Cambiadores De Calor En Serie.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA Il Semestre 2020-1 Grupo:1 González Alvarado Josue 314312697 Moreno Juárez Luis Mario 314182333 FECHA:6 DE OCTUBRE 2019 PRÁCTICA# 7 CAMBIADORES DE CALOR EN SERIE

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1. PROBLEMA ¿Cuál es el menor flujo de agua de enfriamiento que se requiere para enfriar una corriente de proceso de 100 L/h desde 50 ºC hasta 28 ºC?Usarlas cuatro alternativas en el orden siguiente,será preponderante el ahorro de agua de enfriamiento: 1. El arreglo de 2 cambiadores en serie de acuerdo al arreglo 1. 2. El arreglo de 2 cambiadores en serie de acuerdo al arreglo 2. 3. Un cambiador de coraza con tubos. 4.Un cambiador de placas.

2. INTRODUCCIÓN El ​intercambiador ​de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, encontrándose éstos en contacto o separados por una barrera sólida. Se trata de componentes esenciales en los sistemas de ​climatización o ​refrigeración​, acondicionamiento de aire, producción energética y procesamiento químico. Para entender fácilmente el funcionamiento del ​intercambiador de calor, podemos tomar como referencia el radiador de cualquier vehículo. El motor calienta el fluido refrigerante. Este último se refresca por el contacto con las corrientes de aire, logrando así reducir la temperatura del primero tras circular por su interior. Los sistemas hidráulicos utilizan uno de los dos métodos de control de carga: el método de pérdida de energía, en el cual flujo hacia los actuadores se controla mediante el uso de válvulas, o el método de control de volumen, en el cual el desplazamiento de una bomba variable establece el flujo hacia los actuadores. A pesar que sistemas con bombas de desplazamiento variable son más eficientes, generalmente son más costosas y presentan un tiempo de reacción más lento que los sistemas de caudal fijo utilizando válvulas servo o proporcionales. La mayoría de los sistemas de hidráulica industrial son diseñados utilizando el sistema de pérdida de energía. Tales sistemas presentan un costo inferior y tienen una mejor respuesta debido a que la energía del mismo está disponible en todo momento. Como la eficiencia es pobre, la pérdida de energía como calor puede exceder la potencia mecánica generada en el sistema. Por ejemplo, inclusive sistemas electro hidráulicos con válvulas servo o proporcionales diseñados correctamente convierten del 60-80% de la potencia de entrada en calor. Sistemas convencionales bien diseñados pueden generar pérdidas en calor del 20-30%.

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Usos del intercambiador de calor Los intercambiadores de calor se emplean para los siguientes usos: ● ● ● ● ●

Elevar la temperatura de un fluido gracias a otro más caliente. Refrescar un fluido empleando otro con menor temperatura. Llevar al punto de ebullición a un fluido por la acción de un segundo con mayor temperatura. Condensar gases utilizando fluidos fríos. Llevar a ebullición un determinado fluido mientras se condensa otro gaseoso más caliente.

Se debe estimar la generación de calor total antes de construir el sistema. Para llegar a esta cifra, muchos diseñadores utilizan un porcentaje de la potencia instalada. Al usar este método, el calor se estima basado en un porcentaje de la ineficiencia total, basado en las ineficiencias de cada componente, superficie de las tuberías y experiencias pasadas. El total de estos porcentajes se multiplica por la potencia instalada (HP) y convertida en BTU/minutos, BTU/hora, o kW. Para evitar que el intercambiador esté expuesto a altas presiones, los intercambiadores de calor deben ser instalados en la línea de retorno. Válvulas de bypass los protegen de subidas de presión, como las que se ven en períodos de arranque en frío. Estas válvulas deben ser especificadas en base a la temperatura del fluido a utilizar, de manera que el fluido no pase por el intercambiador hasta alcanzar una temperatura predeterminada. Un método alterno utilizado consiste en implementar un circuito separado con una bomba pequeña que lleva el aceite al intercambiador. Generalmente se incorporan filtros a estos circuitos o riñoneras, como se les suele llamar. Cuando se considera una aplicación y dimensionamiento para intercambiadores de calor, la temperatura estable del fluido y el tiempo que toma alcanzarla debe ser utilizado. Los fabricantes de intercambiadores pueden ayudar en la aplicación y selección. Cuando contacte a un representante, se debe tener la siguiente información:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Carga calórica en BTU por minuto, Caudal de aceite en gpm, Temperatura máxima del aceite, Temperatura del ambiente durante operación, Contaminantes ambientales que pudiesen afectar el desempeño del sistema, Caída de presión máxima permisible

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3. DIAGRAMA DE PROCESOS

4. TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES

Tabla 1. Arreglo 1

Tabla 2 .Arreglo 2

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Gráfica 1.

Gráfica 2.

Gráfica 3 (Arreglo 2)

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CUESTIONARIO 1

1. ¿Porqué el perfil de temperaturas B de la corriente de proceso (salidas del cambiador de placas), está siempre por debajo del perfil A (salidas del cambiador de coraza y tubos)? Como se puede observar en el diagrama del arreglo uno, el intercambiador de placas recibe el agua de un proceso previo de enfriamiento , por lo cual la corriente de entrada del intercambiador de placas tendrá una temperatura inferior ya que es la corriente del intercambiador de coraza y tubos . 2. En relación con el enfriamiento de la corriente de proceso, ¿Qué interpretación física tienen las pendientes de los perfiles de temperaturas A y B? Como se puede observar en la gráficas tienen una pendiente negativa , y esto significa que la baja de temperaturas de las corrientes A y B son proporcionales al incrementar el flujo de la corriente fría.

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3. Proponga tres nombres para dar significado a las pendientes de los perfiles de temperaturas. 1.Perfil de temperaturas respecto al aumento de flujo. 2.Capacidad de transferencia de enfriamiento . 3.Capacidad calorífica. 4. ¿Por qué razón a cualquier incremento de flujo de agua fría, la corriente de proceso se enfría más en un cambiador que en otro? Por el área de contacto del cambiador de placas es mejor para este tipo de fluidos pues es mayor y más eficiente que la de coraza y tubos ,pues en esta segunda el área de contacto se ve reducida ,ya que su geometría y diseño permiten una menor área de contacto entre ambas corrientes . 5. ¿Qué interpretación física tiene la diferencia de temperatura media logarítmica en el cambiador de coraza y tubos y en el cambiador de placas? El DTML nos indica el impulso de temperaturas . 6. ¿Por qué, a pesar de que la DTML en el cambiador de coraza y tubos es mayor que la LMDT en el cambiador de placas, las pendientes del perfil de enfriamiento A, son menores que las del perfil B? Pues el DTML relaciona temperaturas y no considera Algunas variables como área o coeficiente de transferencia de calor . 7. ¿Qué flujo de agua de enfriamiento debe utilizarse para enfriar la corriente de proceso? Para ello se trabaja en la disminución de la temperatura en la corriente de procesos fría, es decir, para enfriar la corriente de procesos se toma la corriente fría que nos permita pasar de 50 °C a 28 °C. 8. ¿Con este resultado se resuelve el problema planteado? No, puesto que es necesario tomar en cuenta el siguiente arreglo y el otro intercambiador, para tener un panorama más completo y poder dar una respuesta más acertada. CUESTIONARIO 2 1. ¿Encuentra alguna diferencia significativa entre las pendientes de los perfiles de las temperaturas de enfriamiento A y D del cambiador de coraza y tubos? Explique porqué. No hay diferencia significativa, las temperaturas de salida tienen la misma tendencia, un comportamiento en paralelo. En ambos casos se trata el intercambiador es de coraza y tubos, y las corrientes a la salida están debajo del intercambiador.

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2. ¿Encuentra alguna diferencia significativa entre las pendientes de los perfiles de las temperaturas de enfriamiento B y C del cambiador placas? Explique porqué. Sí, pero estás tienen un cambio que pareciera que tienden a alcanzar un punto en donde tendrán el mismo comportamiento. ambas gráficas tienen el mismo comportamiento, se debe a que estamos tratando las temperaturas de salida B y D del mismo intercambiador, esto es por la eficiencia de la transferencia de calor de los equipos, que a cierto flujo crean una diferencia en las temperaturas de salida, pero llega un punto en el flujo de la corriente fría en el que tienen el mismo comportamiento.

3. ¿Cuál es la razón de que los valores de las diferencias de temperaturas (T1’- T2’) vs Wf del segundo arreglo construido en la gráfica 3, sea negativo? Esto es porque el intercambiador de placas fue muy eficiente, lo que hizo que las corrientes de salida invirtieran su magnitud de temperaturas. Se debe de tomar en cuenta que en el arreglo uno se trata las corrientes del intercambiador de placas y en el arreglo dos del intercambiador de coraza y tubos. En el arreglo dos las posiciones de salida son contrarias al arreglo uno, T1 entra por arriba y da salida a T2 por debajo del intercambiador, en el arreglo uno T1’ entra por abajo del intercambiador y T2’ sale por arriba.

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Wf 100 150 200 250 300 350

Diferencia de temperaturas -2.55 -2.8 -2.4 -2.35 -2.3 -1.9

4. ¿Cómo afectan los valores negativos de las diferencias de temperaturas (T1’- T2’) a la corriente de proceso en el cambiador de coraza y tubos del segundo arreglo? Se produce una menor diferencia de temperaturas, las corrientes cambian de papeles, ahora la corriente caliente se convierte en la corriente fría y la corriente fría en la corriente caliente.

