OBJETIVOS. o o
o
o o
Determinarla eficiencia térmica del equipo. Determinar el comportamiento del equipo tomando en cuenta el tipo de condensación. Analizar el comportamiento del condensador horizontal horizontal o vertical (dependiendo el caso), de acuerdo a las diferentes condiciones de operación. Analizar la eficiencia térmica del condensador con respecto al otro. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental teórico para conocer el comportamiento del equipo.
INTRODUCCION.
CONCEPTO DE CONDENSADOR !s un intercambiador de calor en donde el calor absorbido por el refrigerante durante el proceso de evaporación es cedido al medio de condensación. !l calor cedido por el condensador es siempre maor que el calor absorbido durante el proceso de evaporación debido al calor de la compresión. "onforme el calor es cedido por el vapor de elevada presión temperatura, su temp temper erat atur ura a desc desciiende ende al punt unto de satu satura racción ión el vapo vaporr se cond conden ensa sa convirtiéndose en l#quido, de aqu# el nombre de condensador. Disipa calor a la temperatura, el calor ganado en el evaporador m$s la energ#a introducida en el ciclo durante la compresión. %e produce la condensación del refrigerante a presión temperatura elevadas.
CONDENSADORES ENFRIADOS POR AGUA. !l agua de condensación se utiliza por su ba&o costo por mane&ar presiones de condensación m$s ba&as porque adem$s se puede tener me&or control de la presión de descarga. 'or lo general se utiliza una torre de enfriamiento para ba&ar la temperatura del agua hasta una temperatura cercana a la temperatura de bulbo hmedo, permitiendo un flu&o continuo disminuir costos en el consumo de agua.
!stos condensadores tienen un diseo compacto por las excelentes condiciones de transferencia de calor que ofrece el agua. %e usan diseos de carcasa serpent#n, carcasa tubo, tubo * tubo. 'ara poder definir la posición de un condensador debe tomarse en cuenta la facilidad de mantenimientos, el tipo de soportes estructurales el costo que implica, generalmente es m$s costoso instalar un condensador de tipo vertical La posición del condensador afecta considerablemente el valor de los coeficientes de película
+os factores que se deben considerar en la elección de un intercambiador de calor son
-emperatura a la que se traba&a !stado del fluido (vapor o l#quido) 'resión a la que se someten los fluidos 'érdidas de presión en los intercambiadores "audal del fluido Acción corrosiva del fluido tratado 'osibilidad del sistema de ensuciarse, que supone pérdida de calor
CONDENSADOR HORIZONTAL Dentro de los tubos de un condensador horizontal de un solo paso, cada tubo condensa una cantidad igual de vapor no ha cambio en el coeficiente debido a la salpicadura del condensado de una hilera a otra. %in embargo, a medida que e condensado flue a lo largo de la parte inferior de los tubos, desarrolla una pel#cula de condensado m$s gruesa con su consiguiente resistencia, que no es la anticipada a la derivación. %e dispone de mu pocos datos para permitir un an$lisis teórico racional. !n el caso de los tubos horizontales puede no formarse ningn tipo de pel#cula la condensación se efecta por medio de goteo, este ltimo caso puede ser hasta dos o tres veces m$s r$pido que en un condensador vertical.
CONDENSACIÓN EN FORMA DE GOTA "uando un vapor puro saturado entra en contacto con una superficie fr#a tal como un tubo, condensa puede formar gotitas en la superficie del tubo. !stas gotitas pueden no exhibir ninguna afinidad por la superficie en lugar de cubrir el tubo se desprenden de él, de&ando metal cubierto en el cual se puede formar sucesivas gotitas de condensado. "uando la condensación ocurre por este medio se le llama condensación en forma de gota. !l valor del coeficiente de pel#cula de condensación para una cantidad dada de vapor en una superficie establecida, es afectado significativamente por la posición del condensador. !l coeficiente horizontal ser#a m$s grande que el coeficiente
vertical siempre cuando el flu&o de pel#cula de condensado esté en régimen laminar.
