Intercambiadores de Calor de Tubos Concéntricos

U.P.T.C. U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Inenier!a Electromecánica

Formación básica profesional. Área complementaria técnica Térmicas II "#$%$&$&'$#

PRACTICA DE LABORAT LABO RATORIO ORIO 4 INTERCAMBIADORES INTERCAMBIADO RES DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOS CONCENTRICOS

INTRODUCCION

(as má)uinas térmicas producen el apro*ec+amiento de la ener!a calor!fica producida. En éstas son de ran interés no sólo los fenómenos de transferencia de calor sino además las carac caracte ter!s r!sti ticas cas con const stru ruct cti* i*as as , de dise dise-o. -o. En la prese present ntee práct práctic icaa se estu estudi diará aránn los los inte interc rcam ambi biab able less de calo calorr por por ser ampl amplia iame ment ntee util utili iad ados os como como má)ui má)uinas nas térm térmic icas as encaradas de a-adir o retirar calor entre sustancias )ue flu,en en su interior. 1. OBJETIVOS

•

/eal /eali iar ar el bala balanc ncee de ener ener! !aa del del inte interc rcam ambi biad ador or00 tant tantoo en la secc secció iónn de calentamient calentamiento0 o0 como la sección sección enfriamiento enfriamiento , determinar determinar las pérdidas pérdidas por radiación del sistema.

•

Elaborar una ráfica de temperatura *s lonitud para todo el intercambiador.

•

Determinar la diferencia media loar!tmica de temperaturas 12(DT3 considerando dos intercambiadores4 *apor'aceite , aua'aceite.

•

Determinar los coeficientes de pel!cula para cada uno de los intercambiadores.

•

Dete De term rmin inar ar los los coef coefic icie ient ntes es lob lobal ales es de tran transf sfer eren enci ciaa de calo calorr para para los los do doss intercambiadores.

•

Calcular el factor de suciedad 1 Rd 3 combinado.

•

Comparar los coeficientes obtenidos con los suministrados con la literatura.

56$

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Inenier!a Electromecánica


2. GENERALIDADES

%.5 I7TE/C829I8D:/ES DE C8(:/ Un intercambiador de calor es un dispositi*o )ue efect;a la transferencia de calor de un fluido a otro. 8un)ue e7T/IC:S Es el tipo más sencillo de intercambiables de calor0 consiste en un tubo colocado concéntricamente dentro de otro tubo. Uno de los fluidos flu,e en el interior0 , el otro en la reión anular formada entre ambos tubos. Cuando las corrientes de ambos fluidos recorren el intercambiador una sola *e0 se conoce como intercambiadores de un solo paso o de paso ;nico0 si ambos fluidos se desplaan en la misma dirección0 el intercambiador es de tipo de flu?o paralelo= si los fluidos transitan en direcciones opuestas0 el intercambiador es de contraflu?o o de contracorriente.

565



Para los intercambiadores de calor de tubos concéntricos0 la diferencia de temperaturas entre el fluido caliente , el fluido fr!o no permanece constante a todo lo laro del tubo0 la *elocidad del flu?o de calor *ariará de una sección a otra , para su determinación es preciso usar una adecuada diferencia temperaturas medias0 conocida como diferencia media loar!tmica de temperaturas 2(DT. %.@ ECU8CI:7ES 7ECES8/I8S P8/8 (8 /E8(IA8CIB7 DE (:S CÁ(CU(:S %[email protected] Balance de energía. El balance de ener!a para cada una de las secciones de calentamiento se determina mediante las siuientes ecuaciones4  V Q

= Q ac + Q P

1Ec. 53

Donde4  V Q

= m V 1h s − he 3 Flu?o de calor cedido por el *apor 1W 3

h s

  = Entalp!a del l!)uido a la salida  J    kg 

he

  = Entalp!a del *apor a la entrada  J    kg 

 ac Q

 AcC p 1T s − T e 3 Flu?o de calor tomado por el aceite 1W 3 =m

T s

= Temperatura del aceite de la salida 1 K 3

T e

= Temperatura del aceite a la entrada 1 K 3

 P Q

= Flu?o de calor perdido 1W 3

 V m

kg  = Flu?o de *apor     s 

El balance de ener!a para la sección de enfriamiento se determina mediante la siuiente ecuación4

