usan primariamente para calentar fluidos de proceso y generalmente es utilizado vapor como fluido de calentamiento, para este fin.Los enfriadores: Se emplean para enfriar fluidos de proceso; el agua es utilizada como el medio enfriador principal.Los condensadores: Son enfriadores cuyo principal propsito es eliminar calor latente para lograr la condensacin de un gas.Los hervidores: Tienen el propsito de suplir los requerimientos de calor en los procesos de destilacin como calor latente.Los evaporadores: Se emplean para la concentracin de soluciones por evaporacin de agua, si se evapora otro fluido adems del agua, la unidad se llama vaporizador.PARTES DE UN INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCNTRICOS:Las partes principales son dos juegos de tubos concntricos, dos ts conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubera interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a travs de una conexin roscada localizada en la parte externa del intercambiador.Las ts tienen boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido, el nulo que cruza de una seccin a otra a travs del cabezal de retorno.La tubera interior se conecta mediante una conexin en U que est generalmente expuesta, pues no representa una superficie considerable para la transferencia de calor, cuando se arregla en dos pasos, como en la figura, la unidad se llama horquilla.Tubos para intercambiadores de calor:Los tubos para intercambiadores de calor tambin se conocen como tubos para condensador y no debern confundirse con tubos de acero u otro tipo de tubera obtenida por extrusin a tamaos normales de tubera de hierro. El dimetro exterior de los tubos para condensador o intercambiador de calor, es el dimetro exterior real en pulgadas dentro de la tolerancia muy estricta. Estos tubos para intercambiador se encuentran disponibles en varios metales, los que incluyen acero, cobre, admiralty, metal Muntz, latn, 70-30 cobre-nquel, aluminio-bronce, aluminio y aceros inoxidables. Se pueden obtener en diferentes gruesos de pared, definidos por el calibrador Birmingham para alambre, que en la prctica se refiere como calibrador BWG del tubo.

CLASIFICACIN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR:Los intercambiadores de calor pueden clasificarse segn como sea:Intercambiadores de contacto directo: son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla fsica completa.Intercambiadores de contacto indirecto: Alternativos: Ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable. De superficie: Son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a travs de una superficie, cilndrica o plana, sin permitir el contacto directo.Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirectoLos cambiadores de flujo paralelo (intercambio lquido - lquido)Los cambiadores de flujo cruzado (intercambio lquido - gas)Clasificacin de los intercambiadores de calor de superficieLos intercambiadores de flujos paralelos, se utilizan generalmente para el intercambio trmico lquido-lquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio lquido-gas.Intercambiadores de calor tubularesEl cambiador indirecto ms simple es el cambiador de tubos concntricos; consta de dos tuberas concntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubera interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente).

Transmisin de calor por conduccinLa conduccin es la forma en que tiene lugar la transferencia de energa a escala molecular. Cuando las molculas absorben energa trmica vibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la vibracin conforme aumenta el nivel de energa. Esta vibracin se transmite de unas molculas a otras sin que tenga lugar movimiento alguno de traslacin. En la transmisin de calor por conduccin no hay movimiento de materia. La conduccin es el mtodo ms habitual de transmisin de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales slidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendr lugar una transmisin de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que est a temperatura ms baja. El flujo de calor ser proporcional al gradiente de temperatura.Transmisin de calor por conveccinCuando un fluido circula alrededor de un slido, por ejemplo por el interior de una tubera, si existe una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisin de calor se debe al mecanismo de conveccin. El calentamiento y enfriamiento de gases y lquidos son los ejemplos ms habituales de transmisin de calor por conveccin. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (tambin llamada natural). La conveccin forzada implica el uso de algn medio mecnico, como una bomba o un ventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.En la industria qumica la transmisin de calor se efecta por medio de intercambiadores de calor y el ms sencillo est formado por 2 tubos de diferentes dimetros de tal manera que uno est dentro del otro, el espacio entre ambos se le denomina anulo o seccin anular por donde uno de los fluidos circula, el otro fluido circula dentro del tubo interior. Este intercambiador se conoce como intercambiador de tubos concntricos.VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCNTRICOS.Ventajas:Diseo: Es muy fcil realizar sus partes estndar para un posterior montaje.Montaje: Se puede ensamblar en cualquier taller de plomera.Costos: Proporciona superficies de transferencia de calor a bajo costo.Desventajas:Transferencia: La principal desventaja es la pequea superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple.Fugas: Cuando se usa con un equipo de destilacin se requiere gran nmero de horquillas y en cada horquilla existe la posibilidad de fugas debido a las conexiones.Espacio: Para los procesos industriales que requieren grandes superficies de transferencia de calor, se necesitan gran nmero de equipos, los que no se pueden acomodar en pequeos espacios. Se recomienda el uso de tubos concntricos para superficies pequeas (100-200 ft2).Mantenimiento: El tiempo y gastos requeridos para desmontarlos y realizar limpiezas son prohibitivos, comparados con otros tipos de equipos.

