INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Per, Decana de Amrica)FACULTAD DE QUMICA, ING. QUMICA E ING. AGROINDUSTRIALDEPARTAMENTO DE OPERACIONES UNITARIAS

PRCTICA N 3: INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO

CURSO : Laboratorio de Ingeniera Qumica I

PROFESOR: Phd. Ricardo Felipe Lama Ramirez

FECHA DE REALIZACIN:10 / 09 / 2014

FECHA DE ENTREGA: 21 / 09/2014

Grupo N4:

Beteta Retuerto , Andrea 11070180 Noriega Trujillo , Yoselyn 11070201 Ramirez Laureano , Dyana11070129 Villar Curitomay , Evelyn 11070214

Ciudad Universitaria, Setiembre del 2014

II. NDICE DE CONTENIDO

pagNDICE DE TABLAS3RESUMEN4INTRODUCCIN5HISTORIA6FUNDAMENTO TERICO7DETALLES EXPERIMENTALES17RESULTADOS20DISCUSIN DE RESULTADOS25CONCLUSIONES26RECOMENDACIONES27BIBLIOGRAFA27APNDICE 128GRAFICAS36APNDICE 2 37

NDICE DE TABLAS:

pag

Tabla 1: Condiciones de laboratorio.20Tabla 2: Dimensiones del intercambiador.20

Tabla 3: Datos tomados del lquido saturado a 14.7psi.20

Tabla 4: Flujos msicos de lquido. 20

Tabla 5: Resultados obtenidos de flujos msicos del balance enla trampa de vapor.21

Tabla 6: Resultados del calor perdido por el fluido caliente.21

Tabla 7: Flujo msico del fluido frio y caudal calculado.22

Tabla 8: Resultados obtenidos de NReynolds, NPrandtl yCoeficientes de Pelcula en el tubo interno (Mtodo Iterativo) para cada caudal.22

Tabla N9: Coeficientes de Pelcula 24

Tabla N9: Coeficientes de Pelcula (hi y hio) 24

Tabla 10: Resultados de los coeficientes globales Uc , Ud yFactor de incrustamiento Rd; mediante el mtodo de MLDT.24

III.RESUMEN

En el presente informe se determinaron las prdidas de calor en un intercambiador de calor de doble tubo con flujo a contracorriente, donde el tubo interior 1 1/4 de dimetro fluye agua lquida y por la regin anular de 2 de dimetro fluye vapor de agua el cual se condensa a contracorriente, la presin de entrada de vapor fue de 5 psi y esta se mantuvo constante durante toda la experiencia , se trabaj con los siguientes caudales del fluido fro : 20, 45 , 75 L/min; en la prctica se determinaron los coeficientes totales de transferencia de calor (Ud : coeficiente total de diseo y Uc: coeficiente total limpio) mediante el mtodo de diferencia media logartmica de temperatura (LMTD). Se dej llenar el recipiente con lquido saturado que proviene de la trampa de vapor durante 5 minutos, luego se pesa y se calcula por balance de masa y energa el flujo msico del vapor de agua ( tabla 5).Los Uc que se obtienen son (169.56, 195.32 y 301.82) Btu / h.pie2.F y los Ud son (236.20,362.25,469.81) Btu / h.pie2.F , que incrementan a medida que aumentan el flujo de fluido frio esto se aprecia en la grfica 2.1 . Los factores de obstruccin (Rd) son (0.001663, 0.002360,0.001184) h.pie2.F / Btu para un flujo de 25, 45 y 75 L/min respectivamente.

IV. INTRODUCCIN

Los intercambiadores de calor son unos de los equipos industriales ms frecuentes. Prcticamente no existe industria en la que no se encuentre un intercambiador de calor, debido a que la operacin de enfriamiento o calentamiento es inherente a todo proceso que maneje energa trmica en cualquiera de sus formas. Existe mucha variacin de diseos en los equipos de intercambio de calor, siendo el ms simple el intercambiador de doble tubo el cual ser estudiado en el presente informe.El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que estn a diferentes temperaturas y separadas por una pared slida, ocurre en muchas aplicaciones de ingeniera, El dispositivo que se utiliza para llevar a cabo este intercambio se denomina intercambiador de calor, y las aplicaciones especficas se pueden encontrar en calefaccin de locales, acondicionamiento de aire, produccin de potencia, recuperacin de calor de desecho y dems procesamientos qumicos.La labor del ingeniero qumico en estos procesos es el diseo de estos intercambiadores, que se basa en el clculo del rea de transferencia de calor y coeficientes globales de transferencia.

El objetivo de este trabajo es el de determinar el coeficiente de transferencia de calor en un intercambiador de doble tubo y el coeficiente de incrustamiento (Rd).