5. ¿Qué característica es la que distingue a un cambiador de otro de acuerdo a la gráfica 3? La gráfica 3 nos da un análisis de las diferencias que se dan en el comportamiento de los arreglos de los intercambiadores. El cambiador de placas presenta una tendencia más uniforme que el intercambiador de coraza y tubos. El arreglo 2 parte de una diferencia de temperaturas negativa hacia uno positivo, esto no es deseable ya que lo que queremos hacer es enfriar la corriente caliente y no calentarla. Y en el arreglo uno se parte de una diferencia de temperaturas positiva y así continúa en el aumento del flujo.

6. ¿Cómo es la magnitud de esta característica cuando se compara la del cambiador de placas contra la del cambiador de coraza y tubos? El cambiador de placas es mayor que el de coraza y tubos. Es positiva para el intercambiador de placas y es negativa para el intercambiador de coraza y tubos. En ambos arreglos aumenta la magnitud de esta diferencia de temperaturas. 7. Especifique las variables de diseño que definen a esta característica distintiva al comparar los perfiles de temperatura C y D. Área de contacto y coeficiente global de transferencia de calor. Las variables de diseño son el área, Q, LMTD y UD. Específicamente el área es la variable involucrada. El área de transferencia es mayor en el intercambiador de placas que en el intercambiador de tubos y coraza, DTML es mayor en el caso de tubos, por lo tanto, el área (A) es menor.

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8. Considerando las variables de la característica distintiva entre los cambiadores explique que contribucion tiene el cambiador de coraza y tubos en el arreglo 1 y en el arreglo 2. Su contribución es importante en el primer arreglo, sin embargo, en el segundo arreglo la contribución de este equipo resulta desfavorable para el sistema, pues en el arreglo uno se enfría la corriente 1, y en el arreglo dos se calienta la corriente. 9. ¿Se necesita experimentar por separado los cambiadores de calor? Explique porqué. No, porque en el primer arreglo se obtienen las temperaturas del intercambiador de coraza y tubo como si estuviera operando solo, ya que no hay equipo que intervenga en su operación. De manera similar ocurre para el intercambiador de placas en el segundo equipo. El análisis por intercambiadores separados llegaría a las mismas conclusiones. 10. Con base en el análisis que se ha desarrollado, ¿Podría concluir que en cualquier arreglo de cambiadores de calor (serie o paralelo) obtendría los mismos resultados? Explique porqué. No obtendremos los mismos resultados en serie que en paralelo, para poder compararlos necesitamos trabajar con arreglos en paralelo. Se debe considerar el intercambiador, ya sea de coraza y tubos o de placas, que debe ir primero en el arreglo. En el de serie se debe de poner primero el que se transfiere menor cantidad de calor para tener un mejor enfriamiento de la corriente de procesos. 11. ¿Cuál es el menor flujo de agua de enfriamiento en L/h para enfriar de 50 ºC a 28 ºC una corriente de proceso de 100 L/h utilizando como medio de enfriamiento agua a temperatura ambiente?

Conclusiones Al determinar los requerimientos de intercambiadores de calor en un sistema hidráulico, se debe considerar cuánto calor genera el sistema y la temperatura que el aceite y los componentes pueden tolerar. Además, determinar las necesidades de enfriamiento puede ser confuso ya que la generación de calor puede variar a medida que la máquina progresa por los distintos ciclos. De igual manera, la temperatura ambiental pudiese variar. El primer paso en determinar los requerimientos de un intercambiador de calor de un sistema es el conocer los límites térmicos del fluido y los componentes. Esta información está disponible por parte de los fabricantes respectivos. Cuando se considera una aplicación y dimensionamiento para intercambiadores de calor, la temperatura estable del fluido y el tiempo que toma alcanzarla deben ser utilizados.

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Un intercambiador correctamente dimensionado y aplicado puede ahorrar tiempo, dinero y costos de reparación. Muchos de los sistemas de potencia hidráulicos no deberían operar sin uno.

Memoria de cálculo Para el cambiador de coraza y tubos

Tºc 50

T2 36.5

t1 22

t2 33.55

LMTD= 15.4545017 Para el cambiador de placas

T1’ 36.5

T2’ 34.8

t1’ 33.5

t2’ 34.7

LMTD= 1.536464605

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Bibliografía MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO. Perry & Chilton. Sección 10. “Transferencia de Calor”. Sección 11. “Equipos de Transferencia de Calor”. Mc Graw Hill CHEMICAL PROCESS EQUIPMENT, SELECTION AND DESIGN Stanley M. Walas. Section 8 “Heat Transfer and Heat Exchangers”. Butterworth-Heinemann

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