Intercambiador Doble Tubo Informe

INTERCAMBIADOR DOBLE TUBOKerlys Olmos1, Irina Romo1, Howard Rueda1, Santiago Sarmiento1Dirigido a: Crisstomo Peralta Hernndez21. Estudiante de Ingeniera Qumica. Universidad del Atlntico.1. Docente de Transferencia de Calor. Universidad del Atlntico.

RESUMENEn el siguiente informe se mostrar el funcionamiento de un intercambiador de calor, en este caso uno de doble tubo de 6 pasos, el cual consiste en una serie de corridos para el intercambiador de doble tubo con arreglos a contracorriente y en paralelo, cuya finalidad fue la realizacin de un balance de energa o calor aprendido en clases y otros conceptos como coeficientes de transferencia de calor en diferentes puntos del aparato.

OBJETIVOS1. Estudiar el funcionamiento de un intercambiador de calor de doble tubo. Demostrar la veracidad de las leyes de transferencia de calor1. Realizar balances de energa en cada corrida para cada arreglo.

INTRODUCCINHablar de transferencia de calor nos relaciona una serie de aparatos especializados usados en su mayora en industrias, tales como: Calentadores, como su nombre lo indica calientan fluidos de proceso utilizando vapor; Enfriadores, para descender la temperatura de fluidos de procesos, el fluido ms comn para este fin es el agua; Condensadores, su propsito es eliminar el calor latente en vez del calor sensible; Hervidores, realizan el trabajo inverso al condensador y as otras llegando a nuestro inters en los intercambiadores de calor los cuales recuperan calor entre dos corrientes de un proceso.Los intercambiadores de calor de doble tubo son los equipos de transferencia de calor ms sencillos que existen, y estn formados por dos tubos concntricos. Al tubo externo se le llama anulo.

Como el tubo consta de 2 dimetros (interno y externo), uno de los fluidos fluye por el tubo de menor dimetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.En este tipo de intercambiador de calor, se presentan 2 tipos de flujo, de acuerdo a la direccin en que fluyen: contracorriente o contra flujo y flujo paralelo. Contracorriente o contra flujo: Es el tipo de flujo cuya configuracin consiste en que los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos. La temperatura de salida del fluido fro puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente. Flujo en paralelo: Es el tipo de flujo cuya configuracin consiste en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.

Este tipo de intercambiadores de calor poseen varias ventajas, desde el bajo costo, el fcil montaje e instalacin hasta la manipulacin.Intercambiador de doble tubo

Intercambiador de doble tuboPROCEDIMIENTOCon ayuda de la gua de laboratorio suministrada por el profesor y su previa asesora del manejo del equipo, se procedi con la realizacin de la experiencia, as:

RESULTADOS Y CLCULOS

Horquilla 1 (tramo 1-2)

TuboMaterialTipoD nominal(plg)DI (plg)DE (plg)DI(ft)DE (ft)Sup Lin. (ft^2/ft)

InternoCobreL0,50,5270,6250,043916670,052083330,917

ExternoCobreL10,9951,1250,082916670,093751,178

Tabla A



InternoAcero400,50,6220,840,051833330,070,22

ExternoCobreL10,9951,1250,082916670,093751,178

Tabla B



InternoCobreL0,50,6220,6250,051833330,052083331,178

Externo 1CobreL0,750,8241,050,068666670,08750,275

Externo 2CobreL10,9951,1250,082916670,093751,178

Tabla C

Horquilla 4 ( tramo 1-5)


InternoCobreL0,50,6220,6250,051833330,052083331,178

Externo CentralCobreL10,9951,1250,082916670,093751,178

Externos LateralesCobreL0,750,8241,050,8240,08750,275

Tabla D

Especificaciones de cada tramo:

L(ft)Rd

60,002

Tabla E

Para los tubos en contracorriente:Horquilla 1Horquilla 2Horquilla 3Horquilla 4

Tubo cobre 1/2 plgTubo acero 1/2 plgTubo cobre 3/4 plgTubo cobre 3/4 plg

Tubo cobre 1 plgTubo acero 1 plgTubo cobre 1/2 plgTubo cobre 3/4 plg

Temp Vapor (C)Temp Vapor (C)Temp Vapor (C)Temp Vapor (C)

Entrada99Entrada99Entrada95Entrada97

Intermedia66Intermedia63Intermedia93Intermedia95

Salida30Salida30Salida30Salida34

Temp Agua (C)Temp Agua (C)Temp Agua (C)Temp Agua (C)