V. HISTORIA

Un prolfico ingeniero a mediados del XIX fue Ericson, quien en 1852 invent el cambiador de calor de tubos y carcasa, utilizndolo para el condensador de las mquinas de vapor marinas (tambin fue l quien populariz el uso de la hlice para propulsin marina sustituyendo a la rueda de paletas). Ericson dise y construy el intercambiador de calor de flujo mezclado y en contracorriente y lo llam "regenerador" (en ingls "Regenerator"). Pero Robert Stirling haba inventado un dispositivo similar, antes de Ericson, y lo llam "economizador" (en ingls "economiser" o "economizar") debido a que ahorraba combustible. Debido a las numerosas explosiones de calderas marinas en aquel entonces, construy un motor de aire para propulsar el buque de su mismo nombre, utilizando cuatro cilindros en lnea (cada uno de ms de 4 m de dimetro).

Las mquinas refrigerantes, primero de gas y escaso rendimiento, y posteriormente de vapor, se desarrollaron tambin a mediados del XIX, llegando a alcanzar eficiencias relevantes hacia 1875 con el mtodo de Linde.

EL IMPACTO SOCIAL DE UN CONVERTIDOR: LAS MQUINAS TRMICAS, la generacin de energa da origen a un intercambio de esta.El origen de la mquina de vapor est asociado al problema de la extraccin del agua que inundaba muchas minas de carbn. En efecto, la Inglaterra de finales del siglo XVII era un pas casi deforestado y los pocos bosques que haba se reservaban para la construccin de barcos (que todava se hacan de madera). Esto contribuy a que se recurriese a usar el carbn como fuente de energa. Sin embargo, muchas de las minas de carbn estaban inundadas de agua que haba que sacar fuera constantemente mediante rudimentarias bombas de extraccin. Dichas bombas se hacan funcionar muchas veces con caballos, sin que los resultados fuesen muy brillantes, pues era bastante comn que los mineros tuviesen que trabajar todo el da con agua hasta las rodillas y, en algunos casos, haba que cerrar minas por no poder drenarlas. Savery y Newcomen fueron dos ingenieros que disearon mquinas que funcionaban con vapor, capaces de bombear fuera el agua de las minas de forma efectiva. Posteriormente, estas primitivas mquinas fueron objeto de sucesivas mejoras, que dieron lugar a otras mquinas ms eficientes.

VI. PRINCIPIOS TERICOS Transferencia de Calor Es la transmisin de energa en forma de calor desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. As la diferencia de temperaturas es la fuerza impulsora que causa el fenmeno de transmisin de calor. Entonces el calor se define como aquella forma de energa que se transmite debido a una diferencia de temperatura. El calor puede transmitirse por: conveccin, conduccin y radiacin. CONDUCCIN: Flujo de calor a travs de medios slidos por la vibracin interna de las molculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. Las molculas y los electrones libres de la fraccin de un sistema con temperatura alta vibran con ms intensidad que las molculas de otras regiones del mismo sistema o de otros sistemas en contacto con temperaturas ms bajas. Las molculas con una velocidad ms alta chocan con las molculas menos excitadas y transfieren parte de su energa a las molculas con menos energa en las regiones ms fras del sistema. Las molculas que absorben el excedente de energa tambin adquirirn una mayor velocidad vibratoria y generarn ms calor Los metales son los mejores conductores trmicos; mientras que los materiales no metlicos son conductores trmicos imperfectos. CONVECCIN: Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido (lquido o gaseoso). La conveccin es el desplazamiento de masas de algn lquido o gas. Cuando una masa de un fluido se calienta al estar en contacto con una superficie caliente, sus molculas se separan y se dispersan, causando que la masa del fluido llegue a ser menos densa. Cuando llega a ser menos denso se desplazar hacia arriba u horizontalmente hacia una regin fra, mientras que las masas menos calientes, pero ms densas, del fluido descendern o se movern en un sentido opuesto al del movimiento de la masa ms caliente (el volumen de fluido menos caliente es desplazado por el volumen ms caliente). Mediante este mecanismo los volmenes ms calientes transfieren calor a los volmenes menos calientes de ese fluido (un lquido o un gas). RADIACIN: Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnticas. No se requiere de un medio para su propagacin. La energa irradiada se mueve a la velocidad de la luz. El calor irradiado por el Sol se puede intercambiar entre la superficie solar y la superficie de la Tierra sin calentar el espacio de transicin.

