PREINFORME 5 Calor

7/26/2019 PREINFORME 5 Calor

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UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARADEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA Y AMBIENTAL

TRANSFERENCIA DE CALOR 1erSemestre 201

Profesora P!"#! G"err!Integrantes L$%&! G'()*#e)

Se+!st&*( ,!r!Ayudantes Fr!(-&s-'

Es.e/'C!m!G'()*#e)

Bloque M&r-'#es 3PREINFOR

ME

INFORME

4

ExperienciaN5

Los intercambiadores de calor tipo placa son importantesa nivel industrial, utilizndose para condiciones en las quese requieren grandes superficies de intercambio. Es poresto que se estudian sus caractersticas funcionamiento,a que es fundamental para desarrollar una correctaoperaci!n del sistema estudiado

"ntercambiadoresde #alor


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U(&5ers&%!% T-(&-! Fe%er&-' S!(t! M!r6!De.!rt!me(t' %e I(7e(&er6! Q"6m&-! $ Am+&e(t!#

Transferencia de Calor 20!"# Ca$%us &an 'oaqu(n

1. Explique la estructura y principio de funcionamiento de un intercambiador de calor de

placas y desarrolle sus respectivos balances de energa. Adems, explique para qu sirve

corrugado y cmo funciona.

El intercambiador de placas tambi$n es conocido por las siglas %&E 'en ingl$s Plate HeatExchanger(. #onsiste en un paquete de placas de metal 'normalmente aleaciones resistentes a lacorrosi!n( especialmente corrugadas provistas de orificios de paso para los fluidos. El paquetese comprime mediante un marco o bastidor consistente en una placa fi)a otra m!vil'normalmente de acero al carb!n o de acero inoxidable para aplicaciones sanitarias( con tornillosde apriete que formaran un solo elemento, Las placas corrugadas tienen empaques de elast!metroadecuado al servicio, que cierran los canales dirigen los fluidos por canales alternos. El tama*o n+mero de placas viene determinado por el flu)o de ambos lados, propiedades fsicas de losfluidos de presi!n temperatura. Normalmente las conexiones estn localizadas en la placa fi)adel marco o bastidor, esto permite la apertura del equipo sin necesidad de desconectar ninguna

tubera, pero si es un equipo con ms de un paso, tambi$n tendr conexiones en la placa m!vil.-

Ilustracin 1: Esquema de un Intercambiador de placas paralelasuente especificada no vlida.

-. %artes de un intercambiador de calor de placas paralelas/ -a( Placa de presin:van a los extremos sirven para empaquetar las placas.b( Columna de soporte:para mantener fi)as las placasc( Barra gua inferior:para soportar las placas, sirve como riel para desmontar montar

las placas fcilmente.d( Barra gua superior:para mantener alineados los espaciamientos de las placas.

e( Placas:se colocan entre las barras guas, es por donde circularn los fluidos del proceso.Las ms comunes suelen ser de 0cero inoxidable 0"1" 234, 0"1" 2-, -67-87,5, 9itanioo Nquel

f( Pernos de apriete:sirven para prensar las placas

8. :uncionamiento/Los fluidos corren alternadamente por los canales formados entre dos placas adacentesparalelamente al lado ms largo. Existen aberturas en las 4 esquinas de las placas que

Experiencia : Intercambiadores de Calor P!gina " 1


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con)untamente con un arreglo apropiado en las empacaduras, dirigen a las dos corrientes en suscanales de flu)o. El flu)o puede configurarse de modo co;corriente o contracorriente.

Las placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el rea superficial efectiva

de cada una< provocar turbulencia en el fluido mediante continuos cambios en su direcci!n velocidad, lo que a su vez redunda en la obtenci!n de altos coeficientes de transferencia de calor,a+n a ba)as velocidades con moderadas cadas de presi!n. Las corrugaciones tambi$n sonesenciales para incrementar la resistencia mecnica de las placas favorecer su soporte mutuo.Fuente especificada no vlida.

