Condensación y banco de tubos.

Laboratorio de Ingeniería II

Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE

(CONDENSACIÓN)

Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 1

PROF. Ing. Mario Smidt

Ingeniería DE ALIMENTOS- INGENIERÍA QUÍMICA

Facultad de ciencias químicas- una

2015

Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)


1. Determinar en forma experimental el coeficiente general de transferencia de calor

que se establece en un condensador entre un vapor condensante y el líquido de

refrigeración a diferentes condiciones de equilibrio.

2. Visualizar el efecto de la presión sobre la temperatura de saturación de un líquido.

3. Calcular la tasa de transferencia de calor en el serpentín de enfriamiento, la tasa de

transferencia de calor al medio ambiente, la diferencia logarítmica media de

temperatura entre el vapor condensante y el líquido refrigerante, y el coeficiente

general de transferencia de calor en el condensador.

OBJETIVOS


Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 3

TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CONDENSACIÓN

Se presenta la condensación cuando la temperatura T de un vapor se reduce por debajo

de su temperatura de saturación, Tsat.

¿Cuándo suele llevarse a cabo?

Cuando el vapor entra en contacto con una

superficie sólida donde:

TS < Tsat.

También puede ocurrir sobre la superficie libre de un líquido o incluso en un

gas:

Condensación homogénea.

Cuando el vapor llega a hacer contacto con un

líquido frío:

Condensación por contacto directo.




En un equipo industrial, el proceso normalmente resulta del contacto entre el vapor y

una superficie fría.

El calor latente del vapor se libera, la energía se transfiere a la superficie y se forma la

condensación.

Esta puede ocurrir de una de dos formas, dependiendo de las condiciones de la

superficie.




Condensación de película:

Es por lo general característica de las superficies limpias no contaminadas.

Condensación por gotas:

Si la superficie esta cubierta de una sustancia que impida que se moje, es posible

mantener la condensación por gotas.




Sin importar si se está en forma de película o de gotas, la condensación proporciona una

resistencia a la transferencia de calor entre el vapor y la superficie.

Debido a que esta resistencia se incrementa con el espesor del

condensado, es deseable utilizar superficies verticales cortas o

cilindros horizontales en situaciones que implican condensación

de película.

El calor latente de vaporización liberado, hfg a medida que el

vapor condensa debe pasar a través de esta resistencia antes que

pueda llegar a la superficie sólida y ser transferido al medio que

está al otro lado.

En la condensación por gotas, estas resbalan hacia abajo cuando

llegan a tener cierto tamaño, despejando la superficie y

exponiéndola al vapor.



CONDENSACIÓN EN PELÍCULA

En este tipo de condensación se ha comprobado

que el espesor de la película depende, entre otros

factores, de:

1. De la forma de la superficie.

2. De la velocidad de condensación del vapor.

3. De las condiciones dinámicas de la película,

es decir, del grado de turbulencia.

En un proceso real, el condensado se enfría todavía más, hasta alguna temperatura

promedio entre la Tsat y Ts , liberando más calor, por lo tanto la transferencia de calor

real será mayor.

En 1956, Rohsenow demostró que se puede tomar en cuenta el enfriamiento del líquido

al reemplazar hfg por el calor latente de vaporización modificado, hfg*.

hfg* = hfg +0.68 cp L (Tsat-Ts)




El coeficiente de película, mediante un razonamiento enteramente matemático, puede

calcularse por las expresiones deducidas por Nusselt haciendo las siguientes

suposiciones:

1. El vapor condensa uniformemente en película sobre toda la superficie.

2. La película se mueve en régimen laminar, impulsada bajo los efectos de la

gravedad.

3. La diferencia de temperaturas entre el vapor y la superficie es constante.

4. La transferencia de calor de uno a otro lados de la película de líquido es por

conducción pura.

Placas o tubos verticales Tubos horizontales Banco de tubos horizontales




Si se comparan las relaciones del coeficiente de transferencia de calor para un tubo

vertical de altura L y para un tubo horizontal de diámetro D, se tiene

L=2.77D

¿Qué implica esto?

