UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Química ALANCE !LOAL DE ENER!"A EN UN INTERCA#IADOR INTERCA#IADOR DE TUOS CONC$NTRICOS % ESTUDIO DE LAS P$RDIDAS EN EL #IS#O Carlos Ariza, Yulaid Ariza, Brigith Emiliani, Juan de la Hoz, Jeremy Molinares, Rony Hernández Presentado al profesor iego !ui"ones# $ransfer $ransferen%ia en%ia de %alor &# '( a)ril a)ril de '*+(
&' RESU RESU# #EN( EN( e en%ontr- de manera e.perimental el %oe/%iente glo)al de transf transfer eren% en%ia ia de %alor %alor para para el sistem sistema a en estudio estudio,, además además se analiz- las p0rdidas en el mismo# Esta e.perien%ia se realiz- 1ariando las las dir dire%%i e%%ion ones es de los los 2uido 2uidos s en el inte inter% r%am am)i )iad ador or 3par 3paral alel elo o y %ontra%orriente4#
Pala)ra* cla+e*( &nter%am)iador de %alor, temperatura, tu)os# ,' INTR INTROD ODUC UCCI CION ON Es de 1ita 1itall impo imporrtan%ia n%ia %om %ompre prender nder la ne%es e%esid ida ad 5ue 5ue tiene ienen n los los inter%am)iadores de %alor en nuestro medio# Ya 5ue para un ingeniero la parte del dise"o de sistemas de transferen%ia transferen%ia nos ha%e una persona de 1ital importan%ia %uando se tiene un pro%eso en donde se 5uiera %alentar o enfriar 2uidos para su posterior uso o para apro1e%har su %arga %alor6/%a# 7os &nter%am)iadores de Calor son aparatos 5ue permiten el %alentamiento o enfriamiento de un 2uido 3l65uido o gas4 por medio de otro 2uido gra%ias a la diferen%ia diferen%ia de temperat temperatura ura y separado separado por una pared pared metáli%a# metáli%a# En la mayor6a de las industrias 5u6mi%as la trasmisi-n de %alor se efe%t8a por medio de 0stos inter%am)ia inter%am)iadores dores de %alor, %alor, y el más %om8n de todos todos es el formado por dos tu)os %on%0ntri%os, por uno de los %uales pasa el l65uido a enfriar y por otro se ha%e %ir%ular la %orriente refrigerante# on di1ersos los los usos 5ue se le pueden pueden a%reditar a%reditar a %ada uno de los tipos de inter%am inter%am)iado )iadore res s e.istent e.istentes, es, pero en general, general, los inter%am) inter%am)iado iadores res son usados para re%uperar %alor entre dos %orrientes en un pro%eso# En mu%hos pro%esos de la &ndustria !u6mi%a se ne%esita tra)a9ar %on 2uidos a temperaturas diferentes a la del medio am)iente, por lo %ual, se ha%e ne%esario emplear e5uipos 8tiles para este /n llamados inter%am)iadores de %alor# Cuand uando o se ins instala tala un inte interr%am %am)ia )iador dor de %alo %alorr en un siste istema ma de transf transfer eren% en%ia ia %alor %alor6/% 6/%a, a, se re5ui re5uier ere e de una %a6da %a6da de temper temperat atura ura para para transferir el %alor# %alor# El tama"o de esta %a6da de temperatura temperatura puede redu%irse redu%irse util utiliz iza ando ndo un int inter%a er%am m)ia )iador dor de %alor lor más más gra grande, nde, aun5u un5ue e esto esto in%remen in%rementar tará á su %osto# %osto# En un dise"o ingenieril ingenieril es important importante e tomar en %uen %uenta ta los los aspe aspe%t %tos os e%on e%on-m -mi% i%os os y, en un dise dise"o "o %omp %omple leto to de e5uip e5uipo o inter inter%a %am)i m)iado adorr de %alor %alor,, no s-lo s-lo son impor importan tantes tes las %ara% %ara%ter ter6st 6sti%a i%as s de desempe"o t0rmi%o, t0rmi%o, tam)i0n lo son las demandas de poten%ia de )om)eo y la e%onom e%onom6a 6a del sistem sistema# a# 7a fun%ifun%i-n n de los inter inter%am %am)ia )iado dore res s de %alor %alor