Intercambiadores de doble tubo El intercambiador de calor ms simple es el de doble tubo que se muestra en la fig.1; el intercambiador de calor de doble tubo consiste en dos tubos concntricos, de manera que por el tubo central fluye un fluido, mientras que por el espacio anular fluye otro, ya sea a contracorriente o en paralelo. Por lo general la longitud da cada seccin se limita a la longitud normal de los tubos, de manera que si se requiere una superficie apreciable de transferencia de calor, se utilizan con frecuencia, bancos de secciones. Si el rea requerida es demasiado grande, no es recomendable usar intercambiador de doble tubo. El uso de intercambiadores de doble tubo no limita al intercambio de calor lquido-lquido, sino que tambin puede usarse para el intercambio gas-lquido y para el intercambio gas-gas. Los materiales de construccin pueden variar, dependiendo de los fluidos que se manejen. Cualquiera de los dos fluidos puede desplazarse a travs del conducto o anular, a velocidades relativamente altas, ayudando de esta manera al proceso de transferencia de calor. Las partes principales son dos juegos de tubos concntricos, dos tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U, la tubera interior se soporta en la exterior mediante estperos y el fluido entra al tubo interior a travs de una conexin roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las tes tienen horquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y la salida del fluido del anulo que cruza de una seccin a travs de un cabezal de retorno. La tubera interna se conecta mediante una conexin en U que esta generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor.

Fig. 1 Intercambiador de doble tubo.

Coeficientes Totales De Transferencia De Calor

Los tubos concntricos llevan juntas dos corrientes, cada una teniendo un coeficiente de pelcula particular. Si el interior es muy delgado, las resistencias encontradas son la resistencia de pelcula del fluido en el tubo, la resistencia de pared del tubo (Lm/Km) y la resistencia de la pelcula del fluido en el nulo.

Donde: hi: Coeficiente de pelcula del fluido interior ho: Coeficiente de pelcula del fluido exterior Lm: Espesor de la pared km: Conductividad trmica del fluido : Resistencia Total

Es costumbre sustituirse 1/U por donde U es el coeficiente total de transferencia de calor y hi Y ho deben referirse a la misma rea de flujo de calor ya que un tubo real tiene distintas reas por pie lineal tanto en su interior como en su exterior. Si se usa el rea exterior del tubo interno hi debe multiplicarse por (Ai/Ao) para dar origen a hio referido al rea mayor A.

Luego se tiene:

Generalmente, se considera que toda la pared del tubo est a la misma temperatura, por lo que no se considera en el clculo de U, de todas maneras, se debe evaluar si esta suposicin es correcta.

La ecuacin de Fourier para estado estable es:

Donde: T: Es la diferencia de temperaturas entre las dos corrientes para la superficie total A. A: rea de transferencia U: coeficiente global de transferencia de calor

Coeficiente de pelcula para fluidos en tubos

Sieder y Tate, basados en los datos de Morris y Whitman, hicieron una correlacin posterior, tanto como para el calentamiento como enfriamiento de varios fluidos en tubos horizontales y verticales extendiendo sta para flujos turbulentos para nmeros de Reynolds mayores a los 10 000, esta ecuacin dio una desviacin media mxima de +15 y -10%.

Donde:

hi: Coeficiente de pelcula en el interior del tubo D: Dimetro del tubo K: Conductividad trmica de la pared G: Velocidad de masa: Viscosidad del fluido: Viscosidad referida a la pared del tubo

Reemplazando se tiene:

Media Logartmica de la diferencia de temperaturas (MLDT)

Generalmente los fluidos experimentan variaciones de temperatura, que no son lneas rectas cuando las temperaturas se grafican contra longitudes. La diferencia de temperaturas es la fuerza motriz mediante la cual el calor se transfiere desde la fuente hacia el receptor. La direccin relativa de los fluidos influye en el valor de la diferencia de temperaturas.

a. Intercambiador de flujo paralelo: La diferencia de temperatura entre el fluido fro y caliente es grande al principio pero decae rpidamente al aumentar la longitud y se aproxima a cero de forma asinttica.

b. Intercambiador de calor en contra flujo: mantiene la transferencia de calor entre las partes ms calientes de los dos fluidos en un extremo, as como entre las partes ms fras en el otro, por lo tanto el cambio de temperaturas (fluido caliente-fro) con respecto a la longitud del tubo (X) no es tan grande en ningn lugar como lo es para la regin de entrada del intercambiador de flujo paralelo. La T entre ambos flujos es grande en la entrada del intercambiador.Donde la temperatura media logartmica es mayor en el contra flujo que para el arreglo en flujo paralelo, por consiguiente el rea superficial que se requiere para efectuar una transferencia de calor es ms pequea para contra flujo que para arreglo en paralelo suponiendo el mismo valor de U, tambin la temperatura final del fluido fro puede ser mayor que la temperatura final de fluido caliente en contra flujo pero no en paralelo.

Fig.2 Intercambiador de flujo paralelo y en contracorriente

Temperatura de la pared del tubo (tw)

Esta temperatura puede ser calculada a partir de las temperaturas calorficas cuando tanto hi como ho son conocidas, se considera que el tubo en su totalidad est a la superficie externa de la pared tw. Si la temperatura calorfica exterior es Tc y la temperatura calorfica interior es tc y 1/Rio = hio = hi x (Ai/A) = hi x (DI/DE), donde el subndice io se refiere al valor del coeficiente dentro del tubo, referido a la superficie exterior del tubo.

