UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA

DE MÉXICO
Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

Ingeniería Química
Laboratorio Experimental Multidisciplinario III
Informe Experimental
Practica 2: “INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA I”
Integrantes:
Grifaldo Flores Miguel Ángel
Guzmán Amoroso José Luis
Hernández Macías Cristian Francisco
Mendoza Linares Gaspar

Grupo: 1553-A/B

23 / Septiembre / 2014
 OBJETIVOS.

 Conocer el funcionamiento de los intercambiadores de calor de tubos y coraza.

 Utilizar las correlaciones adecuadas para el cálculo del coeficiente global de
transferencia de calor teórico.
 Identificar el sistema y comprender los instrumentos a emplear para las
mediciones.
 Utilizar el equipo de forma correcta a las diferentes condiciones en las cuales se
trabajará.

INTRODUCCIÓN
Dentro del LEM III se buscará poder identificar los diversos intercambiadores de calor
que van a existir en las industria, es de vital importancia para el Ingeniero Químico el
dominio de este tipo de equipos, para ello el curso amplia una diversa gama de
intercambiadores de calor.

El fundamento en el cual se van a ver envueltos estos equipos es la transferencia de

calor, esta es una operación unitaria de las más frecuentes en la industria, sobre todo esto
en fábricas en las cuales se llevara a cabo un proceso de materias primas para formar
otro tipo de material. En la industria es vital que se transmita o asimismo se elimine calor,
esto se hará en forma de energía, esto con el fin de enfriar o calentar una sustancia,
también es muy bueno para cambiar estado de agregación de los componentes.

En esta práctica se trabajará con un intercambiador de tubos y coraza, dentro del LEM se
tienen dos equipos de este estilo, en este nos interesa el primero el cual tiene como
particularidad estar de manera independiente, por lo cual tendrá la importancia de su
estudio en forma individual.

Intercambiadores de calor.

Los intercambiadores de calor son aparatos facilitan el intercambio de calor entre dos
fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se
mezclen entre sí. En la práctica los intercambiadores de calor son de uso común en una
amplia variedad de aplicaciones. Los intercambiadores de calor difieren de las cámaras
de mezclado en el sentido de que no permiten que se combinen los dos fluidos que
intervienen. Por ejemplo, en un radiador del automóvil el calor se transfiere del agua
caliente que fluye por los tubos de ese radiador hacia el aire que fluye a través de placas
delgadas muy cercanas entre sí que se encuentran en el exterior de dichos tubos.
 GENERALIDADES.
Intercambiadores de calor de Tubos y Coraza.

El intercambiador de calor de coraza y tubos es el más utilizado en la industria. Está

formado por una coraza y por multitud de tubos. Se clasifican por el número de veces que
pasa el fluido por la coraza y por el número de veces que pasa el fluido por los tubos.

En los intercambiadores de calor de paso múltiple se utiliza un número par de pasos en el

lado del tubo y un paso o más por el lado de la coraza.

Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al recibidor, aun
cuando muchas de las aplicaciones en la ingeniería son combinaciones de dos o tres.
Estas son, conducción, convección y radiación.
Conducción. Por este mecanismo, el calor puede ser conducido a través de sólidos,
líquidos y gases. La conducción se verifica mediante la transferencia de energía cinética
entre moléculas adyacentes. En un gas las moléculas “más calientes”, que tienen más
energía y movimiento, se encargan de impartir energía a moléculas colindantes que están
a niveles energéticos más bajos. Este tipo de transferencia siempre está presente, en
mayor o menor grado, en sólidos, líquidos y gases en los que existe un gradiente de
temperatura. En la conducción la energía también se transfiere por medio de electrones
“libres”, un proceso muy importante en los sólidos metálicos. Entre los ejemplos en los
que la transferencia se verifica ante todo por conducción, se cuentan la transferencia a
través de paredes o intercambiadores de una nevera, el tratamiento térmico en el forjado
de acero, la congelación del suelo durante el invierno, etcétera.

Convección. La convección es la transferencia de calor entre partes relativamente

calientes y frías de un fluido por medio de mezcla. Supóngase que un recipiente con un
líquido se coloca Sobre una llama caliente. El líquido que se encuentra en el fondo del
recipiente se calienta y se vuelve menos denso que antes, debido a su expansión térmica.
El líquido adyacente al fondo también es menos denso que la porción superior fría y
asciende a través de ella, transmitiendo su calor por medio de mezcla conforme asciende.

