ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERÍA EN MECÁNICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCIÓN REPORTE DE LABORATORIO Hoja 1 de 12 FECHA:16/2/2014 RESUMEN: En esta práctica se trata de medir los coeficientes de trasferencia de calor por un intercambiador de calor, tomamos datos y analizamos, además de trata de analizar si existe o no convección y radiación, esto lo analizamos particularmente. Determinar la forma en que se mide el coeficiente de transferencia de calor global de un intercambiador de calor realizándolo tanto teóricamente como experimentalmente, utilizando datos reales obtenidos del intercambiador. OBJETIVOS: Tratar de medir el coeficiente de transferencia de calor total U global del intercambiador de calor. Comparar los coeficientes de transferencia de calor obtenidos teórico y práctico. Consultar las diferencias entre flujo paralelo y contraflujo. MARCO TEÓRICO: Intercambiadores de Calor En un intercambiador de calor participan dos o más corrientes de proceso, unas actúan como fuentes de calor y las otras actúan como receptores del calor, el cual se transfiere a través de las paredes metálicas de los tubos que conforman el equipo (contacto indirecto). Los equipos utilizados para calentar fluidos emplean generalmente vapor como fuente de calentamiento, los equipos utilizados para enfriar fluidos emplean usualmente agua como fluido de enfriamiento. Cuando existe una diferencia de temperatura entre un tubo y el fluido que circula por él, se transfiere calor entre la pared del tubo y el fluido. El flujo de calor intercambiado por unidad de tiempo, puede expresarse en función de un área de intercambio (A), una diferencia de temperatura característica (DT), siendo la constante de proporcionalidad el coeficiente de transferencia de calor (h). Para tubos completamente llenos, régimen estacionario y sección transversal circular uniforme, el coeficiente de transferencia de calor es función del diámetro del tubo, largo del tubo, densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica y velocidad promedio del fluido. Intercambiador de calor de tubos concéntricos o doble tuvo: ALUMNO Andrés Santiago Flores Chaluis GRUPO: 2 MATERIA Transferencia de calor ii LABORATORIO Termo fluidos nº 1 PARALELO: 1 NOMBRE DE LA PRÁCTICA Intercambiadores de calor
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FACULTAD DE INGENIERÍA EN MECÁNICA Y
CIENCIAS DE LA PRODUCCIÓN
REPORTE DE LABORATORIO
Hoja 1 de 12
FECHA:16/2/2014
RESUMEN:
En esta práctica se trata de medir los coeficientes de trasferencia de calor por un intercambiador de calor, tomamos datos y analizamos, además de trata de analizar si existe o no convección y radiación, esto lo analizamos particularmente. Determinar la forma en que se mide el coeficiente de transferencia de calor global de un intercambiador de calor realizándolo tanto teóricamente como experimentalmente, utilizando datos reales obtenidos del intercambiador.
OBJETIVOS:
Tratar de medir el coeficiente de transferencia de calor total U global del intercambiador de calor.
Comparar los coeficientes de transferencia de calor obtenidos teórico y práctico.
Consultar las diferencias entre flujo paralelo y contraflujo.
Para la práctica utilizamos un dispositivo prediseñado, que consta de 11 válvulas de flujo, que tiene un banco de intercambiadores de calor de aluminio de varios diámetros, 18 termómetros, una torre de enfriamiento y una caldera de vapor.
Equipo Cantid
ad
Especificacio
nes
Válvulas de
flujo
11 NA
Banco de
Intercambiad
ores de calor
1 Aluminio,
varios
diámetros
Termómetros 18 Escala en
centígrados
Torre de
enfriamiento
1 NA
Caldera de
vapor
1 NA
PROCEDIMIENTO
EXPERIMENTAL:
1. Variamos los caudales en las válvulas.
2. Medimos las temperaturas en los
puntos de salida claves de los tubos del
intercambiador
3. Tomamos las mediciones con el flujo
paralelo, y en contraflujo.
