Diapositiva 1 - Laboratorio de Operaciones Unitarias I

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 CpT
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