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Para el desarrollo del trabajo experimental se hace uso de un intercambiador doble tubo, con flujo de agua en contra flujo, haciendo la respectiva caracterización del mismo, de entradas y salidas de flujo, de su funcionamiento y la instrumentación que se emplea con el fin de identificar las variables que hacen parte del desarrollo experimental tales como presión, caudal y temperaturas para lograr determinar el coeficiente global de transferencia de calor
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
Subido el 21/09/2022
1 documento
1 / 26
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Laboratorio de operaciones unitarias II
Estudiantes:
María Emilia Acosta Julio, Código:
Helen Johana Sarmiento Lima, Código:
Juliana Carolina Guerrero Franco, Código:
Sebastián Rodríguez Martínez, Código:
Docente
Luis Fernando Bossa Benavides
Universidad De San Buenaventura Seccional Cartagena
Facultad De Ingenieras, Arquitectura, Artes Y Diseño
Programa De Ingeniería Química
Agosto - 2022
El proceso de intercambio de energía en operaciones unitarias, constituyen uno de los
aspectos de mayor importancia a nivel de proceso, esto debido en parte a las condiciones
con las que se desea que un flujo llegue a cierta unidad en un determinado tiempo y parte
del proceso, lo cual hace importante el estudio de procesos que permiten controlar este
intercambio energético de la forma conveniente posible [1].
El intercambiador de calor es un dispositivo cuya función es intercambiar calor entre dos
fluidos. Cada fluido se encuentra a una temperatura diferente, por lo general una fría y una
caliente. Hay varios tipos de intercambiadores; algunos ejemplos son de tubos y coraza,
tubos concéntricos, tubos cruzados, entre otros [2]. En este laboratorio se trabajó con un
intercambiador de tubo y coraza, que consta de tubos curvos instalados precisamente en la
coraza cilíndrica. Una de sus principales características es que es un sistema totalmente
compacto y resistente a la corrosión, puede trabajar bajo presiones altas y puede maximizar
la transferencia de calor gracias a la geometría del sistema. El funcionamiento de este
intercambiador se basa en que los dos fluidos a temperaturas diferentes (fría y caliente) se
distribuyen por un tubo diferente. Dicho de otro modo, el fluido a temperatura alta pasa por
los tubos curvos y el fluido a temperatura baja pasa por los tubos paralelos [3].
El propósito de esta práctica es poder entender el funcionamiento de un intercambiador de
calor de tubo y coraza. Para esto, se debe realizar un análisis de balance de materia, energía
y otras propiedades de la termodinámica que se aplican en un intercambiador de tubos y
coraza.
Estudiar el fenómeno de transferencia de calor a través de un sistema de
circula dos fluidos, uno por el haz de
tubos y el otro por la carcasa, a
diferente temperatura y esto es lo que
causa la transferencia entre ambos
fluidos [4].
El coeficiente de transferencia de
calor por convección se determina a
partir del factor de Colburn, que se
obtiene mediante el uso de tablas.
p
1
2
p
t 1
− t 2
Ecuación 1.
Donde:
W: flujo másico
P : calor específico
1
2: Temperatura de entrada y salida del agua caliente
t 1
: Temperatura de entrada y salida del agua fría_._
para calcular la resistencia total del
sistema del intercambiador, se
contabilizan las resistencias térmicas
presentes en el equipo.
total
i
i
pared
o
o
h i
i
f ,i
i
ln
o
i
2 πkL
f , o
o
h o
Donde: A i
= π D i
L y A o
= π D o
el coeficiente global de transferencia de
calor para una tubería puede ser
expresado como
s
Donde: A s
= πDLN ( 7 )
El coeficiente total limpio es
determinado:
C
h i
i , t
o , t
∙ h o
h i
i , t
o , t
Donde el factor de ensuciamiento puede ser hallado mediante el
uso de la siguiente expresión
d
C
D
C
D
Media logarítmica de temperatura:
Una diferencia de temperatura es la
fuerza motriz, mediante la cual el
calor se transfiere desde la fuente al
recepto [5]. Su influencia sobre
sistemas de transferencia de calor,
que incluyen tanto a la fuente como
ml
1
2
ln
(
1
2
)
Si el intercambiador de calor es de flujo paralelo
1
h , 1
c , 1
y ∆ T 2
h , 2
c, 2
Si el intercambiador de calor es en contracorriente
al receptor. La diferencia de
temperatura media logarítmica
ml
se
obtiene siguiendo el perfil real de
temperaturas de los fluidos a lo largo
del intercambiador y es una
representación exacta de la diferencia
de temperatura promedio entre los
fluidos caliente y frío. Esta refleja el
decaimiento exponencial de la
diferencia de temperatura local [2].
