Estudiantes: RISCO AZABACHE CLAUDIA MENDOZA CHACÓN MANUELA Docente: Ing. MORENO EUSTAQUIO WALTER Ing. TORRES VILLANUEVA MARCELINO Asignatura: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS
PRÁCTICA N°8:
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Contenido INTRODUCCION ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ .............................. ........3 OBJETIVOS ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ...................................... ...............4 FUNDAMENTO TEÓRICO ..................... ............................................ .............................................. ............................................. ..................................... ...............5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENT EXPERIMENTAL AL ................... .......................................... ............................................. ............................................ ........................ ..14 RESULTADOS ..................... ............................................ ............................................. ............................................ ............................................ ................................ ..........15 CONCLUSIONES CONCLUSION ES ..................... ............................................ ............................................. ............................................ ............................................ ............................ ......23 RECOMENDACIONES RECOMENDACION ES .................... ........................................... ............................................. ............................................ ........................................... .....................22 BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAF IA .................... ........................................... ............................................. ............................................ ............................................ ................................ ..........23
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INTRODUCCIÓN
En este laboratorio observaremos el comportamiento de los intercambiadores de calor que son importantes no sólo las características de eficiencia térmica, sino también las referentes a la economía del sistema, más importantes, y que habrá que conjugar adecuadamente. El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y de materias primas necesarias para cumplir una determinada función. Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone en funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un determinado gradiente de temperatura para que se pueda efectuar la transmisión del calor; la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando un intercambiador mayor, pero esto a su vez implica un mayor coste, tanto de tipo económico, como energético. Consideraremos como parte del conjunto de los intercambiadores de calor, no sólo los clásicos formados por la carcasa y tubos, sino también otros, como los de lecho fluido, o los que aprovechan la energía solar, o las tuberías de calor o calefacción, etc.
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1. OBJETIVOS
Encontrar el valor de los coeficientes individuales de transmisión de calor.
Evaluar el coeficiente total de transmisión de calor “U”.
Calcular el factor de obstrucción total Rd.
Graficar hi y ho vs Velocidad lineal (u) del agua y encontrar las constantes a y
b de la relación: Hx=a b.
Determinar la eficiencia de la calefacción eléctrica.
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2. FUNDAMENTO TEÓRICO La
transmisión
necesaria industriales
en
de
calor
los
es
procesos
actuales, mediante
esta transmisión se consiguen ahorros de costos energéticos y máximo aprovechamiento de la energía ya disponible en el sistema. Los fluidos, por tanto, se calientan o refrigeran para seguir siendo aprovechados dentro del proceso industrial gracias a los intercambiadores. Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres:
Intercambiador de Calor: dispositivo que facilita la transferencia de energía en forma de calor de un medio a otro. Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos. Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua. Calentador: Aplica calor sensible a un fluido. Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de reebulición que se necesita para la destilación. (Los hay de termosifón, de circulación forzada, de caldera,...) Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.
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DEFINICIÓN Los equipos de intercambio de calor son todos los dispositivos que pueden ser utilizados para transferir (recuperar) calor desde una corriente de un fluido caliente a otro constituido por uno más frio.
Ejemplo: En un tipo de intercambiador, los hidrocarburos procesados circulan a través de tubos rodeados por aire o agua fría, de forma similar al radiador de un automóvil.
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Los intercambiadores generalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo de flujo y el tipo de construcción.
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INTERCAMBIADORES POR ARREGLO DEL FLUJO
FLUJO PARALELO
Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir tratan de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.
CONTRAFLUJO
Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos. Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros tipos mencionados anteriormente.
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FLUJO CRUZADO
En la figura se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90.
Un ejemplo son los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.
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INTERCAMBIADORES POR SU CONSTRUCCIÓN
INTERCAMBIADORES CONCENTRICOS (DOBLE TUBO)
Es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto a la dirección del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuración en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.
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INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBO
Es el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales porque demanda de manera significativa alta temperatura y presión. Este tipo de intercambiadores están compuestos por gran cantidad de tubos (a veces varios cientos) contenidos en un casco. Los tubos se disponen con sus ejes paralelos al eje del casco. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por el interior de los tubos mientras que el otro se mueve por fuera de éstos, por el casco.
Proporciona flujos de calor elevado en relación con su peso y volumen
Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños.
Es bastante fácil de limpiar y reparar (mantenimiento).
Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente en cualquier aplicación
Intercambiador de calor de tubo y coraza con un paso coraza y tubos (contraflujo cruzado)
Calentador de fuel oil
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INTERCAMBIADORES COMPACTOS
Son intercambiadores diseñados para lograr una gran área superficial de transferencia de calor por
unidad
de
volumen.
Ejemplos
de
intercambiadores de calor compactos son los radiadores de automóviles y el pulmón humano. En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración de flujo recibe el nombre de flujo cruzado. Este a su vez se clasifica en mezclado (uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones) y no mezclado (se disponen una placas para guiar el flujo de uno de los fluidos).
INTERCAMBIADORES DE PLACAS
Consiste en un conjunto de placas preformadas con unos canales en disposición paralela por donde circulan los fluidos. Estas placas están montadas sobre un bastidor de acero y dos placas de acero sujetadas por espárragos de apriete que compactan las placas. Cada placa dispone de 4 bocas por donde circulan los fluidos en paralelo mientras que un fluido es conducido por las placas pares y el otro por las impares consiguiendo así el necesario intercambio de calor entre ambos.
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CONCEPTO TEÓRICO APLICADO Coeficiente global de transmisión En transferencia de calor se determina el valor del coeficiente global de transmisión, tanto para el caso de pared plana, como cilíndrica o esférica, así como en el caso de tubo aleteado; dada la importancia que presentan en el cálculo de cambiadores de calor, se indican a continuación las ecuaciones correspondientes al coeficiente global de transmisión de una pared cilíndrica de una sola capa Fig. 3.1, de radio interior r i y exterior r o, y conductividad térmica k, por cuyo interior circula un fluido, con coeficiente de transmisión superficial hi, mientras que por el exterior lo hace otro fluido con coeficiente de transmisión superficial h, Ecu. 3.1.
Así como la correspondiente al caso de que esta misma tubería estuviera dotada con un número de aletas/metro de tubos n, de radio extremo r 1 y espesor W, Ecu. 3.2, Expresión en la que χ representa la efectividad de las aletas anulares, mientras que A i expresa el área
interior del tubo y A o el área exterior del tubo aleteado, siendo L la longitud del tubo aleteado.
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Coeficiente de transferencia de calor superficial Hay una gran cantidad de superficies de calor que no entran dentro de las categorías discutidas en los manuales de convección. Los más destacados son los compactos, que alcanzan un área superficial por unidad de volumen muy grande. Estos cambiadores se adaptan mejores a las aplicaciones en las que se tiene corrientes gaseosas y valores bajos de h. Resistencia térmica. Cuando se superponen superficies de distinto material, con distinto gradiente de temperaturas y áreas diferentes, conviene definir los términos de conductancia y resistencia térmica. La resistencia térmica (equivalente a la resistencia en electricidad) indica la dificultad que presenta un trozo de material de un espesor determinado, al paso del calor:
La conductancia térmica será la inversa de la resistencia: 1/R , y se medirá en W/( m2 K)
Flujo de calor por conducción en distintas superficies:
1. En una pared plana, A será el área de la pared y d su espesor. 2. En una pared cilíndrica: * d será la diferencia entre los radios externo e interno, d = r 2 – r1 * Como las superficies son distintas se calcula un área media logarítmica: L: longitud del tubo cilíndrico. 3. En una pared esférica: * d será la diferencia entre los radios externo e interno, d = r2 – r1 * El área a utilizar será:
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3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Calibrar ambos rotámetros a lectura colocadas en las tablas .
Encendemos el equipo y esperamos unos minutos hasta que el agua se estabilice a Ta.
El agua a Tamb. proviene del tanque elevado que fluye en contracorriente
En ambos flujos calibramos los rotámetros que se estabilice la lectura de los termómetros Proseguimos inmediatament e a medir la temperatura de entrada y salida del fluido caliente y frio .
