Diapositivas Clases Investigación Operativa COMPLETO CAMBIADO
Inter Cambiado r
description
Transcript of Inter Cambiado r
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA
INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO INTEGRAL III
PRÁCTICA 1. TRANSFERENCIA DE CALOR.
BALTAZAR J IMÉNEZ ADRIANA
CHÁVEZ SANTIAGO ALEJANDRA
GALVÁN MARTÍNEZ KATE ALEJANDRA
SÁMANO FRANCÉS ITZEL ALEJANDRA
T INOCO CORTEZ JANETZY ISABEL
11281014
11281028
11281018
11281048
12280737
ING. ALEJANDRO AGUIRRE CARBAJAL
METEPEC, ESTADO DE MÉXICO A 02 DE SEPTIEMBRE DE
2015.
SEP SESTNM TNM
1
ÍNDICE DE CONTENIDO
DIAGRAMA..............................................................................................................2
OBJETIVO................................................................................................................3
INTRODUCCIÓN.....................................................................................................5
PROCEDIMIENTO...................................................................................................6
CÁLCULOS............................................................................................................11
VARIACIONES.......................................................................................................13
ANEXOS................................................................................................................15
A1. Datos Útiles..................................................................................................15
A2. Densidad del Agua Saturada........................................................................16
A3. Viscosidad Cinemática del Agua Líquida / Temperatura de Saturación.......17
FUENTES CONSULTADAS...................................................................................18
2
DIAGRAMA
1 Fusible 15 Válvula de purga2 Interruptor de circuito (ON-OFF) 16 Cámara de Vapor3 Interruptor de Reajuste 17 Condenador4 Control de Calentador 18 Deflectores5 Interruptor de Presión 19 Elemento Calentador6 Calibrador de Presión 20 Colector Intercambiable7 Válvula de Control de Flujo de Purga 21 Distribuidor8 Válvula de control de Flujo del
Condensador22 Válvula de distención de
Presión9 Sumidero 23 Válvula de Control de
desviación del manómetro10 Eliminador de Aire 24 Manómetro de Hg11 Medidor de Flujo de entrada/purga
hacia y desde el circuito de refrigeración
25 Termopar No. 1
12 Válvula de aislamiento del Agua de Refrigeración
26 Termopar No. 2
13 Bomba de Circulación 27 Termopar No. 314 Medidor de Flujo de agua de
refrigeración a través del 28 Indicador de Temperatura
Electrónico
4
OBJETIVO
Utilizar el intercambiador de calor a vapor de agua H930 con un arreglo de
cuatro pasos por los tubos para mostrar su funcionamiento al grupo.
Obtener mediciones del funcionamiento del equipo en un estado estable.
Comparar los resultados obtenidos con datos de prácticas anteriores
prácticas donde se utilizó el equipo con un paso del fluido por los tubos y
con dos pasos por los tubos.
Elaborar una guía práctica y de fácil comprensión para que el uso de este
equipo sea accesible a los diferentes usuarios y de esta manera profundizar
y reforzar el aprendizaje matemático y teórico de la materia procesos de
separación II de forma experimental. Teniendo siempre en cuenta que si la
experimentación es llevada a cabo de manera correcta los datos obtenidos
se acercaran mucho a los datos obtenidos matemáticamente.
5
INTRODUCCIÓN
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZA
En las industrias de proceso, la transferencia de calor entre dos fluidos casi
siempre se lleva a cabo en intercambiadores de calor. Lo más común es que el
fluido caliente y el frío no entren en contacto directo el uno con el otro, para evitar
que se alteren sus propiedades o su pureza, es por esto que los fluidos están
separados por una pared de tubos o una superficie plana o curva hecha de un
material con altos coeficientes de conductividad térmica que favorece la
transferencia de temperatura; los equipos de transferencia de calor más utilizados
son los intercambiadores de calor de doble tubo y los intercambiadores de tubo y
coraza.
En estos intercambiadores, la transferencia de calor se efectúa en tres etapas: por
convección desde el fluido caliente a la pared o la superficie en los tubos, a través
de la pared de tubos o paca por conducción, y luego por convección al fluido frio.
Cuando se manejan fluidos con un bajo coeficiente de película se requiere de un
área de transferencia de calor grande por lo que utilizar un intercambiador de calor
de doble tubo resulta poco eficiente y en su lugar se utiliza un intercambiador de
calor de tubo y coraza. Este tipo de intercambiador es más difícil de diseñar y de
armar que el de doble tubo sin embargo el hecho de diseñarlo específicamente
para un proceso determinado permite que los flujos de estos intercambiadores
sean continuos.
