PRACTICA DE LABORATORIO 1

U.P.T.C. Formacin bsica profesional. rea complementaria tcnica Facultad Seccional Duitama Trmicas II Escuela de Ingeniera Electromecnica 54020909-04 U.P.T.C. Formacin bsica profesional. rea complementaria tcnica Facultad Seccional Duitama Trmicas II Escuela de Ingeniera Electromecnica 54020909-04

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Formacin bsica profesional. rea complementaria tcnica Trmicas II Escuela de Ingeniera Electromecnica

INFORME DE LABORATORIO N2INTERCAMBIADORES DE CALOR

CRISTIAN ALEJANDRO MONTAA MONTAACOD: 201020944

COD:

COD:

UNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLGICA DE COLOMBIA FACULTAD SECCIONAL DUITAMAESCUELA DE INGENIERA ELECTROMECNICADUITAMA2015

INFORME DE LABORATORIO N2INTERCAMBIADOES DE CALOR

CRISTIAN ALEJANDRO MONTAA MONTAACOD: 201020944

COD:

COD:

ING. ORLANDO DAZ PARRA

TRMICAS II

UNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLGICA DE COLOMBIA FACULTAD SECCIONAL DUITAMAESCUELA DE INGENIERA ELECTROMECNICADUITAMA2015

PRACTICA DE LABORATORIO 4 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOSINTRODUCCIONEn la mayor parte de las industrias se llevan a cabo procesos de transferencia de calor, la forma ms usual de hacerlo es mediante intercambiadores de calor en los cuales los fluidos intercambian calor a travs de las superficies que los separan.En esta prctica de laboratorio se estudiara el proceso de intercambio de calor en un intercambiador de calor de tubos concntricos que costa de dos etapas; en la primera de ellas el fluido fro (aceite mineral) es calentado mediante vapor de agua, en la segunda etapa el aceite es refrigerado por medio de agua.

1. OBJETIVOS1.1. OBJETIVOS GENERALESDeterminar el coeficiente de transferencia de calor y la MLDT para el intercambiador de calor de tubos concntricos.

1.2.OBJETIVOS ESPECFICOS. Elaborar una grfica de temperatura en funcin de la longitud para todo el intercambiador. Realizar el balance de energa del intercambiador, tanto en la seccin de calentamiento, como en la de enfriamiento y determinar las perdidas por radiacin y conveccin del sistema. Determinar la diferencia media logartmica de temperatura (MLDT) considerando dos intercambiadores: vapor-aceite y agua-aceite. Determinar los coeficientes de pelcula para cada uno de los intercambiadores. Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor para los dos intercambiadores. Calcular el factor de suciedad (Rd) combinado. Comparar los coeficientes obtenidos con los suministrados por la literatura.

2. GENERALIDADES 2.1 INTERCAMBIADORES DE CALOR Un intercambiador de calor es un dispositivo que efecta la transferencia de calor de un fluido a otro. Aunque existen muchas modalidades de equipos intercambiadores, el sistema ms sencillo que generalmente existe es un recipiente en el cual se mezcla directamente un fluido caliente y otro fro, haciendo que alcancen la misma temperatura final; la cantidad de calor transferida puede calcularse igualando la energa perdida por el fluido ms caliente con la energa ganada por el fluido ms fro. Sin embargo son ms comunes los intercambiables de calor en los cuales un fluido est separado del otro por una pared o divisin a travs de la cual fluye el calor, este tipo de intercambiadores se denominan recuperadores, de sta clase, existen muchos entre los cuales estn los intercambiadores de coraza y tubo, los cuales pueden fabricarse con altas propiedades mecnicas como resistencia a la corrosin, y son especiales para calentar, enfriar, evaporar o condensar toda clase de fluidos. 2.2 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCNTRICOS Es el tipo ms sencillo de intercambiables de calor, consiste en un tubo colocado concntricamente dentro de otro tubo. Uno de los fluidos fluye en el interior, y el otro en la regin anular formada entre ambos tubos. Cuando las corrientes de ambos fluidos recorren el intercambiador una sola vez, se conoce como intercambiadores de un solo paso o de paso nico, si ambos fluidos se desplazan en la misma direccin, el intercambiador es de tipo de flujo paralelo; si los fluidos transitan en direcciones opuestas, el intercambiador es de contra flujo o de contracorriente. Para los intercambiadores de calor de tubos concntricos, la diferencia de temperaturas entre el fluido caliente y el fluido fro no permanece constante a todo lo largo del tubo, la velocidad del flujo de calor variar de una seccin a otra y para su determinacin es preciso usar una adecuada diferencia temperaturas medias, conocida como diferencia media logartmica de temperaturas MLDT.

