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 1 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA María Claudia Romero Dorado, Natalia Ballesteros, Julián Echeverry ABSTRACT In this practice, it were was used five tubes and shell heat exchangers and shell, one as a heater and the others four as coolers,. with With this experiment, we seeks to study and understand the operation of the exchanger, also perform an energy balances for each exchanger and calculate their overall coefficients of heat transfer. Keywords: Heat exchangers, tubes and shell, energy balance, overall coefficient of heat transfer. OBJETIVOS Objetivo General Calcular los coeficientes totales de transferencia de calor para los intercambiadores de calor del laboratorio de Operaciones Unitarias. Objetivos Específicos Identificar y operar un intercambiador de calor de tubos y coraza. Identificar cada una de las corrientes involucradas en el intercambiador de calor de tubos y coraza. Efectuar balances de calor para los intercambiadores que operan como calentador y enfriador y calcular las pérdidas de calor a los alrededores. DATOS Tabla Q1 (cm 3 /s) 532 Condensado Recogido Q2 (cm 3 /s) 462 Toma Vol(ml) Tiempo(s) Temp( C) T 1 ( C) T 2 ( C)

2 T 3 ( C) T 4 ( C) P1 (PSI) Tabla Q1 (cm 3 /s) 532 Condensado Recogido Q2 (cm 3 /s) 462 Toma Vol(ml) Tiempo(s) Temp( C) T 1 ( C) T 2 ( C) T 3 ( C) T 4 ( C) P1 (PSI) Tabla Q1 (cm 3 /s) 532 Condensado Recogido Q2 (cm 3 /s) 462 Toma Vol(ml) Tiempo(s) Temp( C) T 1 ( C) T 2 ( C) T 3 ( C) T 4 ( C) P1 (PSI) Tabla 4. Q1 (cm 3 /s) 532 Condensado Recogido Q2 (cm 3 /s) 462 Toma Vol(ml) Tiempo(s) Temp( C) T 1 ( C) T 2 ( C) T 3 ( C) T 4 ( C) P1 (PSI) Con cambios en el caudal Tabla 5. Q1 (cm 3 /s) 532 Condensado Recogido Q2 (cm 3 /s) 572 Toma Vol(ml) Tiempo(s) Temp( C) T 1 ( C) T 2 ( C) T 3 ( C) T 4 ( C) P1 (PSI)

3 Tabla 6. Q1 (cm 3 /s) 785 Condensado Recogido Q2 (cm 3 /s) 462 Toma Vol(ml) Tiempo(s) Temp( C) T 1 ( C) T 2 ( C) T 3 ( C) T 4 ( C) P1 (PSI) CÁLCULOS BALANCES DE ENERGÍA Balances de energía para la sección de calentamiento de cada configuración: = é Donde: M Rata de condensación del vapor, se extrae de la trampa en Kg/s λ Calor latente de condensación del vapor (KJ/Kg) a P1 W Rata de flujo de agua a calentar se obtiene del rotámetro 1 (Q1) en Kg/s Cp Calor específico del agua a calentar (KJ/Kg K) evaluado en un valor promedio entre las temperaturas T1 y T3. T3 Temperatura de entrada del agua fría (Reserva)( C). Temperatura de entrada del fluido de proceso al calentador en C T1 Temperatura de salida del agua que fue calentada ( C). Temperatura de salida del fluido de proceso del calentador en C Ojo con el texto mostrado. Hay espacios innecesarios Para realizar los balances de energía se necesita conocer las siguientes variables, para esto se toman los datos y se sigue el modelo de cálculo. 1. Para M la rata de condensación del vapor. Con los datos de condensado recogido, tenemos que caudal es: = Qué es V, qué es t? No se dice qué representan estas variables. Luego se halla el caudal promedio obtenido en cada configuración: = Qué es n? Para obtener la rata másica de condensación del vapor, se hace uso de la densidad del agua a la temperatura a la que se tomaron los caudales. = Qué es ρ?