En el intercambiador de calor de condensación de vapor, puede hacerse pasar el
fluido que ha de ser calentado, a través de un sistema de tubos seleccionando el
número de pasos del fluido por los mismos permitiendo que el vapor se condense
en la superficie externa de estos tubos promoviendo así la condensación por
“goteo”.
6
Con el fin de reducir el tamaño del intercambiador de calor de tubo y coraza para
una tarea determinada o aumentarla capacidad de transferencia de calor de una
unidad de un tamaño determinado, se puede aumentar el número de pasos del
fluido a través de la unidad logrando aumentar el área de trasferencia de calor.
7
PROCEDIMIENTO
En la siguiente figura se muestran los pasos para el funcionamiento.
A continuación se describe cada uno de los pasos.
1. Encienda la unidad.
2. Antes de hacer funcionar el calentador presione el botón de reajuste
(interruptor negro) situado debajo del control del calentador.
3. Instale el colector de cuatro pasos y haga funcionar la unidad durante 5
minutos aproximadamente a toda potencia calefactora, máximo flujo del
condensador y baja tasa de flujo de drenaje. Esto es para calentar todos los
componentes y reducir la condensación en el cristal.
Para instalar el colector
8
a. Apague el interruptor eléctrico principal (rojo) y cierre la válvula de
aislamiento del agua de refrigeración.
b. Acabe con cualquier vacío existente en la cámara de vapor
levantando la válvula de distención de presión usando el anillo de
levantamiento.
c. Abra la válvula de drenaje del agua de refrigeración y, usando la
llave tubular suministrada, afloje el cierre de agarre del colector de
latón en la parte superior de la cámara de vapor. Esto permitirá la
entrada de aire en el sistema de enfriado y se producirá el drenaje de
agua a partir del tubo de drenaje.
d. Cuando se vea que el nivel de agua disminuye al punto medio del
medidor de flujo del condensador, cierre la válvula de drenaje del
agua de refrigeración y retire por completo el cierre de agarre del
colector de latón, arandela y anillo en forma de “O”.
*Si la unidad ha funcionado recientemente, el agua y la tapadera superior
estarán calientes y deberían tratarse de acuerdo con ello.
e. Coloque el colector deseado en posición asegurándose que los
cuatro anillos de sellado en forma de "O" están colocados
correctamente y que la clavija de latón está colocada en el agujero
en la placa superior de la cámara de vapor-
f. Vuelva a colocar la arandela del cierre de agarre del colector y el
anillo en forma de "O" asegurándose de que el anulo en forma de
"O" está en la posición correcta.
g. Apriete el cierre de agarre del colector con la llave tubular
suministrada y abra la válvula de aislamiento del agua de
refrigeración.
h. Deje que el sistema se llene hasta que salga agua a través del tubo
de drenaje y pulse el interruptor de conexión eléctrica.
i. El flotador del medidor de flujo subirá y el control de flujo de drenaje
debería cerrarse hasta que se indique 8 g s-1 aproximadamente en el
medidor de flujo de drenaje del agua de refrigeración.
9
j. Con el fin de sacar el aire que haya entrado en los tubos del
manómetro, apriete la válvula de desviación del manómetro durante
30 segundos aproximadamente.
4. Retire el aire del sistema.
a. Con la cantidad de agua correcta en la cámara, encienda el
suministro eléctrico y abra la válvula de aislamiento del agua de
refrigeración.
b. Ajuste el flujo del agua de refrigeración del condensador al máximo y
cierre la válvula de control de flujo del agua de drenaje.
c. Mueva el indicador de temperatura a la posición 1 para indicar la
temperatura del vapor.
d. Apriete el interruptor de reajuste negro situado debajo del control del
calentador para encender el calentador.
e. A medida que la presión de la cámara sube por encima de la presión
atmosférica (0 kN/m2 en el indicador) suba la válvula de distensión
de presión con el anillo adjunto y deje que se ventile la cámara. La
tasa de flujo del condensador del condensador aumentará
inmediatamente indicando que se ha reducido la cantidad de aire en
la cámara.
f. Suelte la válvula de desahogo de presión y permita que suba la
presión de la cámara otra vez.
g. Repita este proceso hasta que la temperatura del agua/vapor sea
100 'C aproximadamente y se vea salir vapor continuamente de la
válvula de distensión cuando se mantenga abierta.
h. Deje que se cierre la válvula de distensión de presión y abra el flujo
de drenaje a 8 g/s aproximadamente.
i. El ajuste cuidadoso del flujo de drenaje y la entrada de calor
permitirá que se estabilice el sistema en las condiciones
establecidas.