Implica que para un tubo cuya longitud sea 2.77 veces su diámetro, el coeficiente de

transferencia de calor para la condensación en película laminar es el mismo sin importar

que esté colocado horizontal o verticalmente.

También implica que para L>2.77D, el coeficiente de transferencia de calor será mayor

en posición horizontal.

En cualquier aplicación práctica L>>D, por lo que es común colocar

horizontalmente los tubos en un condensador, para maximizar el coeficiente de

transferencia de calor en la condensación sobre la superficie de esos tubos.




En un condensador, el calor se transfiere del vapor por convección, después a través de

la película de condensado por conducción, luego a través de la pared del condensador

por conducción y por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección.

La resistencia térmica total queda:

R=Rvapor+Rcond+Rpared+Rfluido frio

En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combinar todas las

resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria de flujo de calor del fluido

caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la razón de transferencia de

calor entre dos fluidos como:

Q=ΔT/R=UAsΔTm

Donde U es el coeficiente general de transferencia de calor y ΔTm es una apropiada

diferencia promedio de temperatura entre los dos fluidos.




La forma apropiada de la diferencia media de temperatura entre los dos fluidos tiene

naturaleza logarítmica.

1

2

12ml

T

Tln

TTT

Por lo tanto, para evaluar el coeficiente general de transferencia de calor se debe emplear la

diferencia media logarítmica de temperatura.

La diferencia de temperatura entre los dos fluidos disminuye desde ΔT1 hasta ΔT2 a la salida. Esta

diferencia media logarítmica se obtiene siguiendo el perfil real de temperaturas de los fluidos a lo

largo del intercambiador.



CONDENSACIÓN EN GOTAS

Este tipo de condensación se produce cuando el líquido no moja a las superficies, las

gotas formadas se deslizan por la superficie y se separan de ella.

La condensación en gotas solo puede obtenerse cuando la superficie esta contaminada

con un promotor adecuado que, al disminuir la tensión superficial en la interfase,

impide que la superficie se moje.

Aunque muchas sustancias, entre ellas los aceites minerales, pueden impermeabilizar

temporalmente la superficie, sólo tienen importancia como promotores aquellos que son

adsorbidos.



EFECTO DE LA PRESIÓN SOBRE LA TEMPERATURA DE SATURACIÓN

El punto de ebullición de un líquido a una presión dada P es la temperatura a la cuál su

presión de vapor de equilibrio es igual a una presión dada P.

Para una condición de equilibrio (línea

líquido/vapor) a cada presión P le corresponde

una única temperatura T de saturación.

Supongamos que disponemos de un líquido en ebullición a presión atmosférica. Si

incrementamos la presión, para mantener al líquido en ebullición (línea líquido/vapor)

necesariamente se debe incrementar la temperatura, para la condición de equilibrio

dada.



UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE EBULLICIÓN-CONDENSACIÓN




Balances de masa y energía

La condensación de película que sucede con el R-141b puede verse claramente, y la

resistencia que presenta el líquido se puede apreciar con facilidad.

Se puede encontrar el coeficiente general de transferencia de calor entre el vapor

condensante y el agua de refrigeración de la siguiente manera:

- Ajustar el consumo de calor y la tasa de flujo de agua del condensador hasta que se

estabilicen la presión del condensador y la tasa de condensación deseadas.

- Cuando las condiciones sean estables, observar la tasa de flujo de agua del

condensador, las temperaturas de entrada y salida del agua y la temperatura de

saturación de R-141b





2.1. Datos experimentales típicos:

- Tasa de flujo de agua ṁw = 5,5 g/s.

- Temperatura de entrada del agua Ti = 20,5 °C.

- Temperatura de salida del agua To = 25,0 °C.

- Temperatura de saturación del R-141b Tsat = 29,0 °C.

-Consumo de calor = 124 W.