ad5uiere %ada 1ez mayor importan%ia, a medida 5ue aumenta el inter0s de los ingenieros por los aspe%tos energ0ti%os y su deseo de optimizar los dise"os no s-lo en fun%i-n de los análisis %alor6/%os y la re%upera%i-n e%on-mi%a de la in1ersi-n, sino tam)i0n en fun%i-n de la de1olu%i-n de energ6a de un sistema# Entre los tipos de inter%am)iadores más utilizados en la industria se en%uentran los de do)le tu)o 5ue %onsisten en dos 9uegos de tu)os %on%0ntri%os, dos $es %one%toras, un %a)ezal de retorno y un %odo en :# 7a tu)er6a interior se soporta en la e.terior mediante estope"os y el 2uido entra al tu)o interior a tra10s de una %one.i-n ros%ada lo%alizada en la parte e.terna del inter%am)iador# 7as $es tienen )o5uillas o %one.iones ros%adas 5ue permiten la entrada y salida del 2uido del ánulo 5ue %ruza una se%%i-n a otra a tra10s del %a)ezal de retorno# 7a tu)er6a interior se %one%ta mediante una %one.i-n en : 5ue está generalmente e.puesta y 5ue no propor%iona super/%ie de transferen%ia de %alor# Cuando se arregla en dos pasos se llama horquilla. 7os inter%am)iadores de do)le tu)o en%uentran su mayor uso en donde la super/%ie total de transferen%ia re5uerida es pe5ue"a, +** a '** pies ' o menos# e pueden %onstruir fá%ilmente a partir de materiales estándar, 5ue propor%ionan super/%ies de transferen%ia de %alor a )a9o %osto, 8tiles para los prop-sitos re5ueridos# En el presente la)oratorio se realizan los )alan%es de transferen%ia de %alor en el lado del tu)o y de la %ar%asa y se determinaran los %oe/%ientes indi1iduales y totales para %ada arreglo anulo;tu)o# Cuando en la industria se re5uiere una super/%ie de transferen%ia alta, el %am)iador de %alor por e.%elen%ia más empleado es el de %oraza y tu)os, los %uales %onstituyen la parte más importantes de los e5uipos de transferen%ia de %alor sin %om)usti-n en las plantas de pro%esos 5u6mi%os# En general, el inter%am)iador de %oraza 3%ar%aza4 y tu)o, %onsiste en una serie de tu)os lineales %olo%ados dentro de un tu)o muy grande llamado %oraza y representan la alternati1a a la ne%esidad de una gran transferen%ia de %alor#
-' #ARCO TEORICO 7os inter%am)iadores de %alor son aparatos 5ue fa%ilitan el inter%am)io de%alor entre dos 2uidos 5ue se en%uentran a temperaturas diferentes y e1itanal mismo tiempo 5ue se mez%len entre s6# En la prá%ti%a, los inter%am)iadoresde %alor son de uso %om8n en una amplia 1ariedad de apli%a%iones,desde los sistemas dom0sti%os de %alefa%%i-n y a%ondi%ionamiento del aire hastalos pro%esos 5u6mi%os y la produ%%i-n de energ6a en las plantas grandes# 7osinter%am)iadores de %alor di/eren de las %ámaras de mez%lado en el sentido de5ue no permiten 5ue se %om)inen los dos 2uidos 5ue inter1ienen# En un inter%am)iador la transferen%ia de %alor suele %omprender %on1e%%i-n en %ada 2uido y %ondu%%i-n a tra10s de la pared 5ue los separa# En elanálisis de los inter%am)iadores de %alor resulta %on1eniente tra)a9ar %on un%oe/%iente total de transferen%ia de %alor : 5ue toma en %uenta la %ontri)u%i-nde todos estos efe%tos so)re di%ha transferen%ia# 7a raz-n de la transferen%iade %alor entre los dos 2uidos en un punto dado a un
