LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR II
PRÁCTICA N° 3 TÍTULO:
Intercambiador de calor de tubos concéntricos
GRUPO N°:
3
INTEGRANTES:
NOTA:
-
1
Castro Da Silva Paulo Renato
-
2
Jaramillo García Santiago Alejandro
-
3
Mendoza Sarango Christian Santiago
-
4
Proaño Sánchez Javier Esteban
FECHA DE REALIZACIÓN:
24- Junio- 2015
FECHA DE ENTREGA:
01- Julio- 2015
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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
I.
TEMA: Intercambiador de calor de tubos concéntricos
II.
OBJETIVOS Determinación del coeficiente global de transferencia de calor U para el intercambiador de tubos concéntricos, con flujo paralelo y contra flujo.
III.
MARCO TEÓRICO
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más comunes y sencillos de fabricar, están formados por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. Existen dos formas de direccionar los fluidos a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos de las tuberías y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido.
Figura 1. Tipos de flujo en el intercambiador de calor de tubos concéntricos. (Frederick, 2006)
En flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente En el caso de contraflujo la temperatura de fluido frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente, el caso limite se tiene cuando la 2
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temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos pueden tener aletas las cuales se utilizan cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. Obteniendo así que el área exterior se amplié, siendo ésta más grande que el área interior. El tubo con aletas transversales se utiliza cuando la dirección del fluido es perpendicular al tubo. En cambio, cuando la dirección del flujo de los fluidos es paralela al eje de los tubos, el tubo es con aletas longitudinales:
Figura 2. Posicionamiento de aletas en intercambiador de tubos concéntricos. (Frederick, 2006)
Este tipo de intercambiadores de calor se usan generalmente cuando un fluido es un gas o un líquido viscoso con pequeños caudales, mientras tanto el otro fluido es un líquido de baja viscosidad. Son utilizados para el tratamiento de fluidos con sólidos en suspensión (partículas o fibras) y productos particulados. Por ejemplo en la industria higiénica/sanitaria se usa en servicios con corrientes de alto ensuciamiento, lodos sedimentables, sólidos o alquitranes por la facilidad con la que se limpian. En la industria alimenticia para la transportación de bebidas lácteos y fluidos que pueden contener cierta cantidad de pulpa/fibra.
IV.
PREGUNTAS
¿Cómo se puede aumentar la eficiencia del equipo?
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Se podría aumentar la eficiencia con un calentador que lleve el agua a la temperatura deseada ya dentro del tanque, con el tanque lleno y que mantenga esta temperatura durante toda la práctica. Otra opción podría ser recircular el agua que sale de la tubería de agua de agua caliente para que se vuelva a calentar en el calefón de esta manera el flujo de agua adquiere una cierta temperatura inicial que no poseía aunque esto puede conllevar el aumento de otra bomba. Se podría tener una eficiencia térmica más elevada del sistema si se lo cubre con aislantes más robustos y con sellos perfectos en los sitios donde encajan los termómetros. De manera tal que no tenga fugas y que el sistema sea hermético.
¿En qué influye la dirección relativa del fluido? La velocidad relativa de los fluidos influye directamente en la trasferencia de calor de un fluido a otro. Mientras mayor sea la velocidad relativa entre los fluidos, mayor será la trasferencia de calor. Si el flujo es paralelo, su velocidad relativa será menor ya que los dos flujos irán en la misma dirección y sentido tal que su velocidad relativa será la resta de sus dos velocidades. En cambio cuando se tiene un contraflujo, los dos fluidos el exterior y el interior fluyen en sentidos contrarios, lo cual aumenta la velocidad relativa.
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V.
ELABORACIÓN DEL CUADRO DE DATOS
Tabla 1. Datos obtenidos
ol el ar a P oj ul F
o d a z ur C oj ul F
VI.
t [min] Thi [ºC] Tho [ºC] Tci [ºC] Tco[ºC] Qh [l/min] Qc [l/min] 0 50 40 16 17 4.186 1.637 2 53 46 16 26 4.79 1.637 4 54 46 16 26 3.94 1.637 6 55 47 15 28 3.821 1.759 8 55 48 15 29 3.821 1.759 10 56 48 15 29 3.821 1.759 12 57 49 15 30 3.7 1.759 0 53 43 15 15 3.457 1.579 2 55 46 14 18 3.579 1.637 4 56 47 14 21 3.579 1.759 6 56 48 14 23 3.579 1.759 8 58 48 14 24 3.457 1.759 10 58 48 14 25 3.579 1.637 12 58 48 14 25 3.579 1.637
CÁLCULOS
Ya que se analizará el intercambiador en estado estable se utilizarán los últimos valores tomados para cada flujo.
