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DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CONCHA Y TUBOS A

ESCALA LABORATORIO

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INDICE

OBJETIVOS ............................................................................................................ 3

DIAGRAMA DE MARCO TEÓRICO ........................................................................ 4

LEYES Y PRINCIPIOS ............................................................................................ 5

DIAGRAMA DEL EQUIPO ...................................................................................... 9

RECURSOS FÍSICOS ........................................................................................... 10

DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ......................................... 12

DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO .............................................. 13

DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO DE CALCULO DE ERRORES ...................... 15

RESULTADOS ...................................................................................................... 16

CONCLUSIONES .................................................................................................. 17

BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 18

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OBJETIVOS

General:

Diseñar un intercambiador de calor de coraza y tubos, tomando como base los

principios de transferencia de calor entre fluidos, analizando los factores que afectan

el fenómeno, así como las variables que intervienen en los cálculos de transferencia

de calor identificando el arreglo que mejor se acople a la escala piloto instalada en

el laboratorio de operaciones unitarias, analizando el rendimiento

Específicos:

1. Realizar un balance de energía para un sistema agua-agua en el que se

enfría uno y se calienta otro.

2. Analizar los factores que afectan la transferencia de calor entre cuerpos.

3. Determinar las variables que permiten ilustrar el fenómeno de transferencia

de calor.

4. Calcular los coeficientes global e individuales de transferencia de calor a

partir de correlaciones apropiadas

5. Proponer un arreglo de tubos y coraza que se acople al intercambiador de

coraza y tubos del laboratorio de operaciones unitarias.

6. Determinar el área de transferencia de calor y su rendimiento del

intercambiador de calor analizando los errores que afectan a este.

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DIAGRAMA DE MARCO TEÓRICO

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LEYES Y PRINCIPIOS

Correlaciones de diferentes formas de transferencia de calor

Transferencia de calor por radiación

𝑞

𝐴= 𝜎𝑇4 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1]

Transferencia de calor por conducción

𝑞

𝐴= −𝐾

𝑑𝑇

𝑑𝑥 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2]

Transferencia de calor por convección

𝑞

𝐴= −ℎ∆𝑇 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3]

Balance de energía global

𝑄 = 𝑞 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 4]

Calor cedido por el fluido caliente

𝑄 = 𝑊 ∗ 𝐶𝑝(𝑇1 − 𝑇2) 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 5]

Calor absorbido por el fluido frío

𝑞 = 𝑤 ∗ 𝑐𝑝(𝑇2 − 𝑇1)[𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 6]

Cálculo de coeficientes individual teórico

Para el lado de la coraza fluye agua fría entonces:

𝑁𝑢 =ℎ𝑜 ∗ 𝐷𝑒

𝑘= 0.36 (

𝐷𝑒 ∗ 𝐺𝑠

𝜇)0.55

∗ 𝑃𝑟0.33 (𝜇

𝜇𝑤)0.14

[𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 7]

𝑃𝑎𝑟𝑎 200 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 106

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𝑁𝑅𝐸 =𝐷 ∗ 𝜌 ∗ 𝜈

𝜇 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 8]

𝐺𝑠 =𝑊

𝑎𝑠 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 9]

𝑎𝑠 =𝐷𝑠 ∗ 𝐵 ∗ 𝐶

𝑃𝑡 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 10]

𝐷𝑒 =

{

𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑡𝑟𝑖𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟

4 [𝑃𝑡20.86 ∗ 𝑃𝑡 −

𝜋 ∗ 𝐷𝑜2

8]

𝜋2∗ 𝐷𝑜

𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜 4 [𝑃𝑡2 − 𝜋

𝐷𝑜2

4]

𝜋𝐷𝑜}

[𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 11]

Para calcular el coeficiente de película para el vapor que condensa en la parte

interior de los tubos se utiliza la siguiente correlación.

ℎ𝑖 (𝜇2

𝑘3𝜌2𝑔)

13

= 1.47 (4𝐺′

𝜇)

−13

[𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 12]

𝐺′ =𝜔𝑐

𝐷 ∗ 𝑁𝑡 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 13]

Donde:

Gs= velocidad de masa

Ds= diámetro interno de la coraza

B= Espacio entre deflectores.

C= claro entre los tubos

Pt= distancia entre centro de los tubos

W= flujo másico del agua fría.

wc= flujo másico del vapor condensado.

as=área de flujo.

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De= diámetro equivalente.

µ= Viscosidad del fluido.

µω= viscosidad del fluido junto a la pared del tubo

Pr= número de Prandtl

Nu= número de Nusselt

ho= coeficiente de película externo

hj= coeficiente de película interno

k= coeficiente de conductividad térmica del fluido

Nt= Número de tubos.

Cálculo de la diferencia de temperatura logarítmica media

𝐿𝑀𝑇𝐷 =

{

𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒

(𝑇1 − 𝑡2) − (𝑇2 − 𝑡1)

𝐿𝑛(𝑇1 − 𝑡2)(𝑇2 − 𝑡1)

𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 (𝑇1 − 𝑡1) − (𝑇2 − 𝑡2)

𝐿𝑛(𝑇1 − 𝑡1)(𝑇2 − 𝑡2) }

[𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 14]

Considerando que todas las propiedades se calculan a la temperatura promedio

de entrada y salida del fluido.