4. Realizamos los cálculos necesarios
para obtener el coeficiente global de
transferencia de calor tanto para el
teórico como para el experimental.
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RESULTADOS
Los resultados obtenidos y graficas se muestran en anexos.
ANÁLISIS DE
RESULTADOS
Para mayor visualización de los que sucede
en la realidad con los intercambiadores de
calor, se realizaran mediciones que nos
permitan comparar los resultados teóricos
esperados con los prácticos obtenidos.
Las curvas los valores del coeficiente
de transferencia de calor global, para cada intercambiador.
En la teoría el coeficiente de transferencia de calor global, es una función que depende únicamente del gradiente de temperatura al que se somete, por lo tanto debería ser una función de valores de dominio e imagen únicos, pero como se observa varía considerablemente, y más parece que no existe uniformidad
En las curvas experimentales, los resultados son aún más desordenados, y son menores a los teóricos, que sean menores a los teóricos es lo que se esperaba teóricamente.
El cálculo del coeficiente global se realiza bajo la suposición de que no existen perdidas al medio ambiente, esto es incorrecto para un intercambiador de la vida real.
Para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor por convección, se supone que el flujo está completamente desarrollado, una suposición que no causa mucho error, pero la suposición de flujos de calor iguales y constantes entre los tubos,
causa el gran error que se puede visualizar, el tubo exterior comparte calor con el medio, no se encuentra completamente aislado.
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
Obtuvimos diferentes coeficientes de transferencia de calor globales de los intercambiadores, ocurre ya que se encuentran sometidos a varias condiciones de operación, todos ellos salen diferentes.
La diferencia existente entre los intercambiadores de flujo paralelo y contraflujo, es principalmente su gradiente de temperatura con el paso de los fluidos por su interior.
Se recomienda que se dé un adecuado mantenimiento a las máquinas del laboratorio para poder realizar las mismas y evitar inconvenientes.
Recomendamos que se tomen las debidas instrucciones antes de iniciar la práctica.
REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS/
