INSTITUTO POLITÉCNICO

NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

LABORATORIO DE TRANFERENCIA DE CALOR

PROFESOR:

JUAN INFANTE.

ALUMNA:

HERNÁNDEZ VERA LETICIA

EQUIPO 1

2IV54

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CAMISA Y SERPENTIN

1

INDICENDICE

Paginas

objetivo………………………………………………………………………….3

Desarrollo de la experimentación………………………………………………3

Marco teórico……………………………………………………………………5

Cálculos y resultados …………………………………………………………..7

Observaciones……………………………….…………………………………17

Conclusiones…………………………………..………………………………..17

Diagrama de flujo………………………………………………………………..18

Objetivo

2

En esta practica se estudiara la transmisión de calor a través de tanques con dos tipos diferentes de calentamiento: uno provisto de una chaqueta alrededor de él y otro un serpentín sumergido dentro del liquido a calentar. En ambos casos se trabajara en régimen permanente con agitación mecánica del liquido, de tal manera que se obtengan datos suficientes para la comparación de la eficiencia de ambos equipos y determinar cual de los dos tiene mejor transmisión de calor, comparando el valor de sus respectivos coeficientes globales.

Desarrollo de experimentación

1. Verificar que todas las válvulas del sistema se encuentren cerradas al comenzar las pruebas experimentales

2. Verificar el suministro de agua fría y vapor en este orden3. Llenar el tanque de agua fría4. Mediante el encendido del motor de la bomba alimentar de agua fría l

intercambiador de calor, regulando cuidadosamente con las válvulas el flujo para obtener un régimen permanente de operación

5. Suministrar agua alas enfriadores de condensado6. Abrir parcialmente la válvula de alimentación general del vapor y purgar

perfectamente el equipo de alimentación de vapor para eliminar el condensado y los gases incompensables que pueda contener.

7. Manteniendo cerrada la válvula de alimentación el cambiador de calor, abrir completamente la válvula de alimentación general de vapor y regular la presión de trabajo, con la lectura indicada en el manómetro correspondiente. Como la respuesta no es instantánea en el manómetro, al variar la abertura de la válvula reguladora se deberá esperar unos segundos para verificar la lectura.

8. Estabilizar el sistema para lograr el régimen permanente, manteniendo constantes los parámetros anteriores.

9. Por medio de los termómetros respectivos, anotar cada una de las y temperaturas del sistema a intervalos periódicos cada 5 minutos, hasta obtener anotaciones aproximas constantes con respecto ala anteriores. Cuando se ha logrado este se pueda decir que es sistema esta operando a régimen permanente y puede procederse a tomar varios datos.

10.Cerrar las descargas de los tanques de medición y efectuar la lectura de las diferencias de nivel en un tiempo lo suficientemente grande para evitar errores (15 a 20 minutos). Anotar también la presión de vapor de calentamiento.

3

Una vez que se hayan tomado los datos experimentales se procede a parara el equipo mediante la secuela siguiente:

1-.Cerrar el suministro de vapor, permitiendo que e la gua fría continúe circulando para que se enfrié el equipo.

2-. Cortar la circulación de agua al cambiador de calor desconectando el motor de la bomba, y al enfriador, cerrando la válvula.

3.- descargar los tanques empleados.

4.- verificar que todas las válvulas estén en posición de cerrado y los switches en apagado.

Marco teórico

4

Un intercambiador de calor es un dispositivo construido para la transferencia de calor eficiente de un medio a otro. El medio puede ser separado por una pared sólida, de modo que nunca se mezclan, o pueden estar en contacto directo. Son ampliamente utilizados en la calefacción, refrigeración, aire acondicionado, plantas de energía, plantas químicas, plantas de petroquímica, petróleo refinerías, y procesamiento de gas natural. Un ejemplo común de un intercambiador de calor es el radiador en un coche, en el que la fuente de calor, fluidos de ser un motor caliente-frío, el agua, la transferencia de calor al aire que fluye a través del radiador (es decir, el medio de transferencia de calor).