2.5 AUTOEXAMEN a En qu consiste un intercambiador de tubos concntricos? Los intercambiadores de calor de tubos concntricos o doble tubo son los ms sencillos que existen. Estn constituidos por dos tubos concntricos de dimetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor dimetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la direccin de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. A continuacin se pueden ver dos imgenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.

Los intercambiadores de calor de tubos concntricos o doble tubo pueden ser lisos o aleteados. Se utilizan tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. Como resultado el rea exterior se amplia, siendo sta ms grande que el rea interior.El tubo con aletas transversales representado a continuacin, se utiliza cuando la direccin del fluido es perpendicular al tubo.

En cambio, cuando la direccin del flujo de los fluidos es paralela al eje de los tubos, el tubo es con aletas longitudinales:

b Qu caractersticas deben tener en cuenta para el estudio de la transferencia de calor en el interior de intercambiador? Dado que a lo largo del proceso de clculo intervendrn dos fluidos, se deber poder identificar en todo momento a cada uno de ellos, por lo que se utilizar la notacin precisa a cada uno de ellos.

Se debe considerar un coeficiente global de transmisin constante para todo el intercambiador, el coeficiente global medio.

Si alguno de los fluidos experimenta un cambio de estado, este cambio tendr lugar a lo largo de todo el intercambiador y no en una parte de ste. Los caudales msicos de ambos fluidos se consideran constantes.

Las propiedades termo fsicas de los fluidos se considerarn constantes a lo largo de todo el cambiador.

El intercambio de calor se realizar nicamente en el sentido de la normal a la superficie de intercambio. (no existen prdidas por carcasa).

En cualquier seccin transversal del cambiador, los fluidos, en cada uno de los pasos que efecte, pueden caracterizarse por una y solo una temperatura. c A que se deben las prdidas de energa en el intercambiador?, describa cada una de ellas y explique el por qu de su existencia. El intercambiador est equipado con un aislante, pero esto no evita que se produzcan prdidas en el sistema. Al existir diferencias de temperatura entre los fluidos, o entre los fluidos y el medio, el sistema tendr la tendencia de equilibrar su temperatura, lo que genera prdidas en forma de calor, generadas por la transferencia del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.Como ya se ha estudiado esto puede producirse por conduccin, conveccin y radiacin hacia el medio, y la magnitud de estas prdidas depender directamente del tiempo de operacin del intercambiador, de la diferencia de temperaturas que exista y de la temperatura de ambiente

d Para el estudio de la transferencia de calor en intercambiadores, porque se hace necesario definir la diferencia media logartmica de temperatura? Tiene gran importancia ya que dicha diferencia media de temperatura, que multiplicada por el coeficiente global real medio y por el rea de intercambio permite obtener el flujo de calor intercambiado, es logartmicamente un valor promedio de las diferencias de temperatura entre el fluido caliente y el fro en cada seccin del cambiador, cuando se considera toda la longitud de ste, estando, por tanto, comprendida entre los valores extremos que alcancen estas diferencias en el interior del cambiador, valores extremos, que como se desprende de la simple observacin de las curvas de distribucin de temperatura, corresponden precisamente a las diferencias terminales.

