• Author / Uploaded
• Amaury Romero

Citation preview

INTRODUCCIÓN Los intercambiadores, son equipos de procesos que permiten la transferencia de energía térmica o calorífica entre corrientes donde existe una diferencia de temperatura entre ellas, siendo esta la fuerza impulsora que tiene un fluido para ganar o perder energía. Los intercambiadores de calor de vasija encamisada con agitador son usados principalmente en el estudio de la transferencia de calor entre el agua caliente que circula por una camisa y el agua fría que está contenida en la vasija. Empleado para calentar o enfriar un flujo. Trabajan con alimentación continua o con proceso por lotes calentando una masa constante de agua contenida en una vasija. El intercambiador nos permite medir las temperaturas a la entrada y la salida del mismo tanto en el agua fría como en el agua caliente. Estos son utilizados usualmente como parte de los alambiques, las ollas de cocción, los reactores. Estos intercambiadores están generalmente proporcionados de equipos de agitación para mejorar el coeficiente global de transferencia de calor. El modo de transferencia de calor por Tanque provisto de una chaqueta o camisa se da por convección, en donde se compone de dos mecanismos, además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio (difusión); la energía también se transfiere mediante el movimiento global del fluido. El movimiento del fluido, cuyo interior debe mantenerse bajo unos límites de temperatura, por lo que se requiere un sistema de intercambio de calor para retirar o suministrar calor hacia el interior del tanque en forma de camisa (o chaqueta) o serpentín. Este contribuye a mantener su movimiento aleatorio. Figura 1. Ilustración Intercambiador de Calor de Vasija Enchaquetada

Flujo continuo: el fluido entra de manera constante y sin interrupciones, de principio a fin, en su recorrido por los tubos del intercambiador. Proceso por lotes: se espera a que tanto el interior de la vasija como el de la chaqueta (entre la vasija y la chaqueta) se llenen del fluido, antes de comenzar el proceso de transferencia de calor. En un intercambiador de calor, el flujo de calor en su camino desde el fluido caliente hasta el frio, tiene que vencer resistencia ejercida por la capa límite de fluido caliente, la resistencia de la pared de separación y la resistencia ejercida por la capa límite del fluido frio. Teniendo tres resistencias en serie que conforman la resistencia tota[ CITATION Die3 \l 9226 ]: Rt = R convec, h + R conduc, pared + R convec, camisa Donde R convección, h es la resistencia de convección en el lado del fluido caliente, R conducción, pared es la resistencia a la conducción en la pared y R convección, camisa es la resistencia de convección en el lado del fluido frio. El calor transferido entre el fluido caliente y el frío, Q, puede estimarse a través del valor de la resistencia total, Rt, del intercambiador y las temperaturas en los fluidos caliente y frío:

Q=

T ∞ ,h −T ∞ ,c =U A (T ∞ ,h−T ∞ , c ) (2) Rt

Donde T∞,h y T∞,c son las temperaturas medias del fluido caliente y del fluido frío. U es el coeficiente global de transferencia de calor y se define como un factor que, para una configuración geométrica e hidrodinámica dada, nos da el valor del calor total transferido. A es el área de intercambio. Por tanto:

Rt =

1 (3) UA

En la Figura 2. se muestra un esquema del proceso de transferencia de calor desde un fluido caliente hasta uno frio que se encuentran a diferente temperatura y están separados a través de una pared.

Ilustración Ilustración 1Figura 2Figura 1 1

Nusselt en la camisa o ánulo y con éste los coeficientes convectivos. II. METODOLOGÍA Para esta experiencia se utilizó un intercambiador de tanque y encamisado (TIVE, Edibon), unidad base y de servicio (TIUS, Edibon), caja-interface, computador con software de control Edibon específico en Labview, agua suavizada y conexión a agua de grifo.