El rol del serpentín es el mismo que la chaqueta. Por lo general, es de un material que no pueda dañar al sistema que se encuentra en el tanque, y que perdure en la vida útil del bioproceso, entre los materiales está: cobre, vidrio, acero inoxidable, que por referencias, nos ha indicado que tiene buenos resultados. Según el diseño o necesidades del bioproceso, se lo coloca en distintas ubicaciones al interior del biorreactor, sabiendo que este método es mucho mejor cuando se trata de biorreactores de mayor capacidad donde la chaqueta ya no resulta la mejor opción.Las chaquetas son menos eficientes que los serpentines, tienen mayor costo inicial y resulta bastante difícil su limpieza mecánica debido a que el acceso al interior de la misma es complicado. En comparación con los serpentines las camisas son una elección ineficiente, ya que un serpentín de la misma superficie

5

presenta un mayor intercambio de calor alrededor de 125% superior en comparación con la chaqueta

En la industria un medio muy usado para la transmisión de calor lo constituyen las camisas y serpentines de calentamiento ya sea en reactores, tanques de almacenamiento y otros equipos lo que hace importante su estudio.

Los recipientes encamisados en la industria son utilizados para procesar lotes en donde la diferencia de temperatura de calentamiento o enfriamiento no es constante.

La camisa en un recipiente provee método adecuado de calentamiento o enfriamiento en términos de control, eficiencia y calidad del producto.Existen varios tipos de camisas destacando en su uso la camisa convencional, la de ojuelos y la de tubo de media caña.Es una cubierta extra alrededor de un recipiente en un espacio anular generalmente concéntrico entre la pared exterior del recipiente y el interior de la camisa. Este tipo de recipiente asegura la transferencia de calor en clarea máxima del recipiente generalmente usa deflectores para asegurar el flujo de calentamiento. Los materiales que se pueden usar para su fabricación es acero al carbón, acero inoxidable, níquel, monel (aleación), etc. Estos equipos son económicos y generalmente utilizan agitadores para acelerar la transferencia de calor.El serpentín de tubos proporciona uno de los medios más baratos para superficies de transferencia de calor, pueden ser de diferentes tipos, siendo el más común el serpentín bafleados y el serpentín helicoidal.

Los materiales de construcción más usados son acero inoxidable, monel, acero al carbón, y diferentes tipos de aleaciones.

6

Tabla de datos experimentales (camisa)

No. De corrida

experimentalTemperaturas (°C) Presión del Vapor

(kg/cm2)

Lectura del Rotámetro

Volumen de condensado obtenido ϴa ϴc

ta1 ta2 Tv tc

1 27 70 104 95 0.45

lmin 7.4 cm ------ 10min

Tabla de datos experimentales (serpentín)

No. De corrida

experimentalTemperaturas (°C) Presión del Vapor

(kg/cm2)Lectura del Rotámetro

Volumen de condensado obtenido ϴa ϴc

ta1 ta2 Tv Tc (∆Z)a (∆Z)c

1 27 69 104 81 0.45

lmin 7.8 cm ----- 10min

Cálculos (camisa)

1) Gasto masa de agua

Gma= ρ∗Fva

Gma=5

lmin

∗60min

1h∗1m3

1000 l∗997.64 kg

m3 =¿

299.292kgh

Interpolando

ρ=997.08+ 27−2525−30

∗(995.68−997.08 )=997.64kg /cm3

2) Gasto maso del vapor.

Gmvc=GvVC∗ρ= Kgh

7

Gmvc=0.02832m3

h∗0.99764

kgl∗1000 l

1m3 =28.2531Kgh

3¿Calculo del gasto volumétrico del condensado.

GvVC=π4

di2∆ zθ

=m3

h

GvVC=π4

(0.285)2 0.0740.16667

=0.02832m3

h

3) Calor aceptado por el agua.

Qa=GmaC pa(t a2−ta1) [¿ ]( Kcalh )

Cp promedio

Temperatura =°CCp =

KcalKg°C

27 0.99970 1.001Promedio 1

Qa=299.292kgh (1 Kcal

Kg°C )∗(70−27 ) °C=12869.556 (Kcalh )

4) Calor suministrado por el vapor

Qv= λ∗Gmv=536.45KcalKg

∗28.2531Kgh

=15156.3755Kcalh

8

Interpolando λ

λ=539.6+ 104−99.0999.09−104.25

∗(539.6−536.3 )=536.45KcalKg

5) Cálculo de la eficiencia térmica del equipo.

η=QaQv

∗100 %

Este valor nunca será superior al 100%.

η=12869.556 (Kcal

h )15156.3755

Kcalh

∗100 %=84.91%

6) Gradiente de temperatura.