TABLA 1Horquilla 1Horquilla 2Horquilla 3Horquilla 4

Flujo agua (ft^3/min)Flujo agua (ft^3/min)Flujo agua (ft^3/min)Flujo agua (ft^3/min)

0,580,590,590,57

Flujo CondensadoFlujo CondensadoFlujo CondensadoFlujo Condensado

Volumen (l)0,1Volumen (l)0,149Volumen (l)0,08Volumen (l)0,09

Tiempo(s)23,63Tiempo(s)37,18Tiempo(s)18,75Tiempo(s)24,11

Flujo (l/s)0,00423191Flujo (l/s)0,00400753Flujo (l/s)0,00426667Flujo (l/s)0,00373289

Tabla 1.1Para los tubos en paralelo:

Horquilla 1Horquilla 2Horquilla 3Horquilla 4



Temp Vapor (C)Temp Vapor (C)Temp Vapor (C)Temp Vapor (C)


Intermedia64Intermedia64Intermedia76Intermedia94


Temp Agua (C)Temp Agua (C)Temp Agua (C)Temp Agua (C)



TABLA 2


Flujo agua (ft^3/min)Flujo agua (ft^3/min)Flujo agua (ft^3/min)Flujo agua (ft^3/min)

0,60,590,560,58

Flujo CondensadoFlujo CondensadoFlujo CondensadoFlujo Condensado

Volumen (l)0,08Volumen (l)0,159Volumen (l)0,098Volumen (l)0,169

Tiempo(s)20,54Tiempo(s)46,03Tiempo(s)30,1Tiempo(s)38,29


Tabla 2.1

Ya que los datos anteriores se encuentran en dos sistemas de unidades distintos se deben realizar los respectivos clculos para tener todas las medidas en el mismo sistema, en este caso se utilizara el sistema ingles por lo tanto las temperaturas se pasaran a grados Fahrenheit, y los flujo a ft3/s. Luego se multiplica por la densidad del agua (62.5 lbm/ft3) para obtener as el flujo msico en lbm/h.En contracorriente




Temp Vapor (F)Temp Vapor (F)Temp Vapor (F)Temp Vapor (F)

Entrada210,2Entrada210,2Entrada203Entrada206,6

Intermedia150,8Intermedia145,4Intermedia199,4Intermedia203

Salida86Salida86Salida86Salida93,2

Temp Agua (F)Temp Agua (F)Temp Agua (F)Temp Agua (F)

Entrada80,6Entrada82,4Entrada80,6Entrada82,4

Salida95Salida95Salida93,2Salida96,8

Flujo de aguaFlujo de aguaFlujo de aguaFlujo de agua

Flujo (ft^3/s)0,00966667Flujo (ft^3/s)0,00983333Flujo (ft^3/s)0,00983333Flujo (ft^3/s)0,0095

Flujo (lbm/h)2175Flujo (lbm/h)2212,5Flujo (lbm/h)2212,5Flujo (lbm/h)2137,5

Flujo de condensado Flujo de condensado Flujo de condensado Flujo de condensado



Flujo (lbm/h)33,6221551Flujo (lbm/h)31,8394936Flujo (lbm/h)33,8983051Flujo (lbm/h)29,657502

Tabla 1,2En paralelo




Temp Vapor (F)Temp Vapor (F)Temp Vapor (F)Temp Vapor (F)


Intermedia147,2Intermedia147,2Intermedia168,8Intermedia201,2

Salida93,2Salida91,4Salida95Salida98,6

Temp Agua (F)Temp Agua (F)Temp Agua (F)Temp Agua (F)


Salida86Salida84,2Salida84,2Salida95

Flujo de aguaFlujo de aguaFlujo de aguaFlujo de agua


Flujo (lbm/h)2250Flujo (lbm/h)2212,5Flujo (lbm/h)2100Flujo (lbm/h)2175

Flujo de condensado Flujo de condensado Flujo de condensado Flujo de condensado



Flujo (lbm/h)30,9441685Flujo (lbm/h)27,4438741Flujo (lbm/h)25,8671659Flujo (lbm/h)35,0663536

Tabla 2,2

Como tenemos un intercambiador de doble tubo, donde un fluido caliente y uno fro estn en contacto, el calor cedido por el de mayor temperatura debe ser igual al calor que gana el fluido fro, por tanto:

(1)

(2)Siendo W y w, los flujos msicos del fluido caliente y fro, respectivamente, en lb/h.