La transferencia de calor del líquido caliente del fondo del recipiente al resto, es
convección natural o convección libre. Si se produce cualquiera otra agitación, tal como la
provocada por un agitador, el proceso es de convección forzada. Este tipo de
transferencia de calor puede ser descrito en una ecuación que imita la forma de la
ecuación de conducción y es dada por:

dQ =L 4 dt

Radiación. La radiación involucra la transferencia de energía radiante desde una fuente a

un recibidor. Cuando la radiación se emite desde una fuente a un recibidor, parte de la
energía se absorbe por el recibidor y parte es reflejada por él. Basándose en la segunda
ley de la termodinámica, Boltzmann estableció que la velocidad a la cual una fuente da
calor es:

dQ =ae cL 4 T 4

Esto se conoce como la ley de la cuarta potencia, T es la temperatura absoluta. <J es una
constante dimensional, pero E es un factor peculiar a la radiación y se llama emisiuidad.
La emisividad, igual que la conductividad térmica k o el coeficiente de transferencia de
calor h, debe también determinarse experimentalmente.

Ecuaciones para la práctica.

A partir de las siguientes ecuaciones se obtiene el coeficiente experimental:

 Q
U exp=
A⋅LMTD

QT =QVAP −Q AGUA

Si consideramos que no se pierde calor, y que el calor cedido por el vapor es ganado por
el agua, tenemos:

Qvap =Qagua

Q=mCp Δt
Y que LMTD es:

ΔT 1 −ΔT 2
LMTD=
ΔT 1
ln
ΔT 2
 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

 Verificar que estén disponibles los servicios y abrir las válvulas.

 Revisar que todas las válvulas del equipo estén cerradas.
 Purgar el equipo abriendo las válvulas que se indiquen por el profesor.
 Verificar que esté cerrada la válvula de retorno de agua helada y abierta la del
tanque de condensado.
 Abrir la válvula de agua helada para que circule por el equipo y medir la
temperatura del agua.
 Fijar la alimentación de agua (trabajar a diferentes flujos).
 Vigilar que la presión del vapor No sobrepase los 2 kg/cm2 por seguridad.
 Cuando el equipo esté en condiciones estables (no varíe notablemente la presión)
tomar lecturas de temperaturas, cantidad de flujo de aire de alimentación (con el
rotámetro o cubicando el tanque o con la placa de orificio) y presión a que se
trabaje.
 Cerrar la válvula de vapor, dejar circular el agua, abrir la válvula de condensado la
del tanque de agua para vaciar el equipo.
 Cerrar todas las válvulas del equipo y de la estación.
 Dejar limpio el equipo.

RESULTADOS

Flujo (Gal/min) T entrad T salida P vap

(°C) (°C) (kg/cm2)
1.3 17 90 0.5
1.6 17 90 0.5
1.9 17 89 0.5
2.2 17 87 0.5
2.5 17 81 0.5
2.9 17 78 0.5

Estos son los resultados experimentales que se han obtenido a una presión de vapor de
7.11 psia y una temperatura de 202.55 ºF, enseguida se mostraran los datos que se
usaron para el tratamiento de datos.

T en (°F) T s(°F) T prom(°F) Cp K (Btu/h ft Flujo

μ (lb/ft h) ρ (lb/ft^3) (Btu/lb°F) °F) (ft^3/s)
62,6 194 128,3 1,24879 61,5773 0,999 0,3754 2,90E-03
62,6 194 128,3 1,24879 61,5773 0,999 0,3754 3,56E-03
 62,6 192,2 127,4 1,25894 61,5921 0,9989 0,37505 4,23E-03
62,6 188,6 125,6 1,27966 61,6213 0,9988 0,3742 4,90E-03
62,6 177,8 120,2 1,3453 61,7066 0,9986 0,3716 1,00E-02
62,6 172,4 117,5 1,3802 61,7478 0,9985 0,3703 1,00E-02

A continuación se muestran los datos obtenidos para la determinación del coeficiente de

transferencia de calor experimental

ΔT2(°F) ΔT1 (°F) LMTD W (lb/h) Q(Btu/h) A (ft^2) U exp(Btu/h ft^2 °F)
139,95 8,55 47,0065699 642,867012 84388,2527 7,068 253,9960087
139,95 8,55 47,0065699 789,174677 103593,855 7,068 311,8019969
139,95 10,35 49,763877 937,924499 121421,305 7,068 345,2106183
139,95 13,95 54,6446735 1086,99973 136797,612 7,068 354,1882419
139,95 24,75 66,4950522 2221,4376 255551,338 7,068 543,7412573
139,95 30,15 71,5262713 2222,9208 243710,589 7,068 482,0724054

Re G Pr af
5081,45918 9,24E+04 3,32323178 6,96E-03
6237,9292 1,13E+05 3,32323178 6,96E-03
7353,93116 1,35E+05 3,35303337 6,96E-03
8384,77774 1,56E+05 3,41561841 6,96E-03
16299,4027 3,19E+05 3,61522223 6,96E-03
15897,8604 3,20E+05 3,7216573 6,96E-03