ΔTml=tv−tm

T v=104 ° c

T m=70 ° c

ΔT=104 ° c−70 ° c=34 ° c

7) Coeficiente global de transmisión de calor experimental se despeja de la conocida ecuación de Fourier:

(U ) exp= QaA∗ΔTml

A=0.67m2

9

(U ) exp=12869.556 (Kcal

h )0.67 m2∗34 ° c

=564.95 (Kcal∗hr

m2° C )

8) coeficiente de película

Estos coeficientes de transmisión de calor se calculan mediante una ecuación teorica-empirica apropiada a las condiciones específicas de cada ocasión. Este cálculo requiere de mucho cuidado para seleccionar la ecuación adecuada, tomando en cuenta su rango de aplicación.

Propiedades físicas a 70°c

k=0.570Kcalhm°C

μ=¿1.4616 Kgmh

Cp= 0.999 Kcalkg°C

ρ=977.51kg/m3

hi=a¿

hi=0.74∗¿* (0.999∗1.4616

Kgmh

0.57Kcalhm°C

)

13

∗(1 )∗(0.57

Kcalhm°C

0.37m)

❑

hi=4416.85Kcal

hm2 °C

Nota: la corrección de viscosidad se considera 1 ya que el agua es un fluido poco viscoso.

Las constantes del agua son de acuerdo a la temperatura de salida.

Pabs=1.1928 kg /cm2

10

T5 = 104.079 °c

Tsat= 94.079°c

ΔTf=(104.079-94.079)°c= 10°c

TF=(104.079-0.75(10)=96.579 °C

k=0.5847Kcal

hm°C

μ=¿1.0602 Kgmh

ρ=960.847kg /m3

he=0.943(k3∗ρ2∗λ∗gc

L∗μ∗∆T f

)1 /4

he=0.9 43( 0.5847Kcal

hm°C∗960.847

kg

m3∗536.43∗127137600m /h2

0.70m∗1.0602Kgmh

∗10 °C )14

=1421.46Kcal

hm2° C

9) coeficiente global de transmisión de calor teórico

Se utilizan los coeficientes de película y las propiedades de la pared por las que atraviesa el calor:

Uet= 1de

hi∗di+

e∗dek∗dm

+1he

11

Uet= 1

[ 0.374614416.85 (0.37m)

+0.0047625(0.37476)

39.9665(0.37238)+ 1

1421.46]=949.981

Kcal

hm2° c

10) porciento de error

Es una medida relativa de comparación entre los valores experimentales y teórico del coeficiente global de transmisión de calor.

%error=(Ue ) t−(U ) exp

(Ue) tx100

%error=949.981

Kcal

hm2° c−564.95( Kcal

hm2° C )949.981

Kcalhm2° c

∗100=40.53 %

Cálculos (serpentín)

1) Gasto masa de agua

Gma= ρ∗Fva

Gma=5

lmin

∗60min

1h∗1m3

1000 l∗997.64 kg

m3 =¿

299.292kgh

Interpolando

ρ=997.08+ 27−2525−30

∗(995.68−997.08 )=997.64kg /cm3

2) Gasto maso del vapor.

Gmvc=GvVC∗ρ= Kgh

12

Gmvc=0.029855m3

h∗0.99764

kgl

∗1000l

1m3 =29.7845Kgh

3¿Calculo del gasto volumétrico del condensado.

GvVC=π4

di2∆ zθ

=m3

h

GvVC=π4

(0.285)2 0.0780.16667

=0.029855m3

h

3) Calor aceptado por el agua.

Qa=GmaC pa(t a2−ta1) [¿ ]( Kcalh )

Cp promedio

Temperatura =°CCp =

KcalKg°C

27 0.99969 1.001Promedio 1

Qa=299.292kgh (1 Kcal

Kg°C )∗(69−27 ) °C=12570.264 ( Kcalh )

4) Calor suministrado por el vapor

Qv= λ∗Gmv=536.45KcalKg

∗29.7845Kgh

=15977.8950Kcalh

13

Interpolando λ

λ=539.6+ 104−99.0999.09−104.25

∗(539.6−536.3 )=536.45KcalKg

5) Cálculo de la eficiencia térmica del equipo.

η=QaQv

∗100 %

Este valor nunca será superior al 100%.

η=12570.264 ( Kcal

h )15977.8950

Kcalh

∗100 %=78.67 %

6) Gradiente de temperatura.