=ealizando un balance de energa se tiene lo siguiente/qcedidofluido caliente=qabsorbido fluido frio=qtransferencia

w1 Cp , 1 (T1,iT1, o )=w2 Cp ,2 (t2,ot2,i )=qtransferencia (1)

#onde:w1 : flujo msicodel fluidoconmayor temperatura

Cp , 1: capacidad calorfica del fluido caliente

T1, i:Temperatura de entrada del fluido caliente

T1, o:Temperatura de salida del fluido caliente

w2 : flujo msicodel fluidoconmenor temperatura

Cp , 2: capacidad calorfica del fluido frio

t2, o :Temperatura de salida del fluido frio

t2, i :Temperatura de entrada del fluido frio

>tilizando el m$todo del factor de correcci!n $t uente especificada no vlida., es necesario calcular lossiguientes parmetros/

1% #i!metro Equi&alente:

De= 4ab

2a+2b(2)

#onde:a : ancho de la placa

b : distancia entre las placas

Experiencia : Intercambiadores de Calor P!gina " '


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'% ()mero de *e+nolds:

=

De (Gin)i (

3

)

#onde:De : #i!metro Equi&alente

G : ,asto m!sico de la corriente i -Producto de &elocidad + densidad.

n : ()mero de subcorrientes en las que se di&ide el flu/o -canales del arreglo en el

intercambiador. : 0iscosidad del fluido i

% 2emperatura 3edia 4ogartmica -432#.:LMTD=

(T1,it2,o )(T1, ot2,i )

ln(T1,it2,oT1,ot2, i) (4)

5% 6e determina $tgr!ficamente%

% C!lculo del coeficiente global de transferencia de calor -7.:

0 partir de la ecuaci!n '5( se puede obtener el coeficiente global/

q transferencia= !transferencia LMTD"t(5)

= qtransferencia

!transferencia LMTD"t(6)

8,eneralmente el ! transferencia es un dato entregado por el fabricante

9% C!lculo del /h caliente + fro:Existen diversos m$todos para calcular estas variables. >no de ellos es el m$todo de 1aunders.Este considera un dise*o determinado de las placas -Che&ron.%%ara estos modelos, en la ecuaci!n'?( #@A 3,246 e A3,2 'para =e B ?(, #@A3,?8C e A3,22 'para =e menores o iguales a ?(.

j#=C# y (7)

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% C!lculo del n)mero de Prandtl:

$ri=Cp ,i i

%i(8)

#onde:Cp , i: Capacidad calorfica del fluido i a presin constante

i : 0iscosidad din!mica del fluido i

%i : Conducti&idad t;rmica del fluido i


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1e puede determinar a partir del > te!rico el > experimental/

)d=ma'

ma' (12)

#ondema' : 7 terico obtenido en -11.

7: 7 experimental

1'% C!lculo del n)mero de placas:

&= !total

!placa(13)

#onde:! total : ?rea total de transferencia de calor

!placa : ?rea de una placa

1% C!lculo de la eficiencia t;rmica:

*ficiencia=( t2, it2,oT1, iT1,o ) 100(14)

!. "#ules son los parmetros ms importantes a considerar en el dise$o de un

intercambiador de calor de tubos y cora%a& Explique.

%ara dise*ar un intercambiador de calor de tubos corazas es necesario explicitar las

condiciones de servicio que requerir el proceso, aspectos como las temperaturas deentrada7salida del fluido caliente el fro, caudales msicos involucrados, factor deensuciamiento presente en los tubos coraza, largo de los tubos, dimetro interno de estos de la coraza as tambi$n como el rea de intercambio de calor entre el interior 'tubos( elexterior 'coraza(. %ara determinar el n+mero de pasos que se debe seguir para cumplir conel intercambio deseado es necesario estimar la cada de presi!n producida en el sistema, en

lo general se considera ideal una variaci!n equivalente a los 10[psi] de presi!n. tro

punto importante que debe tener en consideraci!n es el espaciado de los deflectores, el



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arreglo de dispuesto en los tubos a sea triangular, cuadrado o cuadrado rotado que son losms utilizados en la industria, como los bafles utilizados la turbulencia que se esperaobtener con el fin de obtener un coeficiente global de transferencia de calor adecuado parallevar a cabo un correcto intercambio de calor. 1i alguno de los parmetros mencionados

anteriormente no cumplen con los ob)etivos se pueden modificar algunas condiciones comoel rea de intercambio en base a un sobredimensionamiento, mediante el cual se busca queel rea disponible sea estrictamente maor que el rea requerida, tambi$n se puedemodificar el n+mero de pasos de flu)o en los tubos si existe un problema asociado a lascadas de presi!n para encontrar un valor que se acerque a las condiciones idealesrequeridas por el equipo. 8