Flujo paralelo Thi= 57 ºC; Tho=49 ºC; Tci= 15 ºC; Tco= 30 ºC; Vh=3.7 [l/min]; Vc= 1.759 [l/min] Tmh=0.5(57+49)= 53 ºC ; Tmc=0.5(15+30)=22.5 ºC
Contra flujo Thi= 58 ºC; Tho=48 ºC; Tci= 14 ºC; Tco= 25 ºC; Vh=3.579 [l/min]; Vc= 1.637 [l/min] Tmh=53 ºC ; Tmc= 19.5
≈
20 ºC
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Propiedades del agua (Cengel & Ghajar, 2011) Tabla 2. Propiedades del agua a las temperaturas medias
Temp [ºC]
Densidad [kg/m 3]
Cp [J/kgK]
K [w/mK]
μ [kg/ms]
Pr
20
998
4182
0.598
1.002·10 -3
7.01
22.5
997.5
4181
0.603
0.947·10 -3
6.575
53
986.36
4182.2
0.647
0.521·10 -3
3.37
1. Calcular el flujo de calor. En flujo paralelo
] ̇ = ̇ ∗ = 3.7 [ ]∗ 986.100036 ∗ 1 = 0. 0 61 [ 60 5 ∗ 1 = 0.029 [] ̇ = ̇ ∗ = 1.759[ ]∗ 997. 1000 60 = ̇ = 0.061[ ] ∗4182.2 [ ]∗5749 = 2.04 = ̇ = 1.81 En contraflujo
̇ = 0.060 [] = ̇ = 2.5 ̇ = 0.027[] = ̇ = 1.24 6
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2. Calcular los coeficientes convectivos de trasferencia de calor entre los fluidos de trabajo con la tubería interna. Para flujo Paralelo- Tubo interno (caliente)
0. 0 61[ ] ̇ = = 1 = 0. 4 88 0. 0 254 986.36 ∗ 4 ∗0.5 ∗ 1 ∗0.5 ∗ 0.01254 0. 4 88 = / = (0.521∗10−)/ = 11733.33 986.36 El fluido se encuentra en régimen turbulento
= 0.023∗ ∗ . = 59.64 = ℎ ∗ 59.64∗0.647 ℎ1 = 5 9.64∗ = 0. 5∗ 0.10 254 = . [] Para flujo Paralelo- Tubo externo (frio) Se supone un espesor de tubo de 0.2 in Dc=1.5-0-7=0.8 in
0. 0 29[ ] ̇ = = 1 = 0. 0 9 0. 0 254 997.5 ∗ 4 ∗1.5 0.5 +0.2∗ 1 7
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∗0.8 ∗ 0.01254 0. 0 9 = / = (0.947∗10−)/ = 1907 987.5 El fluido es laminar
= 4.36 ; 4.36∗0.603 ℎ2 = 4.36∗ = 254 0.8∗ 0.10 = . [] Para contraflujo - Tubo interno (caliente)
= ̇ = 0.48 = = 11540.98 ; = 58.859 = . Para contraflujo - Tubo externo (frio)
̇ = = 0.083 = = 1679.827 ; = 4.36 ; = . [] 3. Calcular el coeficiente global de trasferencia de calor U. 8
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Figura 3. Intercambiador de calor de tubos concéntricos. (Cengel & Ghajar, 2011)
Ya que se obtuvieron valores parecidos de h en flujo paralelo y en contraflujo se utilizara el menor valor obtenido para cada h. Entonces h1=2998.565 [W/m^2K], h2= 128.311 [W/m^2K], se supone tubería de acero inoxidable (AISI 304) con k = 9.2 [W/mK].
. ln( ) = + + = .∗∗.∗.∗ + ∗..∗ + ℃ = 0. 0 77 .∗∗.∗.∗
1 = 1 = 0.077∗ ∗0.5∗0.0254 = 325.5 ℃ 1 = 1 = 0.077∗ ∗0.7∗0.0254 = 232.5 ℃
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4. Deducir las ecuaciones para la diferencia media logarítmica de temperaturas.