ΔTml=tv−tm

T v=104 ° c

T m=69 ° c

ΔT=104 ° c−70 ° c=35° c

7) Coeficiente global de transmisión de calor experimental se despeja de la conocida ecuación de Fourier:

(U ) exp= QaA∗ΔTml

A=0.51m2

14

(U ) exp=12570.264 ( Kcal

h )0.516∗35 °c

=696.028( Kcal∗hr

m2 °C )

8) coeficiente de película

Estos coeficientes de transmisión de calor se calculan mediante una ecuación teorica-empirica apropiada a las condiciones específicas de cada ocasión. Este cálculo requiere de mucho cuidado para seleccionar la ecuación adecuada, tomando en cuenta su rango de aplicación.

Propiedades físicas a 69°c

k=0.5692Kcalhm°C

μ=¿1.4421 Kgmh

Cp= 0.999 Kcalkg°C

ρ=978.094kg /m3

hi=a¿

hi=0.83∗¿* (0.999∗1.4421

Kgmh

0.5692Kcalhm°C

)

13

∗(1 )∗(0.5692

Kcalhm°C

0.37m)

❑

hi=7851.59Kcal

hm2° C

9) calculo de coeficiente de película exterior.

Pabs=1.1928 kg /cm2

T5 = 104.079 °c

Tsat= 94.079°c

15

ΔTf=(104.079-94.079)°c= 10°c

TF=(104.079-0.75(10)=96.579 °C

k=0.5847Kcal

hm°C

μ=¿1.0602 Kgmh

ρ=960.847kg /m3

λ=536.041

he=0.725(k3∗ρ2∗λ∗gc

L∗μ∗∆T f

)1 /4

he=0.9 43( 0.5847Kcal

hm°C∗960.847

kg

m3∗536.43∗127137600m /h2

0.32m∗1.0602Kgmh

∗10 °C )14

=1728.7Kcal

hm2 °C

10) coeficiente global de transmisión de calor teórico

Se utilizan los coeficientes de película y las propiedades de la pared por las que atraviesa el calor:

Uet= 1de

hi∗di+

e∗dek∗dm

+1he

U t eo= 1

[ 0.374617851.59(0.37m)

+0.0047625(0.37476)

33.3(0.37238)+ 1

1728.7]=1174.6

Kcal

hm2 ° c

10) porciento de error

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Es una medida relativa de comparación entre los valores experimentales y teórico del coeficiente global de transmisión de calor.

%error=U teo−U exp

U teo

∗100=1174.6−696.0281174.6

x100=38.71 %

Tabla de resultados (camisa)

No. Corrida exp.

Gma(kg/hr)

Gmc(kg/hr)

Hi(Kcal/hrm2⁰C)

He(Kcal/hrm2⁰C)

Eficiencia (%)

Uexp(Kcal/hrm2⁰C)

Uteo(Kcal/hrm2⁰C)

Error(%)

1 299.292

28.2531 4416.85 1421.46 84.91 564.95 949.981 40.53

Tabla de resultados (serpentín)

No. Corrida exp.

Gma(kg/hr)

Gmc(kg/hr)

Hi(Kcal/hrm2⁰C)

He(Kcal/hrm2⁰C)

Eficiencia (%)

Uexp(Kcal/hrm2⁰C)

Uteo(Kcal/hrm2⁰C)

Error(%)

1 299.292

29.7845 7851.59 1728.7 78.67 2604 6732.64 40.7434

Observaciones

Es primordial alcanzar el régimen permanente en ambos equipos para poder tomar datos experimentales.

La válvula de alimentación del tanque no se puede mover al mismo tiempo que la válvula reguladora de presión por que varía y tarda en estabilizarse.

Conclusiones

De acuerdo a la experimentación de la práctica, la camisa tarda más tiempo estar en régimen permanente que el serpentín.

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Se llevó a cabo la determinación experimental del coeficiente de transferencia de calor para dos tipos de equipos de transferencia de calor (de camisa y serpentin) operando condiciones similares.

Conforme a los datos obtenidos se determino que en la camisa se obtuvo mayor eficiencia, que el equipo de serpentín, sin embargo el porciento de error es muy similar.

El intercambiador de que se encuentra conformado por los dos equipos, camisa y serpentín, es un gran equipo ya que su puede llevar acabo la transferencia de calor de un fluido frio a un fluido caliente a una gran rapidez.

También se llega a la conclusión de que la transferencia de calor es mucho más elevada desde el fluido caliente hacia las paredes del equipo de camisa, caso contrario el equipo de serpentín donde el coeficiente de película interior es menor que el exterior.

Bibliografía

https ://www.u-cursos.cl/ingenieria/2006/2/IQ53D/1/.../104422

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