UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN CAMPO 1 L E M III INFORME EXPERIMENT
Views 65 Downloads 0 File size 786KB
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN CAMPO 1 L E M III
INFORME EXPERIMENTAL “BANCO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR (I NTERCAMBIADOR DE TU TUBOS DE VIDRIO Y CORAZA DE VIDRIO ) (INTERCAMBIADOR DE TUBOS DE ACERO INOXIDABLE Y CORAZA DE VIDRIO) E INTERCAMBIADOR DE PLACAS ”
INTEGRANTES : CABAÑAS ISLAS JUAN MANUEL MANJARREZ V ALTIERRA BELEN CECILIA ARELLANO RAMÍREZ E STEFANÍA SÁNCHEZ ROSARIO HUMBERTO
PROF. MARÍA E LENA QUIROZ MACÍAS Y ANA MARÍA SIXTO BERROCAL
INGENIERÍA QUÍMICA GRUPO: 1501 SEMESTRE 2020-1
FECHA DE ENTREGA: 26/11/2019
INTRODUCCION La práctica consta de dos tipos de intercambiadores donde se tendrá la oportunidad de comparar entre ellos cual es el mejor dentro de los arreglos que se pueden tener en el intercambiador: Flujo Paralelo Flujo contracorriente Así como el material que es capaz de conducir mejor la temperatura para los equipos de transferencia de calor, que en este caso será: Tubos de vidrio y coraza de vidrio Tubos de acero inoxidable y coraza de vidrio Así como los equipos de transferencia de calor de Tubos o multitubos Placas En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente. En la figura siguiente se muestran esquemas de las dos configuraciones así como la evolución de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas:
Los intercambiadores de calor de placas son ideales para aplicaciones en las que los fluidos tienen una viscosidad relativamente baja y no contienen partículas. Además son una elección ideal donde existe un pequeño salto térmico entre la temperatura de salida
del producto y la temperatura de entrada del servicio. Los intercambiadores de calor a placas consisten en delgadas planchas corrugadas, empaquetadas (gásquet / desmontables con juntas) o bien soldadas con Cobre. Las placas son apretadas unas contra otras formando el paquete de placas dentro de un bastidor, en el que el flujo de producto se encuentra en canales alternos y el servicio entre los canales del producto. Su esquema es el siguiente:
GENERALIDADES El coeficiente de conductividad térmica es una característica de cada sustancia y expresa la magnitud de su capacidad de conducir el calor. Su símbolo es la letra griega λ.
Material
Conductividad Térmica (W/(m·K))
Vidrio
0,6 - 1
Acero inoxidable 16,3 Se mide en watts por metro cuando el incremento de temperatura es de 1°K (grado Kelvin, que tiene la misma magnitud que 1°C pero establece su punto cero en -273.15°C o cero absoluto. Los materiales que son pobres conductores (bajo valor de conductividad térmica), como la madera, se utilizan como aislantes, es por eso que al usar utensilios de madera para cocinar podemos tocarlos sin quemarnos. El aire también es un buen aislante, de ahí que las paredes de muchos hornos tienen un vidrio doble con aire en el medio para evitar pérdidas de calor. El cobre y el aluminio son los mejores conductores del calor, es decir, permiten que éste llegue al alimento de una manera mucho más rápida. Como conclusión tenemos que el cobre y el aluminio, al ser los mejores conductores, se calentarán mucho más rápidamente que el vidrio, la cerámica y el acero inoxidable. Tubos de vidrio:
Alta precisión geométrica, excelentes propiedades ópticas permiten un ensamblaje fácil, una alta funcionalidad y bajos niveles de mantenimiento Resistencia extraordinaria ante la corrosión, es químicamente inerte y no es combustible. Propiedades térmicas: Rango de transformación: 520 - 550°C Temperatura para su emblandecimiento : approx. 600°C Calor específico : 0.8 J/g/K Contrariamente a los cuerpos sólidos de estructura cristalina, el vidrio no tiene punto de fusión definido. Se transforma continuamente desde el estado sólido al estado plástico viscoso.
