Intercambiador de doble tubo

Transferencia de calor

Contenido

1. RESUMEN ............................................................................................................ 1

2. INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 2

2.1. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 3

3. ANÁLISIS EXPERIMENTAL...................................................................................... 6

3.1. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO............................................................................. 6

3.2. PROCEDIMIENTO .......................................................................................... 7

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ................................................................................. 7

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................10

6. BIBLIOGRAFÍA .....................................................................................................10

1. RESUMEN

Intercambiador de doble tubo

Transferencia de calor

Esta experiencia fue realizada con el objetivo de conocer a fondo el funcionamiento

de un intercambiador de calor de doble tubo. En primera instancia, se esperó a que

el banco estuviese calibrado, es decir, que las medidas de los termopares se

estabilizaran. Como segundo paso, se procedió a permitir el paso de agua fría en el

primer tramo y luego se le dieron dos vueltas a la llave del vapor. Después de esperar

unos segundos para su estabilidad, se tomaron las temperaturas respectivas en la

entrada y salida de cada tubo. Se hizo lo mismo para flujos tanto en paralelo como en

contracorriente.

2. INTRODUCCIÓN

En la vida diaria se encuentran muchas situaciones físicas en las que es necesario

transferir calor desde un fluido caliente hasta uno frío con múltiples propósitos. Por

ejemplo, ahorro de energía (combustible) lo que disminuye los costos de operación;

o para llevar al fluido a una temperatura óptima, bien sea para un procesamiento

posterior o para alcanzar condiciones de seguridad necesarias en el caso de

transporte y/o almacenamiento. Para transferir calor existen una amplia variedad de

equipos denominados intercambiadores de calor.

Un intercambiador de calor es un dispositivo que cambia calor entre fluidos de

diferentes temperaturas que estén separados por una pared o en contacto entre ellos.

El gradiente de temperatura entre los fluidos facilita la transferencia de calor. La

transferencia es posible porque ocurren tres principios: radiación, conducción y la

convección. Sin embargo, la radiación no desempeña un papel importante; la

conducción se produce a partir del paso de un fluido con temperatura muy elevada a

través de una pared sólida; y la convección es el paso del calor de la superficie a un

medio externo. Por lo cual, a partir de estos principios y el contacto que se producen

entre los fluidos, la clasificación más general que puede realizarse de los

intercambiadores de calor, se efectúa atendiendo al grado de contacto entre los

fluidos. Según este criterio, los intercambiadores de calor se dividen en dos grandes

grupos: Intercambiadores de contacto directo e Intercambiadores de contacto

indirecto. Estos últimos pueden a su vez dividirse en alternativos y de superficie. En

el caso de esta experiencia, se empleó un intercambiador de contacto indirecto o

intercambiador de calor de doble tubo.

El intercambiador de doble tubo es uno de los tipos más simples de intercambiadores

de calor y es llamado así porque circula un fluido dentro de un tubo y el otro fluido

circula entre el tubo y otro tubo que rodea al primero. Los tubos son concéntricos. El

flujo de un intercambiador de calor de doble tubo puede ser paralelo o contra

corriente. En este tipo de intercambiadores, el fluido caliente fluye a través del tubo

interior, transfiriendo su calor al agua refrigerante que fluye en el tubo exterior. El

sistema se encuentra en estado estable hasta que las condiciones cambian. Por lo

cual, comprobar cómo sufren estos cambios es el objetivo de esta experiencia:

Intercambiador de doble tubo

Transferencia de calor

Efectuar el balance de energía para el intercambiador de doble tubo.

Calcular la media logarítmica de la diferencia de temperatura.

Estimar el coeficiente total de transferencia de calor.

Determinar los coeficientes individuales de transferencia de calor.

2.1. MARCO TEÓRICO

El intercambiador de calor de doble tubo es el tipo más sencillo de intercambiador de

calor. Está constituido por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes, la forma

esquemática de estos intercambiadores se ilustra en la ilustración 1. Uno de los

fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular

entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones

en cuanto a la dirección del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la

configuración en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en

el mismo sentido. En la configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos

opuestos y fluyen en sentidos opuestos.