Como el flujo caliente pasa de estado vapor a lquido, es necesario tener en cuenta al calor latente de vaporizacin () evaluado a la temperatura promedio sumado al producto del calor especifico y la diferencia de temperaturas, entre la temperatura de entrada y la de salida del fluido. Por tanto la ecuacin 2 quedara expresada:

(2.1)Para el valor de la entalpa y el calor especifico del vapor a esa temperatura promedio, se encuentran ya tabulados, el calor especifico es tomado como constante y tiene un valor de 1 Btu /lbf. A continuacin se mostrara si se cumple la igualdad 2.1.

Balance de Calor arreglo en Contracorriente


Fluido Caliente ( vapor)Fluido Caliente ( vapor)Fluido Caliente ( vapor)Fluido Caliente ( vapor)

T prom (F)148,1T prom (F)148,1T prom (F)144,5T prom (F)149,9

H vap (BTU/lbm)1005,043H vap (BTU/lbm)1005,043H vap (BTU/lbm)1005,043H vap (BTU/lbm)1005,043

Cp (Btu/lbm F)0,44Cp (Btu/lbm F)0,44Cp (Btu/lbm F)0,44Cp (Btu/lbm F)0,44

T (F)124,2T (F)124,2T (F)117T (F)113,4

W( lb/h)33,6221551W( lb/h)31,8394936W( lb/h)33,8983051W( lb/h)29,657502

Q(btu/h)35629,0952Q(btu/h)33740,0248Q(btu/h)35814,339Q(btu/h)31286,8555

Fluido frio (Agua)Fluido frio (Agua)Fluido frio (Agua)Fluido frio (Agua)


Cp (Btu/lbm F)1Cp (Btu/lbm F)1Cp (Btu/lbm F)1Cp (Btu/lbm F)1

T (F)14,4T (F)12,6T (F)12,6T (F)14,4

W( lb/h)2175W( lb/h)2212,5W( lb/h)2212,5W( lb/h)2137,5

Q(btu/h)31320Q(btu/h)27877,5Q(btu/h)27877,5Q(btu/h)30780

Tabla 1,3Balance de Calor arreglo en paralelo.


Fluido Caliente ( vapor)Fluido Caliente ( vapor)Fluido Caliente ( vapor)Fluido Caliente ( vapor)

T prom (F)151,7T prom (F)149T prom (F)148,1T prom (F)152,6

H vap (BTU/lbm)1005,043H vap (BTU/lbm)1005,043H vap (BTU/lbm)1005,043H vap (BTU/lbm)1005,043

Cp (Btu/lbm F)0,44Cp (Btu/lbm F)0,44Cp (Btu/lbm F)0,44Cp (Btu/lbm F)0,44

T (F)117T (F)115,2T (F)106,2T (F)108

W( lb/h)30,9441685W( lb/h)27,4438741W( lb/h)25,8671659W( lb/h)35,0663536

Q(btu/h)32693,2257Q(btu/h)28973,3487Q(btu/h)27206,335Q(btu/h)36909,5463

Fluido frio (Agua)Fluido frio (Agua)Fluido frio (Agua)Fluido frio (Agua)


Cp (Btu/lbm F)1Cp (Btu/lbm F)1Cp (Btu/lbm F)1Cp (Btu/lbm F)1

T (F)3,6T (F)1,8T (F)1,8T (F)7,2

W( lb/h)2250W( lb/h)2212,5W( lb/h)2100W( lb/h)2175

Q(btu/h)8100Q(btu/h)3982,5Q(btu/h)3780Q(btu/h)15660

Tabla 2,3.

Observando los resultados obtenidos se tiene que el calor cedido por el vapor y el calor recibido por el agua no fueron el mismo, lo cual nos indica que hubieron mucho errores al momento de tomar las mediciones, tal vez fueron al momento de tomar los flujos, sobretodo el del condensado ya que no era un flujo constante. Por otra parte se observa que el calor recibido como el calor cedido en contracorriente es mayor que en paralelo. Adems utilizando dos tubos laterales (horquilla 4) el intercambio es mayor tanto en paralelo como en contracorriente que en las dems horquillas.Clculo del MLDTDebido a que en los intercambiadores de calor, la forma ms exacta de determinar la diferencia de temperatura es mediante la media logartmica de la diferencia de temperaturas (MLDT), empleamos la siguiente ecuacin (Ec.3)

(3)Por tanto la ecuacin para el MLDT para el arreglo en paralelo seria:

(3.1)Y para el arreglo en contracorriente se tiene:

