Instituto TecnológicoInstituto Tecnológicode Ciudad Maderode Ciudad Madero

Departamento de IngenieríaDepartamento de IngenieríaQuímica y BioquímicaQuímica y Bioquímica

Laboratorio Integral IIILaboratorio Integral III

Ing. Delia Berenice Castro PérezIng. Delia Berenice Castro Pérez

Práctica 1Práctica 1

Intercambiadores de CalorIntercambiadores de Calor

Realizada: 31 de agostoRealizada: 31 de agostoReportada: 7 de septiembreReportada: 7 de septiembre

Periodo Agosto – Diciembre 2010Periodo Agosto – Diciembre 2010

PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

Avalos García Jorge Alberto 07070553 _______________

Castellanos Casiano Alejandro 07070564 _______________

García Flores Juan Rafael 07070566 _______________

Hoyos Camacho Víctor Manuel 07070631 _______________

Montes Galarza Leila Yamileth 07070698 _______________

Moreno Tenorio Ángela Victoria 07070588 _______________

Rossell Topete Daniel Liceo 07070557 _______________

Gonzalo Salinas Morales 06071092 _______________

Claudia María de León Almazán 07070547 _______________

Andrés Antonio Varela González 07070548 _______________

Gabriela Raygoza Díaz 07070561 _______________

Stefany Adhara Ríos Martínez 07070567 _______________

Nancy Vázquez Maya 07070573 _______________

José Rafael Alanís Gómez 07070581 _______________

Jaime Eduardo Sosa Sevilla 07070630 _______________

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

María Fernanda Quintos Aguilar 06071620 _______________

Índice

Objetivo....................................................................................................................4

Teoría y Desarrollo Matemático...............................................................................4

Material y Equipo.....................................................................................................7

Procedimiento..........................................................................................................8

Datos Experimentales..............................................................................................8

Resultados...............................................................................................................9

Discusión de Resultados.........................................................................................9

Comentarios............................................................................................................9

Bibliografía.............................................................................................................10

Apéndice................................................................................................................10

Distribución de actividades....................................................................................11

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

Objetivo

Determinación experimental del coeficiente global medio de transmisión de

calor (U) en un cambiador de calor de tubos concéntricos.

Teoría y Desarrollo Matemático

Intercambiadores de doble tubo

Anteriormente se han mostrado aparatos de tubos concéntricos para las

derivaciones relacionadas con la transferencia de calor. La imagen industrial de

este aparato es el intercambiador de doble tubo, que se muestra en la Fig. 1.

Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos T

conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior se soporta

en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una

conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las tres tienen

boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del

anulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno. La tubería

interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y

que no proporciona superficie de transferencia de calor. Cuando se arregla en dos

pasos, como en la Fig. 1, la unidad se llama horquilla.

El intercambiador de doble tubo es extremadamente útil, ya que se puede

ensamblar en cualquier taller de plomería a partir de partes estándar,

proporcionando superficies de transferencia de calor a bajo costo.

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

Figura 1. Esquema de un Intercambiador de calor de doble tubo.

Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en

longitudes efectivas de 12, 15 o 20 pies, la longitud efectiva es la distancia en

cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor y excluye la prolongación del

tubo interior después de la sección de intercambio.

Cuando las horquillas se emplean en longitudes mayores de 20 pies

correspondientes a 40 pies lineales efectivas o más de doble tubo, el tubo interior

se vence tocando el tubo exterior, por lo que hay una mala distribución del fluido

en el ánulo.

La principal desventaja en el uso de los intercambiadores de doble tubo es

la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple.

Cuando se usa con equipo de destilación en un proceso industrial, se requiere

gran número de ellos. Esto requiere considerable espacio, y cada intercambiador

de doble tubo introduce no menos de 14 puntos en donde pueden ocurrir fugas.

El tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles limpieza

periódica son prohibitivos comparados con otros tipos de equipo. Sin embargo, los

intercambiadores de doble tubo encuentran su mayor uso en donde la superficie

total de transferencia requerida es pequeña, 100 a 200 ft2 ó menos.

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

Para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor en estos

dispositivos se utiliza una combinación de las ecuaciones:

Q=wCP (T b2−Tb1 ) y Q=Ah(T 0−T b1 )−(T 0−T b2 )

ln(T0−Tb1T0−Tb2 )Posteriormente se despeja el coeficiente h para tener:

h=wC p (T b2−Tb1 )

A [ (T01−T b1 )−(T 02−T b2 ) ]ln(T01−T b1T02−T b2 )

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

Material y Equipo

El equipo de intercambio de calor empleado en esta práctica es un

cambiador de placas que consta de los siguientes elementos:

Depósito de agua (en el interior del

equipo)

Sondas de temperatura

Válvula de llenado/vaciado

Resistencias de calentamiento

Entrada de agua fría

Salidas de agua fría

Intercambiador

Bombas de alimentación

Válvulas de regulación de caudal

Medidores de caudal

Válvulas de selección de flujos paralelos

o flujos en contracorriente

Interruptor general

Controlador de temperatura del depósito de agua caliente

Medidores de temperatura en diversos puntos

Cuadro de mando y protecciones eléctricas

Visor de nivel del depósito de agua caliente

Llenado del depósito de agua caliente

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Fig. 2. Intercambiador de calor de doble tubo simple utilizado para la práctica

PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

Procedimiento

1. Se inicia la computadora que regula la operación.

2. Se abren válvulas y encienden bombas. (En la Fig. 3 puede observarse la

sección de encendido de la bomba del equipo).