Cálculo del coeficiente global experimental utilizando la siguiente correlación:

𝑄 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ 𝐿𝑀𝑇𝐷 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 15]

Coeficientes para lectura del factor de corrección

𝑅 =𝑇1 − 𝑇2

𝑡2 − 𝑡1 𝑆 =

𝑡2 − 𝑡1

𝑇1 − 𝑡1 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 16]

Se requiere de un diagrama para obtener el factor de corrección de temperatura

Factor de corrección para LMTD

𝑄 = 𝑈𝐴𝐹𝑡(𝐿𝑀𝑇𝐷)[𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 17]

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Cálculo del área de transferencia de calor

𝐴 = 𝑁𝑡 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷𝑜 ∗ 𝐿 [𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 18]

Cálculo de la caída de presión en el lado de la coraza

∆𝑃𝑠 =𝑓𝐺𝑠

2(𝑁 + 1)

5.22𝑋1010𝐷𝑒𝑠𝜙𝑠𝑙𝑏/𝑝𝑖𝑒2

Cálculo de la caída de presión en los tubos

Δ𝑃𝑡 =𝑓𝐺𝑡

2𝐿𝑛

5.22𝑋1010𝐷𝑒𝑠𝜙𝑡 𝑙𝑏/𝑝𝑖𝑒2

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DIAGRAMA DEL EQUIPO

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RECURSOS FÍSICOS

Equipo y materiales:

1. Termómetros

2. Medidor de orificio

3. Trampa de vapor.

4. Válvulas de globo

5. Tubería de cobre tipo K diámetro nominal ½” para los tubos.

6. Tubería de cobre tipo K diámetro nominal 3” para la coraza.

7. Placas de acero para colocarlas como bafles.

Fluidos:

Agua

Para obtener las propiedades del agua es necesario saber la temperatura de

entrada y salida en el intercambiador para realizar los cálculos necesarios

Tabla 1

Fuente: Manual del ingeniero químico octava edición

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Uso de la unidad:

Para realizar el proceso experimental es necesario saber utilizar los materiales y el

equipo necesario para llevar a cabo una buena práctica, para ellos el

intercambiador diseñado funciona con un paso en la coraza y dos en los tubos con

un arreglo cuadrado formada por 4 tubos dentro de la coraza.

El diámetro de la coraza es de 2.36” con una longitud de 11.8”, primero se abre la

llave de globo para hacer fluir el agua fría y luego el agua caliente, se colocan los

termómetro a la entrada y salida tanto en la coraza como en los tubos para tomar

la temperatura de los fluidos.

Se toma la lectura del medidor de orificio para saber el caudal que fluye por los

tubos, pudiendo obtener los datos de las variables necesarias para realizar los

cálculos referentes al fenómeno.

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DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

13

DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

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15

DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO DE CALCULO DE ERRORES

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RESULTADOS

Los resultados dependen directamente de los datos tomados experimentalmente

por lo que se indican en función de variables para las correlaciones adecuadas.

Tabla 2 Ecuaciones que relacionan las variables del fenómeno

Coeficiente de película externo 𝑁𝑢 =

ℎ𝑜 ∗ 𝐷𝑒

𝑘= 0.36 (

𝐷𝑒 ∗ 𝐺𝑠

𝜇)0.55

∗ 𝑃𝑟0.33 (𝜇

𝜇𝑤)0.14

Área de flujo 𝑎𝑠 =

𝐷𝑠 ∗ 𝐵 ∗ 𝐶

𝑃𝑡

Velocidad de masa 𝐺𝑠 =

𝑊

𝑎𝑠

Diámetro equivalente 1.11”

Coeficiente de película interno ℎ𝑖 (

𝜇2

𝑘3𝜌2𝑔)

13

= 1.47 (4𝐺′

𝜇)

−13

LMTD 𝐿𝑀𝑇𝐷 =

(𝑇1 − 𝑡2) − (𝑇2 − 𝑡1)

𝐿𝑛(𝑇1 − 𝑡2)(𝑇2 − 𝑡1)

Área de transferencia de calor 0.53𝑝𝑖𝑒2 Coeficiente global 𝑄 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ 𝐿𝑀𝑇𝐷

Factor de corrección 𝑅 =𝑇1 − 𝑇2

𝑡2 − 𝑡1 𝑆 =

𝑡2 − 𝑡1

𝑇1 − 𝑡1

Coeficiente global con factor de corrección

𝑄 = 𝑈𝐴𝐹𝑡(𝐿𝑀𝑇𝐷)

Caída de presión en la coraza ∆𝑃𝑠 =

𝑓𝐺𝑠2(𝑁 + 1)

5.22𝑋1010𝐷𝑒𝑠𝜙𝑠

Caída de presión en los tubos Δ𝑃𝑡 =

𝑓𝐺𝑡2𝐿𝑛

5.22𝑋1010𝐷𝑒𝑠𝜙𝑡

Fuente: diagrama de procedimiento de cálculo

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CONCLUSIONES

1. Se logró realizar el balance de energía de acuerdo a las pérdidas y

ganancias de calor del sistema.

2. Los factores que afectan la transferencia de calor son las características

específicas del material utilizado en el intercambiador de calor.

3. Se lograron determinar las variables que describen el fenómeno

relacionándolas en correlaciones apropiadas.

4. Los coeficientes individuales y globales de transferencia se calculan

teniendo los datos experimentales de la práctica.

5. El arreglo del intercambiador de calor es triangular de un paso en la coraza

y dos en los tubos.

6. El área de transferencia de calor es igual a 0.53 pies2.

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BIBLIOGRAFÍA

1. PERRY, Robert. “MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO”. Traducido por Luis Alemany, Séptima edición. Tomo I Editorial MCGraw-Hill 2001 páginas 2.98 – 2.99, Tabla 2.38 – 2.30.

2. KERN, Donald. “PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR”. Traducido por Ing. Nicolás Marino Ambrossi trigésima primera reimpresión. México 1999, Editorial McGraw-Hill