4 2. Para W Rata de flujo de agua a calentar se obtiene del rotámetro 1. = 1 La densidad se evalúa a se evalúa la temperatura promedio entre T3 y T1. Texto centrado? = Para el Cp para cada configuración, se evalúa la temperatura promedio entre T3 y T1. = Tabla 7. Datos para el balance de energía en la sección de calentamiento para cada configuración (m 3 /s) 3.65 x x x x 10-5, para M Kg/m M (Kg/s) λ (KJ/Kg) T promedio para Cp y W ( C), para W Kg/m Q1 (m 3 /s) 5.32 x x x x 10-4 W (Kg/s) Cp (KJ/Kg K) No se indica la presión atmosférica

5 Tabla 8. Datos para el balance de energía en la sección de calentamiento para la configuración 1-5 variando los caudales Cambiando Q1 (m 3 /s) 3.00 x x 10-5, para M kg/m M (Kg/s) λ (KJ/Kg) T promedio para Cp y W ( C), para W Kg/m Q1 (m 3 /s) 5.32 x x 10-4 W (Kg/s) Cp (KJ/Kg K) Tabla 9. Resultados pérdidas de calor para la sección de calentamiento en cada configuración KJ/s KJ/s KJ/s KJ/s Tabla 10. Resultados pérdidas de calor sección de calentamiento para la configuración 1-5 variando los caudales Cambiando Q KJ/s KJ/s

6 Balances de energía para la sección de enfriamiento de cada configuración: é = 1 2 Donde: W Rata de flujo de agua caliente se obtiene del rotámetro 1 (Q1) en Kg/s w Rata del fluido refrigerante se obtiene del rotámetro 2 (Q2). Kg/s Cpr Calor específico del fluido refrigerante (J/Kg K).Valor promedio entre las temperaturas T3 y T4. Cp Calor específico del agua caliente (J/Kg K) evaluado en un valor promedio entre las temperaturas T1 y T2. T3 Temperatura de entrada del agua de refrigeración. C T4 Temperatura de salida del agua de refrigeración. C T2 Temperatura de salida del agua caliente. C T1 Temperatura de entrada del agua que fue calentada. C 1. Para W Rata de flujo de agua a caliente se obtiene del rotámetro 1. = 1 La densidad se evalúa a una temperatura promedio entre T1 y T2 2. Para w Rata de flujo de agua a fría se obtiene del rotámetro 2. W= Q1 ρ La densidad se evalúa a una temperatura promedio entre T3 y T4-3. El Cpr se evalúa la temperatura promedio entre T3 y T4. T Cpr= T4+T El Cpr se evalúa la temperatura promedio entre T1 y T2. T Cp= T1+T2 2 Tabla 11. Datos para el balance de energía en la sección de enfriamiento para cada configuración

7 Q1 (m 3 /s) 5.32 x x x x 10-4 T promedio para Cp y W ( C), para W Kg/m W (Kg/s) Cp (KJ/Kg K) Q2 (m 3 /s) 4.62 x x x x 10-4 T promedio para Cpr y w ( C), para w Kg/m w (Kg/s) Cpr (KJ/Kg K) Tabla 12. Datos para el balance de energía en la sección de enfriamiento para la configuración 1-5 variando los caudales Cambiando Q1 Q1 (m 3 /s) 5.32 x x 10-4 T promedio para Cp y W ( C), para W Kg/m W (Kg/s) Cp (KJ/Kg K) Q2 (m 3 /s) 5.72 x x 10-4

8 T promedio para Cpr y w ( C) , para w Kg/m w (Kg/s) Cpr (KJ/Kg K) Tabla 13. Resultados pérdidas de calor para la sección de enfriamiento en cada configuración KJ/s KJ/s KJ/s 8.51 KJ/s Tabla 14. Resultados pérdidas de calor sección de enfriamiento para la configuración 1-5 variando los caudales Cambiando Q KJ/s KJ/s COEFICIENTES TOTALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR Para calcular el coeficiente total de transferencia de calor para el calentador Donde U= WCp T1 T3 AoF LMTD W Rata másica del fluido de agua a calentar se obtiene del rotámetro 1 (Q1). Cp Capacidad calorífica del agua a calentar evaluado en un valor promedio entre las temperaturas T1 y T3. T3 Temperatura a la entrada del agua a calentar del fluido de proceso T1 Temperatura de salida del fluido de proceso