U teo (Btu/h ft^2

hi hio °F)
202,329867 158,7653559 88,95984017
238,397444 187,0670688 104,8179337
272,495467 213,8233001 119,8100587
303,809868 238,3952634 133,5782886
523,187755 410,5379575 230,0337556
515,973772 404,8772478 226,8619312

Con los datos que se calcularon del coeficiente de Re y el coeficiente global de

transferencia de calor se obtiene esta grafica donde se representa la relación entre el
número de Re y el U.
 600

500

400

300
U

U exp
200 U teo

100

0
5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000
Re

La grafica q representa la relación entre el coeficiente de Re con los coeficientes teórico y

experimental muestra claramente que la transferencia a los distintos flujos que se
midieron es muy buena ya que el coeficiente teórico es menor que el experimental ya que
el coeficiente teórico es una referencia para el diseño por tanto para que su eficiencia sea
optima se debe diseñar con un poco más de capacidad de acuerdo a su capacidad teórica
lo marque para que la transferencia de calor sea optima en el proceso tal como se ve en
la gráfica. La eficiencia de un intercambiador de calor puede verse afectada por la
suciedad en el haz de tubos pero con los cálculos que se presentan a continuación y los
datos ya presentados con anterioridad se ve claramente que la transferencia es óptima.
En el último punto de la gráfica se ve que este cuando nos situamos en dicho punto cae,
esto significa que en el intercambiador es la máxima transferencia de calor y con este
punto final lo que se está haciendo es forzar al equipo a una mayor transferencia de calor,
debido a que las condiciones del intercambiador no son muy favorables no se puede
favorecer más la transferencia de calor.

CONCLUSIONES
Aunque el comportamiento de la grafica experimental no es muy parecido al grafico
teórico, podemos decir que se logra una mejor transferencia de calor, el coeficiente es
mayor, a medida que el # de Re aumenta; es decir una mejor transferencia de calor se
logra con un flujo totalmente turbulento.
 MEMORIA DE CÁLCULO
Para el cálculo de Uexp es necesario conocer el área de transferencia de calor (A), Calor Transmitido
(Q), y LMTD

Datos

T ent =17 ° C=62.6 ° F T vap=202.55 ° F

T sal =90 °C=194 ° F gal Ft

3
1.3 =0.0029
min seg
kg
Pvap =0.5 2
=7.11 Psia
cm

∆ T 2=T vapor −T inicial =202.55 ° F−62.6 ° F=139.95° F

∆ T 1=T vapor −T final =202.55° F−194 ° F=8.55° F

∆T 2−∆ T 1 139.95° F−8.55 ° F

LMTD= = =47.0065 ° F
ln
( )
∆T 2
∆ T1
ln(139.95° F
8.55 ° F )

T ent =62.6 ° F

T sal =194 ° F

∆T ent + T Sal 62.6 ° F +194 ° F

T Prom = = =128.3 ° F
2 2

Para T Prom=128.3 ° F

lb Btu
ρ=61.5773 Cp=0.9990
ft
3
lb ° F

lb Btu
μ=1.24879 k =0.3754
ft h h ft ° F

Q=WCp ∆ T
 ( )( )( 3600 )
3
Ft lb s lb
W = 0.0029 61.5773 3 =642.8670
seg ft 1h h

(
Q= 642.8670
lb
h )(
0.9990
Btu
lb ° F )
( 194 ° F−62.6 ° F )=84388.25108
Btu
h

A=N t π D o L=12 ( π ) ¿

Btu
84388.25108
Q h Btu
U exp = = =253.9960 2
A LMTD 7.068 ft ( 47.0065 ° F )
2
f t h° F

Cálculo de Uteo

( hio ) ( hi ) W
Ut= G=
( hio+ hi ) aƒ

hio=hi ¿ No . de tubos x( aƒ 1tubo )

aƒ=
No . pasos x(144)
hi=¿

D∫ ¿
ℜ=G ¿
μ

Cp μ
Pr=
k

12(0.334) lb
aƒ=
−3
=6.958 x 1 0 f t
2
642.8670
4 (144) h lb
G= =92392.49784
−3
6.958 x 1 0 f t
2
ft h

lb
ℜ=92392.49784 ¿¿
ft h

Pr=
( 0.9990
Btu
lb° F )( 1.24879
ft h )
lb
=3.32323178
Btu
0.3754
h ft ° F

( )
Btu
0.3754 1
h ft ° F 0.8
hi= ( 0.027 )( 5081.45918 ) ( 3.3232 ) 3 =202.329867
0.06866 ft
hio=202.3298 ( 0.06866
0.0875 ft )
ft
=158.7653559
 ( 158.7653559 ) ( 202.329867 ) Btu
U te o= =88.95984017 2
(158.7653559+202.329867 ) f t ° Fh