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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): LMTD µ Cp K (Btu/ m(lb/h) Q Area  (°F) (BTU/lb°F) superficial (lb/ft3) (cp) (Btu/lb°C) hft´2(°F/ft)) 52.16 Ent1 1 0.34586 4621.284 241046.1734 5.9310 62.3455 50.02 Sal0.9 1 0.35556 4543.776 227279.6755 5.9310 62.1601

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): LMTD (°F) 52.25 65.17

 (lb/ft) Ent.62.3336 Sal.62.1214

µ (cp) 1

Cp (Btu/lb°C) 1

K (Btu/ hft´2(°F/ft)) 0.34672

0.8

1

0.35645

M(lb/h) 4620.24

Q (BTU/lb°F) 241407.54

Area superficial 5.9310

4540.68

295916.1156

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

De tubos--- 0.046875 Di tubos --- 0.044266 Nt --- 13 Área de flujo ---.0024 ft2

Vidrio- Acero Inoxidable 39.07614 46.61686 58.89747

Area superficial 5.9310 5.9310

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  Graficar los coeficientes de calor vs Re.  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.

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/ft3)

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/ft3)

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

Sistema contracorriente Fluido caliente Corrida 1 2

ρ (lb/ft ) 3

61.858 61.84

Fluido frío Cp

k(

𝐵𝑡𝑢 ) ℎ𝑓𝑡°𝐹

µ (cP)

𝐵𝑡𝑢 ( ) 𝑙𝑏°𝐹

0.3678

0.606

0.3683

0.598

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

ℎ𝑓𝑡2

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

Cálculo de coeficientes individuales de transferencia de calor. hc (

Corrida

𝐵𝑇𝑈

ℎ 𝑓𝑡 °𝐹

1

)

ℎ 𝑓𝑡 °𝐹

)

2.15E+01

2.26E+01

2

𝐵𝑇𝑈

hf (

2.25E+01

2.15E+01

Cálculo del U teórico. U teo (

Corrida 1

𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹

)

1.08E+01

2

1.08E+01

Arreglo en contracorriente. 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

2.24E+01

2.16E+01

Cálculo de U teórico. Corrida 1 2

)

2.16E+01

2.24E+01

2

𝐵𝑇𝑈

hf (

U teo (

𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹

1.07E+01 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. U exp (

Corrida 1

𝐵𝑇𝑈 𝑓𝑡2 ℎ °𝐹

)

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  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) OBSERVACIONES Y ANALISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES 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-ytransferencia-de-calor/