2.2. Cálculo de la tasa de transferencia de calor en el serpentín de enfriamiento:

W104Q

C)5,200,25(Ckg

J4180

s

kg105,5Q

)TT(CmQ

w

3

w

iopww





2.3. Calculo de la transferencia de calor al medio ambiente (por diferencia):

2.4. Cálculo de la diferencia media logarítmica de temperaturas:

W20Q

W104W124Q

QQQ

perd

perd

wperd

C0,6T

0,4

5,8ln

0,45,8

0,250,29

5,200,29ln

)0,250,29()5,200,29(

T

Tln

TTT

C0,4TTT

C5,8TTT

ml

1

2

12ml

osat1

isat2





2.5. Coeficiente general de transferencia de calor:

Cm

W542U

C0,6m032,0

W104U

TA

QU

2

2

mls

w





2.6. Ejercicio de fijación:

Los datos que siguen corresponden a un ensayo experimental durante el cual se tomaron

los siguientes datos. Determine el calor perdido al ambiente y el coeficiente general de

transferencia de calor.

Presión : 150 kN/m2.

Flujo másico de agua de refrigeración : 4,0 g/s.

Temperatura de entrada del agua : 20 °C.

Temperatura de salida del agua : 36 °C.

Temperatura de saturación del R-141b : 44 °C.

Calor suministrado por la resistencia : 303 W.




Relación entre la presión y la temperatura de saturación de líquidos.

La relación entre la presión y la temperatura de saturación de una sustancia pura puede

demostrarse fácilmente hasta una presión manométrica máxima de 220 kN/m2.

Se enciende el equipo y se ajusta el consumo de calor a aproximadamente 200 W. Se

circula agua de refrigeración a una tasa máxima y cuando las condiciones son estables,

se toma nota de la presión y temperatura.

Se reduce el flujo de agua del condensador y se repiten las observaciones a una presión

más alta.

Si la temperatura del agua en la entrada es lo suficientemente fría, la presión de

saturación será menor que la atmosférica. Esto es una demostración útil y ayuda a

disipar las creencias sostenidas de que se necesita una bomba de vacío para producir

las presiones sub-atmosféricas en una planta de vapor.

Laboratorio de Ingeniería II

Práctica 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL

(BANCO DE TUBOS)


PROF. Ing. Mario Smidt

Ingeniería DE ALIMENTOS- INGENIERÍA QUÍMICA

Facultad de ciencias químicas- una

2015



FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS

En la práctica es común encontrar flujo cruzado sobre banco de tubos en equipos de

transferencia de calor, como los condensadores y evaporadores de las plantas

generadoras de energía eléctrica, los refrigeradores y los acondicionadores de aire.

En ese equipo, un fluido se mueve por dentro de los tubos, mientras que el otro se

mueve alrededor de éstos en una dirección perpendicular (Imagen: padrones de flujo

para los bancos de tubos alineados o escalonados).




El flujo por el interior de los tubos se puede analizar al considerar el flujo por uno solo

de ellos, y multiplicar los resultados por el número de tubos.

Este no es el caso para el flujo sobre los tubos, ya que influyen sobre el patrón de flujo

y el nivel de turbulencia corriente abajo y, por consiguiente, sobre la transferencia de

calor hacia ellos o desde ellos.

El coeficiente de transferencia de calor asociado con un tubo está determinado por

su posición en el banco. El coeficiente para un tubo en la primera línea es

aproximadamente igual a la de un solo tubo en el flujo cruzado, mientras que los

coeficientes de transferencia de calor más grandes se asocian con tubos en las

líneas internas.

Los tubos en un banco suelen disponerse alineados o escalonados

en la dirección del flujo. El diámetro exterior del tubo D se toma

como la longitud característica. La disposición de los tubos en el

banco se caracteriza por el paso transversal ST, el paso

longitudinal SL y el paso diagonal SD entre los centros de los

tubos.




Los tubos en las primeras líneas actúan como una rejilla de turbulencia, que aumenta el

coeficiente de transferencia de calor para los tubos de las líneas siguientes.