(3.2)Donde:T1: Temperatura de entrada del vaporT2: Temperatura de salida del vaport1: Temperatura de entrada de aguat2: Temperatura de salida de agua

Los resultados se muestran a continuacin en las siguientes tablas:Arreglo en Contracorriente


T1 (F)210,2T1 (F)210,2T1 (F)203T1 (F)206,6

T2(F)86T2(F)86T2(F)86T2(F)93,2

t1 (F)115,2t1 (F)115,2t1 (F)109,8t1 (F)109,8

t1 (F)80,6t1 (F)82,4t1 (F)80,6t1 (F)82,4

t2(F)95t2(F)95t2(F)93,2t2(F)96,8

t2 (F)5,4t2 (F)3,6t2 (F)5,4t2 (F)10,8

MLDT (F)27,8199136 MLDT (F)25,170479 MLDT (F)27,8199136 MLDT (F)35,2355389

Tabla 1,4Arreglo en Paralelo.


T1 (F)210,2T1 (F)206,6T1 (F)201,2T1 (F)206,6

T2(F)93,2T2(F)91,4T2(F)95T2(F)98,6

t1 (F)127,8t1 (F)124,2t1 (F)118,8t1 (F)118,8

t1 (F)82,4t1 (F)82,4t1 (F)82,4t1 (F)87,8

t2(F)86t2(F)84,2t2(F)84,2t2(F)95

t2 (F)7,2t2 (F)7,2t2 (F)10,8t2 (F)3,6

MLDT (F)30,8512262 MLDT (F)30,8512262 MLDT (F)35,2355389 MLDT (F)26,360875

Tabla 2,4

Determinacin de los coeficientes individuales de transferencia de calor para el lado del tubo (Vapor) y lado de la carcasa (Agua).Para determinar los coeficientes individuales de estos dos tubos se sigue el siguiente mtodo:Se determina cual es el flujo que va en el anulo (agua) y en el tubo interior (vapor).Por tanto para determinar el coeficiente h0 se tendrn en cuenta los datos del anulo de las tablas (a-e) de acuerdo a la horquilla o tramo que se est calculando, para hallar el rea de flujo, con los datos en unidades del sistema ingls (Ec. 4):

(4)Luego determinar el dimetro equivalente (Ec. 5)

(5)Con el flujo msico y el rea de flujo, es posible determinar la velocidad de masa, teniendo en cuenta que el fluido que recorre por el anulo es el agua y por tubo es el vapor (Ec. 6)

(6)Para determinar el nmero de Reynolds ya se cuenta con el dimetro equivalente y la velocidad de masa, pero es necesario conocer la viscosidad del fluido del tubo a la temperatura promedio del tramo, para lo cual se emplea la figura 14 del texto gua, con este dato, es posible emplear la ecuacin 7.

(7)Para determinar el Nmero de Prandtl se emplea la ecuacin 8.

(8)Entonces para determinar el coeficiente sera partir de los datos determinados previamente y considerando:

(9)

Para el valor de hi, se emplea la ecuacin 9, pero hay que corregirlo con la razn entre los dimetros de la tubera interna (DI/DE)

Aplicando esto a cada horquilla en paralelo se obtuvo:

(10)Clculo de ho y hi arreglo en paralelo

Horquilla 1Horquilla 2

Anulo: fluido friotubo interior: fluido calienteAnulo: fluido friotubo interior: fluido caliente

D2(ft)0,08291667D(ft)0,04391667D2(ft)0,09375D(ft)0,05183333

D1(ft)0,05208333Ap(ft^2)0,00151478D1(ft)0,08291667Ap(ft^2)0,00211012

Aa (ft^2)0,00326922Gp(lb/hft^2)20428,2014Aa (ft^2)0,00150316Gp(lb/hft^2)12258,5964

De (ft)0,079920020,0117De (ft)0,023082070,0117

Ga (lb/hft^2)688237,443(lb/h ft)0,028314Ga (lb/hft^2)1471894,91(lb/h ft)0,028314

0,75Rep76678,51110,75Rep54308,0233

(lb/h ft)1,815JH205(lb/h ft)1,815JH150

Cp (btu/lbf)1Cp (btu/lbf)0,44Cp (btu/lbf)1Cp (btu/lbf)0,44

Rea73338,6025K(btu/hftF)0,0129Rea45299,1739K(btu/hftF)0,0129

JH210(N Pr)^0,330,98845006JH130(NPr)^0,330,98845006

K0,33hi(btu/hft^2F)59,5208193K0,33hi(btu/hft^2F)36,900019

(N Pr)^(1/3)1,76517417DI/DE0,84320012(N Pr)^(1/3)1,76517417DI/DE0,74047614

ho(btu/hft^2F)1530,61231hio(btu/hft^2F)50,1879618ho(btu/hft^2F)3280,72714hio(btu/hft^2F)27,3235838