inter%am)iadordepende de la magnitud de la diferen%ia de temperatura lo%al, la %ual 1ar6a alo largo de di%ho inter%am)iador# 7os inter%am)iadores de %alor se fa)ri%an en di1ersos tipos y, %omo %onse%uen%ia,se ini%ia este %ap6tulo %on su %lasi/%a%i-n# A %ontinua%i-n, se dis%utela determina%i-n del %oe/%iente total de transferen%ia de %alor en los inter%am)iadores y de la diferen%ia media logar6tmi%a de $emperatura 37M$, logarithmi% mean temperatura di# :n inter%am)iador de %alor %on >? (** m '@m 3o '** ft '@ft4 se %lasi/%a %omo %ompa%to# E9emplos de inter%am)iadores de %alor %ompa%tos son los radiadores de autom-1iles 3>+ *** m '@m4, los inter%am)iadores de %alor de %erámi%a de 1idrio de las tur)inas de gas 3> *** m '@m4, el regenerador del motor tirling 3>+D *** m '@m4 y el pulm-n humano 3> '* *** m '@m4# 7os pasa9es a tra10s de los %uales pasa el 2u9o en estos inter%am)iadores de %alor %ompa%tos suelen ser pe5ue"os, por lo 5ue se puede %onsiderar el 2u9o %omo laminar# 7os inter%am)iadores %ompa%tos permiten lograr razones ele1adas de transferen%ia de %alor entre dos 2uidos en un 1olumen pe5ue"o y son de uso %om8n en apli%a%iones %on limita%iones estri%tas %on respe%to al peso y el 1olumen de esos aparatos#
igura#+# Es5uema de un &nter%am)iador de do)le tu)o# 3a4 lu9o Paralelo, 3)4 lu9o Contra%orriente
.' O/ETIVOS Realizar el )alan%e glo)al de energ6a en el inter%am)iador %al%ulando el %alor %edido por el 2uido %aliente, el %alor ganado por el 2uido frio y las p0rdidas de %alor# Cal%ular la diferen%ia de temperaturas media logar6tmi%a y el %oe/%iente glo)al de transferen%ia de %alor#
0' #ETODOLI!IA 0'&'
•
#ATERIALES % EQUIPOS
&nter%am)iador de $u)os Con%0ntri%os Edi)on $&$CA Computador :nidad de Calentamiento Edi)on
0','
OPERACI1N DEL EQUIPO
Compro)ar 5ue las 1ál1ulas están a)iertas y 5ue tenemos %on/gura%i-n en 2u9o %ontra%orriente# Compro)ar 5ue el dep-sito de %alentamiento está lleno de agua, por en%ima del interruptor de ni1el# En%ender la )om)a y la resisten%ia 3alimenta%i-n del e5uipo4# i9ar la temperatura del dep-sito en D*FC 3$+4# i9ar el %audal de agua %aliente en unos l@min#
0'-'
PROCEDI#IENTO
Esta e.perien%ia %onsta de dos partes, una tra)a9ando %on los 2u9os en paralelo y la otra tra)a9ando en %ontra%orriente#
0'-'&'PRI#ERA PARTE( 7:J= EG PARA7E7=# Para esta primera parte se a)ren las 1ál1ulas ne%esarias para de9ar pasar el 2u9o de agua fria por los tu)os y de agua %aliente por la %oraza, se mide el 2u9o de entrada de agua por medio del sensor, se miden las diferentes temperaturas de entrada y salida tanto para el agua fria %omo para el agua %aliente %on la ayuda de los termopares instalados en el e5uipo# Esta parte
%onsta de dos ensayos a D#DFC y I#IFC# 7os resultados para este ensayo se muestran y dis%uten en la parte #'#'#
0'-','SE!UNDA PARTE( 7:J= EG C=G$RAC=RR&EG$E# Para esta parte de la e.perien%ia se %am)ia la dire%%i-n de 2u9o %on la 1ál1ula para %olo%arlo en %ontra%orriente, luego se a)ren las 1ál1ulas 5ue permiten el paso de agua %aliente por la %oraza y agua fr6a por los tu)os# Esta parte se hizo por medio de tres ensayos a DDFC, D#IFC y I#DFC# 7os resultados para este ensayo se muestran y dis%uten en la parte #'#+#
2' ANALISIS DE RESULTADOS A %ontinua%i-n se presentan los resultados ta)ulados y los %ál%ulos he%hos para en%ontrar los %oe/%ientes glo)ales, Perdidas y Medias logar6tmi%as# 6.1.
