ESCUELA POLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y AGROINDUSTRIA CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA TRANSFERENCIA DE CALOR I PRACTICA # 1 “CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE TUBOS CONCENTRICOS” GRUPO B2 Salomé Arequipa Shirley Inguillay Josue Lindao Pablo Tamayo Fecha de realización de la práctica: 22/04/2015 Fecha de entrega del informe: 06/05/2015
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ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y AGROINDUSTRIA
CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA
TRANSFERENCIA DE CALOR I
PRACTICA # 1
“CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE TUBOS CONCENTRICOS”
GRUPO B2
Salomé Arequipa
Shirley Inguillay
Josue Lindao
Pablo Tamayo
Fecha de realización de la práctica: 22/04/2015
Fecha de entrega del informe: 06/05/2015
1.- RESUMEN
En la práctica se estudió el comportamiento de los intercambiadores de calor de tubo concéntrico. La práctica realizada fue en el laboratorio de operaciones unitarias. En donde el equipo disponible permite el estudio de estos intercambiadores tanto en flujo paralelo como en contracorriente. Lo que no permite comparar su comportamiento. En la práctica se procedió primero a la evaluación en contracorriente. Se calibró los flujos del equipo de tal manera que esto suceda. Para lo cual se tomó valores de temperatura de las termocuplas cada 3 minutos. Al igual que se evaluó el caudal del agua por los tubos igual cada 3 minutos tanto para el fluido caliente como para el frío. Corriendo el equipo por 18 minutos y tomando 9 grupos de valores. Tanto de temperatura de salida como de entrada. Se realizó el mismo procedimiento en el caso del flujo en paralelo. Solo cambiando los flujos en el equipo de tal manera que esto se cumpla. Con los datos tomados se determinó los parámetros de calor, RT, hi, he, Ui, Us para cada intercambiador tanto en caso de flujo paralelo como contracorriente. Así como un calor total transferido, que en la práctica resulto ser de 5356,57 W en el caso de contracorriente y de 4514,91 W en caso de flujo paralelo. De esta manera se pudo deducir que el intercambiador de calor en flujo contracorriente disipa una mayor cantidad de calor que el flujo en paralelo. La resistencia de ensuciamiento influyó de forma directa en el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor. Para el caso de paralelo se tuvo un valor de 17,2758W/K para el intercambiador 1 y 17,5028 W/K para el intercambiador 2. Mientras que en configuración en contracorriente se obtuvo tuvo un valor de 17,2961 W/K para el intercambiador 1 y 18,0243 W/K para el intercambiador 2. El experimento realizado pudo haber tenido muchas variaciones, si el equipo utilizado se repararían otras secciones que permitan mayores puntos de evaluación de los intercambiadores de calor de tubos concéntricos.
2.- OBJETIVOS
El estudio y evaluación de las condiciones de flujo, material y espesor de los tubos; el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor en un intercambiador de tubos concéntricos o de doble tubo.
Determinar cuál de los 2 tipos de flujo disipa más calor el contracorriente o el de flujo en paralelo.
3.- FUNDAMENTO TEORICOLos intercambiadores de calor son de uso común en múltiples aplicaciones, desde los sistemas domésticos de calefacción y acondicionamiento del aire hasta los procesos químicos y la producción de energía en las grandes industrias.
Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calórico entre dos fluidos que se encuentran a distintas temperaturas y al mismo tiempo no permite que se mezclen ambos fluidos. Debido a las diversas aplicaciones de la transferencia de calor se requieren diferentes tipos de componentes y configuraciones del equipo. De acuerdo a las especificaciones de un proceso se ha diseñado números e innovadores intercambiadores de calor.
El equipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntricos de diámetros diferentes llamado intercambiador de doble tubo o tubos concéntricos. En este aparato uno de los
fluidos pasa por el tubo más pequeño, mientras el otro fluido lo hace por el espacio anular entre los dos tubos. En este intercambiador son posibles dos tipos de disposición del flujo:
Flujo paralelo: ocurre cuando los dos fluidos, el frío y el caliente, entran en el intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección.