Aplicando cada una de estas ecuaciones se obtienen los resultados mostrados en las siguientes tablas:Tabla 2, 5,1 Clculo de ho y hi arreglo en paralelo



D2(ft)0,08291667D(ft)0,05183333D2(ft)0,08291667D(ft)0,05183333

D1(ft)0,05208333Ap(ft^2)0,00211012D1(ft)0,05208333Ap(ft^2)0,00211012


De (ft)0,079920020,0117De (ft)0,079920020,0117


0,75Rep54308,02330,75Rep73621,6851

(lb/h ft)1,815JH127(lb/h ft)1,815JH210



JH170(N Pr)^0,330,98845006JH200(NPr)^0,330,98845006


(N Pr)^(1/3)1,76517417DI/DE0,8432(N Pr)^(1/3)1,76517417DI/DE0,9952


Tabla 2, 5,2Clculo de ho y hi arreglo en contracorriente



D2(ft)0,08291667D(ft)0,04391667D2(ft)0,08291667D(ft)0,05183333

D1(ft)0,05208333Ap(ft^2)0,00151478D1(ft)0,07Ap(ft^2)0,00211012


De (ft)0,079920020,0117De (ft)0,028216770,0117


0,75Rep2873,688470,75Rep66846,9002

(lb/h ft)1,815JH13(lb/h ft)1,815JH170



JH210(N Pr)^0,330,98845006JH130(NPr)^0,330,98845006


(N Pr)^(1/3)1,76517417DI/DE0,8432(N Pr)^(1/3)1,76517417DI/DE0,74047619


Tabla 1, 5,1Clculo de ho y hi arreglo en contracorriente



D2(ft)0,08291667D(ft)0,05183333D2(ft)0,08291667D(ft)0,05183333

D1(ft)0,05208333Ap(ft^2)0,00211012D1(ft)0,05208333Ap(ft^2)0,00211012


De (ft)0,079920020,0117De (ft)0,079920010,0117


0,75Rep2897,291030,75Rep62265,8168

(lb/h ft)1,815JH12(lb/h ft)1,815JH170



JH200(N Pr)^0,330,98845006JH180(NPr)^0,330,98845006


(N Pr)^(1/3)1,76517417DI/DE0,8432(N Pr)^(1/3)1,76517417DI/DE0,9952


Tabla 1, 5,2

A partir de estos resultados, es visible que los coeficientes individuales de de transferencia de calor depende del material empleado para cada tubera, puesto que los resultados obtenidos del ho en la horquilla 2, fue mayor que en los dems, lo cual fue a causa del empleo de acero en el tubo interior. Tambin se obtuvieron grandes valores en las horquillas 3 y 4, cuyos diseos eran diferentes, demostrando que el flujo cruzado favorece al coeficiente de transferencia. Calculo de los coeficientes globales de transferencia de calorPara determinar los coeficientes totales de transferencia de calor (UD y UC) se emplearan las ecuaciones 11 y 12:

Ecuacin (11)

Ecuacin (12)

En estas ecuaciones tenemos en cuenta al intercambiador cuando est limpio y cuando est sucio, teniendo a UD como el coeficiente total de diseo, Uc el coeficiente total cuando est limpio. El Rd Considerado en la ecuacin 11, es el factor de obstruccin cuando ya ha pasado fluido por la tubera, en este caso con un intercambiador de agua-vapor de agua, su valor es de 0.002. Partiendo de los coeficientes determinados anteriormente, los valores de UD y UC serian (Tabla 1.6 y 2.6).

Clculo de UD y Uc (Paralelo)


Uc(Btu/hrft2F)48,5945717Uc(Btu/hrft2F)27,0978985

Ud(Btu/hrft2F)44,2900589Ud(Btu/hrft2F)25,7048061




Tabla 1,6

Clculo de UD y Uc (Contracorriente)







A partir de estos resultados, es visible que los coeficientes de transferencia de calor son mayores en el arreglo en paralelo, lo cual nos demuestra que la transferencia de calor es mejor en este arreglo. FALTAN LAS CONCLUSIONES. HOWARD O KERLYS AYUDENME EN ESTAS!!!!

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