Reemplazando las resistencias por coeficientes de pelcula

Resolviendo por tw:

Cuando el fluido caliente est dentro del tubo es:

Incrustaciones (Rd)Cuando los aparatos de transferencia de calor han estado en servicio por algn tiempo se les deposita incrustaciones o basura en la parte interior y exterior de las tuberas, aadiendo dos resistencias ms de las que fueron incluidas en el clculo de U. El equipo es diseando anticipando la deposicin de basura e incrustaciones, introduciendo una resistencia Rd llamada factor de basura, incrustacin o de obstruccin. Supngase Rdi para el fluido del tubo interior y sus dimetro interior y Rdo para el fluido del anulo en el dimetro exterior del tubo interior, estos factores pueden considerarse demasiados delgados para lodos pero apreciablemente gruesos para incrustaciones, que tienen conductividad trmica mayor que los lodos. El valor de U obtenido nicamente a partir de 1/hio y 1/ho puede denominarse coeficiente total limpio UC para demostrar que los lodos o basura no se han tomado en cuenta. El coeficiente que incluye la resistencia de lodos se llama de diseo o coeficiente total de lodos UD.

El valor de A correspondiente a UD en lugar de UC proporciona las bases en las cuales el equipo debe ser hecho en ltima instancia. La correlacin entre los dos coeficientes totales UC y UD es:

Si: Rdi +Rdo = Rd

Entonces se tiene:

Fig.3 Imagen en vista frontal de un intercambiador de calor

Trampa de vaporLas trampas de vapor son un tipo de vlvula automtica que filtra el condensado (es decir vapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin dejar escapar al vapor. En la industria, el vapor es regularmente usado para calentamiento o como fuerza motriz para un poder mecnico. Las trampas de vapor son usadas en tales aplicaciones para asegurar que no se desperdicie el vapor.Para calentar un producto a bajo costo se utiliza vapor. Generalmente se introduce en un espacio a propsito para que el calor se transmita en el rea disponible.

Al condensarse el vapor despus de haber transmitido su calor, es necesario desalojar el condensado.

Si dejramos abierta la salida del condensado, al salir todo, habra una fuga de vapor junto con el condensado.

Para evitar este problema se utiliza una trampa de vapor, la cual solo deja salir el condensado sin dejar pasar el vapor.

De esta forma la trampa slo acta automticamente abriendo cuando hay condensado y cerrando cuando hay vapor presente.

Qu es el vapor flash?Cuando se tiene condensado caliente o agua hirviendo, presurizados, y se libera a una presin ms baja, parte de esos lquidos se vuelven a evaporar, y a esto es a lo que se le llama Vapor Flash o Vapor Secundario.El Vapor Flashes importante porque guarda unidades de calor o energa que pueden ser aprovechado para una operacin ms econmica de la planta. De lo contrario, esta energa es desperdiciada.Cmo se forma?Cuando el agua se calienta a la presin atmosfrica, su temperatura se eleva hasta que llega a100C, la temperatura ms alta a la que el agua puede an existir como lquido a esta presin. Cualquier calor adicional no eleva la temperatura, sino que transforma el agua en vapor.El calor que es absorbido por el agua cuando eleva su temperatura hasta el punto de ebullicin se llama Calor Sensible o Calor del Lquido Saturado.El calor que se necesita para transformarle agua en ebullicin a vapor a la misma temperatura se llama Calor Latente. La unidad de calor que se usa comnmente es la calora (cal), la cual representa la cantidad de calor requerida para elevarla temperatura de un gramo (g) de agua, a la presin atmosfrica, en un grado centgrado (C).Sin embargo, si el agua se calienta a presin, su punto de ebullicin es ms alto que 100C y consecuentemente el Calor Sensible requerido es mayor.Mientras ms alta sea la presin, ms alto ser el punto de ebullicin y mayor el calor requerido. Cuando la presin se reduce, una cierta cantidad de Calor Sensible es liberado. Este calor es entonces absorbido en la forma de Calor Latente, lo cual causa que una cantidad del agua se convierta en Vapor Flash.

VII.DETALLES EXPERIMENTALES MATERIALES Intercambiador de calor de doble tubo de y 01 termmetro de mercurio. 01 Cronometro. 02 baldes de plstico. 02 probetas graduadas 04 Termmetros instalados en el equipo. 01 cinta mtrica de 150 cm. 01 Balanza

PROCEDIMIENTO 1. Antes de iniciar las mediciones se realizan las mediciones de las tuberas del equipo. 2. Poner en funcionamiento la caldera con el fin de generar vapor de agua que es necesario en el intercambiador comprobando que exista la cantidad adecuada de combustible.3. Abrir la vlvula de entrada del lquido de agua fra del intercambiador y regular el flujo en tres medidas: 20, 45,70 L/min.4. Abrir la vlvula de entrada de vapor de agua mantenindolo a la presin de 5 psia en toda la experiencia y dejar que el sistema se estabilice( es decir que el agua fluya por todo el equipo)5. Anotar las temperaturas en los puntos de entrada y salida tanto del vapor de agua como del agua fra.6. Pesar los recipientes para un volumen determinado de condensado7. Recolectar en un balde el condensado que sale del intercambiador por un lapso de tiempo, y luego pesarlo para obtener un flujo msico de vapor condensado.8. Repetir este procedimiento para los caudales 45LPM y 75LPM obtenidos regulando la vlvula de entrada de agua.