Flujo en contra corriente: se origina cuando los fluidos, frio y caliente entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.
Figura No 3.1 Regímenes de flujo en un intercambiador de doble tubo (Bejan, Kraus, Allan 2003).
Las ecuaciones de transferencia de calor para el sistema de intercambiadores con tubos concéntricos
Qperdido=Qganado (1)
mc∗cpc∗∆ Tc=mf∗cpf∗∆ T f (2)
Dónde:
mc Y mf : es el flujo másico del fluido caliente y del fluido frio respectivamente.
cpc Y cp f : es la capacidad calorífica a presión constante del fluido caliente y del fluido frio respectivamente.
∆ T c Y ∆ T f : es la diferencia de temperaturas de la entrada y salida, del fluido caliente y del fluido frio respectivamente.
El equipo más eficiente es el intercambiador de calor en contracorriente debido a que la temperatura de salida del fluido frio puede alcanzar un valor más alto que la temperatura de salida del fluido caliente, de esta manera se da una mayor transferencia de calor.
Dentro de un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido y conducción a través de la pared que los separa. Es así que resulta útil trabajar con el coeficiente global de transferencia de calor (U) el cual considera todas las resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria del flujo de calor del fluido caliente hacia el frío, así también permite expresar transferencia de calor entre los dos fluidos como:
Figura No 3.2 Red de resistencias térmicas en un intercambiador de calor de doble tubo (Çengel, 2011).
Q̇=UA s ∆ T=∆ TR
(3)
1U A s
= 1hi A i
+
ln( Do
Di)
2 πkL+ 1
ho Ao
(4)Dónde:
U : Coeficiente global de transferencia de calor.
hi , he: Coeficiente de convección interna y externa respectivamente.
k : Coeficiente de conducción.
e: El espesor de la pared cilíndrica.
Ai , AO : Área interna y externa del tubo
Di Do: Diámetro interno y externo del tubo
En nuestro caso, la resistencia por conducción es insignificante a lo largo de los tubos.
Si la pared del tubo es pequeña y la conductividad térmica del material es alta, la resistencia térmica del tubo es despreciable (Rpared ≈ 0) y las superficies interior y exterior del tubo son semejantes (Ai ≈ Ao ≈ A s).
1U
= 1hi
+ 1ho
(5)
De esta ecuación se puede observar que el coeficiente de transferencia de calor total U es dominado por el coeficiente de convección más pequeño, ya que el inverso de un valor grande es pequeño. Es
así que el coeficiente de transferencia de calor más pequeño crea un cuello de botella sobre la trayectoria de la transferencia de calor y dificulta su intercambio. (Çengel, 2011, p. 634)
La resistencia térmica de transferencia de calor por convección puede resultar importante y a veces se la nombra como resistencia de película. Esta al actuar sobre una superficie debe ser sumada a las otras resistencias térmicas. (Reyes, 2009)
La diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frío varía a lo largo del intercambiador de calor es por ello que se necesita tener una diferencia de temperatura media. La diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD) se obtiene siguiendo el perfil real de temperaturas de los fluidos a lo largo del intercambiador y es una representación exacta de la diferencia de temperatura promedio entre los fluidos caliente y frío. Esta refleja el decaimiento exponencial de la diferencia de temperatura local. (Incropera, 1999)
LMTD=
∆T 1−∆ T2
ln∆ T1
∆ T2
(7)
Dónde:
∆ T 1 es la variación de temperatura a la entrada del fluido caliente y frio.
∆ T 2 es la variación de temperatura a la salida del fluido caliente y frio.
El rendimiento de los intercambiadores de calor suele disminuir a medida que pasa el tiempo, esto como resultado de la acumulación de depósitos sobre las superficies de transferencia de calor.