e Para qu se emplean las trampas de vapor? Las trampas de vapor son un tipo de vlvula automtica que filtra el condensado (es decir vapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin dejar escapar al vapor. Las trampas de vapor son usadas en tales aplicaciones para asegurar que no se desperdicie el vapor. El vapor se forma cuando el agua es evaporada para formar un gas. Para que el proceso de evaporacin se produzca, las molculas de agua deben recibir suficiente energa de tal manera que las uniones entre las molculas (uniones de hidrogeno, etc.) se rompan. Esta energa que se da para convertir un lquido a gas recibe el nombre de "calor latente".Los procesos basados en el calentamiento utilizan el calor latente y lo transfieren al producto. Cuando se realiza este trabajo (es decir el vapor a cedido su calor latente), el vapor se condensa y se convierte en condensado. En otras palabras, el condensado no tiene la habilidad de hacer el trabajo que el vapor realiza. Por lo tanto la eficiencia de calentamiento se ve afectada si el condensado no es removido propia y rpidamente como sea posible, ya sea en una tubera para transportar el vapor o en un intercambiador de calor.

3. MATERIALES Y EQUIPOS Para realizar la prctica correspondiente a este tema se utiliza un equipo conocido como Intercambiador de tubos concntricos.

4. PROCEDIMIENTO

5. TOMA DE DATOS Tabla 1. Mediciones de TemperaturaACEITEAGUA

Tiempo(minutos)TEMPERATURA

T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11

030715439312891212110

131715441322891211101

232715542333091211101

333725544373191211111

435725645373291211101

536725646383291211111

637725747393391212111

738735747393491212111

Tabla 2. Temperaturas en estado estable.PRESION DEL VAPOR DE AGUA (psi)30

CAUDAL DEL AGUA (gpm)4

CAUDAL DEL ACEITE (gpm)4

SECCION DE CALENTAMIENTOTemperatura del fluido caliente (vapor de agua) (C)Temperatura del fluido fro (aceite)(C)

T entradaT SalidaT entradaT Salida

Tubo 1T1297T1397T138T273

SECCION DE ENFRIAMIENTOTemperatura del fluido caliente (aceite) (C)Temperatura del fluido fro (agua)(C)

T entradaT SalidaT entradaT Salida

Tubo 2T273T357T1011T111

Tubo 3T357T447T912T1011

Tubo 4T447T539T812T912

Tubo 5T539T634T79T812

6. CARACTERISTICAS A OBTENER 1) Haga un balance de energa del intercambiador para la seccin de calentamiento al igual que para la seccin enfriamiento. Conociendo las propiedades del aceite y el agua con temperatura en estado estable podemos hallar el flujo msico con base en las mismas como puede verse en la tabla 3.Tabla 3. Propiedades y flujo msico del agua y el aceiteACEITE

(kg/m3)882,05

Cp (kJ/kg.K)1,9225

q (gal.min)4

q(m3.s)0,00025

(kg/s)0,22259

AGUA

(kg/m3)999,97

Cp (kJ/kg.K)1,865

q (gal.min)4

q(m3.s)0,00025

(kg/s)0,25235

Para realizar el balance de energa tenemos:

Tabla 4. Balance de energaSECCION DE CALENTAMIENTOEn el aceite (kW)15,0

SECCION DE ENFRIAMIENTOEn el aceite (kW)-6,8

-4,3

-3,4

-2,1

En el agua (kW)-4,7

-0,5

0,0

1,4

2) Dibuje una grfica de temperatura vs longitud para todo el intercambiador.