EXTERIOR DE TUBOS HORIZONTALES 'ara un tubo horizontal nico, se aplica la ecuación de usselt (/0/1), que fue obtenida anal#ticamente. !n su derivación se supon#a régimen laminar, se despreciaban la aceleración del condensado en la pel#cula la convección en esta. !l coeficiente medio de intercambio para todo el tubo, definido por h 2 q3(-s 4 -p), en que -s es la temperatura de saturación, est$ dad o por
!n que las propiedades f#sicas corresponden a las del l#quido, excepto 5 g, densidad del vapor. 6 es el calor latente de evaporación o condensación. g es la aceleración de gravedad. 'uede observarse que h es proporcional a 7 -48.9:, con lo cual q ; 7 -8,<: . +os resultados de medidas experimentales atestiguan la validez de esta ecuación, obteniéndose diferencias no maores que = /:> entre las predicciones de ésta los experimentos. ?na forma alternativa de la ecuación anterior es
!n que @ es la masa de condensado producido por unidad de largo del tubo (g3 m s). !l factor B@3Cl es el nmero de enolds del condensado. !sta forma alternativa permite determinar h para una tasa de condensación especificada. !l coeficiente medio h para tubos arreglados en una columna vertical es menor que el de la ecuación anterior, dado que el condensado de los tubos
superiores cae sobre los inferiores, engrosando el film aumentando, por lo tanto, su resistencia térmica. !ste efecto se describe por h3h/ 2 4s (E) !n que h/ es el coeficiente para el tubo superior. %e recomienda un s 2 /31. +as ecuaciones anteriores se aplican para flu&o laminar, en que B@3Cl F E988. o ha datos para flu&o turbulento.
INTERIOR DE TUBOS HORIZONTALES: Ga dos formas posibles de condensación en este caso. +a forma estratificada aparece cuando predominan las fuerzas gravitatorias (ba&a velocidad) la forma anular, cuando predominan las fuerzas de corte (alta velocidad). +a configuración estratificada se trata como una modificación de la teor#a de usselt para condensación en el exterior de tubos horizontales
!n que el factor H da cuenta de la reducción del coeficiente, causada por acumulación de l#quido en el fondo del tubo. !l valor m$s frecuente de H es 8,I. %in embargo, se puede expresar H en términos de la fracción volumétrica de vapor, ;.
APLICACIONES Amplia gama de aplicaciones para realizar las funciones termotécnicas habituales. !n función de los requisitos impuestos por los medios las condiciones del entorno, estos modelos se suelen usar como refrigeradores l#quidos para aceite, agua otros medios l#quidos. !l funcionamiento con vapor es posible solo por el lado de carcasa de forma limitada. !s preferible que los medios contaminados fluan a través de los tubos pudiéndose llegar a las altas velocidades de flu&o necesarias n estos casos mediante un diseo de mltiples pasos.
TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES.
T) 9E
Lectur !e ter"#$re% &'C( T* T+ /8I /8I
T, BI
CONDENSADOR HORIZONTAL. Lectura
Pvapor
T vapor
T cond
t agua
t agua
∆ Z condensado
ᶿ
cm
mi
caliente
del rotáme tro %
kg
℃
℃
℃
℃
2
n
cm 50
0.8
105
105
23
48
4.3
SECUENCIA DE CALCULOS. CONDENSADOR HORIZONTAL /. "alculo del gasto volumétrico del agua. 3
π 2 ∆ Z [ ] m ¿ Gva = d 4 θ h
J calculo directo !l rot$metro al /88> nos da un gasto de
18.5 ¿ min datos
experimentales.