TABLA DE DATOS EXPERIMENTALESLECTURA DEL TERMOPAR

Termopar 1Termopar 2Termopar 3Termopar 4Termopar 5

163510110219

173510210219

173510210219

173510210219

183510210320

183510310120

Lectura de RotmetroP vaporT vaporT condT cond-frioZcondtaguatagua-caliente

%Kgf/cm2CCCcmCCmin

900.5103103173.7193615

CLCULOS:

1.- CLCULO DEL GASTO VOLUMETRICO DEL AGUAGva al 100% = 10.59 L/minGva = 10.59 2.- CLCULO DEL GASTO MASA DE AGUAGma = Gva a [=] Kg/h

Gma = 3.- CLCULO DEL GASTO VOLUMTRICO DEL CONDENSADOGva = di = 38.5 cm Gva = 4.- CLCULO DEL GASTO MASA DEL CONDENSADOGmvc = Gvvc * a A 17 C a = 998.66 Gmvc = Gmvc = 17.2069 5.- CALCULO DEL CALOR GANADO O ABSORBIDO POR EL AGUA (Qa)Qa = Gma*Cp*(t2 t1) A 27.5C el valor de Cp = 0.999 Qa = Qa = 9694.6 6.- CALCULO DEL CALOR CEDIDO POR EL VAPOR (Qv) (Si la condensacin es isotrmica)Qv = Gmvc*De tablas de vapor a presin absoluta se obtiene que: = 537.4871 Qv = Qv = 9248.49 7.- CALCULO DE LA EFICIENCIA TRMICA DEL EQUIPO = = 8.- CLCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALORUexp = Uexp = Uexp = 641.5515 9.- CALCULO DE LA MEDIA LOGARTMICA DE LA DIFERENCIA DE LA TEMPERATURATML = TML = 10.- CALCULO DEL AREA DE RRANSFERENCIA DE CALORA = *de*L [m2]A = *A = 0.2010 CALCULO DE LOS COEFICIENTES DE PELICULA INTERIOR EXTERIOR11.- COEFICIENTE DE PELICULA INTERIORPara conveccin forzada dentro de tubosNu = 0.0225n = 0.4 para calentamiento; 0.3 para enfriamientohi= 0.0225tm =

PROPIEDADES A tm =27.5C

a = 996.5 a= 3.0402 K = 0.526 Cp= 0.999

hi = 3327.64 12.- CLCULO DE LA VELOCIDAD DE FLUJO DEL AGUA

v = 13.- COEFICIENTE DE PELICULA EXTERIOR

14.- Calculo de Tf Tf = Tv -0.75Tf Tf = Tv - TsupTsup= Tf = (103C) (65.25C) = 37.75CTf = 103C 0.75*(37.75C) = 74.69CPROPIEDADES A Tf = 74.69C

a = 974.8736

a = 1.3666

K = 0.5734

= 537.4871

g = 127137600

he =0.725he = 7445.92 15.- CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR Dato:K = 44 dm =

U terico = 1633.0916.- CALCULO DE LA DESVIACIN PORCENTUAL %D DE LOS COEFICIENTES U terico y U exp * 100%D =

TABLA DE RESULTADOSPGmaGmvQaQv% TMLUexphiheUteo%D

Kg/cm2Kg/hKg/hKcal/hKcal/h CKcal/hm2C

0.517.20699694.69248.49 104.875.18641.55153327.647445.921633.0960 %

BERNAL RODRGUEZ YSSICA ARELI

OBSERVACIONES* Los intercambiadores de calor de tubo concntrico tienen la ventaja de trabajar a presiones y temperaturas elevadas, sin embargo, en la prctica trabajamos con 0.5 kg/2 para poder controlar de mejor manera el equipo as como por las condiciones del mismo.* El equipo debe operarse hasta obtener el rgimen permanente para que en este punto se registren las temperaturas de operacin, pero por las prdidas de calor en el sistema, no se lleg por completo a ste rgimen por lo que se tomaron las temperaturas que duraron ms tiempo constantes.* Debido a que el sistema no est completamente aislado, se tienen prdidas de calor hacia el ambiente, por lo que en ocasiones la temperatura marcada en el tablero no era la misma que si ponamos un termmetro a la salida, para considerar las prdidas de calor en el sistema, se tomaron las temperaturas marcadas por el termmetro.* Para poder realizar la medicin en la altura del condensado, fue necesario vaciar un poco de agua en el tanque por que el medidor de nivel no alcanzaba a detectar la cantidad de condensado en el mismo. Se comenz a tomar el tiempo de llenado cuando pudo realizarse una marca en el medidor para que de esta forma se determinaran las diferencias de altura.CONCLUSIONESCon la realizacin de la prctica nos fue posible conocer el funcionamiento de un intercambiador de calor de tubos concntricos de arreglo paralelo y de acuerdo con los datos obtenidos en la experimentacin y con los clculos realizados pudimos evaluar el coeficiente global de transferencia de calor concluyendo que el valor del coeficiente terico es mayor que el experimental debido a que en el primero se considera un equipo limpio y sin incrustaciones, sin embargo, por el uso constante del equipo y las condiciones del agua que circula por el mismo para la transferencia de calor, por dentro y fuera del tubo interior se tienen incrustaciones que presentan resistencia haciendo el coeficiente de transferencia. Por otro lado, la eficiencia del equipo se determina en funcin del calor absorbido por el agua y el calor cedido por el vapor, dndonos dentro de los resultados un valor mayor al 100%, por lo que podemos concluir que el calor cedido por el vapor es ms pequeo en comparacin con el absorbido por el agua debido a que la diferencia de alturas en el condensado es muy pequea, provocando as un gasto volumtrico de vapor pequeo y como consecuencia el valor absorbido. Esto puede deberse a errores en la medicin, fuga en el tanque de condensado o por fugas en la tubera por donde circula el vapor de agua. Con los datos obtenidos, tambin nos fue posible calcular los coeficientes de pelcula a partir de las temperaturas de entrada y salida tanto del vapor como del agua, analizando de esta manera y concluyendo que al ser menor el h del agua o h interior, ste coeficiente sera el que controlara la transferencia de calor en el sistema pero al tener incrustaciones, stas son las que controlan la transferencia de calor.