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4. RESULTADOS
DATOS DEL INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO COBRE TIPO L TUBO INTERIOR TUBO EXTERIOR Dn 0.5 pulg Dn 0.75 De 0.01587 m De 0.02222 Di 0.01385 m Di 0.01994 espesor 0.00101 m espesor 0.00114 A 0.00015066 m2 A 0.00031228 L Kcu De
10 383 0.00407
pies ==> W/m K
3.048
pulg m m m m2
m
CALCULO DE LA ECUACIÓN CAUDAL VS LECTURA DEL ROTAMETRO DE LAB1
Q(m^3/s) vs lectura del rotametro 0.00045 0.0004 0.00035
y = 3E-06x + 4E-05 R² = 0.9743
0.0003 ) s 0.00025 / 3 ^ m ( Q 0.0002
LR 30 50 70 90 120
0.00015 0.0001 0.00005
Q(m^3/s) 0.00011613 0.00019122 0.00027572 0.00030303 0.00038433
0 0
20
40
60
80
100
120
140
LR
15
DATOS EXPERIMENTALES Y PROPIEDADES PARA EL AGUA FRÍA LR
Te
Ts
Tprom
Tdescarga
40
29
34
31.5
34
70
29
36
32.5
31.5
110
27
36
31.5
33.5
150
28
35
31.5
32.9
190
27
35
31
32.5
ρH2O
u
(Kg/m3)
(kg/m.s)
g(m/s2)
Cp(J/kg
LR
Tprom
40
31.5
995.4
7.75E-04
9.81
4178
0.6174
70
32.5
995
7.59E-04
9.81
4178
0.619
110
31.5
995.4
7.75E-04
9.81
4178
0.6174
150
31.5
995.4
7.75E-04
9.81
4178
0.6174
190
31
995.6
7.82E-04
9.81
4178
0.6166
K)
K(W/m K)
CALCULO DE PROPIEDADES PARA EL AGUA FRÍA
LR
Tprom
Q(m^3/s)
v(m/s)
Re
Pr
ho
40
31.5
1.60E-04
5.12E-01
2.68E+03
5.2417862
3.72E+03
70
32.5
2.50E-04
8.01E-01
4.27E+03
5.12294346
5.38E+03
110
31.5
3.70E-04
1.18E+00
6.20E+03
5.2417862
7.28E+03
150
31.5
4.90E-04
1.57E+00
8.21E+03
5.2417862
9.11E+03
190
31
6.10E-04
1.95E+00
1.01E+04
5.30143886
1.08E+04
16
GRÁFICA DEL COEFICIENTE EXTERIOR (ho) Y LA VELOCIDAD LINEL (u) DEL AGUA
Velocidad (m/s) vs ho 12000
10000
y = 4885.3x + 1373.8 R² = 0.9979
8000 ) K 2 ^ m 6000 / W ( o h
TABLA.- Velocidad vs ho v(m/s) ho (W/m^2 K) 0.5123642 3720.95515 0.80056906 5379.9159 1.18484221 7276.45468 1.56911537 9109.93574 1.95338852 10792.5053
4000
2000
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
Velocidad (m/s)
DATOS EXPERIMENTALES Y PROPIEDADES PARA EL AGUA CALIENTE
LR
Te
Ts
Tprom
Tdescarga
40
48
41
44.5
34
70
49
42.5
45.75
31.5
110
48
41.5
44.75
33.5
150
46
41
43.5
32.9
190
45
40
42.5
32.5
17
LR 40 70 110 150 190
Tprom
ρH2O
u (kg/m.s)
g(m/s2)
Cp(J/kg K)
K(W/m K)
44.5 45.75 44.75 43.5 42.5
(Kg/m3) 990.3 989.8 990.2 990.7 991.1
6.02E-04 5.89E-04 5.99E-04 6.13E-04 6.25E-04
9.81 9.81 9.81 9.81 9.81
4179.9 4180.15 4179.95 4179.7 4179.5
0.6364 0.63805 0.6367 0.6352 0.634
Tprom 44.5 45.75 44.75 43.5 42.5
Q(m^3/s) 1.60E-04 2.50E-04 3.70E-04 4.90E-04 6.10E-04
Re 7.11E+03 1.14E+04 1.65E+04 2.14E+04 2.62E+04
Pr 3.95198905 3.85650858 3.93146389 4.03427908 4.11687342
PROPIEDADES LR 40 70 110 150 190
v(m/s) 1.06E+00 1.66E+00 2.46E+00 3.25E+00 4.05E+00
hi 2.26E+03 3.27E+03 4.43E+03 5.48E+03 6.46E+03
GRÁFICA DEL COEFICIENTE INTERIOR (hi) Y LA VELOCIDAD LINEL (u) DEL AGUA
Velocidad(m/s) vs hi 7000
6000
y = 1398.2x + 892.17 R² = 0.9966
5000 ) K4000 2 ^ m / w ( i 3000 h
TABLA: Velocidad vs hi v(m/s) 1.06201228 1.65939419 2.4559034 3.25241261 4.04892182
2000
1000
hi(w/m^2K) 2261.40034 3272.00843 4433.87631 5479.27346 6462.32165
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Velocidad(m/s)
18