56%


 Ac Q


= Q a + Q P

1Ec. %3

Donde4  Ac Q

 Ac C p 1T s − T e 3 Flu?o de calor entreado por el aceite 1W 3 =m

a Q

= m a C p 1T s − T e 3 Flu?o de calor tomado por el aua 1W 3

 P Q

= Flu?o de calor perdido 1W 3

%.@.% Diferencia media logarítmica de temperatra. (a diferencia media loar!tmica de temperaturas en cada sección de calentamiento se calcula as!4 T 5

= T % = Temperatura de saturación del *apor de aua a la presión de traba?o. 1 K 3

∆t 5 = T % − t 5 ,

!"TD =

∆t % = T 5 − t %

∆t 5 − ∆t % ln1 ∆t 5 ∆t % 3

t 5

= Temperatura de entrada del fluido fr!o 1 K 3

t %

= Temperatura de salida del fluido fr!o 1 K 3

1Ec. @3

El *alor anterior es iual si se calcula suponiendo paralelo o contracorriente. (a diferencia media loar!tmica de temperatura en la sección enfriamiento suponiendo flu?o en contracorriente se calcula as!4

∆t 5 = T % − t 5 ,

∆t % = T 5 − t %

56@


!"TD =


∆t % − ∆t 5 ln1 ∆t % ∆t 5 3

1Ec. #3

T 5

= Temperatura de entrada del fluido caliente 1 K 3

T %

= Temperatura de salida del fluido caliente 1 K 3

t 5

= Temperatura de entrada del fluido fr!o 1 K 3

t %

= Temperatura de salida del fluido fr!o 1 K 3

%.@.@ Coeficientes de pelícla para el aceite# el aga $ el %apor . %.@[email protected] Temperatras cal&ricas 1 T C

$ t C 3.

Para fracciones del petróleo o +idrocarburos

*iscosos las temperaturas calóricas pueden calcularse por la siuiente ecuación4 T C

= T % + ' C 1T 5 − T % 3 t C

' C Se

1Ec. "3

= t 5 + ' C 1t % − t 5 3 1Ec. 3

determina con un ráfico como lo indica Kern.

Si los l!)uidos no son mu, *iscosos0 no más de 5.$ centipoises0 si el inter*alo de temperaturas no e
T 5 0 T % ,

entre

t 5 0 t %

puede utiliarse en luar de las temperaturas

calóricas para la e*aluación de las propiedades f!sicas. Para fluidos no *iscosos φ = 1 µ µ m 3 $.5#

puede tomarse como 5.$.

%.@.@.% Coeficiente de pelícla para el aceite 1t(o interior 3. Área de flu?o = a P = π D % # 1 m % 3

56#



= Diámetro interno del tubo interior 1m3  kg  elocidad másica = ) = m a  %   m − s 

D

P

 Ac m

Ac

P

kg  = Flu?o de masa del aceite     s 

( Re) P =

D) P

1Ec. 63

µ

µ = iscosidad a la temperatura calórica

 kg     m − s 

8 partir de la fiura dada por Kern0 se determina4 −$.5#

5

µ   h D   C µ  @  + * =  i       k   k   µ W  

1Ec. 3

Se calcula a+ora4 −$.5#

  µ    µ W  

5

 C µ  @    k 

,

1Ec. &3

C 0 µ 0 k 4 se determinan a la temperatura calórica. µ W

Se determina a la temperatura de pared.

Se despe?a

hi

, se corrie para obtener

hio

hio mediante

= hi

D - D ,

56"

la ecuación4

1Ec. 5$3



hio

  = Coeficiente de pel!cula referido al diámetro e
D -

= Diámetro interno 1m3

D ,

= Diámetro e
%.@.@.@ Coeficiente de pelícla para el aga. Área de flu?o = aa = π 1 D%% − D5% 3 # 1 m % 3 1 m % 3 D%

= Diámetro interno del tubo e
D5

= Diámetro e
elocidad másica = ) P = m a a m

aa

 kg   %   m − s 

kg  = Flu?o de masa del aua     s 

( Re) a =

De

De )a

1Ec. 553

µ

= Diámetro e)ui*alente 1m3

De

=

# /rea

de fl+o

perímetro h.medo

=

µ = iscosidad del aua a la temperatura media

D%% − D5%

 kg     m − s 

8 partir de la fiura dada por Kern se calcula + * . El coeficiente de pel!cula para el aua será4