FUENTES DE
INFORMACIÓN
Mecánica de Fluidos, Sexta Edición – Frank M. White, University of Rhode Island.
DONALD KERN, Procesos de Transferencia de Calor.
Guía de la práctica de intercambiadores, transferencia de calor II/ II término 2013-2014
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ANEXOS
CÁLCULOS REPRESENTATIVOS.
Cálculo de U práctico
Para el cálculo del coeficiente global de transferencia (U), debemos realizar el procedimiento detallado a continuación:
𝑄 = 𝑈 × 𝐴 × (𝑀𝐿𝐷𝑇)
𝑈 =𝑄
𝐴 × (𝑀𝐿𝐷𝑇)
Cálculo del MLDT:
𝑀𝐿𝐷𝑇 =(𝑇1 − 𝑡2) − (𝑇2 − 𝑡1)
ln((𝑇1 − 𝑡2)(𝑇2 − 𝑡1)
)
𝑀𝐿𝐷𝑇 =(69 − 50) − (60 − 27)
ln((69 − 50)(60 − 27)
)
𝑀𝐿𝐷𝑇 = 25.36°𝐶
Balance de Energía:
𝑄 = 𝐶𝑝 ×𝑚 × ∆𝑇
𝑄 = (4,18𝐾𝐽
𝐾𝑔 − °𝐶) × (0,277
𝐾𝑔
𝑠) × (9°𝐶)
𝑄 = 10.45𝐾𝐽
𝑠
𝑄 = 𝐶𝑝 ×𝑚 × ∆𝑇
𝑄 = (4,18𝐾𝐽
𝐾𝑔 − °𝐶) × (0,11
𝐾𝑔
𝑠) × (23°𝐶)
𝑄 = 10.68𝐾𝐽
𝑠
𝑄 =10.45 + 10.68
2= 10.57
𝐾𝐽
𝑠
Área de Transferencia de Calor:
𝐴 = 𝜋 × 𝐷𝑜 × 𝐿 𝐴 = 𝜋 × 0,0191 × 8
𝐴 = 0,480𝑚2 Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor U:
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𝑈𝑑 =10.57
𝐾𝐽𝑠
0,480𝑚2 × 25.36°𝐶×
3600𝑠
1ℎ×
1𝑤𝑎𝑡𝑡
3,6𝐾𝐽ℎ
𝑈𝑑 = 868.33𝑤𝑎𝑡𝑡
𝑚2 × °𝐶
Cálculo de U teórico Flujo Másico Superficial
𝐴𝑡 =𝜋𝐷𝑖2
4𝐴𝑜 =
𝜋(𝐷22 − 𝐷12
4
𝐴𝑡 =0,000867𝑚2
4 𝐴𝑜 =
0,00196𝑚2
4
𝐴𝑡 = 2,17 × 10−4𝑚2𝐴𝑜 = 4,99 × 10−4𝑚2
𝐺𝑡 =�̇�
𝐴𝑡
𝐺𝑡 =1000
𝐾𝑔ℎ
∙1ℎ
3600𝑠2,17 × 10−4𝑚2
𝐺𝑡 = 1280,08𝐾𝑔
𝑚2 − 𝑠
𝐺𝑎 =1000
𝐾𝑔ℎ
∙1ℎ
3600𝑠4,99 × 10−4𝑚2
𝐺𝑎 = 222,67𝐾𝑔
𝑚2 − 𝑠
Cálculo del Número de Reynolds:
𝑅𝑒𝑡 =𝐷𝑖 × 𝐺𝑡
𝑢
𝑅𝑒𝑡 =(1280,08
𝐾𝑔𝑚2 − 𝑠
) × (0,0166𝑚) ×3600𝑠1ℎ
1.656𝐾𝑔
ℎ − 𝑚
𝑅𝑒𝑡 = 46222,02
𝑅𝑒𝑎 =(222,67
𝐾𝑔𝑚2 − 𝑠
) × (0,0334𝑚) ×3600𝑠1ℎ
2,77𝐾𝑔
ℎ − 𝑚
𝑅𝑒𝑎 = 10065,35
Cálculo del Número de Prandt:
𝑃𝑟𝑡 =𝑢 ∙ 𝐶𝑝
𝑘
𝑃𝑟𝑡 =(4,18
𝐾𝐽𝐾𝑔 − °𝐶
) × (1,656𝐾𝑔
ℎ − 𝑚)
1,319𝐾𝐽
ℎ −𝑚 − °𝐶
𝑃𝑟𝑡 = 5,25
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𝑃𝑟𝑡 =(4,18
𝐾𝐽𝐾𝑔 − °𝐶
) × (2,66𝐾𝑔
ℎ − 𝑚)
1,28𝐾𝐽
ℎ −𝑚 − °𝐶
𝑃𝑟𝑡 = 8,69
ECUACIÓN DE SIEDER Y TATE FLUJO TURBULENTO
ℎ𝑖 = 0,027 (𝑘
𝐷𝑖) × (𝑅𝑒)0,8 × (𝑃𝑟)0,333
ℎ𝑖 = 20086,43𝐾𝐽
ℎ − 𝑚2 − °𝐶
ℎ𝑖𝑜 = 20086,43 ×0,0166
0,0191
ℎ𝑖𝑜 = 17513,68𝐾𝐽
ℎ − 𝑚2 − °𝐶
FLUIDOS POR EL EXTERIOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS
ℎ𝑜 = 0,026 (𝑘
𝐷𝑒) × (𝑅𝑒)0,8 × (𝑃𝑟)0,333
ℎ𝑜 = 3386,31𝐾𝐽
ℎ − 𝑚2 − °𝐶
CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEÓRICO
𝑈𝑑 = 1/(1
𝑈𝑐+ 𝑅𝑑)
𝑈𝑑 = 776,01𝑤𝑎𝑡𝑡
𝑚2 − °𝐶
CALCULO DEL ERROR DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA