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
PRACTICA DE LABORATORIO 4INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS
CONCENTRICOSINTRODUCCION
Las mquinas trmicas producen el aprovechamiento de la energa
calorfica producida. En stas son de gran inters no slo los fenmenos
de transferencia de calor sino adems las caractersticas
constructivas y de diseo. En la presente prctica se estudiarn los
intercambiables de calor por ser ampliamente utilizados como
mquinas trmicas encargadas de aadir o retirar calor entre
sustancias que fluyen en su interior.1. OBJETIVOS
Realizar el balance de energa del intercambiador, tanto en la
seccin de calentamiento, como la seccin enfriamiento y determinar
las prdidas por radiacin del sistema. Elaborar una grfica de
temperatura vs longitud para todo el intercambiador.
Determinar la diferencia media logartmica de temperaturas (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 () combinado.
Comparar los coeficientes obtenidos con los suministrados con 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 CONCNTRICOSEs 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
contraflujo 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.2.3 ECUACIONES NECESARIAS PARA LA REALIZACIN DE
LOS CLCULOS2.3.1 Balance de energa. El balance de energa para cada
una de las secciones de calentamiento se determina mediante las
siguientes ecuaciones:
(Ec. 1)Donde:
Flujo de calor cedido por el vapor (W)
Entalpa del lquido a la salida
Entalpa del vapor a la entrada
Flujo de calor tomado por el aceite (W)
Temperatura del aceite de la salida (K)
Temperatura del aceite a la entrada (K)
Flujo de calor perdido (W)
Flujo de vapor
El balance de energa para la seccin de enfriamiento se determina
mediante la siguiente ecuacin:
(Ec. 2)Donde:
Flujo de calor entregado por el aceite (W)
Flujo de calor tomado por el agua (W)
Flujo de calor perdido (W)2.3.2 Diferencia media logartmica de
temperatura. La diferencia media logartmica de temperaturas en cada
seccin de calentamiento se calcula as:
Temperatura de saturacin del vapor de agua a la presin de
trabajo. (K)
y
(Ec. 3)
Temperatura de entrada del fluido fro (K)
Temperatura de salida del fluido fro (K)El valor anterior es
igual si se calcula suponiendo paralelo o contracorriente.
La diferencia media logartmica de temperatura en la seccin
enfriamiento suponiendo flujo en contracorriente se calcula as:
y
(Ec. 4)
Temperatura de entrada del fluido caliente (K)
Temperatura de salida del fluido caliente (K)
Temperatura de entrada del fluido fro (K)
Temperatura de salida del fluido fro (K)2.3.3 Coeficientes de
pelcula para el aceite, el agua y el vapor.
2.3.3.1 Temperaturas calricas (). Para fracciones del petrleo o
hidrocarburos viscosos las temperaturas calricas pueden calcularse
por la siguiente ecuacin:
(Ec. 5)
(Ec. 6)
Se determina con un grfico como lo indica Kern.
Si los lquidos no son muy viscosos, no ms de 1.0 centipoises, si
el intervalo de temperaturas no excede de 50 a 100 F y si la
diferencia temperaturas es menor de 50 F, la media aritmtica entre
y entre puede utilizarse en lugar de las temperaturas calricas para
la evaluacin de las propiedades fsicas. Para fluidos no viscosos
puede tomarse como 1.0.
2.3.3.2 Coeficiente de pelcula para el aceite (tubo
interior).rea de flujo ()
Dimetro interno del tubo interior (m)Velocidad msica
Flujo de masa del aceite
(Ec. 7)
Viscosidad a la temperatura calrica
A partir de la figura dada por Kern, se determina:
(Ec. 8)Se calcula ahora:
y
(Ec. 9)C, (, k: se determinan a la temperatura calrica.
Se determina a la temperatura de pared.Se despeja y se corrige
para obtener mediante la ecuacin:
(Ec. 10)
Coeficiente de pelcula referido al dimetro exterior
Dimetro interno (m)
Dimetro externo. (m)2.3.3.3 Coeficiente de pelcula para el
agua.
rea de flujo () ()
Dimetro interno del tubo exterior. (m)
Dimetro externo del tubo interior (m)Velocidad msica
Flujo de masa del agua
(Ec. 11)
Dimetro equivalente (m)
(Ec. 12)
Viscosidad del agua a la temperatura media
A partir de la figura dada por Kern se calcula .El coeficiente
de pelcula para el agua ser:
(Ec. 13)2.3.3.4 Coeficiente de pelcula para el vapor en la
seccin de calentamiento. Como la medicin de la temperatura de pared
no es posible en este equipo, se utiliza la siguiente ecuacin:
(Ec. 14)
Temperatura media del fluido fro (K)Para el clculo anterior
puede suponerse un valor adecuado del coeficiente de pelcula ()
para l vapor de agua de .
Se utiliza la ecuacin de Nusselt para condensar laminar tipo
pelcula sobre la superficie de un tubo horizontal:
(Ec. 15)Donde:
Temperatura de saturacin del vapor (K)
Temperatura de pared del tubo (K)
Aceleracin de la gravedad
Densidad del lquido y el vapor a
Entalpa de condensacin
Conductividad trmica del lquido a
Viscosidad del condensado a
Dimetro exterior del tubo (m)2.3.4 Coeficiente global limpio
.