Tubos de acero inoxidable: El acero inoxidable se han convertido en el material más utilizado por muchas industrias, hogares, comercios, entre otros establecimientos. Esto se debe a las grandes propiedades y características que ofrece.
Este metal es considerado como un material casi universal e ideal para cualquier aplicación y ambiente.
Debido a su alto contenido en cromo, el acero inoxidable cuenta con una excelente resistencia a la corrosión. Es capaz de generar naturalmente una capa protectora cuando entra en contacto con el ambiente. Esta capa de óxido de cromo protege a la superficie y se regenera cada vez que sufre daños.
En comparación con otros metales, el acero inoxidable es capaz de soportar temperaturas extremas sin sufrir deterioro ni alteraciones. Puede ser aplicado en temperaturas invernales sin riesgo de fragilización o rotura.
OBJETIVOS
Comprender la importancia del coeficiente de transferencia de calor como medida de la eficiencia de un intercambiador y estudiar sus variaciones al cambiar el material de construcción del intercambiador de calor y modificando la dirección de flujo. Aplicar los conceptos de transferencia de calor para resolver el problema experimental planteando para el intercambiador de placas y adquirir una mejor comprensión en la obtención de los coeficientes de transferencia de calor y sus mecanismos. Conocer el uso de los intercambiadores de calor de placas.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Banco de intercambiadores de calor: Fijar una temperatura en el equipo de entre 45-52°C
Una vez alcanzada esta temperatura se tomaran las lecturas cuando en el tablero la temperatura no se altere notablemente. Este procedimiento se seguirá para los dos intercambiadores de calor en cada uno se deberá esperar a llegar a la temperatura fijada. La cantidad de flujo se medirá al concluir los registros de temperatura con ayuda del “Probetometro”. Al término de la práctica se deberá vaciar el equipo.
Intercambiador de placas: Fijar una temperatura en el equipo de entre 45-52°C Una vez alcanzada esta temperatura se tomaran las lecturas cuando en el tablero la temperatura no se altere notablemente En este caso las mediciones se tomaran en paralelo y a contracorriente en donde el profesor explicara que llaves serán manipuladas para cada arreglo. RESULTADOS Temperatura de trabajo: 50°C VIDRIO- VIDRIO
Coraza
Tubos
Frio Caliente
Corrida 1 Temp. entrada Temp. Salida Temp. entrada Temp. Salida Flujo 1 Flujo 2 Flujo 1
(3 vueltas) 18. 1°C 29°C 31°C 20.8°C 1.5L Y 2L 1.7L Y 1.750L 2L
Corrida 2 (12 vueltas) Temp. 18.5°C entrada Temp. 30°C Salida Temp. 33.2°C entrada Temp. 21.6°C Salida Tiempo: 3seg
VIDRIO- ACERO INOXIDABLE
Coraza
Tubos
Frio Caliente
Corrida 1 (3 vueltas) Temp. 19.1°C entrada Temp. 29.7°C Salida Temp. 42.1°C entrada Temp. 40.6°C Salida Flujo 1 1.5L Y 2L Flujo 2 1.7L Y 1.750L Flujo 1 2L
Corrida 2 (12 vueltas) Temp. 19.5°C entrada Temp. 31.4°C Salida Temp. 45.2°C entrada Temp. 43.5°C Salida Tiempo: 3seg
Placas: PARALELO: Placa fria
Placa caliente
Corrida 1 Temp. entrada Temp. Salida Temp. entrada Temp. Salida
(3 vueltas) 20.5°C
Corrida 1 Temp. entrada Temp. Salida Temp. entrada Temp. Salida
(3 vueltas) 21.1°C
28°C 47°C 44°C
Corrida 2 Temp. entrada Temp. Salida Temp. entrada Temp. Salida
(12 vueltas) 20.4°C