3) Determine la diferencia media logartmica de temperaturas (MLDT) para los dos intercambiadores estudiados. Para proceder con el anlisis de la MLDT hallamos los deltas de temperatura con la relacin que se muestra:

Y la LMDT est dada por:

Donde;

Aplicando las ecuaciones tenemos:Tabla 5. Diferencias logaritmicas de temperatura.SECCIONT1T2MLDT (C)

CALENTAMIENTO592438,9

ENFRIAMIENTO467258,0

354640,2

273530,8

252726,0

4) Obtenga los coeficientes de pelcula para ambos intercambiadores. Para las temperaturas calricas tenemos:

Tabla 6. Temperaturas CalricasTEMPERATURAS CALORICASPARA LA SECION DE CALENTAMIENTO

VAPORTc97

ACEITEFc1,04tc74,4

t273

t138

Para la seccin de vapor Tc es igual a 97 ya que T1 y T2 son iguales como puede verse en la tabla 2. Los resultados se muestran en la tabla 6. COEFICIENTE DE PELCULA PARA EL ACEITE (TUBO INTERIOR). Siguiendo las indicaciones de la gua de laboratorio tenemos que:

El valor de DI ser de 13.4 mm de acuerdo a los datos suministrados. Una vez calculados procedemos a hallar el nmero de Reynolds mediante la relacin:

Los resultados se presentan en la tabla 7Tabla 7. Determinacin del nmero de Reynolds para el aceiteNMERO DE REYNOLDS

ap (m2)0,000141

Gp (Kg/m2.s)1580,748

DATO: (kg/m.s)0,074

Re286,03

Habiendo calculado el numero de Reynolds obtendremos un valor aproximado de jh en la grfica de Kern:

De donde obtenemos un jh aproximado de 0.88El clculo de hi requiere de una frmula bastante extensa, por lo que para una mayor facilidad en el clculo dividimos el clculo en tres partes y al final multiplicamos el resultado para obtener el valor buscado

El valor de hio se obtiene multiplicando el valor de hi por un factor de correccin dado por la relacin entre los dimetros interno y externo.

Tabla 8. Clculo de hiPARA CALCULAR hi

DATO :K (W/mk)0,1404

DATO :Cp aceite (KJ/kgK)1,9225

DATO: w (kg/m.s)0,2176

19,227184

20,995523

31,163

hi (W/m2.K)10,68318

hio (W/m2.K)9,013721

COEFICIENTE DE PELICULA PARA EL AGUADe forma similar hallamos el coeficiente de pelcula para el agua, solo que es este caso tendremos en cuenta el rea anular para hallar el nmero de Reynolds.

La velocidad msica est dada por: Al tener que trabajar con un rea anular debemos usar un dimetro equivalente que estar dado por:Donde D2=25.3 mm y D1=15.87 mm

Tabla 9. Determinacin del nmero de Reynolds para el aguaNMERO DE REYNOLDS

ap (m2)0,00030373

Ga (Kg/m2.s)830,855439

DATO: (kg/m.s)0,001002

Diametro equ. De (m)0,02436774

Re20205,6562

Nuevamente recurrimos a la grfica de Kern para obtener un valor aproximado de jh, en este caso ser de 56.3.

De nuevo, para mayor facilidad de clculo del valor en Excel dividimos la frmula en las mismas tres secciones anteriores para obtener hoTabla 10. Clculo de hoPARA CALCULAR ho

DATO :K (W/mk)0,607

DATO :Cp agua (J/kgK)4180

DATO: w (kg/m.s)0,001138

11403,42859

20,51854827

31,0179781

ho (W/m2.K)740,828956

COEFICIENTE DE PELCULA PARA EL VAPOR EN LA SECCION DE CALENTAMIENTOComo la medicin de la temperatura de la pared no es posible en este equipo, se utiliza la siguiente ecuacin:

Tabla 11. Clculo de TwCLCULO DE Tw

Ta (temperatura media del fluido frio)55

Ts97

Tw (C)96,49513

Los valores de ho y de hio son los hallados previamente.Finalmente podemos encontrar el valor de ho para el vapor, dado por:

Con: Aceleracin de la gravedad Densidad del condensado a Densidad del vapor a Temperatura de saturacin del vapor Temperatura de pared del tuboConductividad trmica del lquido a Entalpa de condensacin Viscosidad del condensado a D = 0.02527 m dimetro exterior del tubo.