1
h , 1
c , 2
y ∆ T 2
h , 2
c, 1
La razón de la transferencia de calor en un intercambiador
también se puede expresar de una manera análoga a la ley de
Newton del enfriamiento como
s
ml
Instrumentación
1 calentador de agua
1 tanque de almacenamiento de agua
1 intercambiador de tubo y coraza
1 controlador de temperatura
2 rotámetros o medidores de flujo
4 termómetros
6 manómetros
2 bombas centrifugas
2 válvulas de globo
2 válvulas de By- Pass
1 válvula de purga
3 válvulas de desagüe.
Tabla 1. Componentes que constituyen el intercambiador de calor.
METODOLOGIA
INICIO
Abrir las válvulas
de By-pass (v5 y
v6), las valvulas de
globo (v1 y v2) y
las válvulas de
purga (v3 y v4)
Llenar el calentador
Eléctrico (C1) y el tanque
de fluido frio (2)
Conectar la unidad y
activar el interruptor
que corresponde a las
bombas
Fijar los flujos y las
presiones de descarga
sean las adecuadas
Apagar las bombas,
fijar que las
temperaturas esten
aproximadamente
55°C a 60°C
Verificar en los
tanques el nivel de
agua adecuado.
Mantener las
valvulas (v3 y v4)
abiertas hasta que
el aire de la coraza
salga, luego cerrar.
Encender las
resistencias, esperar
que el controlador
marque la temperatura
que deseamos
Repetir nuevamente
los pasos desde activar
el interruptor de la
bombas y anotar los
datos
FIN
Verificar que los
interruptores estén
apagados y las
válvulas de drenaje
estén cerradas.
Tabla 2. Datos para la segunda experiencia con intervalos de tiempo de 1 minuto con flujo de líquido frío de
12
m
3
min
y flujo de líquido caliente de 22
m
3
min
.
Flujo
(
m
3
min
)
Tiempo
(minutos)
Fluido frío Fluido
caliente
¿
out
¿
out
Promedio
Tabla 3. Datos para la tercera experiencia con intervalos de tiempo de 1 minuto con flujo de líquido frío de
12
m
3
min
y flujo de líquido caliente de 16
m
3
min
.
Flujo
(
m
3
min
)
Tiempo
(minutos)
Fluido frío Fluido
caliente
¿
out
¿
out
Promedio
Tabla 4. Datos para la cuarta experiencia con intervalos de tiempo de 1 minuto con flujo de líquido frío de
20
m
3
min
y flujo de líquido caliente de 16
m
3
min
.
A partir de los datos obtenidos de cada experiencia se obtuvieron los coeficientes de
transferencia de calor en base a la Ecuación 1. Ver Tabla 5. Donde se utilizaron datos
anexos como:
Coeficiente de transferencia
de calor
(
min
)
Fluido frío Fluido caliente
1
2
3
4
Tabla 5. Coeficientes de transferencia de calor
3000 3500 4000 4500 5000
3000
3500
4000
Coeficientes de transferencia de calor de fluido frío vs fluido
caliente
Qn para fluidos calientes
Qn para fluidos fríos
Grafica 1. comportamiento del coeficiente de transferencia de calor hallado a partir de los datos estándares y
experimentales en base a los flujos manipulados principalmente.
p
delagua =0,
lb ∙℉
ρ del agua =8,
lb
gal
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
20
25
30
35
40
45
Tin FF Tout FFf Tin FC Tout FC
Tiempo (min)
Temperatura (°C)
Grafica 4. Primera experiencia datos obtenidos tabla 3
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
20
25
30
35
40
45
Tin FF Tout FFf Tin FC Tout FC
Tiempo (min)
Temperatura (°C)
Grafica 5. Primera experiencia datos obtenidos de la tabla 4
En caso de que exista presencia de aire en la coraza, este puede llegar a presentarse como
húmedo caído, o incluso polvoriento, el cual se podría depositarse generando películas de
suciedad haciendo que disminuye la eficiencia del equipo debido a la perdida de energía,
logrando a su vez que se incrementen los costos de producción y en el caso de que el aire
se encuentre dentro de los tubos aparte de que se presentaría el mismo problema anterior,
a su vez ocasionaría que algún tubo se rompa, debido a la fuerza de la suciedad en el aire.
Por otro lado otra de las situaciones que se podrían presentar seria en cuanto a los
termómetros, si uno de estos falla, los cálculos de diseño se ven afectados ya que es
difícil notar si hay caída de presión a través de la unidad reduciendo así la temperatura ya
que por ejemplo si hay caída presión puede decir de que hay bloques de vapor o de gas lo
cual reduce la temperatura para ello lo que se debe hacer apenas se encuentra un
termómetro fallando a para apagar el equipo y pedirle a mantenimiento que lo arregle lo
más pronto posible.