Diagrama del intercambiador de calor

Trampa de vapor

Diagrama de flujo de produccin de vapor en el laboratorio

VIII. RESULTADOS

T (C)19

P (mmHg)756

Tabla 1: Condiciones de laboratorio.

Tabla 2: Dimensiones del intercambiador.Tubera de aceroTubo internotubo externo

Dimetro nominal1 " Cd 402" Cd 40

Dimetro interior di (ft)0.1150.205

Dimetro exterior do (ft)0.1380.240

Longitud (ft)9.8409.840

Ref: problema de flujo de fluidos , AntonioValienteBarderas , Segunda Edicion, Apendice XXXI, Pag 700

Tabla 3: Datos tomados del lquido saturado a 14.7 psi.

Fluido calienteFluido frio

CorridaQ (L/min)w liq sat (kg)Temp. Entrada T1 (C)Temp. Salida T2 (C)Temp. Entrada t1 (C)Temp. Salida t2 (C)

1253.6784106.69103.7823.5639.97

23.6488107.59102.7623.1540.98

33.2412107.84103.9322.8141.10

107.37103.4923.1740.68

1504.2732106.54101.8722.5432.82

24.2437107.18102.1522.9632.25

34.2000106.54101.7622.6332.88

106.75101.9322.7132.65

1705.9751106.4384.8822.5629.61

25.750.5106.4983.9122.6929.35

35.7318106.5984.7822.7929.63

106.5084.5222.6829.53

Tabla 4: Flujos msicos del lquidoQ (L/min)P man (Psi)w liq sat (kg)t (s)W liq sat(lb/h)

2053.678430097.3

3.648830096.5

3.241230085.7

Prom93.2

4554.2732300113.0

4.2437300112.3

4.2000300111.1

Prom112.1

7555.9751300158.1

5.750.5300152.1

5.731.8300151.6

Prom153.9

Tabla 5: Resultados obtenidos de flujos msicos del balance en la trampa de vapor.Ent. a la trampa a 19.7psiSalida de la trampa a 14.7psi

Q (L/min)W liq sat(lb/h)W liq sat(lb/h)W vap.sat (lb/h)

2094.793.21.5

45113.9112.11.8

75156.4153.92.4

Tabla 6: Resultados del calor perdido por el fluido caliente.Fluido calienteFluido frio

Q (L/min)W liq sat (Lb/h)Temp. Entrada T1 (F)Temp. Salida T2 (F)Temp. Entrada t1 (F)Temp. Salida t2 (F)Q p (Btu/h)Q c f (Btu/h)Qpfc (Btu/h)

2094.67225.27218.2873.71105.22324.9391842.6092167.53

45113.92224.15215.4772.8890.77485.50110510.56110996.06

75156.38223.70184.1472.8285.153037.52151704.24154741.76

Q p (Btu/h): calor perdido por enfriamiento.Q c f (Btu/h): calor perdido por cambio de fase.Q pfc (Btu/h): calor perdido total por el fluido caliente.

Tabla 7: Flujo msico del fluido frio y calor al ambiente

Fluido frioFluido caliente

Q (L/min)W f (lb/h)Q g f (Btu/h)Qpfc (Btu/h)

2025958176692167

455897105493110996

759828121179154742

Tabla N 8: Iteraciones para cada caudal Tabla 8.1 Resultados obtenidos para 20 L/minQ(L/min)# Iteracin1234