La transferencia de calor se ve afectada por la capa de depósitos que origina una resistencia adicional por esta razón disminuye el intercambio de energía en los equipos. El resultado de estos depósitos se representa por la resistencia de ensuciamiento, la cual se debe a la acumulación de una capa de suciedad o cualquier otra sustancia en uno o los dos lados de las superficies del tubo de un intercambiador. (Incropera, 1999)
Esta resistencia depende de la temperatura de operación y de la velocidad de los fluidos, así como el tiempo que esté operando el intercambiador. La resistencia de ensuciamiento se incrementa al aumentar la temperatura y disminuir la velocidad.
Dónde:
Rd=1
U s
− 1UL
(8)
Dónde:
Rd=Resistencia de EnsuciamientoU s=Coeficiente global deTrans .Q Sucio
U L=Coeficiente global deTrans. Q Limpio4.- PROCEDIMIENTOEXPERIMENTAL
Para empezar esta práctica después de abrir y cerrar todas las válvulas, se empezó a seleccionar los tubos por los que pasarán los fluidos. El primer sentido de flujo a trabajar fue en contracorriente, después de esto se abrió la llave de paso del agua fría y se esperó el tiempo necesario para que se drene por la salida del equipo. Se considera como fluido frío al agua que viene directamente de la cañería, se encendió la fuente de calentamiento ubicada en la parte superior izquierda del equipo aumentando así la temperatura del agua que se iba a utilizar como fluido caliente; calentada el agua se procedió a abrir la llave de paso de ésta al intercambiador de calor, al tiempo cero se midieron las temperaturas que indicaban las termocuplas: OT6, OT4 y OT1 del agua fría (fluido frío) y las temperaturas IT7, IT8 e IT11 del agua calentada previamente (fluido caliente), al mismo tiempo y con ayuda de una probeta se midieron los flujos del agua fría y del agua caliente tomando una relación volumen- tiempo, se repitió el mismo procedimiento las veces que fueron necesarias hasta tener régimen estacionario, se cerró las llaves de paso del agua caliente y del agua fría en ese orden, se apagó la fuente de calentamiento, se procedió a cambiar los sentidos de los fluidos para trabajar en sentido de flujo paralelo, nuevamente se abrió la llave de paso del agua fría y se esperó hasta que se drene por la salida, se encendió nuevamente la fuente de calentamiento y después de un tiempo prudencial se abrió la llave de paso del agua caliente, se midieron nuevamente las temperaturas que indicaban las termocuplas OT6, OT4 y OT1 del agua fría (fluido frío) y las temperaturas IT7, IT8 e IT11 del agua calentada previamente (fluido caliente), se midieron flujos de agua fría y de agua caliente con ayuda de la misma probeta y se repitió el mismo procedimiento hasta tener régimen estacionario, finalizado el experimento se cerraron las llaves de paso del agua caliente y del agua fría y se drenó el equipo abriendo todas las válvulas, se anotaron los valores de diámetro interno y diámetro externo de las tuberías.
5.- ESQUEMA DE LOS EQUIPOS
Tabla 5.1 Equipos y materiales
Cantidad Equipo/material
1Intercambiador de calor de tubos concéntricos de
6 pasos con termocuplas adaptadas.