( ) L min 100
18.5
Gva =50 ∗
(
L 60 min =9.25 min 1 h
)(
3
)
3
1m m = 0.555 1000 L h
9. "alculo del gasto masa de agua. Gma=Gv a ρa [ ¿ ]
t m=
t 2− t 1 2
=
kg h
23 ℃ + 48 ℃ =35.5 ℃ 2
ρa @ 35.5 ℃=994.08
kg 3
m
10
3
m kg kg Gma= 0.555 ∗994.08 3 =551.714 kg h m
E. "alculo del gasto volumétrico del condensado. 3
π 2 ∆ Z v [ ] m = ¿ Gv vc= d i 4 θ θ h d i=38.5 cm= 0.385 m
∆ Z =4.3 cm= 0.043 m
θ=10 min =0.1666 h
π 2 ∗( 0.385 m ) ∗0.043 m 3 4 m =0.0301 Gv vc= 0.1666 h h
B. "alculo del gasto masa del condensado. Gmvc =G vc ρ a [ ¿ ]
kg h
ρa @ 105 ℃ =997.538
kg m
3
3
m Gmvc =0.0301 h
∗997.538
kg kg = 30.0259 3 h m
:. "alculo del calor ganado o absorbido por el agua (Ka). Qa=Gma Cp a ( t 2−t 1 ) [ ¿ ]
kcal h
Cpa@ 35.5℃ =0.999
kcal kg ℃
t 1 =23 ℃
t 2 =48 ℃ Qa=551.714
kg kcal kcal ∗0.999 ∗( 48 −23 ) ℃ =13779.1 h kg ℃ h℃
1. "alculo del calor cedido por el vapor (Kv). Qv =Gmvc λ [ ¿ ]
kcal h
ota !n donde λ se obtiene de tablas de vapor a presión absoluta.
Patm =760 mmg=1.03317 |¿|= P + P atm man =1.03317
kg cm
kg cm P¿
2
2
kg
+ 0.8
cm
Presion
2
= 1.83317
cm
λ
@ 1.83317
λ
Qv =30.0259
2
( ) ( ) kg
2
cm
/.: 9 Lnterpolando para obtener
kg
λ
kcal kg
:E9./ :91.B kg cm 2
@ 1.83317
=530.198
kg cm
2
kcal kg
kg kcal kcal ∗530.198 =15919.7 h kg h
<. "alculo de la eficiencia térmica del equipo. !=
Qa ∗100 Qv
kcal h℃ ∗100 =86.55 != kcal 15919.7 h 13779.1
I. "alculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental. " exp=
Qa kcal [¿] 2 # ∆ T $L m h ℃
13779.1
" exp=
0.3887 m
2
kcal h℃
∗68.744 ℃
=515.67
kcal 2
m h℃
0. "alculo de la media logar#tmica de la diferencia de temperatura.
∆ T $L =
∆ T 1 −∆ T 2 ∆ T 1 ln ∆ T 2
[¿ ]℃
!n donde ∆ T 1=T 1 −t 1= T v −t a
ota t 1 =t a % t 2=tacaliente % T v =T 1= T 2
∆ T 1=T 2−t 2 =T v −t a caliente
∆ T 1=T v −t a=105 ℃ −23 ℃ =82 ℃ ∆ T 1=T 2−t 2 =105 ℃ − 48 ℃ =57 ℃ ∆ T $L =
82 ℃ −57 ℃ =68.744 ℃ 82 ℃ ln 57 ℃
/8. "alculo del $rea de transferencia de calor. # = π de L & t [ ¿ ] m de =0.0165 m
2
L=1.5 m
& t =5
# = π ∗0.0165 m∗1.5 m∗5 =0.3887 m
2
"alculo de los coeficientes de pel#cula interior exterior. //. "oeficiente de pel#cula interior.
( )( )
k div ρ hi= 0.0225 di '
0.8
Cp ' k
0.33
[ ¿ ] kcal 2
hm ℃
ota 9 'ara este c$lculo las propiedades f#sicas se evalan a temperatura media (tm) del agua. tm= tm=
t 1+ t 2 2
[ ¿] ℃
23 + 48 =35.5 ℃ 2
k @ 35.5 ℃=0.623
kcal mh ℃
ρ@ 35.5 ℃=994.08
kg 3
m
'@ 35.5 ℃=0.00072
(
kg 3600 s ms 1 h
(
)
= 2.592
kcal () kg ℃ Cp@ 35.5℃ =4.178 kg*( () 4.186 kg* ( 1
kg mh
)
=0.998
kcal kg ℃
v =606.557
m h
di =0.0153 m
(
kcal 0.0153 m∗606.557 m ∗994.08 kg 0.623 3 h mh ℃ m hi= 0.0225 0.0153 m kg 2.592 mh
(
kcal kg 0.9980 ∗2.592 kg ℃ mh kcal 0.623 mh ℃
)
)
0.8
0.33
=1016.46
kcal 2
hm ℃
/9. "alculo de la velocidad de flu&o del agua. v=
Gv a 5∗ # +lu,o
# +lu,o =
=
Gv m [ ¿ ] h π 2 5 ∗di 4
(
)
π −4 2 2 ∗0.0153 m =1.83 - 10 m 4 3
v=
m 0.555 h
5∗( 1.83 - 10 m −4
2
)
=606.557
m h
/E. "oeficiente de pel#cula exterior. he =0.725
[
2
3
ρ k λ g 2
¿
3
d e ' ∆ T +
]
1 4
[¿]
kcal 2 hm ℃
ota 'ara este c$lculo las propiedades f#sicas se toman a temperatura de pel#cula
( T + )
del condensado.
