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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERA MECNICA
LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR II
PRCTICA N 3
TTULO: Intercambiador de calor de tubos concntricos
GRUPO N: 3
INTEGRANTES: NOTA:
- 1 Castro Da Silva Paulo Renato
- 2 Jaramillo Garca Santiago Alejandro
- 3 Mendoza Sarango Christian Santiago
- 4 Proao Snchez Javier Esteban
FECHA DE REALIZACIN: 24- Junio- 2015
FECHA DE ENTREGA: 01- Julio- 2015
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I. TEMA:
Intercambiador de calor de tubos concntricos
II. OBJETIVOS
Determinacin del coeficiente global de transferencia de calor
U
para el intercambiador de tubos concntricos, con flujo paralelo
y contra
flujo.
III. MARCO TERICO
Los intercambiadores de calor de tubos concntricos o doble tubo
son los ms
comunes y sencillos de fabricar, estn formados 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.
Existen dos formas de direccionar los fluidos a contracorriente
y en paralelo. A
contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos
de las tuberas y
fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el
mismo extremo y
fluyen en el mismo sentido.
Figura 1. Tipos de flujo en el intercambiador de calor de tubos
concntricos. (Frederick, 2006)
En flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca
puede ser superior a
la temperatura de salida del fluido caliente
En el caso de contraflujo la temperatura de fluido frio puede
ser superior a la
temperatura de salida del fluido caliente, el caso limite se
tiene cuando la
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temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura
de entrada del fluido
caliente.
Los intercambiadores de calor de tubos concntricos pueden tener
aletas las
cuales se utilizan cuando el coeficiente de transferencia de
calor de uno de los
fluidos es mucho menor que el otro. Obteniendo as que el rea
exterior se ampli,
siendo sta ms grande que el rea interior.
El tubo con aletas transversales 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:
Figura 2. Posicionamiento de aletas en intercambiador de tubos
concntricos. (Frederick, 2006)
Este tipo de intercambiadores de calor se usan generalmente
cuando un fluido es
un gas o un lquido viscoso con pequeos caudales, mientras tanto
el otro fluido
es un lquido de baja viscosidad.
Son utilizados para el tratamiento de fluidos con slidos en
suspensin (partculas
o fibras) y productos particulados.
Por ejemplo en la industria higinica/sanitaria se usa en
servicios con corrientes
de alto ensuciamiento, lodos sedimentables, slidos o alquitranes
por la facilidad
con la que se limpian.
En la industria alimenticia para la transportacin de bebidas
lcteos y fluidos que
pueden contener cierta cantidad de pulpa/fibra.
IV. PREGUNTAS
Cmo se puede aumentar la eficiencia del equipo?
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Se podra aumentar la eficiencia con un calentador que lleve el
agua a la
temperatura deseada ya dentro del tanque, con el tanque lleno y
que mantenga
esta temperatura durante toda la prctica.
Otra opcin podra ser recircular el agua que sale de la tubera de
agua de agua
caliente para que se vuelva a calentar en el calefn de esta
manera el flujo de
agua adquiere una cierta temperatura inicial que no posea aunque
esto puede
conllevar el aumento de otra bomba.
Se podra tener una eficiencia trmica ms elevada del sistema si
se lo cubre con
aislantes ms robustos y con sellos perfectos en los sitios donde
encajan los
termmetros. De manera tal que no tenga fugas y que el sistema
sea hermtico.
En qu influye la direccin relativa del fluido?
La velocidad relativa de los fluidos influye directamente en la
trasferencia de calor
de un fluido a otro. Mientras mayor sea la velocidad relativa
entre los fluidos,
mayor ser la trasferencia de calor.
Si el flujo es paralelo, su velocidad relativa ser menor ya que
los dos flujos irn
en la misma direccin y sentido tal que su velocidad relativa ser
la resta de sus
dos velocidades.
En cambio cuando se tiene un contraflujo, los dos fluidos el
exterior y el interior
fluyen en sentidos contrarios, lo cual aumenta la velocidad
relativa.
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V. ELABORACIN DEL CUADRO DE DATOS
Tabla 1. Datos obtenidos F
lujo
Pa
rale
lo
t [min] Thi [C] Tho [C] Tci [C] Tco[C] Qh [l/min] Qc [l/min]
0 50 40 16 17 4.186 1.637
2 53 46 16 26 4.79 1.637
4 54 46 16 26 3.94 1.637
6 55 47 15 28 3.821 1.759
8 55 48 15 29 3.821 1.759
10 56 48 15 29 3.821 1.759
12 57 49 15 30 3.7 1.759
Flu
jo C
ruza
do
0 53 43 15 15 3.457 1.579
2 55 46 14 18 3.579 1.637
4 56 47 14 21 3.579 1.759
6 56 48 14 23 3.579 1.759
8 58 48 14 24 3.457 1.759
10 58 48 14 25 3.579 1.637
12 58 48 14 25 3.579 1.637
VI. CLCULOS
Ya que se analizar el intercambiador en estado estable se
utilizarn los ltimos
valores tomados para cada flujo.