56

D5

1Ec. 5%3



−$.5#

5

ho

 K   C µ  @  µ    = + *     k   µ D   e   W 

1Ec. 5@3

%.@.@.# Coeficiente de pelícla para el %apor en la secci&n de calentamiento. Como la medición de la temperatura de pared no es posible en este e)uipo0 se utilia la siuiente ecuación4

T W

T a

= T a +

ho hio

+ ho

( T 0 − T a )

1Ec. 5#3

= Temperatura media del fluido fr!o 1 K 3

Para el cálculo anterior puede suponerse un *alor adecuado del coeficiente de pel!cula 1 ho 3 para él *apor de aua de 5"$$ BT1

h. pie % .C ' .

Se utilia la ecuación de 2sselt para condensar laminar tipo pel!cula sobre la superficie de un tubo +oriontal4 5

ho

 g ρ ! h fg k @ 1 ρ ! − ρ V 3  #  1Ec. 5"3 = $.6%"  µ ! D1T 0 − T W 3  

Donde4 T 0

= Temperatura de saturación del *apor 1 K 3

T W

= Temperatura de pared del tubo 1 K 3

g = 8celeración de la ra*edad

ρ ! 0 ρ V

 m   %   s 

= Densidad del l!)uido , el *apor a

T s

566

 kg   @   m 


h fg


 = Entalp!a de condensación   J    kg 

k = Conducti*idad térmica del l!)uido a T s

kg  = iscosidad del condensado a T s     m − s 

µ !

D

 W     m−C K 

= Diámetro e
%.@.# Coeficiente glo(al limpio 1 C .

1 C =

hio ho hio

1Ec. 53

+ ho

Coeficiente de dise-o 1 D .

1 D

=

 Q A∆t

1Ec. 563

∆t = Diferencia media loar!tmica de temperatura 1 K 3 A = Área total de transferencia de calor 1 m % 3 A = π D , !

D ,

!

 Q

1Ec. 53

= Diámetro e
= (onitud total del intercambiador 1m3 =

Flu?o de calor transferido en el intercambiador.

%.@." 'actor de sociedad 1 Rd 3 com(inado.

56


Rd

=


1 C − 1 D 1 C 1 D

1Ec. 5&3

%.# P/EC8UCI:7ES

•

Utilice ropas adecuadas para el laboratorio.

•

Identifi)ue el e)uipo0 las partes sobre las cuales se *an a realiar las mediciones0 al iual )ue las superficies )ue puedan calentarse.

•

E*ite tocar las superficies calientes0 si lo piensa +acer utilice uantes de carnaa o amianto0 solicitelos al dependiente del laboratorio.

•

Identifi)ue los puntos de colocación de los termómetros.

•

2anipule cuidadosamente los termómetros de *idrio0 para e*itar )ue se rompan.

•

Cual)uier irreularidad comun!)uela al profesor encarado de la asinatura o al dependiente del laboratorio.

%." 8UT:EG82E7

a. HEn )ué consiste un intercambiador de tubos concéntricos b. HJué caracter!sticas deben tener en cuenta para el estudio de la transferencia de calor en el interior de intercambiador c. H8 )ue se deben las pérdidas de ener!a en el intercambiador0 describa cada una de ellas , e
56&



Para realiar la práctica correspondiente a este tema se utilia un e)uipo conocido como -ntercam(iador de t(os conc3ntricos4

Fiura 5. Intercambiador tubos concéntricos.

(ocaliación4 (aboratorio de Transferencia de calor Uni*ersidad 7acional de Colombia0 sede 9ootá.

El e)uipo consta de las siuientes partes4 5. -ntercam(iador de t(os conc3ntricos.