'. (e$ale caractersticas, usos, venta)as, desventa)as y el esquema principal de los siguientes

intercambiadores de calor* +i tubos y cora%a, +ii placas y +iii doble tubo. -ncluya imgenes y

parmetros de operacin caractersticos. (e$ale las referencias claramente. resente los

resultados en una tabla resumen



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%armetro"ntercambiador de 9ubos

#oraza"ntercambiador de %lacas

"ntercambiador de Doble9ubo

Esquema delEquipo

89: 89:89:

"magen delEquipo

8;: 8


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/. Explique en qu consiste un equipo intercambiador de calor con superficie ampliada +aletas,

"cundo y para qu se utili%an& e indique como queda el coeficiente global de transferencia de

calor basado en el rea interna, con dic0os a)ustes para un intercambiador de calor genrico.

>n intercambiador de calor con aletas consiste en un intercambiador que presenta superficiesextendidas metlicas ad@eridas con el fin de aumentar sustancialmente el rea de intercambio decalor mediante el uso de estas, as como el coeficiente global de transferencia de calor gracias a laconducci!n proporcionada por estos relieves ?. La particularidad de estos equipos permite quenumerosos procesos puedan llevarse a cabo, sobre todos aquellos de corte industrial, principalmenteen aplicaciones entre lquidos7gases gases7gases. 6. 1e distinguen principalmente 8 aletas usadascon maor frecuencia/ Longitudinales 9ransversales C.

Longitudinales/ 1e utilizan principalmente en intercambiadores de tubos conc$ntricos dec@aqueta tubos, cuando los fluidos son viscosos transcurren en r$gimen laminar.

Ilustracin ': @letas longitudinales

9ransversales/ 1e utiliza principalmente para calentamiento enfriamiento de gases con una

configuraci!n de intercambio cruzada.



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Ilustracin : @letas trans&ersales

>no de los beneficios presentados por este tipo de intercambiadores es que presentan ba)os costos deinversi!n, ba)os costos energ$ticos dada la peque*a diferencia entre las temperaturas de los flu)os ba)as cadas de presi!n un !ptimo rendimiento. -3

El coeficiente global de temperatura en este tipo de arreglos se ve afectada por la presencia de estosrelieves, asocindose aparte de los efectos por convecci!n en la transferencia de calor, los efectos porconducci!n, por lo cual la expresi!n general de > se resume como/

=(1#o

+1# i+)++) d)

1

(15)

Donde/

#o :coeficienteindiidual de transferenciade calor e'terior

#i :coeficienteindiidual detransferencia de calor interior

)+:resistencia por conducci-nasociada a las aletas )d :*nsuciamiento asociado al equipo

#o=(. ! T+!

/

T)!

0

#/0

(16 )

#i=# /i! i

! o(17)

#on/

Experiencia : Intercambiadores de Calor P!gina " A


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. :eficiencia de las aletas ! T:rea lateralde aletas por [ ft] de lon0itud detubos

!/

T:rea e'ternadeltubo sin considerar incrustanciones

#/f:coeficiente de pel culade aire e'terior #/i: coeficiente pel cula de aire interior

! i :rea interior detubos ! o : rea e'trior detubos

. (e construye un intercambiador de calor de doble tubo +casco y tubo con un tubo interior de acero

inoxidable +21.1 34567, de dimetro interior 2 1. y dimetro exterior 21.8 , y un

casco exterior cuyo dimetro interior es de '.! cm. El coeficiente de transferencia de calor por

conveccin es 29:: 34!567, sobre la superficie interior del tubo, y 21!:: 34!567, sobre la

superficie exterior. ara un factor de incrustacin de ,2:.:::/ 3!5647, del lado del tubo, y

,2:.:::1 3!5647, del lado del casco, determine*

a( La resistencia t$rmica del intercambiador de calor por unidad de longitud.

b( Los coeficientes de transferencia de calor totales >i >o con base en las reas superficiales interior exterior del tubo, respectivamente.

a( La resistencia t$rmica del intercambiador debe considerar los efectos convectivos al interior alexterior del tubo, adems de la conducci!n de calor.