20Tw(C)68.6893.3396.2196.75

TF (C)88.55100.87102.31102.58

(N.s/m2)0.0003200.0002730.0002710.00027

(Kg/m3)966.3957.20956.22956.03

k (W/m.K)0.6740.6800.6810.681

To (K)36.7512.19.228.68

(KJ/kg)2260226022602260

do (m)0.042160.042160.042160.04216

g (m/s2)9.819.819.819.81

ho (W/m2K)7718.210610.311356.511566.67

Tw *93.3396.2196.7596.89

Tabla 8.2 Resultados obtenidos para 45 L/minQ(L/min)ITERACIONES1234

45Tw C66.0184.7787.1787.60

Tf C87.2196.5997.7998.01

(N.s/m2)0.0003160.0003140.0003140.000314

(Kg/m3)965.573965.566965.560965.553

(KJ/kg)2260226022602260

K (w / mk )0.67530.67540.67550.6756

g (m/s2 )9.89.89.89.8

d00.04220.04220.04220.0422

T38.6719.5717.1716.74

h07644.219078.519381.389442.06

Tw nuevo84.7787.1787.6087.68

Tabla 8.3 Resultados obtenidos para 75 L/min

Q(L/min)ITERACIONES1234

75Tw C60.8172.1074.2474.66

TF C84.6190.2691.3390.54

(N.s/m2)0.000360.000310.000300.0003

(Kg/m3)969.960964.785964.920964.89

(KJ/kg)2260226022602260

K (w / mk )0.6720.67590.67600.6760

g (m/s2 )9.89.89.89.8

d00.04220.04220.04220.0422

T34.723.1021.2720.85

h07591.528739.108996.359041.18

Tw nuevo72.1074.2474.6674.73

Tabla N 9: Coeficientes de Pelcula

Q (L/min)hio (Btu/h.ft2.F)hio (w/m^2 K)ho (w/m^2 K)

20267.91521.411566.67

45461.52620.789442.06

75680.33863.39041.18

Tabla N10: Coeficientes de Pelcula (hi y hio)Q (L/min)W f (lb/h)t media (F) u a F (lb/ft.h)RePr hi (Btu/h.ft2.F)hio (Btu/h.ft2.F)

202595.089.51.906150555.4321.5267.9

455897.081.82.063316085.8553.8461.5

759828.079.02.156504066.1816.4680.3

Procesos de T. Calor Kern . Tabla 4 , pg. 906 Perrys Chemical Engineers Handbook. 8 edicin. Mc Graw Hill Companies, Inc. USA. Captulo 2 Physical and chemical data Pg. 432

Tabla N 11: Coeficiente global de transferencia de calor Uc, Ud y el factor de incrustacin.Q (L/min)T1-t2T2-t1MLDT (F)UD UCRD

25120.05144.57131.93169.56236.200.001663

50133.38142.59137.93195.32362.350.002360

70138.55111.32124.44301.82469.810.001184

IX. DISCUSION DE RESULTADOS Los valores de la tabla N 5 muestran que a medida que aumenta el flujo del agua fra (tubo interno), el flujo de salida del anulo tambin aumenta. Esto se explica que cuando hay mayor cantidad de lquido frio , la pared del tubo interior se enfra y ofrece mayor capacidad de transferencia de calor del vapor en el anulo al lquido del tubo interior y esto hace que el vapor sede mayor cantidad de calor tanto sensible como latente y por ende mayor ser la masa condensado

En la tabla N 7 se muestran los valores calculados para el calor cedido por el vapor y el ganado por el agua .Entre estos valores existen diferencias; no todo el calor cedido es absorbido por el agua, existe una parte que se pierde por conveccin al aire y estos valores varan de acuerdo al flujo de agua fra.

Los coeficientes de pelcula de condensacin (ho) en el anulo varan de manera inversa con el caudal del lquido fri en el tubo interno , es decir cuando aumenta el caudal del lquido fri ,disminuye el (ho) ; esto se debe a que mientras pasa ms cantidad de lquido frio por la tubera ,la temperatura de la pared del tubo interno (Tw) va a disminuir, el cual hace que la diferencia de temperaturas entre el vapor saturado (Tvs) del anulo y de la pared del tubo interno (Tw) aumenta, por ende el (ho) disminuye ya que la diferencia de temperatura se relaciona de manera inversa con el (ho), esto se aprecia en la tabla N 8 .

En la tabla N 9, los coeficientes globales de transferencia de calor de diseo (UD),para el intercambiador de doble tubo que opera a 5 psia con vapor de agua (fluido caliente) y agua lquida (fluido fro), resultan ser: 169.56, 195.32, 301.82 para flujos de agua lquida de 94.67 113.92 156.38 Lb/h , respectivamente. Adems de ello se observa que el coeficiente de transmisin de calor total limpio (Uc) es mucho mayor que el coeficiente de transferencia de calor total (Ud), esto se debe a que la capa de incrustacin reduce la velocidad de transmisin de calor entre el lquido y el vapor por el desgaste de la tubera a raz del paso del tiempo, a la cual denominamos factor de incrustamiento (Rd), adems Ud varia con las propiedades del fluido.

Como se trabaja en el mismo intercambiador se supone que el factor de incrustamiento (Rd) debera ser constante, pero en la tabla N 10 se observa una pequea diferencia que oscilan entre 0.001184 y 0.001663 que se deben posiblemente a errores de clculo tras operar en diferentes ecuaciones y a las variaciones de los Ud y Uc .

Las posibles fuentes de error experimental para la determinacin de los coeficientes radicaran en: la recoleccin de lquido condensado, perdida del condensado al ser vaciado en la probeta el cual se usa para realizar los clculos de balances de materia en la trampa de vapor y de flujo de calor para el fluido caliente, y la medicin de la temperatura mediante termmetros de reloj, puesto que stos son poco sensibles y las variaciones de temperatura del vapor son menores a 10C, por lo que podran no ser registrados adecuadamente e influir notablemente en la determinacin de coeficientes globales y de coeficiente de ensuciamiento.

X. CONCLUSIONES Los porcentajes de calor perdido permiten indicar si el aislamiento se encuentra en un buen estado, pues este calor se pierde al medio ambiente. Los valores obtenidos % para cada caudal medido. Estas prdidas se pueden atribuir a la conduccin axial y a un inadecuado aislamiento, que genera un desprendimiento de calor hacia el medio ambiente.

Los coeficientes globales de transferencia de calor de diseo (UD), para el intercambiador de doble tubo que opera con vapor de agua (fluido caliente) y agua lquida (fluido fro), son: 169.56, 195.32, 301.82 para 20, 45 y 75LPM, respectivamente.

El coeficiente de ensuciamiento (Rd) para el intercambiador de doble tubo empleado es de 0.0017 m2.K /W (valor promedio), y tomando de referencia un valor recomendable de 0,0005 m2.K /W por lo que el intercambiador no requiere de mantenimiento.

Las medidas de los coeficientes Ud y Uc, as como Rd se ven afectadas por errores experimentales, como son las prdidas en el volumen cuando se realiza la coleccin de condensado, el pesado de la masa del condensado y adems la incorrecta lectura de los intervalos de temperatura cuando stas aun no se mantienen constante.

La trampa de vapor es una vlvula automtica cuya misin es descargar condensado y permitir hallar flujo msico; sin embargo, hemos considerado que en la entrada de la trampa solo entra lquido saturado sin ninguna fraccin de vapor; por cuestiones prcticas.

Con el paso del tiempo y el uso el intercambiador de calor se forman incrustaciones que dan como resultado un aumento a la resistencia a la transferencia de calor, originando una reduccin en la velocidad de intercambio de calor.

XI. RECOMENDACIONES

1. Mantener constante la presin de 5psi en el manmetro de entrada de vapor, as como tambin la vlvula reguladora del rotmetro.2. esperar que se estabilice las cuatro temperaturas que se muestran en el software, para iniciar el llenado del lquido saturado en el balde durante 5minutos.3. Se recomienda tener el equipo conectado a tierra, para evitar las fluctuaciones que se muestra en el software.4. Calibrar la balanza antes de cada pesada para obtener datos ms precisos.5. Se debera de contar con un calormetro en el ingreso del vapor para poder calcular as la calidad del vapor que ingresa al intercambiador, ya que en el presente informe se asume vapor saturado pero desconocemos si esto realmente se cumple. 6. Verificar el aislamiento del sistema. De ser necesario, cambiar o modificar el espesor del aislante, para evitar errores por prdidas de calor.

XII. BIBLIOGRAFIA

1. Perrys Chemical Engineers Handbook. 8 edicin. Mc Graw Hill Companies, Inc. USA. Captulo 2 Physical and chemical data Pg. 4322. Kern , Procesos de Transferencia de Calor, Editorial Continental S.A de CV; Mxico, Dcimo sptima impresin 1989 pg. 846-847 ; 581-618 y 906 3. AntonioValienteBarderas , problema de flujo de fluidos , Segunda Edicion, Apendice XXXI, Pag 7004. Frank P. Incropera, Fundamentos de Transferencia de Calor, cuarta edicin, Editorial pearson, Mexico ao 1999, pg 846-847 y 581-618.5. Termodinmica, Autor: A Cengel, Sexta edicin, tabla A-3E, pag 962

XIII. APNDICE 1

1. CALCULOS:

Para el fluido frio (20 L/min) y fluido caliente (Pv= Patm+ Pman =19.7psia)

1. Balance de materia y energa en la trampa.

Vapor SaturadoCondensadoLquido Saturado

Trampa de vapor

Donde:

Referencia: Termodinmica, Autor: A Cengel, Secta edicin, tabla A-5E, pg. 966

Reemplazando (1) en (2), se obtiene:

Reemplazando los valores obtenidos en (3):

De (1) se obtiene que:

En el laboratorio se realizaron tres pruebas, obteniendo como resultado promedio:

1. Calor perdido por el fluido caliente. (Qpfc)

Donde:

==

Referencia: Termodinmica, Autor: A Cengel, Sexta edicin, tabla A-3E, pag 962

Remplazando los valores en (6):

1. Flujo msico del lquido frio y calor ganado:

: Flujo msico del lquido frio: Calor especifico del lquido frio=: Temperatura de salida=105.22F: Temperatura de entrada=73.71 F

Wff=2595 lbm/h

1. Coeficientes de transferencia de calor en el tubo interno (hi, hio)

Se calcula el Reynolds dentro en el tubo interno:

Donde:

Reemplazando en (8):

Ahora se calcula el Prandtl:

Donde:

Fuente: Procesos de transferencia de calor, Autor: Kern , tabla 4 , pag 906Reemplazando los datos en (9):

Dado que, se usa la siguiente relacin:

Donde:

Luego, despejando el valor de en (10):

Teniendo en cuenta:

Entonces:

Reemplazando en (11) se obtiene:

Adems se sabe que:

)

Reemplazando los valores en (12):

Realizamos un cambio de unidades, para la facilidad a la hora de adquirir las propiedades termodinmicas a la temperatura intermedia.

=1521.4 Determinacin del ho (coeficiente de pelcula del lado del nulo)

Dnde: Tw(K): Temperatura de la superficie exterior del tubo interno que se determina por iteracin. Realizaremos los siguientes pasos para la iteracin:1. Hallamos el Tw promedio aparente2. Calculemos el Tf3. Buscar propiedades a Tf (, k y )4. Calculemos el valor de ho5. Calculemos el valor de Ti6. Calculemos el valor de Twi7. Si Twi= Tw asumido entonces se dir que la iteracin termina.

Tomemos como ejemplo el primer caso, iteracin a la presin de 19.7 psia, la temperatura del vapor saturado es:

Las propiedades termodinmicas se tomarn a la T=88.55+273=361.55 K

El nuevo Tw:

Y de la misma forma se procede con las dems iteraciones:# Iteracin1234

Tw(C)68.6893.3396.2196.75

TF (C)88.55100.87102.31102.58

(N.s/m2)0.0003200.0002730.0002710.00027

(Kg/m3)966.3957.20956.22956.03

k (W/m.K)0.6740.6800.6810.681

To (K)36.7512.19.228.68

(KJ/kg)2260226022602260

do (m)0.042160.042160.042160.04216

g (m/s2)9.819.819.819.81

ho (W/m2K)7718.210610.311356.511566.67

Tw *93.3396.2196.7596.89

Y de la misma manera se realiza para los siguientes caudales. Determinacin de la Diferencia media logartmica de temperaturas (DMLT)

As para caudal se hallan las dems diferencias medias logartmicas.

Determinacin del coeficiente global de transferencia sucio.

Determinacin del coeficiente de transferencia de calor limpio.

Determinacin del coeficiente de incrustacin

Los resultados obtenidos de igual manera de los caudales 45 y 75 LPM, se muestran en las tablas de resultados.1. GRFICAS:Grafica 2.1 Estimacin de RD RD (h.ft2.F/Btu) vs Q (L/min)

Grafica 2.1 Estimacin de UD:UD (Btu/h.ft2.F) vs Q (L/min)

APNDICE 2

El uso de un pozo a tierra:

Las Barreras de Seguridad Intrnseca pasivas utilizan diodos Zener para limitar el voltaje hacia el rea clasificada, as como resistencias y fusibles para limitar la corriente.Una conexin separada y aislada a un electrodo de puesta a tierra minimiza la posibilidad de que las corrientes de falla de otros equipos eleven el potencial de la tierra de seguridad intrnseca. Se debe tener cuidado con los electrodos de los sistemas de puesta a tierra a los cuales se les conecta fuentes potenciales de poder y aparatos intrnsecamente seguros.Todas las conexiones a tierra deben ser seguras, permanentes, visibles y accesibles. La resistencia del cable de puesta a tierra desde la barrera ms lejana hasta el electrodo de tierra no debe exceder 1 . La integridad del sistema de aterramiento es fundamental para mantener la seguridad intrnseca que proveen las barreras Zener.

Formacin de caliche y carbonatos en las tuberas:

La acumulacin de sedimentos minerales es uno de los problemas de produccin que ms preocupan a los ingenieros de produccin. Se trata de un conjunto de depsitos que se incrustan en los orificios caoneros, los revertidores, las tuberas de produccin, las vlvulas, las bombas y los equipos de complementacin del pozo, de manera tal que se obstruyen el hueco e impiden el flujo normal de los fluidos. Las incrustaciones como ocurre en los caos de agua o en las teteras de agua de todos los hogares, se pueden depositar a lo largo de toda la trayectoria que sigue el agua.Las incrustaciones pueden desarrollarse en los poros de la formacin en las cercanas del pozo, con lo cual la porosidad y la permeabilidad de la formacin se ven reducidas. Asimismo pueden llegar a bloquear el flujo normal de cuando se obstruyen los caoneos o se forma una capa espesa sobre las paredes de las tuberas de produccin.Estas formaciones de carbonatos tambin afectan la transmisin de calor lo que genera prdidas grandes en el proceso.Algunas incrustaciones minerales, como el carbonato de calcio se pueden disolver con acidos, mientras que en otros casos no funciona.

Phd. Ricardo Felipe Lama RamirezPgina 36