El e)uipo se compone de oc+o

intercambiadores de tubos concéntricos con las siuientes caracter!sticas4 Tubos e
= 5.D%" plgadas

Tubos internos D - = $.&&" puladas D ,

= 5.5%F puladas

plgadas (onitud de cada tubo = 555

%. Bom(a centrífga. @. Dep&sito de aceite. #. Rot/metro para aga $ aceite. 5$



". Trampas de %apor# %/l%las de control de fl+o $ term&metros. . Caldera de %apor . Tabla 5. E)uipos. Cantida d

Elemento

5 '

Intercambiador de tubos concéntricos Termómetros

4. PROCEDIMIENTO

53 /e*ise el e)uipo0 *ea si las *ál*ulas correspondientes están cerradas o abiertas. (a fiura % a,uda a identificar las *ál*ulas. %3 Colo)ue los termómetros0 siuiendo las indicaciones del dependiente del laboratorio. @3 Pona el aua de refrieración en circulación abriendo la *ál*ula correspondiente , mantena un *alor constante indicado por rotámetro. Este *alor será dado a conocer por el profesor al comieno de la práctica. #3 Encienda la bomba. "3 8bra la *ál*ula )ue controla el flu?o de aceite lentamente +asta obtener un *alor indicado por rotámetro. Este *alor también será indicado por el profesor al comieno de la práctica. 3 8bra la *ál*ula )ue da paso al *apor +asta un *alor de presión )ue será fi?ado al iniciar la práctica , se mantendrá constante. 63 Permita la estabiliación del e)uipo. 3 Tome los datos indicados , cons!nelos en la tabla @. &3 Suspenda el funcionamiento del e)uipo utiliando la siuiente secuencia4 cierre la *ál*ula )ue da paso al *apor0 cierre la *ál*ula )ue da paso al aceite0 apaue la bomba0

55



espere m!nimo 5$ minutos , cierre la *ál*ula )ue controla el flu?o de aua= reco?a los termómetros.

Fiura %. Diarama del intercambiador de tubos concéntricos.

2odificado de4 K::DI7K0 7estor. 2anual de prácticas operaciones unitarias II. 5 ed . Uni*ersidad 7acional de Colombia. 5&&.

5. TOMA DE DATOS

5%



Tabla @. Sistema aua'aceite. Primer tubo

Caudal

8  (ectura del u rotámetro a mm 8 c (ectura e del i rotámetro mm t e

Segundo tubo

T ent T sal T ent

T sal

Tercer tubo

Cuarto tubo

T ent T sal T ent

T sal

Quinto tubo

T ent

T sal

 lt    F  min 

C

 lt    C  min 

C

 lt    F  min 

C

 lt    C  min 

C

Tabla #. Sistema *apor'aceite. Caudal

8 (ectura  del u rotámetro mm a 8 c (ectura e del i rotámetro mm t e

Primer tubo

T ent

T sal

Segundo tubo

T ent

T sal

Tercer tubo

T ent

T sal

 lt    F  min   lt  C   C  min  C

 lt    F  min 

C

 lt    C  min 

C

6. CARACTERISTICAS A OBTENER

53Laa un balance de ener!a del intercambiador para la sección de calentamiento al iual )ue para la sección enfriamiento. %3Dibu?e una ráfica de temperatura *s lonitud para todo el intercambiador. @3Determine la diferencia media loar!tmica de temperaturas 12(DT3 para los dos intercambiadores estudiados. #3:btena los coeficientes de pel!cula para ambos intercambiadores. 5@



"3Determine los coeficientes lobales de transferencia para los dos intercambiadores. 3Calcule el factor de suciedad 1 Rd 3 combinado0 , compare los coeficientes obtenidos con los suministrados en la literatura. 7. CUESTIONARIO

5. Identifi)ue la cantidad de ener!a perdida en el intercambiador , +alle el rendimiento de este. %. H(a ráfica temperatura *s. lonitud es caracter!stica para los dos intercambiadores estudiados @. HJue identifica el factor de suciedad

BIBLIOGRAFIA

CL8P2870 8lan?. Transmisión del calor. @M ed . 2adrid 4 (ibrer!a Editorial 9ellisco. 5&&$. K::DI7K0 7estor. 2anual de prácticas operaciones unitarias II. 5 ed . Uni*ersidad 7acional de Colombia. 5&&. 5@p. NE/70 Donald. Procesos de transferencia de calor. 5# ed4 Editorial continental. 5&$. N/EITL0 FrancO. Principios de transferencia de calor. 5 ed . 2e
5#

Intercambiadores de Calor de Tubos Concéntricos

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