3. Regulación de flujos para las corrientes de agua.

4. Toma de lecturas de temperaturas en diversos puntos de la tubería. (En la

Fig. 4 se observa el panel de control y toma de lecturas del aparato).

5. Cerrado de válvulas y bombas y posterior apagado general del equipo.

Fig. 3. Panel de encendido de Fig. 4. Panel de toma de lectura de

la bomba temperaturas y regulación de flujo

Datos Experimentales

Agua Caliente Agua Fría

Flujo (lts/min) 4 2

Temperatura de entrada (°C) 50.2 22.3

Temperatura de salida (°C) 43.5 24.6

Temperatura media (°C) 46.0 24.8

Áreade transferencia=0.0068m2

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

Resultados

Coeficiente de transferencia de calor para la corriente de agua fría (hc)

Coeficiente de transferencia de calor para la corriente de agua caliente (hh)

hc=2.0297KJ

m2 s Khh=11.825

KJ

m2 s K

Discusión de Resultados

La magnitud numérica del coeficiente de transferencia de calor es mayor

para la corriente caliente debido a que, tanto el flujo volumétrico, como el

gradiente de temperatura, son mayores para la corriente fría que para la

caliente.

Comentarios

En esta práctica pudimos apreciar las diferencias de temperaturas de dos

flujos de agua, debidas a una transferencia de calor para un equipo de doble tubo

con un flujo a contracorriente.

Como sabemos los intercambiadores de calor son los dispositivos que

permiten la transferencia de calor entre dos corrientes sin que estas se mezclen

entre sí. Es por eso que uno de los factores principales de utilizar un

intercambiador de calor seria para;

• Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.

• Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

De una manera muy rápida y sencilla, obtuvimos las temperaturas con solo

regular los flujos de entrada del agua fría y caliente, para poder realizar los

cálculos y ver de qué manera afecta el flujo en la transferencia.

La práctica requiere tener mucha precisión con la medición de temperaturas

y corroborar que las temperaturas que se proyectan en la computadora y las del

equipo sean iguales o muy parecidas, ya que una mala lectura alteraría el

resultado, y el cálculo del coeficiente de transferencia sería equivocado. No

obstante debe considerarse que la lectura de datos en el equipo está sujeta a

errores de calibración.

Bibliografía

Manual del Ingeniero Químico. PERRY Robert H., GREEN Don W. Mc.

Graw Hill. Séptima Edición.

Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Mc Cabe, Smith, Harriot.

Séptima Edición. Mc Graw Hill

Apéndice

Se tiene que para una corriente:

Q=wCP (T b2−Tb1 ) y Q=Ah(T 0−T b1 )−(T 0−T b2 )

ln(T0−Tb1T0−Tb2 )Igualando ambas expresiones:

wC p (T b2−Tb1 )=Ah(T0−Tb1 )−(T 0−T b2)

ln (T 0−T b1T 0−T b2 )Despejando h:

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

h=wC p (T b2−Tb1 )

A [ (T01−T b1 )−(T 02−T b2 ) ]ln(T01−T b1T02−T b2 )

Considerando (de acuerdo al promedio de las temperaturas utilizadas):

CP=4.181KJKg K

ρ=995 Kgm3A=0.0068m2

Calculando los flujos másicos de la corriente de agua fría (c) y caliente (h):

w c=2¿min ( 1min60 s )¿

wh=4¿min ( 1min60 s )¿

Determinando h con respecto a la corriente fría:

hc=(0.033167 kgs )(4.181 KJ

Kg K ) (24.6−22.3 ) °C

(0.0068m2 ) [ (50.2−22.3 )−(43.5−24.6 ) ]° Cln ( 50.2−22.343.5−24.6 )=2.0297 KJ

m2 s K

hc=2.0297KJ

m2 s K

Determinando h con respecto a la corriente caliente:

hh=(0.066333 kgs )(4.181 KJ

Kg K ) (43.5−50.2 ) °C

(0.0068m2 ) [(22.3−50.2 )−(24.6−43.5 ) ]° Cln ( 22.3−50.224.6−43.5 )= KJ

m2 s K

hh=11.825KJ

m2 s K

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

Distribución de actividades

Sección del reporte Responsable

Presentación e Índice Nancy Vázquez

Objetivo Jaime Sosa

Teoría y Desarrollo Matemático Andrés Varela

Material y Equipo Gabriela Raygosa

Procedimiento Gabriela Raygosa

Datos Experimentales Gonzalo Salinas

Resultados Claudia De León

Discusión de Resultados Stefany Ríos

Comentarios Stefany Ríos

Bibliografía Rafael Alanís

Apéndice Claudia De León

Fotografías Claudia De León

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PRÁCTICA 1. Intercambiador de Calor de Doble Tubo

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