NOMENCLATURA
SC&( Caudal %orriente %aliente 37@min4 SC,( Caudal %orriente fr6a 37@min4 3n( Calor %edido por el agua %aliente 34 3c( Calor a)sor)ido por el agua fr6a 34 3L( P0rdidas de %alor 34 Δ T media
K iferen%ia de temperaturas media logar6tmi%a 3FC4
U( Coe/%iente glo)al de transferen%ia de %alor 3L@m 'FC4 ST&( $emperatura de entrada agua %aliente ST0( $emperatura de salida agua %aliente $emperatura de salida agua fr6aN
ST2K 32u9o %ontra%orriente4, ST&4K 32u9o paralelo4 $emperatura de entrada agua fr6aN
ST2K 32u9o paralelo4, ST&4( 32u9o %ontra%orriente4 2','
RESULTADOS PARA LOS DOS PROCEDI#IENTOS
$a)las para %ada ensayo 6.2.1.FLUJO CONTRACORRIENTE
En*a5o &
En*a5o ,
En*a5o -
DD I(# ID#( II#D I'# I*# I*#+ +#D +#D
D#I D#' D+#+ D*#I IO# ID# ID# '# +#(
I#D D# D#' D*# IO#+ II#( ID#( +# +#
ST&2 67C8 ST& ST, STST. ST0 ST2 SC& 6L9min8 SC, 6L9min8 6.2.2.FLUJO PARALELO
ST&2 67C8 ST& ST, STST. ST0 ST2 SC& 6L9min8 SC, 6L9min8
2'-'
En*a5o &
En*a5o ,
D#D D#( D*#' I#( IO#D I(#D (#+ '#O +#
I#I D# D'# D+# I# IO# # '# +#O
DISCUSI1N DE RESULTADOS(
Formulación: A partir de las medidas re%ogidas se pide %al%ular las siguientes 1aria)les termodinámi%asK +# 5nK Calor %edido por el agua %aliente 34 Q Cedido =m caliente∗Cpcaliente∗( Te caliente− Tscaliente )
'# 5%K Calor a)sor)ido por el agua fr6a 34 Q absorbido = mfrio∗Cpfrio∗( Tsfrio −Tefrio ) # 57K P0rdidas de %alor 34 Q =mcalient ∗Cp calient ∗( Tecalient − Tscalient )= mfrio∗Cp frio∗( Tsfrio − Tefrio ) + q L
qL= mcalient ∗Cpcalient ∗( Tecalient −Ts calient ) − mfrio∗Cpfrio∗( Tsfrio−Te frio ) qL
=
I#
qn qc −
Δ T media
K iferen%ia de temperaturas media logar6tmi%a 3FC4
Para el %aso del fuo a con!racorri"n!"
ΔT media
es igual a la diferen%ia
de temperatura logar6tmi%a media 3$7M4K Δ T media = Δ T log media =
( ΔT e − ΔT s ) ( T cale −T frios ) −(T cals −T frioe) = Δ T e T −T frios ) ln ln ( cale ΔT s T cals−T f rio e
Fluo #aral"lo: Δ T media = Δ T log media =
( ΔT e − ΔT s ) ( T cale −T frioe )−( T cal s−T frios ) = Δ T e T −T frioe ) ln ln ( cale ΔT s T cals−T f rios
D# :K Coe/%iente glo)al de transferen%ia de %alor 3L@m 'FC4 espe9ando la e%ua%i-n de transmisi-n de %alor en el e.tremo de una pared para hallar el %oe/%iente glo)al de transferen%ia de %alor U =
Qtransferido A❑∗ ΔT media
=
Qtransferido π ∗ L∗ Dexteriortubo interno∗ ΔT media
e.terior tu)o interno *#**+O m 7ongitud de inter%am)ioK 7 Im Con$"r%ión: + 7@min *#***+( m @s
Ta&la% '" r"%ul!a'o%: $a)la +K Caudal mási%o para %ada %orriente 32u9o %ontra%orriente4
SC&
SC,
Den*idad
SC&
SC,
T 67C8
En*a5o & En*a5o , En*a5o -
6m-9*8
6m-9*8
6:g9m-8
6:g9*8
6:g9*8
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O*#I
* D
$a)la 'K Caudal mási%o para %ada %orriente 32u9o paralelo4
En*a5o & En*a5o ,
SC& 6m-9*8
SC, 6m-9*8
Den*idad 6:g9m-8
SC& 6:g9*8
SC, 6:g9*8
T 67C8
*#***I ( *#***O
*#***' ( *#***
O#
*#IDOO( I'D *#(DO' *(D
*#'''+ O *#'I+' *D
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O*#I
D
$a)la K Calor generado 32u9o %ontra%orriente4
Calor generado F' Contracorrie Tem; nte medici
DD
En*a5o ,
*
En*a5o -
D
SC& 6:g9*8