Tabla 12. Clculo de ho para el vaporCLCULO DE ho

DATO g (m/s2)9,81

DATO l (kg/m3)960,2

DATO v (kg/m3)0,541

DATO Ts97

Tw (C)96,49513

DATO K (W/mk)0,67

DATO hfg (KJ/kg)2263,5

DATO l (kg/m.s)0,00029

D (diametro ext del tubo )0,02527

ho4631,982

5) Determine los coeficientes globales de transferencia para los dos intercambiadores. El coeficiente global limpio est dado por:

En este caso conocemos los valores, ya que los hallamos previamente y podemos hacer el clculo directo:Tabla 13. Clculo de UcCLCULO DE UC

Uc (W/m2k)8,996

El coeficiente de diseo utiliza la diferencia logartmica de temperatura y el calor hallados en la seccin del balance de energa de la siguiente forma:

El valor de Q ser de 15 kW, como se muestra en la tabla 4 en la seccin de calentamiento y el t ser de 38.9C como se muestra en la tabla 5. El rea ser:

con DE=15.87 mm

Reemplazando los datos tenemos el resultado en la tabla 14

Tabla 14. Coeficiente de DiseoCOEFICIENTE DE DISEO

Q15,0

A0,43624941

UD0,882345093

6) Calcule el factor de suciedad ( Rd ) combinado, y compare los coeficientes obtenidos con los suministrados en la literatura. El factor de suciedad Rd est determinado directamente por los coeficientes de diseo y global limpio.

Haciendo el clculo directamente:Tabla 15. Factor de Suciedad combinadoFACTOR DE SUCIEDAD COMBINADO

Rd1,02

7. CUESTIONARIO 1. Identifique la cantidad de energa perdida en el intercambiador y halle el rendimiento de este.En este caso:

Tabla 16. Eficiencia del IntercambiadorCALOR PERDIDO9,8 kW

EFICIENCIA0,59

2. La grfica temperatura vs. longitud es caracterstica para los dos intercambiadores estudiados? Si, ya que en la trayectoria del aceite se presentar un aumento de temperatura que sigue una tendencia exponencial, lo que ser constante en cada uno de los casos y proporcionar el mismo tipo de grfica

3. Que identifica el factor de suciedad? Identifica la tendencia general a ensuciarse del intercambiador, adems tiene como finalidad prever un rea adicional calculada para compensar la prdida de rendimiento que en ellos genera el ensuciamiento originado por diseo constructivo.

CONCLUSIONES Las prdidas en el intercambiador de calor dependen de su nivel de aislamiento y del tiempo de uso Los intercambiadores de calor son muy tiles en procesos industriales en los que se usen ciclos de conversin de energa La reduccin de temperatura se presenta de manera logartmica a lo largo del intercambiador, de ah que se requiera un clculo logartmico para una buena aproximacin del resultado El factor de suciedad calculado del intercambiador en este caso es muy alto, lo que indica que requiere un mantenimiento permanente y bajo rendimiento.

BIBLIOGRAFIA CHAPMAN, Alanj. Transmisin del calor. 3 ed. Madrid : Librera Editorial Bellisco. 1990. GOODING, Nestor. Manual de prcticas operaciones unitarias II. 1 ed. Universidad Nacional de Colombia. 1998. 138p. KERN, Donald. Procesos de transferencia de calor. 14 ed. Editorial continental. 1980. KREITH, Franck. Principios de transferencia de calor. 1 ed. Mxico. Herrera hermanos, sucesores S.A, 1970. MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. Mexico: McGraw-Hill/Irwin, 1999. 932p. 1 1 23