Figura 4. Diferencia media logarítmica de temperaturas. (Cengel & Ghajar, 2011)
El flujo de calor global del intercambiador es:
̇ = ∆ ̇ = ∆ ̇ = = ̇ = = ̇
Se sabe que el flujo de calor también es:
= ̇ (1 1 ) = ̇ ∆ = ̇ 1 ∆ ∆ = ̇ 2 ó
ó
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̇ 3 ∆ = ó
Dividiendo (1) para (3)
∆ = ̇̇ = ∆ ∆ ∫ ∆ = ∫ = (∆∆ ) ∆∆ =
F en (2):
∆∆ ∆ ∆ = ̇ ∆ ∆∆ = ̇ ∆ Del flujo de calor global, se tiene que la diferencia media logarítmica de temperaturas es:
∆ = ∆ ∆∆ ∆ (Frederick, 2006)
VII.
TRABAJOS
a. ¿Por qué la forma del intercambiador? (Laboratorio). La forma en U invertida del intercambiador de calor del laboratorio facilita la lectura de las temperaturas sin la necesidad se recorrer mucho espacio, permitiendo tener 11
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2 metros de tuberías en un lugar reducido. Sin embargo presenta el inconveniente de tener un mayor número de codos que causan una caída de presión implicando que la bomba solo pueda funcionar durante un tiempo relativamente corto. Otro factor que le da su diseño característico es que al aislarlo, las superficies están más cercanas y se tiene un aislamiento mas general de las dos partes del intercambiador, con lo cual se puede hacer un segundo aislamiento de aire para que no exista movimiento en el exterior del tubo, ayudando con mayor rendimiento térmico del sistema.
b. ¿Cuáles son las pérdidas de calor en el sistema? El calor se pierde en la conducción hacia la tubería ya que en la práctica, ésta actúa como almacenador de calor. Una vez que el fluido frío aumenta su temperatura, esta es mayor que la del ambiente produciéndose una pérdida de calor a los exteriores. La función de la lana de vidrio es disminuir ésta pérdida. Se pierde calor al principio de la tubería de fluido caliente hasta llegar a la parte del intercambiador. Pérdidas por radiación de la tubería en general, aun de la parte aislada. Así como las fugas de masa que también afectan al calor del sistema.
VIII. ELABORACIÓN DE GRÁFICOS 1. Generar la curva de variación de temperatura vs tiempo para el fluido caliente y el frío en la entrada como en la salida 60 C 50 º a r 40 u t a r 30 e p 20 m e T 10
Thot-in Thot-out Tcold-in Tcold-out
0 0
5
10
15
Tiempo [minutos]
Figura 5. Variación de la temperatura con el tiempo en la e ntrada y la salida para flujo paralelo
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70 60 C 50 º a r 40 u t a r e 30 p m e T 20
Thot-in Thot-out Tcold-in Tcold-out
10 0 0
5
10
15
Tiempo [minutos]
Figura 6. Variación de la temperatura con el tiempo en la e ntrada y la salida para contraflujo
2. En el estado estable graficar la curva de variación de temperatura vs la longitud del intercambiador. Ya que en la práctica no se tomaron medidas de la temperatura en la mitad del intercambiador no se puede realizar esta curva de forma precisa. Sin embargo se sabe que la diferencia de temperatura en cada punto deberá obedecer la temperatura media logarítmica. 60 50 C º 40 a r u t a r 30 e p m20 e T
Flujo Caliente Flujo Frio
10 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
Longitud [m]
Figura 7. Temperatura vs Posición en flujo paralelo
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70 60 C 50 º a r 40 u t a r e 30 p m e T 20
Flujo Caliente Flujo Frio
10 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
Longitud [m]
Figura 8. Temperatura vs Posición en contraflujo
IX.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se puede notar que no todo el calor que pierde el fluido caliente es ganado por el fluido frio, esto se debe a las perdidas en el sistema que representan una disminución del 11.3% del calor para el flujo paralelo. Las pérdidas son más altas en el contraflujo pese a que el fluido caliente pierde más calor. Se observa que el flujo en la tubería interna (caliente) es turbulento mientras que el flujo externo es laminar. Los coeficientes de convección en flujo paralelo son muy semejantes a los coeficientes para contra flujo por lo que puede asumirse un único coeficiente de convección. Los valores numéricos de los coeficientes poseen sentido físico ya que el agua es un fluido con alto cp. El valor del coeficiente global de transferencia de calor cambia de gran manera al considerar el espesor de la tubería y la conducción en la misma. Ya que al despreciar éste parámetro el U sería 47% menor. En las gráficas de la temperatura vs tiempo se puede ver como el sistema alcanza el estado estable luego de las fluctuaciones iniciales las curvas mantienen su tendencia.