Ilustración 1: Representación esquemática de un intercambiador de calor de doble tubo

En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frío

nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un

intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frío puede

ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente, esto se puede apreciar en

la ilustración 2. El caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frío

es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del

fluido frío nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.

Intercambiador de doble tubo

Transferencia de calor

Ilustración 2: Comportamiento de la temperatura en los intercambiadores de calor según la dirección de los flujos.

Una parte esencial, y a menudo la más incierta, en el análisis de intercambiadores de

calor es la determinación del coeficiente total de transferencia de calor. Este

coeficiente es determinado al tener en cuenta las resistencias térmicas de conducción

y convección entre fluidos separados por una pared plana compuesta y paredes

cilíndricas, respectivamente. Es sin embargo reconocer que tales resultados

únicamente aplican a superficies limpias y sin aletas.

Durante una operación normal de un intercambiador de calor, las superficies

frecuentemente están sujetas a impurezas de los fluidos, formación de óxido y otras

reacciones entre el fluido y la pared del tubo (incrustaciones por precipitado). La

subsecuente deposición de una película en la superficie, puede incrementar

significativamente la resistencia de los fluidos para transferir calor. Este efecto puede

ser tratado al introducir una resistencia adicional llamada factor de impureza o

incrustación Rf. al incluir el factor de falla y los efectos de las aletas, el coeficiente

total de transferencia de calor se puede expresar como:

1

𝑈𝐴=

1

𝑈𝑐 𝐴𝑐=

1

𝑈ℎ𝐴ℎ=

1

(𝜂0ℎ𝐴)𝑐+

𝑅𝑓,𝑐"

(𝜂0𝐴)𝑐+ 𝑅𝑤 +

𝑅𝑓,ℎ"

(𝜂0𝐴)ℎ+

1

(𝜂0ℎ𝐴)ℎ

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Transferencia de calor

Donde h y c se refieren a los fluidos caliente (hot) y frio (cool) respectivamente.

Para diseñar o predecir el desempeño de un intercambiador de calor, es esencial

relacionar las tasas totales de transferencia de calor con cantidades tales como las

temperaturas a la entrada y a la salida, el coeficiente total de transferencia de calor,

y el área superficial total de transferencia de calor. Dos de estas relaciones se pueden

obtener al aplicar un balance total de energía en el fluido caliente y en el frio, se

suponen despreciables la transferencia de calor entre el intercambiador y sus

alrededores y la energía cinética y potencial. Al aplicar el balance de energía se

obtiene:

𝑞 = 𝑚ℎ̇ 𝑐𝑝,ℎ(𝑇ℎ,𝑖 − 𝑇ℎ,0)

𝑞 = 𝑚ℎ̇ 𝑐𝑝,𝑐(𝑇𝑐,0 − 𝑇𝑐,𝑖)

Si se desea determinar una relación de la razón de transferencia de calor con la

diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frio, se obtendría una ecuación

de la forma:

𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇𝑚

En donde ∆𝑇𝑚 es la diferencia de temperatura entre los fluidos, pero ya que este valor

varía con la posición en el intercambiador, es necesario trabajar con un valor de

diferencia de temperatura significativo.

Al analizar un segmento diferencial en el intercambiador de calor, se puede demostrar

que el valor apropiado para ∆𝑇𝑚 sería:

MLDT =∆𝑇1 − ∆𝑇2

ln(∆𝑇1

∆𝑇2)

Intercambiador de doble tubo

Transferencia de calor

3. ANÁLISIS EXPERIMENTAL

3.1. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

Intercambiador de doble tubo conformado por cinco tubos de cobre y el sexto es de

cobre corrugado, enfriado por aire, todos sin aislar. Con este intercambiador se

pueden experimentar 6 casos diferentes de transferencia de calor donde se puede

variar el régimen del tubo respecto a la tubería donde pasan los fluidos:

Tubo 1 y 2: Intercambiador de calor estándar horizontal

Tubo 3: Tubo interno de acero

Tubo 4: Alta turbulencia; flujo cruzado y paralelo

Tubo 5: Flujo cruzado, laminar y turbulento.