)esistenciat1rmica=) con,ecti,ainterior+) con,ecti,ae'terior+)conducci-n+) ensuciamiento(18)

)esistenciat1rmica=( 1#i !i + 1

#e ! e+)acero+

)di

! i+

)d e

!e )(19)#onde:

#i : coeficiente de transferencia de calor por con&eccin en el interior del tubo

#e : coeficiente de transferencia de calor por con&eccin en el exterior del tubo

! i :

?rea interna del tubo! e : ?rea exterior del tubo

)acero : *esistencia acero

)di : Ensuciamiento al interior del tubo

)de : Ensuciamiento al exterior del tubo

=eemplazando con los valores entregados en el enunciado

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)con,eccioninterna= 1

800[ +m2 2 C] 23 0,0075 L[m ]=0,0265

L [m 2 C + ]

)coneccione'terna= 1

1200[ +m2 2 C] 23 0,0095 L[m ]=0,0139

L [m 2 C

+ ]

)acero=

ln ( 0,00950,0075 )15,1[ +m 2 C ] 2 3L

=2,492 10

3

L [m 2 C + ]

)ensuciamientointerno=0,0004

[m

22 C

+ ]2 3 0,0075 L[m]=8,488 103

L [m 2 C + ]

)ensuciamientoe'terno=0,0001[m

22 C

+ ]23 0,0095 L[m]

=1,675 10

3

L [m 2 C + ]Luego la =esistencia t$rmica total corresponde a/

)total=( 0,0265L + 0,0139L + 2,492 103

L +

8,488103

L +

1,675 103

L )[

m 2 C

+

])total=

0,0531

L [m 2 C + ]

b( %ara el coeficiente de transferencia global externo se tiene/

1

e ! e=( 1#i !i +

1

#e !e+)acero+

)de

! e )(20)

=eemplazando con los valores calculados/

1

e 23 0,0095 L[m]=( 0,0265L + 0,0139L +2,492 10

3

L +

1,675 103

L )[m 2 C + ]

Despe)ando/

e=375,909[m2

2 C

+ ]



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0nlogamente para el coeficiente de transferencia global interna/

1

i ! i=( 1#i ! i+

1

#e !e+) acero+

)d i

! i )(21)

=eemplazando con los valores calculados/

1

i 23 0,0075 L[m]=( 0,0265L + 0,0139L + 2,492 10

3

L +

8,488 103

L )[ m 2 C + ]

Despe)ando/

i=413,014 [m2

2 C

+ ];.


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m=5 4 (22 )

m=1000

[

%0

m

3

]0,252

[

m3

s

]=252

[

%0

s

]="

#orrespondiente a la cantidad de flu)o de agua caliente agua fra, como se establece unatemperatura media entre los extremos/

Las temperaturas de servicio/

:luido fro/

t=41 [ 2 "]=5 [ 2 C] tout=59 [2 "]=15[2 C] :luido caliente/

T=60 [ 2 "]=15,6 [2 C] Tout=44 [2 "]=6,7 [2 C]

a( %ara calcular el coeficiente global de transferencia de calor, se pueden estimar los coeficientesindividuales tanto para el fluido caliente como para el fro, adems de la resistencia otorgada por elacero inoxidable de las placas.

Lo que equivale a/

= 1

( 1#C+1

#f+

( '

%)(23)

Donde/

#C:coeficienteindiidual detransferencia de calor para fluidocaliente

# f: coeficiente indi,idual de transferencia decalor para fluido frio

n :n6mero de placas del intercambiador ( ' : espesor delas placas

%:conductiidad t1rmica del material de las placas

%ara obtener el coeficiente global, se tiene que obtener primeramente los coeficientes individuales,por lo cual se recurre a la correlaci!n de Nusselt.

&u=# Deq

% (24 )



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#on Deq correspondiente al dimetro equivalente, el cual se obtiene mediante/

Deq=2b(25)

%ara el cual w corresponde al anc@o de las placas utilizadas b a la distancia que existe entre

estas.