Flujo paralelo
Thi= 57 C; Tho=49 C; Tci= 15 C; Tco= 30 C; Vh=3.7 [l/min]; Vc=
1.759 [l/min]
Tmh=0.5(57+49)= 53 C ; Tmc=0.5(15+30)=22.5 C
Contra flujo
Thi= 58 C; Tho=48 C; Tci= 14 C; Tco= 25 C; Vh=3.579 [l/min]; Vc=
1.637 [l/min]
Tmh=53 C ; Tmc= 19.5 20 C
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Propiedades del agua (Cengel & Ghajar, 2011)
Tabla 2. Propiedades del agua a las temperaturas medias
Temp [C] Densidad [kg/m3]
Cp [J/kgK]
K [w/mK] [kg/ms] Pr
20 998 4182 0.598 1.00210-3 7.01
22.5 997.5 4181 0.603 0.94710-3 6.575
53 986.36 4182.2 0.647 0.52110-3 3.37
1. Calcular el flujo de calor.
En flujo paralelo
= = 3.7 [
]
986.36
1000
1
60= 0.061 [
]
= = 1.759 [
]
997.5
1000
1
60= 0.029 [
]
= ( )
= 0.061 [
] 4182.2 [
] (57 49)[] = 2.04 []
= ( ) = 1.81 []
En contraflujo
= 0.060 [
]
= ( ) = 2.5 []
= 0.027 [
]
= ( ) = 1.24 []
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2. Calcular los coeficientes convectivos de trasferencia de
calor entre los
fluidos de trabajo con la tubera interna.
Para flujo Paralelo- Tubo interno (caliente)
=
=
0.061 [ ]
986.363
(14 (0.5
0.0254 1 )
2
)
= 0.488
=
/=
0.488 [ ] (0.5
0.0254 1 )
(0.521 103
986.36 ) 2/
= 11733.33
El fluido se encuentra en rgimen turbulento
= 0.023 45 0.3
= 59.64 =
1 =59.64
=
59.64 0.647
0.5[] 0.0254
1
= . [
]
Para flujo Paralelo- Tubo externo (frio)
Se supone un espesor de tubo de 0.2 in Dc=1.5-0-7=0.8 in
=
=
0.029 [ ]
997.5 3
(14 ((1.5 (0.5 + 0.2)
0.0254 1 )
2
)
= 0.09
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8
=
/=
0.09 [ ] ((0.8 )
0.0254 1 )
(0.947 103
987.5 ) 2/
= 1907
El fluido es laminar
= 4.36 ;
2 =4.36
=
4.36 0.603
0.8[] 0.0254
1
= . [
]
Para contraflujo - Tubo interno (caliente)
=
= 0.48
=
= 11540.98 ;
= 58.859
= .
Para contraflujo - Tubo externo (frio)
=
= 0.083
=
= 1679.827 ;
= 4.36 ;
= . [
]
3. Calcular el coeficiente global de trasferencia de calor
U.
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Figura 3. Intercambiador de calor de tubos concntricos. (Cengel
& Ghajar, 2011)
Ya que se obtuvieron valores parecidos de h en flujo paralelo y
en contraflujo
se utilizara el menor valor obtenido para cada h. Entonces
h1=2998.565
[W/m^2K], h2= 128.311 [W/m^2K], se supone tubera de acero
inoxidable (AISI
304) con k = 9.2 [W/mK].
=1
1+
ln(
)
2+
1
2=
1
2998.565(0.50.0254)2+
(0.7
0.5)
29.22+
1
128.311(0.70.0254)2= 0.077
=1
=
1
0.077 ( 0.5 0.0254)= 325.5
2
=1
=
1
0.077 ( 0.7 0.0254)= 232.5
2
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4. Deducir las ecuaciones para la diferencia media logartmica
de
temperaturas.