Tubo 6: Provee enfriamiento por convección libre con aire; flujo tipo remolino

y pulsaciones dentro del tubo.

Termopares.

Cubetas y probetas graduadas.

Cronómetro.

Fluido caliente: Vapor de agua tomado de la caldera (o agua caliente).

Fluido frío: Agua a temperatura ambiente tomada de la torre de enfriamiento.

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Transferencia de calor

3.2. PROCEDIMIENTO

Antes de pasar vapor por el lado del tubo, previamente pasa el agua fría por el lado

de la carcasa, e igualmente se cierra el paso del agua caliente (V0 V1 V2 W00).

Abrir la válvula de entrada a la trampa D3, D7 y la válvula del tubo refrigerante

W1 que permite el paso del agua fría.

Las válvulas D4, D5, D6 y V0 deben estar bien cerradas.

Abrir las válvulas V3, V4, V5, V6, V7 y V8 dejando correr el vapor por los tubos.

Abrir la válvula V00 que permite el paso del vapor desde la tubería principal.

Cuando todo el condensado de los tubos haya sido eliminado se cierran las

válvulas V3, V4, V5, V6, V7 y V8 mientras permanece abierta la válvula V00

dejando para luego cerrarse y evitar el paso del vapor.

El recorrido del vapor desde sus pasos por la válvula V3 hasta la trampa de

vapor debe observarse cuidadosamente.

La válvula direccional N2 se opera efectivamente para que el agua pase por

el rotámetro y el vapor por el drenaje D1, es decir por la trampa de vapor.

Se instala el termopar y se procede a la lectura de las temperaturas.

Nota: Para toma de flujos de condensado abrir la válvula D6 y cierra la válvula D7.

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Para la toma de los datos, se siguió el siguiente esquema:

Tabla 1: Denominación de los arreglos de tuberías.

ARREGLO TUBERIAS

1 1 y 2

2 1 y 3

3 1 y 4

4 1 y 5

Los datos que se presentarán serán fieles a la siguiente designación:

Tabla 2: Simbología y significados

SIMBOLO SIGNIFICADO

Ten Temperatura de entrada

Tsal Temperatura de salida

Tconden Temperatura de condensado

Q Caudal volumétrico

Por lo tanto, los datos obtenidos fueron los siguientes:

Intercambiador de doble tubo

Transferencia de calor

Tabla 3: Datos obtenidos para el agua.

EN PARALELO EN CONTRACORRIENTE

AGUA

Arreglo Ten (°C) Tsal (°C) Q (m3/s) X10-4 Ten (°C) Tsal (°C) Q (m3/s) X10-4

1 28 36 1,89 38 48 1,89

2 27 31 1,41 27 33 1,41 3 34 37 1,51 36 85 1,51

4 31 33 1,70 37 50 1,70

Tabla 4: Datos obtenidos para el vapor.

EN PARALELO EN CONTRACORRIENTE

VAPOR

Arreglo Ten (°C) Tmed (°C) Tsal (°C)

Q (m3/s) X10-6

Ten (°C) Tmed (°C) Tsal (°C)

Q (m3/s) X10-6

1 120 116 45 3,9 119 111 43 4,6

2 117 116 47 4,6 116 114 39 4,6

3 116 116 39 4,0 116 116 40 4,4 4 117 114 48 4,0 118 115 42 5,1

A continuación se presentan los cálculos pertinentes a partir de los resultados

experimentales obtenidos, que indican las condiciones de operación de los

intercambiadores ensayados.

Para realizar los cálculos el intercambiador de calor se estima como adiabático, y por

lo tanto, las pérdidas al exterior son despreciables. Los cálculos se centran en:

Balance de calor. Comparación de los flujos de vapor y agua en el

intercambiador, con los idealmente necesarios para una misma carga de calor.

Diferencia media logarítmica de temperaturas. MLDT.

Coeficientes individuales de transferencia de calor.