La correlaci!n de Nusselt para placas agua como fluido de servicio equivale a/

&u=0,28 0,65 $r0,4(26) #"909"N 0ca- Hl -2288 -8

#on =e igual al n+mero de =enolds %r al n+mero de %randtl

=5 Deq

(27)

Donde/

:iscosidad del a0ua :elocidad nominal

alternativamente/

=Deq G

(28)

G= "

&$ Deq w(29)

Donde/

": flujodea0ua &$ :n6mero de pasadas del a0ua por el intercambiador

$r=Cp

% (30)

Determinando el dimetro equivalente se recurre a '85(/



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Deq=2 0,003[m ]=0,006[m ]

=eemplazando en '8?(/

=

1000 [%0m3 ] 0,006[m ]0,5 [ ms]10

3[$a s ]

=3000

"gualando el valor reciente a la ecuaci!n '86(/

3000=0,006 [m ] G

103[$a s]

G=500 [ %0s m2 ]

500[ %0s m2 ]=252[%0s]

&$0,006 [m] 1[m]

&$=84 [pasadas]

&$=& 2 placas1

2 (31 )

& 2 placas=169

1ustituendo en '23(/



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0,58[ +m7]

=7,21

$r=

4181

[

8

%07

]

103[$a s]

I -2

II -4

=eemplazando en '8(/

&u=0,28 (3000 )

0,65 (7,21 )

0,4=112,3


112,3=# 0,006[m ]

0,58[ +m7]

#=10857,7[ +m

2 7]

9anto el agua caliente como la fra poseen la misma magnitud de coeficiente individual detransferencia de calor por las condiciones propuestas del problema, por lo que la expresi!n delcoeficiente global de temperatura se obtiene de acuerdo/

= 1

( 1

10857,7

[ +m

2 7]

+ 1

10857,7

[ +m

2 7]

+0,0007[m ]

16

[ +m7]

)III -5

=4386,9[ +m2 7]



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b( %ara calcular el rea efectiva de intercambio de calor es necesario precisar el calor trasferido en elproceso relacionarlo con este parmetro pedido, para ello se utilizar/

4t=! "t( TTDC(32)

#on 4t: calor transferido< !: rea de intercambio de calor< ( TTDC: diferencia de

temperatura de transferencia de calor< "t: factor de correcci!n/

4t=mc Cp (TTout)mf Cp (ttout)(33 )

#onsiderando que no existen p$rdidas significativas al ambiente que se encuentra el sistema enestado estacionario.

4t=252[ %0s] 4181[ 8%02C] (15,6 [ 2 C]6,7 [ 2 C])252 [ %0s] 4181[ 8%02C] (5 [ 2 C]15 [2 C] )=1,99'107[8]

0 partir de los parmetros % J se obtiene el factor de correcci!n/

$=ttout

tT

(34 )

9=TTouttoutt

(35)

1e valoran ambas expresiones se obtiene/

$= 5[2 C]15 [2 C]5[2 C]15,6 [2 C]

=0,94

9=15,6 [2 C]6,7 [2 C]15 [2 C]5[2 C]

=0,89



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$igura : *elacin entre par!metro P + para detrminar el factor de correccin en flu/os encontracorriente con m!s de 1 paso%

1e obtiene un factor de correcci!n de 3,55

#alculando a@ora

( TTDC=LMTD=(Ttout)(Toutt)

ln(TtoutToutt) (36)

1ustituendo en '2(/

( TTDC= (15,6[2 C]15[2 C])(6,7 [2 C]5 [2 C] )ln( 15,6 [2 C]15[2 C]6,7 [2 C]5[2 C])

=1,06 [2 C]


1,99' 107 [ 8]=4386,9[ +m2 7] ! 0,55 1,06 [2 C]

!=7780,8 [ m2

]

#orrespondiente al rea de las -C placas, por lo que el rea por placa corresponde a/

!=7780,8 [ m2 ]

169 =46 [ m2 ]



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!=# 1 [ m ](37 )

#=46 [m]

c( %ara calcular la cada de presi!n de las placas se utiliza la correlaci!n de =ic@ardsonKs la cualpropone/

( $=4 fL & 2pasos G

2

Deq 25 (

w)0,17

(38)

#on/

f=0,60,3 (39 )

=eemplazando '2C(/

f=0,6(3000)0,3=0,0543

1ustituendo en '26(/

( $=4 0,0543

46[m ]1 (500[ %0s m2 ])2

0,006[m ]2 1000 [%0m3 ]( 10

3[$a s ]10

3[$a s ])0,17

( $=2,08' 105[$a]

d( del inciso a( se obtuvo que la cantidad de placas involucradas en el proceso corresponden a -C

Experiencia : Intercambiadores de Calor P!gina " 1A


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