MEDINA ESPINOZA IANELOBSERVACIONES:

Durante la experimentacin al controlar el % del rotmetro hubo error ya que por distraccin en momentos se movi el rotmetro de la medida que se requera eso influyo en los clculos y se reflej en la eficiencia, tambin en la temperatura de condensado frio ya que el termopar mostraba una temperatura diferente.

CONCLUSIONES:

En los intercambiadores de calor, existen diferentes tipos tipo uno de los ms sencillos fue con el que se oper en esta prctica, su uso y manejo es muy sencillo pero hubo un aspecto que influyo para que la eficiencia fuera mayor , adems de que con este equipo podemos trabajar a gran presin y a altas temperaturas, pero la desventaja es que no es grande el rea de transferencia de calor por lo que si necesitamos una rea ms grande, es necesario aadir ms tubos concntricos lo que el equipo se hace bastante grande hacindolo difcil de transportar. En la prctica se tuvo un error en la eficiencia del equipo ya que esta fue mayor del 100% y esto no es posible sabemos que nuestro erro fue al medir el condensado ya que no lo realizamos con la probeta. Este error se detect gracias a los datos y resultados de los clculos que se hicieron ya que los dems resultados

OCAA VERGARA ARACELI JOANAOBSERVACIONES:Antes de comenzar a trabajar con el equipo, se verific que todas las vlvulas estuvieras cerradas, posteriormente se purgo la lnea de vapor.Se ajust la vlvula reductora de presin para que trabajramos a 0.5 Kg/cm2, durante la experimentacin se tena que estar muy atento del valor que indicada el manmetro, ya que sola variar y subir a 0.6 o 0.7 Kg/cm2. Se ajust varias veces la presin.El nivel del agua del tanque principal, debe permanecer constante, el llenado y la succin deben hacerse ms o menos con la misma velocidad, para mantener este nivel constante Durante la experimentacin se esper un tiempo, a que el equipo estuviera en rgimen permanente, es decir que las condiciones de trabajo ya no cambiaran, para poder hacer las lecturas de la prctica. No tard mucho en estabilizarse el equipo, se observ que inicialmente cada termopar variaba por un grado.El indicador de nivel de tanque del condensado frio, ya est muy deteriorado, y muy sucio, nos fue difcil observar el nivel del agua, dado que no se observaba con facilidad el nivel y tuvimos que ser muy precisos cuando marcamos la altura que haba variado.CONCLUSIONES:Un intercambiador de calor de tubos concntricos consiste en dos tubos de dimetro diferente, uno en el interior del tubo ms grande, por el tubo interno circula agua, que es el fluido frio, mientras que por el tubo de mayor dimetro, o espacio anular circular vapor, que es el fluido caliente (mayor temperatura). La transferencia de calor ser del vapor al agua. El agua y el vapor circulan en la misma direccin, por lo cual se dice que es un arreglo en paralelo. El equipo tiene 1 horquilla, esta ltima es como si fueran dos tubos unidos por una U. La longitud del tubo de transferencia de calor es de 1.5 m, pero por tener una horquilla, tiene dos tubos, por lo tanto, se tienen una longitud total de transferencia de calor de 3 metros.El agua que entro a una temperatura de 19C y sali a 36C fue el fluido que gano calor, lo que resulta extrao es que el calor ganado por el agua es mayor que el calor cedido por el vapor obteniendo asi Qa = 9694.6114 Kcal/h > Qv = 9248.4868 Kcal/h, esto pudo deberse a que cuando medimos la altura del condensado pudimos haberse hecho una lectura no precisa, ya que el indicador del nivel estaba muy sucio, esto afect directamente en el clculo del gasto volumtrico del condensado, y por ende altero el gasto masa del vapor y por lo tanto el calor del vapor y como consecuencia la eficiencia trmica del equipo sali mayor a 100. El coeficiente global de transferencia de calor experimental resulto menor que el terico, como se esperaba Uexp = 641.2651 Kcal/h m2C