10
5. Llene el sistema de circulación de agua de refrigeración.
a. Con el suministro y drenaje de agua conectados, asegúrese de que
el tornillo de agarre del colector de latón en la parte superior de la
cámara de vapor se aprieta con la llave de tuerca la llave tubular y
barra de drenaje.
b. Deje que se llene el sistema hasta que se vea salir poco o nada de
aire a través del tubo de drenaje.
c. Cierre la válvula de control de flujo de drenaje, encienda el
suministro eléctrico y apriete el interruptor principal (rojo). La bomba
empezará a funcionar y el flotador del medidor de flujo del
condensador subirá.
d. Abra la válvula de control de flujo de drenaje despacio hasta que se
indique un flujo de aproximadamente 8 g/s en el medidor de flujo de
drenaje de agua refrigerante. Deje que la unidad funcione durante
varios minutos durante los cuales se verá fluir agua a través del tubo
del manómetro.
e. Cuando el tubo vertical del manómetro no tenga burbujas de aire,
cierre el suministro eléctrico y cierre la válvula de aislamiento del
agua de refrigeración.
6. Asegúrese de que el nivel del agua en la cámara de vapor es el correcto,
es decir, aproximadamente 3 cm por encima del elemento calentador.
7. Seleccione una tasa de flujo del condensador y mediante el ajuste del
control del calentador y la válvula de control de flujo obtenga condiciones
estables a una temperatura de vapor t1 de aproximadamente 100 ⁰C.
11
8. Anote la temperatura de vapor t1, de entrada del agua de refrigeración t2, la
temperatura de salida del agua de refrigeración t3, y la tasa de flujo del
condensador V w.
9. Sin ajustar el control del calentador, reduzca el flujo del agua de
refrigeración del condensador y deje que la unidad se estabilice a la
temperatura de vapor original t1.
10. Anote de nuevo t1, t2, t3 y V w.
11.Repita a otras tasas de flujo del agua de refrigeración reducidas.
12
CÁLCULOS
Lecturas a Realizar:
Temperatura de Vapor t 1 ° CTemperatura de entrada del agua de refrigeración del condensador t 2 ° CTemperatura de salida del agua de refrigeración del condensador t 3 ° CTasa de flujo del volumen de agua de refrigeración V w m3/s
Temperatura media del agua de refrigeración [° C]
Tm=t2+t 32
A partir de los datos gráficos de Viscosidad cinemática y Densidad en los Anexos
de este documento, tomar la Temperatura media del agua de refrigeración (Tm)
para la obtención de los siguientes datos
Viscosidad Cinemática [m2/s] ν H 2OaTm=¿
Densidad [kg /m3] ρ H2O aTm=¿
Flujo de masa del agua de refrigeración [kg/s].
mw= ρ∙ V w=¿
Tasa de transferencia de calor al agua de refrigeración [W].
Q=mw ∙CP∙ (t 3−t 2 )
Área de la superficie de Transferencia de Calor
¿40.9×10−3m2
Ver en tabla de Datos útiles en los Anexos:
Flujo de Calor [W /m2].
Φ= QA
13
Media Logarítmica de la Diferencia de Temperatura [K].
Δt LM=(t 1−t2 )−(t 1−t3 )
ln( t1−t 2 )( t1−t 3 )
Como el Flujo de calor es:
Φ= QA
Y
QA
=U ∙ Δt LM
Por lo tanto:
Coeficiente de Transferencia de Calor General [W /m2K] :
U= ΦΔtLM
Área de flujo del Condensador:
A=3.019×10−5m2
Diámetro interior del tubo condensador
d=6.2×10−3m
Ver Tabla de Datos útiles en Anexos:
Velocidad de Flujo [m/s].
V=V w
A
Número de Reynolds.
ℜ=V ∙dν
14
VARIACIONES
Variación del coeficiente de transferencia de calor total con el número de
Reynolds y el número de pasos a través del tubo.
15
Variación del coeficiente de transferencia de calor total con la tasa de flujo
del volumen de agua de refrigeración del condensador y el número de pasos
a través del tubo.
16
ANEXOS
A1. Datos Útiles
Áreas Relevantes a los Tubos de Condensación
Área de superficie Total Externa: 0.0409m2
Área de superficie Total Interna: 0.0317m2
Área de superficie media: 0.0363m2
Diámetro Interno del Tubo de Condensación:
¿6.2mm
Diámetro Externo del Tubo de Condensación:
¿8.0mm
Área de Flujo Libre de un Solo Tubo: ¿3.019×10−5m2
Capacidad de Calor específica del agua en Condiciones de Funcionamiento Típicas:
¿4.20 KJkg ∙ K
Densidad del mercurio ρHg: 13563kg
m3
Presión Atmosférica Estándar ¿1013mbar=101.3 kN
m2
Presión Absoluta ¿ Presión Atmosférica+PresióndelCalibrador
100kN
m2=14.5lbf
¿2
1kW=3412 BTUh