Coeficiente individual de transferencia de calor, U. Se obtendrán los

coeficientes U para los ocho intercambiadores ensayados.

Los resultados obtenidos se realizarán a partir de las ecuaciones propias de los

intercambiadores de calor que en breve se presentarán; y para poder realizar los

cálculos, se incorporan los siguientes datos:

Tabla 5: Datos suministrados.

D ext tubo (m) 0,009525

D int tubo (m) 0,0070358

D ext anulo (m) 0,0254

D int anulo (m) 0,02206779

Longitud (m) 3,7

𝑞 = 𝑄𝜌𝐶𝑃∆𝑇

𝑀𝐿𝐷𝑇 = ∆𝑇1 − ∆𝑇2

𝑙𝑛(∆𝑇1

∆𝑇2)

𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇𝑚

ℎ = 𝑞

𝐴∆𝑇

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Transferencia de calor

Los cálculos fueron realizados con la ayuda de Microsoft Excel. Los resultados que

se obtuvieron se presentan a continuación:

EN PARALELO EN CONTRACORRIENTE

SOLICITUD

CALOR AGUA (W) 6264,39 7830,48

MLDT 85,86 24,88

U 892,12 3849,07

h agua (W/m2 K) 7072,48 7072,48

h vapor (W/m2 K) 1021,30 1259,82

VALOR

ARREGLO 1

EN PARALELO EN CONTRACORRIENTE

SOLICITUD

CALOR AGUA (W) 2336,72 3505,07

MLDT 87,48 36,71

U 326,63 1167,39

h agua (W/m2 K) 5276,30 5276,30

h vapor (W/m2 K) 408,17 556,60

VALOR

ARREGLO 2

EN PARALELO EN CONTRACORRIENTE

SOLICITUD

CALOR AGUA (W) 1876,83 30654,89

MLDT 80,49 13,19

U 285,11 28427,31

h agua (W/m2 K) 5650,50 5650,50

h vapor (W/m2 K) 298,04 4931,98

VALOR

ARREGLO 3

EN PARALELO EN CONTRACORRIENTE

SOLICITUD

CALOR AGUA (W) 1408,66 9156,28

MLDT 83,48 24,14

U 206,34 4638,37

h agua (W/m2 K) 6361,49 6361,49

h vapor (W/m2 K) 249,63 1473,13

VALOR

ARREGLO 4

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Transferencia de calor

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Tras observar que el flujo de calor fue mayor en todos los tramos evaluados cuando su configuración fue de contra corriente, debido a que las tomas de las temperaturas del fluido caliente fueron mayores con respecto al fluido frío, se concluye que el diagrama se cumple a cabalidad.

Se observa que en el Arreglo 1 el coeficiente global de transferencia de calor U

hallado en contracorriente está cerca de ser el doble del obtenido en paralelo. Nótese también que el comportamiento de MLDT se replicó en los coeficientes globales de transferencia de calor U, pero de manera inversa. De hecho, sería extraño si así no fuera, pues U es inversamente proporcional a MLDT.

Las fuentes de incertidumbre fueron muy elevadas, brindando datos no muy

confiables. Los termopares instalados en las tuberías se hallan en un estado delicado y al mínimo movimiento se generan cambios en la medición. Incluso las tuberías mismas están en un mal estado, teniendo fugas en muchos puntos, lo cual puede haber afectado vastamente los datos tomados, y por tanto, resultados obtenidos.

En esta experiencia no se pudo corroborar la teoría de que la media logarítmica de la diferencia de temperaturas en un sistema en contraflujo fuese mayo que en un sistema en paralelo.

6. BIBLIOGRAFÍA

FUNDAMENTALS OF HEAT TRANSFER, Frank P. Incropera, David P. DeWitt, 4ta

Edition, Jhon Wiley & Sons, 1996

YUNUS CENGEL, Transferencia de Calor y Masa. México, McGraw-Hill. 2006.

Tercera Edición.

Karlekar, B.V. y Desmond, R.M., Transferencia de Calor, 2ª. Edición, McGraw Hill,

México, 1994.