UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BÁSICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I TRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADORES Profesora: Marianela Fernández Objetivo General Estudiar la transferencia de calor en un intercambiador de doble tubo con flujo paralelo y contracorriente. Objetivos Específicos Determinar el calor transferido, la temperatura media logarítmica, el coeficiente de película externo e interno, el coeficiente global de transferencia sucio y limpio y el factor de ensuciamiento para cada modo de operación (paralelo y en contracorriente). Comparar los valores del coeficiente global de transferencia calculado, con los disponibles en la literatura. Objetivos Específicos Deducir algún valor para el coeficiente de ensuciamiento en el intercambiador, a partir de los valores de U calculados. Determinar el efecto de la forma de operación (contracorriente/paralelo), sobre el calor transferido, el coeficiente de película, el coeficiente global de transferencia de calor y el LMTD. INTERCAMBIADORES DE CALOR Equipos donde se efectúa la transferencia de calor entre dos corrientes de un proceso, separadas por un elemento físico. Los intercambiadores de calor han adquirido una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y bajo costo de instalación, sino también en función del aprovechamiento energético del sistema. INTERCAMBIADORES DE CALOR Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone en funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un determinado gradiente de temperatura para que se pueda efectuar la transmisión del calor; la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando un intercambiador mayor, pero ésto a su vez implica un mayor costo, tanto de tipo económico, como energético. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Calentadores Paralelo Flujo Enfriadores Según su función Contracorriente Condensadores Evaporadores Cruzado Economizadores Tubulares Placa Geometría Tubo y carcaza Doble Tubo Empacada Espiral Superficie extendida Placas aletadas Tubos aletados Enfriadores con aire TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo dentro de otro tubo. Este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en contracorriente como en cocorriente, circulando el fluido caliente o el frío a través del espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubería interior. INTERCAMBIADOR DE CALOR TUBULARES (A) DOBLE TUBO (B) CARCASA Y TUBO (C) TUBO EN U INTERCAMBIADOR DE CALOR DOBLE TUBO Esta conformado por dos tubos concéntricos, dos tes conectoras, un cabezal de retorno y un codo en U. La tubería interior. se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las tes tienen boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del anulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que está generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor. Cuando se arregla en dos pasos, se llama horquilla. Área Total Transf.= 100-200 ft2 Longitud Efectiva = 12, 15 o 20 ft INTERCAMBIADOR DE CALOR Carcasa y Tubo En este tipo de intercambiador, uno de los fluidos circula por el interior de los tubos, mientras que el otro fluido se ve forzado a circular entre la carcasa y la parte exterior de los tubos. Cuando las temperaturas TC del fluido del lado caliente y TF del fluido del lado frío son variables de un punto a otro, a medida que el calor va pasando del fluido más caliente al más frío, la velocidad de intercambio térmico entre los fluidos también variará a lo largo del intercambiador, porque su valor depende, en cada sección, de la diferencia de temperaturas entre los fluidos caliente y frío. 1 Paso Carcasa, 1 Paso Tubos INTERCAMBIADORES DE CALOR TIPO PLACA Placa Empacada Espiral INTERCAMBIADORES DE CALOR SUPERFICIE EXTENDIDA Tubos Aletados INTERCAMBIADORES DE CALOR ROTATORIOS SEGÚN SU FUNCIÓN Evaporador normal de tubos verticales Calentador o rehervidor Columna de Destilación Condensador Rehervidor CONFIGURACIÓN DEL FLUJO Flujo Paralelo (Cocorriente): los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. En un flujo paralelo en equicorriente, la temperatura final del fluido más frío nunca puede llegar a ser igual a la temperatura de salida del fluido más caliente. CONFIGURACIÓN DEL FLUJO Flujo Contracorriente: los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos. En un flujo en contracorriente, la temperatura final del fluido más frío (que es el que se calienta) puede superar la temperatura de salida del fluido más caliente (que se enfría), puesto que existe un gradiente de temperaturas favorable a todo lo largo del intercambiador de calor. CONFIGURACIÓN DEL FLUJO Flujo Cruzado: En el enfriamiento o calentamiento de gases es interesante utilizar un intercambiador de calor en flujo cruzado, en el que uno de los fluidos (líquido o gas) circula por el interior de los tubos, mientras que al otro fluido (gaseoso) se le obliga a circular perpendicularmente al haz de tubos. ECUACIONES DE DISEÑO PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR CALOR TRANSFERIDO . q m CpT COEFICIENTE GLOBAL 1 1 U 0 A0 U i Ai R TLM q U 0 A0 TLM U i Ai TLM R DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA TLM T1 T2 T1 Ln T2 ECUACIONES DE DISEÑO PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR COEFICIENTE DE PELICULA INTERNO Re > 2100 0.027 k DiG hi Di 0.8 cp k 1 3 w 0.14 COEFICIENTE DE PELICULA EXTERNO Re > 2100 0.36k DeG h0 De 0 , 55 cp k 1 3 w DIÁMETRO EQUIVALENTE (TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL ÁNULO De 4rH D2 2 D12 D1 ECUACIONES DE DISEÑO PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR ECUACIONES DE DISEÑO PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR LIMPIO 1 U 0 limpio D0 D0 D0 1 ln D h hi Di 2k 0 i SUCIO 1 U 0 Sucio 1 U 0 Sucio 1 U 0 Limpio D0 R0 Ri D i D0 D0 D0 D0 1 R0 Ri ln D 2k D h hi Di 0 i i FACTORES DE RESISTENCIA POR ENSUCIAMIENTO PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Doble Tubo Cámara de Mezcla Selector de Termocuplas Rotámetros Caldera HOJA DE TOMA DE DATOS Datos. Diámetros para la tubería de cobre tipo L Diámetro Nominal Diámetro Exterior Espesor Termocuplas Hierro -Constantan Treal = 0.776267Texp +5.045 Experiencia 2. Temperaturas Medidas para cada termocupla con el arreglo en paralelo y contracorriente. Termocupla 1 2 3 4 5 6 30% H2O y 45 % Vapor 60% H2O y 45 % Vapor SEGURIDAD • Usar obligatoriamente lentes seguridad, guantes y bata. de