C; a T 6/9:g>:8
*,'I** I *,I'*( D+ *,'+'I'* I'D
T entrada T *alida 6:8 6:8
I+O+
'*,
+,
I+O
','
+O,
I+OD
',
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Q generado 6?8 (O',ID +DID,O+ +*+',++ I
$a)la IK Calor a)sor)ido 32u9o %ontra%orriente4
Calor a)*or)ido F' Contracorrie Tem; nte medici
SC, 6:g9*8
C; a T 6/9:g>:8
*
*,'(O*' ''I
I+O
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D
*,'+II* D'
I+OD
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+O,(
$a)la DK Calor generado 32u9o paralelo4
Calor generado
T Q entrada T *alida a)*or)ido 6:8 6:8 6?8 ; *D,OI+ (+ ; D,D(*+ D
F' Paralelo
Tem; medici
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*,IDOO(I 'D+ *,(DO'* (D'
T entrada T *alida 6:8 6:8
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Q generado 6?8 ++**,('* +D +'DO',I(O (
$a)la K Calor a)sor)ido 32u9o paralelo4
Calor a)*or)ido F' Paralelo
Tem; medici
En*a5o & En*a5o ,
SC, 6:g9*8
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T entrada T *alida 6:8 6:8
*
*,'''+ ODO
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D
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*,
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Q generado 6?8 ; ',+IIO ' ; ++'*+,+I+ I'
$a)la K P0rdidas de %alor sistemas en paralelo y %ontra%orriente
Flu@o contracorriente Calor generado Calor a)*or)ido Prdida* 3n 6?8 6?8 6?8 En*a5 o, En*a5 o-
T medici
+DID,O+
;*D,OI+(+
I*,+'
*
+*+',++I
;D,D(*+D
DD,D+(+'
D
Flu@o ;aralelo En*a5 o& En*a5 o,
++**,('*+D
;',+IIO'
'D((,D(D'
*
+'DO',I(O(
;++'*+,+I+I'
+O+,(I
D
$a)la (K $emperatura media logar6tmi%a 2u9o %ontra%orriente
Te caliente 6:8 En*a5o , En*a5o -
Flu@o contracorriente T* caliente Te Brio T* Brio 6:8 6:8 6:8
','
+O,
+*,+
+O,
',
+(,(
*,
+O,(
$a)la OK $emperatura media logar6tmi%a 2u9o paralelo
Tm O,*I+ ,'I *
T medici
Te caliente 6:8 En*a5o & En*a5o ,
Flu@o ;aralelo T* caliente Te Brio T* Brio 6:8 6:8 6:8
',(
'*,D
+*,+
+O,
',
'+,
*,
+O,(
Tm
T medici
,(O+ O,ODD I
* D
$a)la K Coe/%ientes glo)ales de transferen%ia de %alor para 2u9os paralelos y en %ontra%orriente#
Flu@o contracorriente T medici
* D
Tm O#*I+*( *O #'I*'(O
U Calor generado 6:?9m,>7C 6?8 8 +DID#O+ +*+'#++I
(I#I(*IOD' + I#*D'O* '
Flu@o ;aralelo T medici
* D
Tm #(O+ODI' *' O#ODDI+D +'
U Calor generado 6:?9m,>7C 6?8 8 ++**#('*+D +'DO'#I(O(
((#D(OD*DD '#O+D+D
' CONCLUSIONES •
•
•
El 2u9o so)re tu)os %on%0ntri%os afe%ta la transferen%ia de %alor entre los 2uidos, as6 %omo las temperaturas de los mismos# El aislamiento de un e5uipo es determinante al momento de 5uerer o)tener una transferen%ia de %alor e/%iente por medio de la disminu%i-n de las perdidas %alor6/%as# 7as 7M$ resultan 8tiles en los %asos donde se desea estudiar de manera detallada la fuerza 5ue impulsa la transferen%ia de %alor en sistemas de 2u9o#
' ILIO!RAF"A •
•
•
illian H# M%Adms 3+I4, Transmisión de Calor. Edi%iones del Castillo #A ran Lreith Q Mar # Bohn 3'**+4, Principio de Transferencia de Calor. $homson Editores# &BG OI;(';*+;+# # &sa%heno Q # =sipo1a Q A# uomel, Transmision de Calor. Boi.erau Editores# &BG OI;'(;*';'#
