UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II TRANSFERENCIA DE CALOR

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1 UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II TRANSFERENCIA DE CALOR INFORME INTERCAMBIADOR DE PLACAS María Claudia Romero, Natalia Ballesteros, Julián Vargas E. OBJETIVOS Objetivo General Conocer el funcionamiento, uso y aplicación de los intercambiadores de placas. Objetivos Específicos Analizar los datos experimentales obtenidos para la eficiencia del intercambiador de placas. Analizar los mecanismos de transmisión de calor presentes tras la experiencia. Hallar el coeficiente global de transferencia de calor y el área de transferencia, empleando las ecuaciones adecuadas para el intercambiador de placas. ABSTRACT The plate heat exchangers are widely used equipment in the process industry covering a wide range of applications. Present very special features in its design and operation that makes the matter of study. This report presents experimental results obtained for further analysis and verify the information about exchanger plate shown on the literature. We performed a laboratory level experience in a heat exchanger to determine the heat transfer capacity, based on the balances of heat to the cold fluid and hot fluid, it also determines the overall coefficient of heat transfer and the transfer area. The calculations are made from data obtained experimentally by measuring the temperature of hot fluid (Th) and fluid at low temperature (Tc) at the entrance and exit from the teamexhanger. Keywords: plate exchanger, energy balance, heat transfer coefficient. RESUMEN Los intercambiadores de placas son equipos muy difundidos en la Industria de Procesos cubriendo una amplia gama de aplicaciones. Presentan características muy especiales tanto en su diseño como en la operación que los hace motivo de estudio. Este informe presenta resultados obtenidos experimentalmente para su posterior análisis y así corroborar la información sobre los intercambiadores de placa mostrados en la literatura. Se realiza una experiencia a nivel de laboratorio en un intercambiador de placas para determinar la capacidad de transferencia de calor, basados en los balances de calor para el fluido en frio y para el fluido en caliente, se determina también el coeficiente global de transferencia de calor y el área de transferencia. Los cálculos son realizados a partir de los datos obtenidos experimentalmente, midiendo las temperaturas del fluido en caliente (T h ) y del fluido en frío (T c ) a la entrada y a la salida del equipo.

2 Palabras claves: Intercambiador placas, balance de energía, coeficiente de transferencia de calor. DATOS Primera frecuencia de la bomba 40 Hz CONFIGURACIÓN Válvulas 1 y 4 abiertas Válvulas 2 y 3 abiertas TEMPERATURA 1 ( C) TEMPERATURA 2 ( C) TEMPERATURA 3 ( C) TEMPERATURA 4 ( C) TEMPERATURA 5 ( C) FLUJO 1 (w) ml/s FLUJO 2 (m) ml/s (61 C) (61 C) FLUJO 3 (t) ml/s PRESION DEL VAPOR (Psi) 2.5 PSIG 2.5 PSIG de la bomba 60 Hz CONFIGURACIÓN Válvulas 1 y 4 abiertas Valvulas 2 y 3 abiertas TEMPERATURA 1 ( C) TEMPERATURA 2 ( C) TEMPERATURA 3 ( C) TEMPERATURA 4 ( C) TEMPERATURA 5 ( C) FLUJO 1 (w) ml/s FLUJO 2 (m) ml/s (54 C) (54 C) FLUJO 3 (t) ml/s PRESION DEL VAPOR (Psi) 2.5 PSIG 2.5 PSIG CÁLCULOS Y RESULTADOS Calcular las pérdidas en el intercambiador de tubos y coraza. = 1. Para calcular M, flujo másico del condensado, con el flujo volumétrico 2 (m) y la densidad. = 2. Para calcular T, flujo másico del fluido de proceso, con el flujo volumétrico 3 (t) y la densidad. =

3 3. Para Cp, se lee a la temperatura promedio entre T1 y T5 = Tabla1. Pérdidas en el intercambiador de tubos y coraza.primera frecuencia de la bomba Caudal m (m 3 /s) x x 10-5 Ρ ρ para m (kg/m 3 ) M (kg/s) Caudal t (m 3 /s) x x 10-4 ρ Ρ para t (kg/m 3 ) La T a la que se debe medir esta densidad es una T promedio entre la entrada y la salida del I. de tubos y coraza T (kg/s) (KJ/kg) Cp (KJ/Kg K) La T a la que se debe medir esta capacidad es una T promedio entre la entrada y la salida del I. de tubos y coraza T1-T Tabla 2. Pérdidas en el intercambiador de tubos y coraza. de la bomba Válvulas 1 y 4 abiertas Válvulas 2 y 3 abiertas Caudal m (m 3 /s) x x 10-5 ρρ para m (kg/m 3 ) M (kg/s) Caudal t (m 3 /s) x x 10-4 ρρ para t (kg/m 3 ) T (kg/s) (KJ/kg) Cp (KJ/Kg K) T1-T Tabla 3. Resultados pérdidas en el intercambiador de tubos y coraza. Primera frecuencia KJ/s KJ/s KJ/s KJ/s