Figura 4. Diferencia media logartmica de temperaturas. (Cengel
& Ghajar, 2011)
El flujo de calor global del intercambiador es:
=
=
Se sabe que el flujo de calor tambin es:
= =
=
=
( ) = (1
1
) =
() = (1)
= (2)
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=
(3)
Dividiendo (1) para (3)
()
=
=
()
=
= (
)
= (
)
F en (2):
= (
)
( )
(
)=
Del flujo de calor global, se tiene que la diferencia media
logartmica de
temperaturas es:
=( )
(
)
(Frederick, 2006)
VII. TRABAJOS
a. Por qu la forma del intercambiador? (Laboratorio).
La forma en U invertida del intercambiador de calor del
laboratorio facilita la lectura de las temperaturas sin la
necesidad se recorrer mucho espacio, permitiendo tener
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2 metros de tuberas en un lugar reducido. Sin embargo presenta
el inconveniente de tener un mayor nmero de codos que causan una
cada de presin implicando que la bomba solo pueda funcionar durante
un tiempo relativamente corto.
Otro factor que le da su diseo caracterstico es que al aislarlo,
las superficies estn ms cercanas y se tiene un aislamiento mas
general de las dos partes del intercambiador, con lo cual se puede
hacer un segundo aislamiento de aire para que no exista movimiento
en el exterior del tubo, ayudando con mayor rendimiento trmico del
sistema.
b. Cules son las prdidas de calor en el sistema?
El calor se pierde en la conduccin hacia la tubera ya que en la
prctica, sta acta como almacenador de calor.
Una vez que el fluido fro aumenta su temperatura, esta es mayor
que la del ambiente producindose una prdida de calor a los
exteriores. La funcin de la lana de vidrio es disminuir sta
prdida.
Se pierde calor al principio de la tubera de fluido caliente
hasta llegar a la parte del intercambiador. Prdidas por radiacin de
la tubera en general, aun de la parte aislada. As como las fugas de
masa que tambin afectan al calor del sistema.
VIII. ELABORACIN DE GRFICOS
1. Generar la curva de variacin de temperatura vs tiempo para el
fluido
caliente y el fro en la entrada como en la salida
Figura 5. Variacin de la temperatura con el tiempo en la entrada
y la salida para flujo paralelo
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15
Tem
per
atu
ra
C
Tiempo [minutos]
Thot-in
Thot-out
Tcold-in
Tcold-out
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Figura 6. Variacin de la temperatura con el tiempo en la entrada
y la salida para contraflujo
2. En el estado estable graficar la curva de variacin de
temperatura vs la
longitud del intercambiador.
Ya que en la prctica no se tomaron medidas de la temperatura en
la mitad del
intercambiador no se puede realizar esta curva de forma precisa.
Sin embargo
se sabe que la diferencia de temperatura en cada punto deber
obedecer la
temperatura media logartmica.
Figura 7. Temperatura vs Posicin en flujo paralelo
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15
Tem
per
atu
ra
C
Tiempo [minutos]
Thot-in
Thot-out
Tcold-in
Tcold-out
0
10
20
30
40
50
60
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tem
per
atu
ra
C
Longitud [m]
Flujo Caliente
Flujo Frio
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Figura 8. Temperatura vs Posicin en contraflujo
IX. ANLISIS DE RESULTADOS
Se puede notar que no todo el calor que pierde el fluido
caliente es ganado por
el fluido frio, esto se debe a las perdidas en el sistema que
representan una
disminucin del 11.3% del calor para el flujo paralelo. Las
prdidas son ms
altas en el contraflujo pese a que el fluido caliente pierde ms
calor. Se
observa que el flujo en la tubera interna (caliente) es
turbulento mientras que
el flujo externo es laminar.
Los coeficientes de conveccin en flujo paralelo son muy
semejantes a los
coeficientes para contra flujo por lo que puede asumirse un nico
coeficiente
de conveccin. Los valores numricos de los coeficientes poseen
sentido fsico
ya que el agua es un fluido con alto cp.
El valor del coeficiente global de transferencia de calor cambia
de gran manera
al considerar el espesor de la tubera y la conduccin en la
misma. Ya que al
despreciar ste parmetro el U sera 47% menor.
En las grficas de la temperatura vs tiempo se puede ver como el
sistema
alcanza el estado estable luego de las fluctuaciones iniciales
las curvas
mantienen su tendencia.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tem
per
atu
ra
C
Longitud [m]
Flujo Caliente
Flujo Frio
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Pese a que no se dispone de un punto extra para el grfico de la
temperatura
vs posicin del intercambiador, la forma del grafico es
consistente con la teora.
Dos lneas que se aproximan hacia el final del intercambiador
para el flujo
paralelo y dos lneas paralelas para el contraflujo.
X. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Paulo Castro:
Conclusiones:
- Las prdidas de calor del sistema, cuando se trata de calentar
un fluido, son
significativas debido a que las tuberas tienen un espesor
considerable que
permite almacenar energa. Para aumentar la eficacia y que todo
el calor se
transfiera al fluido fro, se debe disminuir el espesor de las
tuberas.
- En ambos casos (flujo paralelo y contraflujo), el fluido fro
no absorbe todo
el calor del fluido caliente de manera eficaz porque su
coeficiente de
conveccin es mucho menor.
- El incremento de apenas 2 litros por minuto en el caudal de
agua caliente,
aumenta considerablemente el coeficiente de transferencia de
calor del
fluido.
Recomendaciones:
- Se recomienda utilizar una bomba adecuada para el sistema
hidrulico del
intercambiador.
- Se recomienda utilizar termocuplas ya que tienen una mayor
precisin
Santiago Jaramillo:
Conclusiones:
- De la seccin 1 de Clculos se observa que cuando se tiene
contraflujo,
existe una mayor prdida de calor del fluido caliente, sin
embargo el fluido
fro absorbe menos calor. Por lo que si el objetivo es enfriar un
fluido, el
intercambiador ms eficaz es en contraflujo. Si se trata de
calentar un fluido
entonces el ms eficaz es el de flujo paralelo.
- Observando las figuras 7 y 8 se concluye que el calor en
contraflujo es
constante y en flujo paralelo disminuye a lo largo de la tubera,
lo que
explica la existencia de un mayor nmero de prdidas en el
intercambiador
de contraflujo.
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- No se puede despreciar el espesor la tubera ya que ste influye
casi un
50% en el valor del coeficiente global de trasferencia de calor
U.
Recomendaciones:
- Se recomienda sellar las fugas existentes de fluido, para
disminuir las
prdidas de calor ocasionadas por prdida de masa.
- Se recomienda acoplar un desage a la salida del
intercambiador.
Christian Mendoza:
Conclusiones:
- Los intercambiadores de calor de tubos concntricos son
recomendables
para fluidos con caudales pequeos ya que si se tuviera flujos
msicos
mayores se necesitara aumentar el rea de contacto implicando as
un
aumento en el costo y espacio.
- Este tipo de intercambiador de calor tiene una muy baja
eficiencia ya que
presenta varias perdidas hacia el exterior del sistema
ocasionando as que
no todo el calor perdido por el fluido caliente sea ganado por
el fluido frio,
para evitar este tipo de prdidas se debe aislar el sistema.
- Es el intercambiador de calor ms utilizado en el mercado ya
que su
construccin no presenta mayores complejidades, de la misma forma
su
instalacin y control.
Recomendaciones:
- Se recomienda tomar ms temperaturas a lo largo de la
tubera.
Javier Proao:
Conclusiones:
- Como se puede observar en el clculo y en las grficas el
sistema en
contraflujo genera una mejor trasferencia de calor que el
sistema en
paralelo esto es debido a que la velocidad relativa entre los
dos fluidos es
mayor que en la de los fluidos en paralelo.
- Se pudo determinar que el coeficiente con el que el agua
caliente pierde
calor es mucho ms grande que el coeficiente con el que el agua
fra gana
calor de esta, esto nos indica que es ms fcil extraer el calor
de un fluido
que darle calor a este.
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- Al analizar los resultados vemos que la temperatura del agua
se fue
elevando en funcin del tiempo tanto para el agua fra como para
el agua
caliente hasta alcanzar la temperatura de estabilizacin esto
debido a las
prdidas que se tiene en el sistema ya el agua caliente solo
debera
enfriarse y el agua fra solo debera calentarse.
Recomendaciones:
- Se debe tener en cuenta que se pueden producir errores al
momento de las
mediciones debido a la anticuado del sistema con lo cual se
recomienda
una actualizacin del sistema con termmetros digitales o haciendo
que las
prdidas de volumen y de temperatura sean mucho menores.
- Se debe tener en cuenta que la apreciacin de los termmetros no
es muy
buena pero se tiene valores bastante buenos de los fluidos
aunque sera
preferible usar un sistema de mayor precisin de la medicin
de
temperaturas.
Referencias:
Cengel, Y., & Ghajar, A. (2011). Transferencia de Calor y
Masa. Mexico: Mc Graw Hill.
Frederick, R. (2006). Apuntes para el curso. Transferencia de
Calor. Chile: Universidad de Chile.
Incropera, F. (2007). Fundamentals of heat and mass transfer.
United States of America.
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XI. ANEXOS
(Hoja de Datos)