Corrida 2 Temp. entrada Temp. Salida Temp. entrada Temp. Salida
(12 vueltas) 20.6C
36°C 47.3°C 44.3°C
CONTRACORRIENTE: Placa fria
Placa caliente
38°C 47.5°C 45°C
38°C 48°C 45°C
BANCO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR (INTERCAMBIADOR DE TU TUBOS DE VIDRIO Y CORAZA DE VIDRIO ) (INTERCAMBIADOR DE TUBOS DE ACERO INOXIDABLE Y CORAZA DE VIDRIO)
Elaborar diagramas de temperatura. (Solo paralelo) Vidrio- Vidrio 35 30 25 20
Tubos
15
Coraza
10
5 0 0
2
4
6
8
10
12
Vidrio- acero inoxidable 50 45 40 35 30 25
Tubos
20
Coraza
15 10 5 0 0
2
4
6
8
10
12
Obtener los coeficientes de calor teórico y experimental. Vidrio- Vidrio Propiedades del H2O fría (coraza): LMT µ Cp K (Btu/ m(lb/h) Q D (°F) (lb/ft3) (cp (Btu/lb°C hft´2(°F/ft) (BTU/lb°F) ) ) ) 52.16 Ent1 1 0.34586 4621.28 241046.173 62.345 4 4 5
Area superficia l 5.9310
50.02
Sal62.160 1
0.9
1
0.35556
4543.77 6
227279.675 5
5.9310
Propiedades del H2O caliente (tubos): LMTD(°F)
(lb/ft)
37.6695
Ent62.1414 Sal62.3080
µ Cp K (Btu/ M(lb/h) Q Area (cp) (Btu/lb°C) hft´2(°F/ft)) (BTU/lb°F) superficial 0.9 1 5210.712 71074.1116 5.9310 1
1
0.34837
5.9310
Vidrio- Acero inoxidable Propiedades del H2O fría (coraza): LMT D (°F)
(lb/ft)
52.25
Ent.62.333 6 Sal.62.121 4
65.17
µ (cp ) 1
Cp (Btu/lb°C ) 1
K (Btu/ hft´2(°F/ft) ) 0.34672
M(lb/h)
Q (BTU/lb°F)
4620.2 4
241407.54
0.8
1
0.35645
4540.6 8
295916.115 6
Area superficia l 5.9310
5.9310
Propiedades del H2O caliente (tubos): LMTD(°F)
(lb/ft)
66.
Ent.61.8436 Sal.61.8948
µ Cp K (Btu/ (cp) (Btu/lb°C) hft´2(°F/ft)) 0.7 1 0.3673 0.7
1
M(lb/h)
Q (BTU/lb°F)
6549.84
0.36604
Uexp. Vidrio-Vidrio 43.27836 50.77058 65.78474
Vidrio- Acero Inoxidable 39.07614 46.61686 58.89747
Area superficial 5.9310 5.9310
De tubos--- 0.046875 Di tubos --- 0.044266 Nt --- 13 Área de flujo ---.0024 ft2
VIDRIO- VIDRIO De los tubos: G 62746.7699 62792.4757
Re 4086.1650 4088.4130
Pr 1.576568 1.645798
hi 179.4696 174.8789
hio 155.0987 161.9899
De la coraza: G 543479.2178
Re 90448.01868
Pr 2.676897
hi 2096.6876
ho 2099.084
616533.3076
909924.3768
2.798768
2026.7898
2097.590
VIDRIO-ACERO INOXIDABLE De los tubos: G Re 817646.8632 58086.1650 814667.7868 57089.4130
Pr 1.577568 1.648798
hi 907.1098 917.8778
hio 855.0987 861.9899
De la coraza: G 24347921.78
Re 4044801.868
Pr 2.846897
ho 2096.6876
21653330.76
5099243.768
2.568768
2026.7898
U. Teórico Vidrio-Vidrio 144.4271 150.4434
Vidrio- Acero Inoxidable 607.3863 604.7786
Comprar los resultados obtenidos en cuanto al material del intercambiador (de tubos de vidrio y acero inoxidable) Evidentemente los coeficientes de transferencia de calor de los tubos de acero inoxidable son mayores que los de tubos de vidrio esto debido a que son mejores conductores de calor. Comparar los resultados obtenidos en cuanto al tipo de corriente
Se tiene una mejor transferencia de calor en el arreglo de flujo contracorriente. Los coeficientes de transferencia de calor son mayores en el intercambiador de tubos de acero-vidrio en un arreglo a flujo contracorriente. Graficar los coeficientes de calor vs Re. VIDRIO- VIDRIO 250
200
150 Uteo
100
Uexp
50
0 4086.165
4088.413
RE
90448.01868
VIDRIO-ACERO INOXIDABLE 700 600 500 400 300 200 100 0 58086.165
57089.413
58086.165
RE Uexp
Uteo
Comparar los resultados obtenidos y concluir cuál de los dos tipos de flujo es más eficiente y en cual según los materiales de los tubos.