(Ec. 16)Coeficiente de diseo .
(Ec. 17)
Diferencia media logartmica de temperatura (K)
rea total de transferencia de calor ()
(Ec. 18)
Dimetro externo del tubo interno (m)
Longitud total del intercambiador (m)
Flujo de calor transferido en el intercambiador.2.3.5 Factor de
sociedad () combinado.
(Ec. 19)2.4 PRECAUCIONES
Utilice ropas adecuadas para el laboratorio. Identifique el
equipo, las partes sobre las cuales se van a realizar las
mediciones, al igual que las superficies que puedan calentarse.
Evite tocar las superficies calientes, si lo piensa hacer utilice
guantes de carnaza o amianto, solicitelos al dependiente del
laboratorio. Identifique los puntos de colocacin de los termmetros.
Manipule cuidadosamente los termmetros de vidrio, para evitar que
se rompan. Cualquier irregularidad comunquela al profesor encargado
de la asignatura o al dependiente del laboratorio.2.5 AUTOEXAMENa.
En qu consiste un intercambiador de tubos concntricos?b. Qu
caractersticas deben tener en cuenta para el estudio de la
transferencia de calor en el interior de intercambiador?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.
d. Para el estudio de la transferencia de calor en
intercambiadores, porque se hace necesario definir la diferencia
media logartmica de temperatura?e. Para que se emplean las trampas
de vapor?
3. MATERIALES Y EQUIPOS
Para realizar la prctica correspondiente a este tema se utiliza
un equipo conocido como Intercambiador de tubos concntricos.Figura
1. Intercambiador tubos concntricos.
Localizacin: Laboratorio de Transferencia de calor Universidad
Nacional de Colombia, sede Bogot.
El equipo consta de las siguientes partes:
1. Intercambiador de tubos concntricos. El equipo se compone de
ocho intercambiadores de tubos concntricos con las siguientes
caractersticas:Tubos externos
Tubos internos
Longitud de cada tubo
2. Bomba centrfuga.
3. Depsito de aceite.
4. Rotmetro para agua y aceite.
5. Trampas de vapor, vlvulas de control de flujo y
termmetros.
6. Caldera de vapor.
Tabla 1. Equipos.CantidadElemento
1Intercambiador de tubos concntricos
-Termmetros
4. PROCEDIMIENTO
1) Revise el equipo, vea si las vlvulas correspondientes estn
cerradas o abiertas. La figura 2 ayuda a identificar las vlvulas.2)
Coloque los termmetros, siguiendo las indicaciones del dependiente
del laboratorio.
3) Ponga el agua de refrigeracin en circulacin abriendo la
vlvula correspondiente y mantenga un valor constante indicado por
rotmetro. Este valor ser dado a conocer por el profesor al comienzo
de la prctica.
4) Encienda la bomba.
5) Abra la vlvula que controla el flujo de aceite lentamente
hasta obtener un valor indicado por rotmetro. Este valor tambin ser
indicado por el profesor al comienzo de la prctica.
6) Abra la vlvula que da paso al vapor hasta un valor de presin
que ser fijado al iniciar la prctica y se mantendr constante.
7) Permita la estabilizacin del equipo.
8) Tome los datos indicados y consgnelos en la tabla 3.
9) Suspenda el funcionamiento del equipo utilizando la siguiente
secuencia: cierre la vlvula que da paso al vapor, cierre la vlvula
que da paso al aceite, apague la bomba, espere mnimo 10 minutos y
cierre la vlvula que controla el flujo de agua; recoja los
termmetros.
Figura 2. Diagrama del intercambiador de tubos concntricos.
Modificado de: GOODING, Nestor. Manual de prcticas operaciones
unitarias II. 1 ed. Universidad Nacional de Colombia. 1998.
5. TOMA DE DATOSTabla 3. Sistema agua-aceite.CaudalPrimer
tuboSegundo tuboTercer tuboCuarto tuboQuinto tubo
A
g
u
aLectura del rotmetro mm
F
C
A
c
e
i
t
eLectura del rotmetro mm
F
C
Tabla 4. Sistema vapor-aceite.
CaudalPrimer tuboSegundo tuboTercer tubo
A
g
u
aLectura del rotmetro mm
F
C
A
c
e
i
t
eLectura del rotmetro mm
F
C
6. CARACTERISTICAS A OBTENER
1) Haga un balance de energa del intercambiador para la seccin
de calentamiento al igual que para la seccin enfriamiento.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.
4) Obtenga los coeficientes de pelcula para ambos
intercambiadores.
5) Determine los coeficientes globales de transferencia para los
dos intercambiadores.
6) Calcule el factor de suciedad () combinado, y compare los
coeficientes obtenidos con los suministrados en la literatura.7.
CUESTIONARIO1. Identifique la cantidad de energa perdida en el
intercambiador y halle el rendimiento de este.2. La grfica
temperatura vs. longitud es caracterstica para los dos
intercambiadores estudiados?
3. Que identifica el factor de suciedad?BIBLIOGRAFIACHAPMAN,
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.
Mexico . Herrera hermanos, sucesores S.A, 1970.MILLS, Anthony F.
Transferencia de calor. Mexico : McGraw-Hill/Irwin, 1999. 932p.
PAGE 184
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