9 U Coeficiente total de transferencia de calor para el calentador. a la presión del vapor leída con el manómetro P1 LMTD Diferencia de temperatura promedia logarítmica para el calentador (ºC) LMTD= T1 T3 ln Tv T3 Tv T1 Tv Temperatura de saturación del vapor de calentamiento, correspondiente FT Factor de corrección para la media logarítmica de temperaturas. Ao Área de transferencia de calor basada en el lado externo de los tubos = m 2. A =2 21 Tubos m π =1.1492m Tabla 15. Datos para el cálculo del coeficiente total de transferencia de calor para el calentador para cada configuración W (Kg/s) Cp (KJ/Kg K) Ao m2.... FT Cómo se leyó? Tv ( C) LMTD C K C K C K C K Tabla 16. Datos para el cálculo del coeficiente total de transferencia de calor para el calentador para la configuración 1-5 variando los caudales

10 Cambiando Q1 W (Kg/s) Cp (KJ/Kg K) Ao m 2.. FT Tv ( C) LMTD C K C K Tabla 17. Resultados coeficiente total de transferencia de calor para el calentador en cada configuración. Todos los U están mal W/m 2 K W/m 2 K W/m 2 K W/m 2 K Tabla 18. Resultados coeficiente total de transferencia de calor para el calentador para la configuración 1-5 variando los caudales Los U están mal Cambiando Q W/m 2 K W/m 2 K Para calcular el coeficiente total de transferencia de calor para los enfriadores w Rata másica del fluido refrigerante se obtiene del rotámetro 2 (Q2) Donde = 4 3 Cpr Calor específico del fluido refrigerante. Valor promedio entre las temperaturas T3 y T4.

11 T3 Temperatura de entrada del agua de refrigeración. T4 Temperatura de salida del agua de refrigeración U Coeficiente total de transferencia de calor para el enfriador LMTD Diferencia de temperatura promedia logarítmica para el enfriador = Ao Área de transferencia de calor del intercambiador = m = Tabla 19. Datos para el cálculo del coeficiente total de transferencia de calor para los enfriadores de cada configuración w (Kg/s) Cpr (KJ/Kg K) Ao m FT No aplica en la grafica LMTD Están mal calculados C K C K No se puede calcular T4>T C K Tabla 20. Datos para el cálculo del coeficiente total de transferencia de calor para los enfriadores de la configuración 1-5 variando los caudales Cambiando Q1 w (Kg/s) Cpr (KJ/Kg K)

12 Ao m FT 0.9 No aplica en la grafica LMTD Están mal calculados C K No se puede calcular T4>T2 Tabla 21. Resultados coeficiente total de transferencia de calor para los enfriadores de cada configuración. Todos los U están mal W/m 2 K W/m 2 K No se pudo calcular W/m 2 K Tabla 22. Resultados coeficiente total de transferencia de calor para los enfriadores de la configuración 1-5 variando los caudales Cambiando Q W/m 2 K No se pudo calcular DISCUSIÓN Y ANÁLISIS Al realizar los balances de energía para la sección de calentamiento se nota que las pérdidas son negativas para todas las configuraciones, exceptuando cuando se cambio cambió el caudal Q1, esto indica que teóricamente el fluido frio gano ganó más calor del que le ofreció el fluido caliente, lo cual es imposible para la configuración de los intercambiadores de calor, el resultado de las perdidas pérdidas negativas se debe a que en los balances se presume que el sistema está operando en estado estable, lo cual no es cierto para la práctica, ya que el flujo de vapor no es constante y la toma de datos para el condensado es bastante imprecisa. Lo mismo ocurre al realizar los balances de energía para la sección de enfriamiento, en algunos casos se presentan perdidas pérdidas negativas, aunque en menor magnitud,. al Al realizar el análisis con el mismo tipo de configuración 1-5, variando el caudal del agua caliente se nota que las pérdidas son mayores, esto es porque el agua de enfriamiento no logra despojar de todo el calor al agua caliente, ya que esta lleva un mayor caudal lo que causa un menor tiempo de contacto.