4 Calcular el calor cedido por el agua caliente y el calor recibido por el agua de refrigeración en el intercambiador de placas. Usando la ecuación de calor sensible: = El calor cedido por el agua caliente no puede ser calculado debido a que no se contaba con medidor de temperatura en la salida de agua de proceso T2. Para calcular el calor recibido por el agua de refrigeración, la ecuación reescrita es: = Para calcular W, flujo másico del agua de refrigeración, con el flujo volumétrico 1 (w) y la densidad. =. 2. Para Cp, se lee a la temperatura promedio entre T4 y T3 = Tabla 4. Calor recibido por el agua de refrigeración. Primera frecuencia de la bomba Caudal w (m 3 /s) x x 10-5 Ρ ρ para w (kg/m 3 ) Se debe leer a la T promedio W (kg/s) Cp (KJ/Kg K) T4-T Tabla 5. Calor recibido por el agua de refrigeración. de la bomba Válvulas 1 y 4 abiertas Válvulas 2 y 3 abiertas Caudal w (m 3 /s) x x 10-4 Ρ ρ para w (kg/m 3 ) W (kg/s) Cp (KJ/Kg K) T4-T Tabla 6. Resultados. Calor recibido por el agua de refrigeración.

5 Primera frecuencia KJ/s 3.65 KJ/s KJ/s KJ/s Calcular las pérdidas en el intercambiador de calor de placas. No es posible calcular las perdidas pérdidas ya que no se pudo calcular el calor cedido por el agua caliente. Para cada configuración y para cada frecuencia de la bomba, calcular el coeficiente global de transferencia de calor para el intercambiador de calor de placas. = Donde: U Coeficiente de transferencia de calor global N Número de placas en el intercambiador de placas A p Área de transferencia de calor de una placa F Factor de corrección. Como aproximación se tomará F=1 LTMD Diferencia de temperatura media logarítmica 1. Para calcular LMTD: = 2 1 ln 2 1 Donde 2= 1 4 1= Como es necesario conocer la temperatura T2, esta se va a estimar asumiendo una T2 ligeramente superior a la T del agua del tanque (entre 3 y 5 C por encima sería una buena aproximación) Tabla 7. Temperatura T2 estimada a partir de T5 Primera frecuencia 27.0 C 28.0 C 27.0 C 31.0 C 3. Para calcular A p y N = h = =

6 Q A = U LMTD A = n n: número total de placas. TOTAL A p Tabla 8. Coeficiente global de transferencia de calor para el intercambiador de calor de placas. Primera frecuencia de la bomba Q (KJ/s) LMTD ( C) Tabla 9. Coeficiente global de transferencia de calor para el intercambiador de calor de placas. de la bomba Q (KJ/s) LMTD ( C) Tabla 10. Resultados. Coeficiente global de transferencia de calor para el intercambiador de calor de placas. Primera frecuencia KW/ m 2 C KW/ m 2 C KW/ m 2 C KW/ m 2 C ANALISIS ANÁLISIS DE RESULTADOS En el balance de calor realizado al intercambiador de tubos y coraza, las pérdidas aumentaron al aumentar el caudal del fluido de proceso, así mismo se disminuyo disminuyó la temperatura de salida del mismo, esto es porque los fluidos están menor tiempo en contacto en el intercambiador. Se pudo observar la eficiencia del intercambiador de placas y algunas de sus ventajas frente a el intercarcambiador de tubos y coraza; ya que su tamaño es significativamente masmás pequeño que el de tubos y coraza, con una buena eficiencia, siendo estos de gran utilidad por ser una clase de intercambiadores compactos un ahorro de espacio y la facilidad que tienen a la hora de la limpieza, gracias a su fácil acceso. En el cálculo del calor cedido por el fluido de proceso en el intercambiador de placas, así mismo en el cálculo del coeficiente de transferencia de calor no se contaba con la temperatura de salida del fluido de proceso, por lo cual se limitaron los resultados, la estimación de la temperatura estuvo sesgada a varias opciones, entre ellas el balance de calor, pero los resultados de T2 no eran satisfactorios ya que se esperaba una temperatura cercana a 30 C, por las observaciones y deducciones hechas en la

7 práctica, por esto se considero consideró la opción de asumir una temperatura ligeramente mayor a la temperatura del tanque, aunque en los resultados del coeficiente total de transferencia de calor se evidencia que estimar una temperatura es bastante arriesgado porque no se obtienen resultados óptimos ni fáciles de analizar. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS Ítem evaluado Observaciones Nota % informe Objetivos e introducción Objetivos bien. No hay introducción 3,0 10 Abstract y palabras clave Bien 5,0 7 Datos obtenidos tabulados y correspondencia con el 5,0 7 preinforme Bien Cálculo Modelo Sólo mostraron las ecuaciones 3,0 12 Resultados Tabulados Bien 5,0 17 Discusión y análisis Lo mencionado está muy bien. No se compararon las dos configuraciones de válvulas. 4,6 22 Conclusiones No hay 1,0 12 Bibliografía No hay consulta 3,0 7 Presentación del informe No se usó el formato de doble columna 4,0 6 NOTA FINAL 3,8

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