Figura 2. La resistencia total, por tanto es igual a:

Rt =

1 x 1 + + hh A h K A h c A c

(4)

Donde Ah y Ac son las área de la superficie del tubo en contacto con el fluido caliente y frío, h h y

h c son los coeficientes de convección del fluido caliente y del frío, x es el espesor de la pared de los tubos interiores, K la conductividad térmica del material de fabricación de los tubos interiores y A el área media de los tubos interiores (promedio entre Ah y Ac).

Durante el funcionamiento del intercambiador, es posible que sobre las superficies de transferencia se formen incrustaciones debido a las impurezas que transportan los fluidos y que se van adhiriendo sobre las superficies formando una capa adicional que incrementa la resistencia térmica total. Las resistencias adicionales, también conocidas como resistencias de contaminación, se pueden formar tanto en el lado del fluido caliente como en el del fluido frio. Las velocidades promedio de los fluidos empleados en un intercambiador de calor pueden ser estimadas a partir del caudal, el diámetro de los tubos y las propiedades a físicas de los fluidos a la temperatura promedio debido a que las temperaturas de los fluidos varían a lo largo del intercambiador. Puesto que la región anular o de la carcasa presenta características de flujo distintas a las del interior de los tubos, y dado a que el carácter de este flujo es altamente complejo, se han desarrollado correlaciones para la obtención del

Se comprobó que las válvulas estuvieran abiertas con una configuración en flujo paralelo y se encendieron la bomba y la resistencia, para calentar el agua en el tanque previamente lleno con agua suavizada. Se fijó la temperatura y caudal del agua caliente en el software con los valores deseados y se ajustó el caudal de agua fría según lo necesario de acuerdo a los datos requeridos en la Tabla 1. Debido al funcionamiento de este tipo de intercambiadores, no se puede realizar en configuración en flujo contracorriente, razón por la cual la experiencia y toma de datos solo son realizados en configuración en flujo paralelo. Los datos de temperaturas de entrada, salida e intermedias de los caudales frio y caliente se tomaron directamente del software una vez se alcanzó el estado estacionario y se llenó la tablas 1 presentada más adelante.

Figura 2. Diagrama de flujo del intercambiador de vasija encamisada.

El balance de energía para el fluido frio y el caliente se determinan de acuerdo a las ecuaciones 1 y 2, respectivamente:

Q h= m ˙ h Cph ( T 1−T 2 )

(1)

Q c =m˙ c Cpc ( t 2−t 1)

(2)

U =¿ Coeficiente total de trasferencia de calor (W/m2K)

A s=¿Area superficial para la trasnferencia de calor total (m2)

∆ T ml=¿ Diferencia media logarítmica de

Donde,

m˙ c =¿ Flujo másico del fluido caliente (kg/s) m˙ h=¿ Flujo másico del fluido frío (kg/s) Cpc =¿ Calor específico del fluido caliente

temperatura.

Esta diferencia media logarítmica temperatura se determina como:

(J/kg).

Cph=¿ Calor específico del fluido frío (J/kg),

∆ T ml=

∆ T 2−∆ T 1 ln

T 1=¿ Temperatura de entrada del fluido

de

(5)

∆T2 ∆T1

( )

caliente (K)

T 2=¿ Temperatura de salida del fluido caliente (K) De esta forma, para determinar las pérdidas de energías del sistema se utiliza (3)

Q p=Q h−Qc

(3)

La razón de transferencia de calor en un intercambiador también se puede expresar de una manera análoga a la ley de newton del enfriamiento, como se muestra en (4):

Q=U A s ∆ T ml Donde,

(4)

Para la dirección de flujo en paralelo se tienen los cambios de temperatura para esta dirección:

∆ T 1=T h ,ent −T c ,ent ∆ T 2=T h ,sal −T c , sal Donde: 𝑇ℎ: Temperatura fluido caliente 𝑇𝑐: Temperatura fluido frio

Partir de la ecuación (4), teniendo en cuenta que se pueden determinar los valores de Q, el valor de U se puede determinar a partir de: U=

Q A s ΔT ml

(6)