13 Al calcular los coeficientes totales de transferencia de calor para la sección de calentamiento, al ser experimentales difieren un poco de una configuración a otra, pero al analizar con distintos caudales con la configuración 1-5, estos coeficientes totales permanecen en un rango pequeño a pesar del cambio del caudal, lo que confirma que los coeficientes totales son propios de cada intercambiador. Para algunos enfriadores no se pudo calcular el coeficiente total de transferencia de calor, porque la temperatura de salida del agua de refrigeración es mayor que la temperatura de salida del agua caliente, esto se debe a que en el intercambiador se está utilizando el mismo fluido, lo cual es imposible que logre despojar de todo el calor al otro (Redacción confusa). Esto se debe a la situación de inestabilidad con que se tomaron los datos. Los coeficientes de transferencia de calor para los enfriadores difieren del coeficiente de calentador, ya que estos tienen un mayor número de tubos, por lo cual mayor es el área de transferencia de calor. CONCLUSIONES Para que un intercambiador de calor opere en condiciones óptimas se debe buscar el flujo adecuado para mejorar la transferencia, tratar de que opere en estado estable y tener buenos aparatos de medición con el fin de determinar las condiciones de operación, aislar los intercambiadores para que no se presenten pérdidas de calor (Redacción algo confusa). En el caso de esta práctica se presentaron algunos errores debido a que el caudal varía considerablemente en la toma de datos. por loya que los aparatos de medición son muy sensibles, no se obtiene un valor constante de flujos de agua, - Además, el flujo de vapor de la caldera no es constante y es difícil determinar la rata másica de vapor en el calentador. No se pudo determinar el efecto de los bafles para cada configuración, estos deberían mejorar la transferencia de calor por la situación de turbulencia del fluido de la coraza. Los coeficientes totales de transferencia de calor son mayores para el calentador que para el enfriador por el área de transferencia de calor, ya que los enfriadores tienen un mayor número de tubos que el calentador, así mismo ellos tienen más bafles que el calentador, lo que ocasiona menos resistencia a la transferencia. BIBLIOGRAFIA GEANKOPLIS, C.J, Procesos de transporte y operaciones unitarias, 3 edición, Editorial Cecsa, 1998, México. Guía Laboratorio proporcionada por el docente. INCROPERA, Frank P y DEWITT David, Fundamentals of heat and mass transfer, 4 edición, Editorial Wiley, 1996, EUA.

14 TUBOS Y CORAZA Ítem evaluado Observaciones Nota % informe Objetivos e introducción Hace falta la introducción 2,5 10 Abstract y palabras clave Hay que mejorar algunas cositas en la redacción 4,5 7 Datos obtenidos tabulados y correspondencia con el 5,0 7 preinforme Bien Cálculo Modelo No se muestra cálculo modelo. Sólo se mostraron las ecuaciones 2,5 12 Resultados Tabulados Los resultados de pérdidas están bien. El resultado de los U está mal. EL LMTD para los enfriadores está mal 4,0 17 Discusión y análisis Lo planteado está bien. Se puede mejorar al comparar los distintos 4,5 22 valores numéricos obtenidos Conclusiones Bien 5,0 12 Bibliografía Presentación del informe A lo largo del informe no se especifica el uso de la bibliografía. Por ejemplo: de dónde se leyeron los lambda, las densidades, los Ft? Para obtener una mejor presentación, es mejor disminuir el tamaño de la letra (tamaño 10). El diseño de las tablas se puede mejorar. Es necesario además que dentro del texto del informe se hable o se mencionen las tablas. Por ejemplo: "En la tabla 10 se muestran las pérdidas de calor obtenidas para la configuración 1-5. Se puede observar que...". Esto le da mayor claridad al trabajo. 4,0 7 4,5 6 NOTA FINAL 4,0