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Pese a que no se dispone de un punto extra para el gráfico de la temperatura vs posición del intercambiador, la forma del grafico es consistente con la teoría. Dos líneas que se aproximan hacia el final del intercambiador para el flujo paralelo y dos líneas paralelas para el contraflujo.
X.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Paulo Castro: Conclusiones: -
-
-
Las pérdidas de calor del sistema, cuando se trata de calentar un fluido, son significativas debido a que las tuberías tienen un espesor considerable que permite almacenar energía. Para aumentar la eficacia y que todo el calor se transfiera al fluido frío, se debe disminuir el espesor de las tuberías. En ambos casos (flujo paralelo y contraflujo), el fluido frío no absorbe todo el calor del fluido caliente de manera eficaz porque su coeficiente de convección es mucho menor. El incremento de apenas 2 litros por minuto en el caudal de agua caliente, aumenta considerablemente el coeficiente de transferencia de calor del fluido.
Recomendaciones: -
Se recomienda utilizar una bomba adecuada para el sistema hidráulico del intercambiador. Se recomienda utilizar termocuplas ya que tienen una mayor precisión
Santiago Jaramillo: Conclusiones: -
-
De la sección 1 de Cálculos se observa que cuando se tiene contraflujo, existe una mayor pérdida de calor del fluido caliente, sin embargo el fluido frío absorbe menos calor. Por lo que si el objetivo es enfriar un fluido, el intercambiador más eficaz es en contraflujo. Si se trata de calentar un fluido entonces el más eficaz es el de flujo paralelo. Observando las figuras 7 y 8 se concluye que el calor en contraflujo es constante y en flujo paralelo disminuye a lo largo de la tubería, lo que explica la existencia de un mayor número de pérdidas en el intercambiador de contraflujo. 15
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-
No se puede despreciar el espesor la tubería ya que éste influye casi un 50% en el valor del coeficiente global de trasferencia de calor U.
Recomendaciones: -
Se recomienda sellar las fugas existentes de fluido, para disminuir las pérdidas de calor ocasionadas por pérdida de masa. Se recomienda acoplar un desagüe a la salida del intercambiador.
Christian Mendoza: Conclusiones: -
-
-
Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos son recomendables para fluidos con caudales pequeños ya que si se tuviera flujos másicos mayores se necesitaría aumentar el área de contacto implicando así un aumento en el costo y espacio. Este tipo de intercambiador de calor tiene una muy baja eficiencia ya que presenta varias perdidas hacia el exterior del sistema ocasionando así que no todo el calor perdido por el fluido caliente sea ganado por el fluido frio, para evitar este tipo de pérdidas se debe aislar el sistema. Es el intercambiador de calor más utilizado en el mercado ya que su construcción no presenta mayores complejidades, de la misma forma su instalación y control.
Recomendaciones: -
Se recomienda tomar más temperaturas a lo largo de la tubería.
Javier Proaño: Conclusiones: -
-
Como se puede observar en el cálculo y en las gráficas el sistema en contraflujo genera una mejor trasferencia de calor que el sistema en paralelo esto es debido a que la velocidad relativa entre los dos fluidos es mayor que en la de los fluidos en paralelo. Se pudo determinar que el coeficiente con el que el agua caliente pierde calor es mucho más grande que el coeficiente con el que el agua fría gana calor de esta, esto nos indica que es más fácil extraer el calor de un fluido que darle calor a este.
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-
Al analizar los resultados vemos que la temperatura del agua se fue elevando en función del tiempo tanto para el agua fría como para el agua caliente hasta alcanzar la temperatura de estabilización esto debido a las pérdidas que se tiene en el sistema ya el agua caliente solo debería enfriarse y el agua fría solo debería calentarse.
Recomendaciones: -
-
Se debe tener en cuenta que se pueden producir errores al momento de las mediciones debido a la anticuado del sistema con lo cual se recomienda una actualización del sistema con termómetros digitales o haciendo que las pérdidas de volumen y de temperatura sean mucho menores. Se debe tener en cuenta que la apreciación de los termómetros no es muy buena pero se tiene valores bastante buenos de los fluidos aunque sería preferible usar un sistema de mayor precisión de la medición de temperaturas.
Referencias: Cengel, Y., & Ghajar, A. (2011). Transferencia de Calor y Masa. Mexico: Mc Graw Hill. Frederick, R. (2006). Apuntes para el curso. Transferencia de Calor. Chile: Universidad de Chile. Incropera, F. (2007). Fundamentals of heat and mass transfer. United States of America.
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XI.
ANEXOS (Hoja de Datos)
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