k @ 78.9375℃ =0.67
kcal mh ℃
'@ 78.9375℃=0.000355 λ
@ 1.83317
=530.198
kg cm
he =0.725
2
[
(
ρ@ 78.9375℃= 971.8
(
kg 3600 s ms 1 h
kcal kg
kg 971.8 3 m
)( 2
¿
)
=1.278
)
m
3
kg mh
g=127137600
kcal 0.67 mh℃
kg
m 2
¿= 2
h
de =0.0165 m
3
kcal m ∗530.198 ∗127137600 2 kg h
2 3
kg ∗34.75 ℃ 2 ∗0.0165 m∗ 1.278 mh
]
1 4
= 8211.95
/B. "alculo de la T + . T + =Tv − 0.75 ∆ T +
∆ T + =Tv −Tsup
!ste c$lculo es un aproximado de la temperatura de pared o superficie. Tsup = Tsup =
T v + T c + t a + t acaliente 4
=
T 1 + T 2 + t 1+ t 2
( 105 +105 +23 + 48 ) ℃ 4
4 =70.25 ℃
∆ T + =105 ℃ −54.5 ℃ =34.75 ℃
T + =105 ℃ −0.75 ( 34.75 )=79.9375 ℃
'ara este c$lculo las propiedades f#sicas se toman a temperatura de pel#cula
( T + )
del condensado.
/:. "alculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico. " teo=
1 kcal [¿] 2 1 de e de hm ℃ + + hidi ( dm he
kcal 2
hm ℃
de =0.0165 m dm=
−3
di=0.0153 m
( = 40
e =1.2 - 10 m
kcal mh℃
0.0165 + 0.0153 =0.0159 m 2
" teo=
1 −3
0.0165 m 1.2 - 10 m∗0.0165 m 1 + + kcal kcal kcal ∗0.0153 m ∗0.0159 m 1016.46 40 8211.95 2 2 mh ℃ hm ℃ hm ℃
" teo= 823.809
kcal 2
hm ℃
/1. "alculo de la desviación porcentual >D de los coeficientes " teo " exp . ./=
" teo −" exp " teo
823.809
./=
∗100
kcal 2
hm ℃
−515.67
kcal 2
m h℃
kcal 823.809 2 hm ℃
∗100=37.40
TABLA DE RESULTADOS. CONDENSADOR HORIZONTAL. P k c 8.I
Gma
Gv
-
-
kg h
kg h
kcal h
kcal h
::/.
8.8E8/
/E<<0./
/:0/0.<
.!
∆ T $L ℃
" exp
he
" teo
./
I9//.0:
I9E.I80
E<.B8
hi kcal 2
hm ℃ I1.: :
1I.
:/:.1<
/8/1.B1
"J"+?%LM !l condensador horizontal es un equipo que nos permite la transferencia de calor de un vapor a un l#quido, su funcionalidad eficiencia se debe a la posición de los tubos a su $rea de transferencia, a que esto influe en la calidad del condensado.
Debido a su posición se genera una condensación en forma de gota, en la que existe un goteo constante del vapor que se ha convertido en condensado, que auda a definir las capas de transferencia de calor que se forman en la longitud de los tubos interiores. 'or los valores obtenidos de los coeficientes de transferencia global, se aprecia que el condensador horizontal tiene una eficiencia bastante alta, la cual fue de I1.::>. Algunas venta&as de este tipo de condensador son maor accesibilidad al momento de realizar el mantenimiento del equipo, la longitud del tubo de transferencia, a que se requieren de longitudes m$s cortas, entre otras. !ste tipo de condensadores suele utilizarse en la industria como refrigerante de aceite, agua
otros
l#quidos