1 Multímetro.
1 Probeta de 500ml.
1Cronómetro
Precisión: 0,1℃
Figura 5.1 Esquema del banco de tubos concéntricos (energia.azc.uam, 2014)
6.- DATOS EXPERIMENTALES
Tabla 6.1. Temperaturas de flujo en Contracorriente
TEMPERATURAS DE FLUIDO FRIO TEMPERATURAS DE FUIDO CALIENTE
En la práctica realizada se determinó las temperaturas del fluido de agua caliente y agua fría, tomadas en los sistemas de flujo en contracorriente y paralelo, y con ello se demostró el fenómeno de transferencia de calor que existe, las propiedades térmicas del fluido para el cálculo de hi y he, se evaluaron a temperatura media (Tm) valor que en el caso de intercambiadores 1-1 es aproximadamente igual a la temperatura de pared (Tp), lo cual permitió establecer que los valores de hi y he calculados a Tm, corresponden a los valores corregidos de los mismos, hic y hec, a condiciones de (Tp) para el posterior cálculo del coeficiente global de trasferencia (U), De los resultados expuestos en las tablas 7.1 y 7.2 se puede comparar los valores del coeficiente global de transferencia de calor, y de su diferencia se pudieron determinar la resistencia al ensuciamiento para cada tubo con flujo en paralelo, resultados que se exponen en la tabla 6.7. De esto se puede apreciar que en el caso del tubo de cobre (tubo 1), el coeficiente global de transferencia de calor de diseño, el coeficiente correspondiente a las condiciones de operación es inferior al determinado a partir de los coeficientes peliculares, en consecuencia, en este caso, resultó una resistencia al ensuciamiento de magnitud positiva cercana a 0, esto permite que el intercambiador continúe funcionando manteniendo sus características operativas aún con un grado de suciedad. Además como se nota en la tabla 5 y 6 se puede concluir que las resistencias térmicas de los tubos tanto de cobre como de acero inoxidable son prácticamente despreciables y ello justifica el haber determinado los coeficientes globales únicamente considerando los valores de los coeficientes peliculares. El calor total transferido resulto ser de 5356,57 W en el caso de contracorriente y de 4514,91 W en caso de flujo paralelo. De esta manera se deduce que el intercambiador de calor en flujo contracorriente disipa una mayor cantidad de calor que el flujo en paralelo.
10.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
CONCLUSIONES
El valor del coeficiente global de transferencia de calor para configuración en contracorriente fue 67,9323W/K para el intercambiador 1 y 80,745W/K para el intercambiador 2.
El valor del coeficiente global de transferencia de calor para configuración en paralelo fue 67,6208W/K para el intercambiador 1 y 71,2366W/K para el intercambiador 2.
La resistencia de ensuciamiento (RE) influyó de forma directa en el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor. Para configuración en paralelo tuvo un valor de 17,2758W/K para el intercambiador 1 y 17,50,28 W/K para el intercambiador 2. Mientras que en configuración en contracorriente se obtuvo tuvo un valor de 17,2961 W/K para el intercambiador 1 y 18,0243 W/K para el intercambiador 2.
Las propiedades de los fluidos se evaluaron a una temperatura media. Se determinó una mayor eficiencia de intercambiadores en contracorriente que en paralelo,
debido a la mayor trasferencias de calor calculada. El calor total que se obtuvo en contracorriente (5356,57W) fue mayor al calor obtenido en
configuración en paralelo (4514,91W)
RECOMENDACIONES
Realizar un mantenimiento al resto de intercambiadores para de esta manera poder llevar a cabo la práctica y poder tener más elementos de comparación en la transferencia de calor.
Prestar atención para no confundir las temperaturas de entrada y salida de los fluidos, puesto que su confusión provocará gran error en los resultados
Cerrar las válvulas necesarias de acuerdo a la configuración que se vaya a utilizar, para evitar error en la transferencia de calor, así como en la medición de las temperaturas.
Remplazar las manijas que controlan la medición de las temperaturas, ya que no se podía manipularlas sencillamente.
11.- BIBLIOGRAFÍA:
1. Bejan A, Krauss A. (2003). “Heat transfer handbook”. Extraido de: http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471390151.html. (Mayo, 2015).
2. Cengel Y, Ghajar. (2011). “Transferencia de calor y masa Fundamentos y aplicaciones”. Extraido de: http://www.academia.edu/6473462/Transferencia_de_Calor_y_Masa_4ta_ed._-_Yunus_Cengel. (Mayo, 2015).
3. INCROPERA, Frank, DE WITT, David.(1999). “Fundamentos de Transferencia de Calor”, cuarta edición. Editorial Prentice Hall. México D.F. México. pp. 582 – 590.
4. REYES, Mario. (2009). “Transferencia de Calor”. Extraido de: http://blogdetransferencia.blogspot.com/, (Mayo, 2015).