Para poder obtener una mayor eficiencia de transferencia de calor el equipo más adecuado es el de tubos de acero con un arreglo a contraflujo ya que suele tener un coeficiente de transferencia de calor experimental mayor.
INTERCAMBIADOR DE PLACAS
Calcular los coeficientes individuales y globales de transferencia de calor teórico y experimental. Cálculo del U teórico. Arreglo en paralelo. Propiedades de los fluidos a cada temperatura media. Sistema paralelo Fluido caliente Corrida
1 2
ρ (lb/ft ) 3
61.749 61.795
Fluido frío Cp
k(
𝐵𝑡𝑢 ) ℎ𝑓𝑡°𝐹
µ (cP)
𝐵𝑡𝑢 ( ) 𝑙𝑏°𝐹
0.3712
0.564
0.3698
0.581
Cp
ρ (lb/ft )
k(
𝐵𝑡𝑢 ) ℎ𝑓𝑡°𝐹
µ (cP)
𝐵𝑡𝑢 ( ) 𝑙𝑏°𝐹
1
62.237
0.3530
0.862
1
1
62.222
0.3538
0.845
1
3
Sistema contracorriente Fluido caliente Corrida 1
ρ (lb/ft ) 3
Cp
k(
𝐵𝑡𝑢 ) ℎ𝑓𝑡°𝐹
µ (cP)
𝐵𝑡𝑢 ( ) 𝑙𝑏°𝐹
0.3678
0.606
0.3683
0.598
61.858
2
Fluido frío
61.84
Cp
ρ (lb/ft )
k(
𝐵𝑡𝑢 ) ℎ𝑓𝑡°𝐹
µ (cP)
𝐵𝑡𝑢 ( ) 𝑙𝑏°𝐹
1
62.192
0.3552
0.814
1
1
62.181
0.3557
0.804
1
3
Calculo del Re y del G.
Corrida
G F.c. ( 𝑙𝑏 )
1
1.62E+02
2
1.62E+02
Re F.c.
G F.f. ( 𝑙𝑏 )
Re F.f.
1.15E+01
1.09E+03
5.04E+01
1.11E+01
1.33E+03
6.27E+01
ℎ𝑓𝑡2
ℎ𝑓𝑡2
Cálculo de coeficientes individuales de transferencia de calor. hc (
Corrida
𝐵𝑇𝑈
ℎ 𝑓𝑡 °𝐹
1
)
ℎ 𝑓𝑡 °𝐹
2.25E+01
2.15E+01
Cálculo del U teórico. Corrida 1 2
Arreglo en contracorriente.
)
2.15E+01
2.26E+01
2
𝐵𝑇𝑈
hf (
U teo (
𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹
1.08E+01 1.08E+01
)
Cálculo de Re. Re F.c.
G F.f. ( 𝑙𝑏 )
Re F.f.
1.07E+01
7.63E+02
3.73E+01
1.08E+01
8.39E+02
4.15E+01
G F.c. ( 𝑙𝑏 )
Corrida
ℎ𝑓𝑡2
1
1.63E+02
2
1.63E+02
ℎ𝑓𝑡2
Cálculo de coeficientes individuales de calor. hc (
Corrida
𝐵𝑇𝑈
ℎ 𝑓𝑡 °𝐹
1
)
ℎ 𝑓𝑡 °𝐹
)
2.16E+01
2.24E+01
2
𝐵𝑇𝑈
hf (
2.24E+01
2.16E+01
Cálculo de U teórico. U teo (
Corrida 1
𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹
)
1.07E+01
2
1.08E+01
Cálculo del U experimental. Arreglo en paralelo.
Balance de materia para calcular el Q total. Corrida
Q perdido (Btu/h)
1
-105.9788
2
-106.0577
Q ganado (Btu/h)
Q total (Btu/h)
5736.4329
5630.4541
7189.7755
7083.7178
Calculo del coeficiente global de transferencia de calor. Corrida
U exp (
𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹
)
1
25.4297
2
37.0480
Arreglo en contracorriente. Cálculo del Q total. Corrida
Q cedido (Btu/h)
1
-165.1469
2
-82.5494
Q ganado (Btu/h)
Q total (Btu/h)
5839.0243
5673.8774
6756.5760
6674.0266
Cálculo del U experimental. Corrida 1 2
U exp (
𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹
)
40.8935 50.1937
Graficar los coeficientes globales (teórico y experimental) contra el numero de Reynolds
U exp y U teorico vs Re 60
50
U exp y teor
40 Contracorriente 1
30
Contracorriente 2 Paralelo 1
20
Paralelo 2
10
0 0.00E+00
1.00E+01
2.00E+01
3.00E+01 Re
4.00E+01
5.00E+01
6.00E+01
7.00E+01
Concluir la importancia y uso particular de cada cambiador de acuerdo a los valores experimentales y teóricos obtenidos Se puede apreciar que el flujo a contracorriente es aquel donde hay un mayor coeficiente térmico, debido a que hay mayor contacto entre flujos. Por otra parte, el flujo en paralelo tiene coeficientes térmicos inferiores, que es lo que se esparía de ambos flujos. Graficar los coeficientes obtenidos en el intercambiador de placas y los obtenidos para el intercambiador de tubos y coraza (Tubos de acero y coraza de vidrio) Intercambiador de calor de tubos de acero y coraza de vidrio (Contracorriente) Intercambiador de Calor de tubos de vidrio y coraza de vidrio (Paralelo)
Gráfico de U experimental vs. Reynolds 52 51
Uexperimental BTU/lb°F
50 49 48 47 46 45 44 43 42 98000
100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 114000 116000
Reynolds
Grafico deU teórico vs. Reynolds 157.5 157 156.5
UTeórico BTU/lb°F
156 155.5 155 154.5 154 153.5
153 152.5 98000
100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 114000 116000
Reynolds
Comparando ambos
180 160 140 120 100 U teórico 80
U experimental
60 40 20
0 98000 100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 114000 116000
Intercambiador de Calor de tubos de acero i. y coraza de vidrio (Paralelo)
Gráfico de Uexp vs Re 47 46
Uexperimental BTU/lb°F
45 44 43 42 41 40 39 38 96000
98000
100000
102000
104000
106000
Reynolds
108000
110000
112000
114000
Gráfico de U teórico vs Re 157.5 157
Uteórico BTU/lb°F
156.5 156 155.5 155 154.5 154 153.5 153 152.5 96000
98000
100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 114000
Reynolds
Comparando ambos gráficos 180 160 140 120 100
U teorico
80
U exp
60 40 20 0 96000
98000
100000 102000 104000 106000 108000 110000 112000 114000
CONCLUSIONES El intercambiador que mejor trabajó fue el de tubos de acero con coraza de vidrio esto es debido a que el material que es el acero inoxidable tiende a calentarse más rápido por propiedades fisicoquímicas del mismo, en el caso de los flujos en este intercambiador cabe resaltar que comparando los coeficientes globales de transferencia de calor el caso del flujo a contracorriente es mejor pues hay mayor intercambio debido a que el fluido frío entra en contacto más veces que un flujo en paralelo, esto quiere decir que al momento de poner
dos fluidos a contacto en contracorriente puede ocurrir un denominado choque térmico lo cual facilita el intercambio de calor entre ambos fluidos. Por lo que para los arreglos el mejor será el de flujo contracorriente y en cuanto al material debe de ser un material que sea un buen conductor térmico, tal es el caso de los metales. BIBLIOGRAFIA Crane; “Flujo de Fluidos” Mc Graw Hill, México (1992). Kern D; “Procesos de Transferencia de Calor” Editorial Patria, México 2007. Lidia Parada. (2012). MATERIALES Y TRANSFERENCIA DE CALOR. 25/11/2019, de Saborearte Sitio web: http://www.saborearte.com.mx/materiales-y-transferenciade-calor/