En la mayoría de las configuraciones las condiciones de transferencia de calor se

estabilizan de modo que ocurren pocos cambios en el coeficiente de convección

para un tubo más allá de la 4ª o 5ª línea.

El ReD se basa en la velocidad máxima del fluido que ocurre dentro del banco de tubos.

Para el arreglo alineado, la Vmáx ocurre en el plano trasversal a A1.




Para la configuración escalonada, la velocidad máxima ocurre en el plano

transversal a A1 o en el plano diagonal AD.

Ocurrirá en AD si las filas están espaciadas de modo que 2(SD-D)<(ST-D). El factor 2

resulta de la bifurcación experimentada por el fluido si se mueve en el plano A1 a AD.

De aquí que Vmáx ocurre en AD si:




Si Vmáx ocurre en A1 para la configuración escalonada,

El nivel de turbulencia y, por consiguiente, el coeficiente de transferencia de calor se

incrementa con el número de filas en virtud del los efectos combinados de las filas

corriente arriba. Pero no tiene un cambio significativo en el nivel de turbulencia

después de unas cuantas de las primeras filas y, de este modo, el coeficiente de

transferencia de calor permanece constante.

El flujo sobre bancos de tubos se estudia de manera experimental, ya que es demasiado

complejo como para tratarse en forma analítica. Principalmente, se tiene interés en el

coeficiente de transferencia de calor promedio para todo el banco de tubos, el cual

depende del número de filas a lo largo del flujo así como de la configuración y del

tamaño de los tubos.

Se han propuesto varias correlaciones, todas basadas en datos experimentales para el

número de Nusselt promedio para flujo cruzado sobre banco de tubos.




Zukauskas ha propuesto correlaciones cuya forma general es




Las relaciones para el número de Nusselt promedio de la tabla son para bancos de tubos

con 16 o más filas. También se pueden usar esas correlaciones para bancos de tubos con

NL<16, siempre y cuando se modifiquen como

donde F es un factor de corrección cuyos valores son

Para un ReD >1000, el factor de corrección es independiente del número de Reynolds.




Otra forma aceptada para determinar el número de Nusselt es

El número de Nusselt obtenido de esta correlación es un valor promedio para todos los

tubos en el grupo. La ecuación precedente puede ser aplicada a un grupo de tubos

dispuestos en formas escalonada para un número de Reynolds entre 300 y 200.000.

Se ha comprobado que en el caso de un grupo de tubos organizados en filas

escalonadas, Fn variará según se explica en la figura




Puede apreciarse, entonces, que el coeficiente de transferencia de calor convectiva se

incrementa a medida que aumenta la cantidad de filas de tubos cruzados. Esto se debe a

la turbulencia generada después de cada fila se suma a la turbulencia debida a la

velocidad de la corriente.

Sin embargo, como puede apreciarse en la figura anterior, después de unas filas se

produce una disminución en la tasa de incremento del coeficiente. La corriente se

“satura” en términos de turbulencia.

La correlación anteriormente mencionada, se aplica solamente a los tubos dispuestos en

forma escalonada.



CAMBIADOR DE CALOR DE CORRIENTE TRANSVERSAL

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS


¿DE DÓNDE ESTUDIAR?

Principal

Cengel, Y. y Grhajar, J. (2004). Transferencia de calor (4ª ed.). España: McGraw-

Hill.

Incropera, F. y DeWitt, D. (1999). Fundamentos de transferencia de calor (4ª ed.).

España: Prentice-Hall.

Edibon. (1997). Manual experimental de operación y mantenimiento. España.

Complementaria

Bird, R.B. (2006). Fenómenos de transporte (2ª ed.). México: Limusa.

Perry, R.H. (2007). Manual del Ingeniero Químico (6ª ed.). México: Mac-Graw-

Hill/Interamericana.

Kreith, F. (2012). Principios de transferencia de calor (4ª ed.). España: Cengage

Learning.

Geancoplis, C. (1998). Procesos de transporte y principios de procesos de

separación (3ª ed.). México: Compañía Editorial Continental.

Condensación y banco de tubos.

Documents