EVALUANDO EL COEFICIENTE DE TRANFERANCIA DE CALOR (U)
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR N
hi(W/m2 K)
ho(W/m2 K)
R
U
1
2261.40034
3720.95515
0.00148147
456.116975
2
3272.00843
5379.9159
0.00147764
507.836918
3
4433.87631
7276.45468
0.00148077
542.377063
4
5479.27346
9109.93574
0.00148427
562.890988
5
6462.32165
10792.5053
0.00148708
576.542972
CALCULO DE PARÁMETROS PARA hi
N
hi(W/m2 K)
v(m/s)
x=log10(v)
y=log10(hi)
x^2
x*y
1
2261.40034
1.06201228 0.02612954 3.35437745 0.000682753 0.08764834
2
3272.00843
1.65939419 0.21994956 3.51481441 0.048377811
3
4433.87631
2.4559034
4
5479.27346
3.25241261 0.51220564 3.73872298 0.262354614 1.91499498
5
6462.32165
4.04892182 0.60733939 3.81038857 0.368861136 2.31419907
0.7730819
0.39021128 3.64678357 0.152264843 1.42301609
1.75583541
18.065087
0.832541157
6.51294038
19
DETERMINANDO LAS CONSTANTES A Y B DE LA RELACION Hx = A + B
y=log10(hi) 3.9
3.8
y = 0.7829x + 3.3381 R² = 0.9996 3.7
x=log10(v)
) i h ( 0 3.6 1 g o l
y=log10(hi)
0.02612954 3.35437745 0.21994956 3.51481441 0.39021128 3.64678357
3.5
0.51220564 3.73872298 0.60733939 3.81038857
3.4
3.3 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
log10(v)
VALOR DE LAS CONSTANTES DE LA RELACION:
hi=2178.21127*V^0.7829 A=
2178.21127
B=
0.7829
20
CALCULO DE PARÁMETROS PARA ho N
ho(W/m2 K)
v(m/s)
x=log10(v)
y=log10(ho)
x^2
x*y
1
3720.95515
1.06201228
0.02612954
3.57065444
0.000682753
0.09329955
2
5379.9159
1.65939419
0.21994956
3.73077549
0.048377811
0.82058245
3
7276.45468
2.4559034
0.39021128
3.86191983
0.152264843
1.50696468
4
9109.93574
3.25241261
0.51220564
3.95951531
0.262354614
2.02808606
5
10792.5053
4.04892182
0.60733939
4.03312227
0.368861136
2.44947402
1.75583541
19.1559873
0.832541157
6.89840677
y=log10(ho) 4.1
4
y = 0.794x + 3.5524 R² = 0.9998
3.9 e l t i T 3.8 s i x A
x=log10(v) 0.02612954 0.21994956 0.39021128 0.51220564 0.60733939
3.7
3.6
y=log10(ho) 3.57065444 3.73077549 3.86191983 3.95951531 4.03312227
3.5 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Axis Title
A=
3567.79588
B=
0.794
ho = 3567.79588*V^0.794 21
5. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES
Tomando como referencia el objetivo del laboratorio luego de calcular los coeficientes individuales de transmisión de calor podemos decir PARA EL FLUIDO CALIENTE Notamos que el hi calculado mediante la fórmula difiere del hi calculado de la gráfica y esa diferencia es para el primer dato hi grafico – hi formula. Esta diferencia se debe a los decimales tomados para los cálculos y la falta de precisión al momento de construir la grafica PARA EL FLUIDO FRIO También notamos una diferencia en el ho calculado mediante formula y el ho calculado a partir de gráfico.
6. RECOMENDACIONES
En un intercambiador de calor se debe realizar paulatinamente un mantenimiento ya que esto puede ocasionar problemas para su funcionamiento.
Al conocer los tipos de intercambiadores de calor podemos seleccionar el intercambiador apropiado, este depende de su aplicación en la industria y por su economía para su elaboración.
La utilización de los intercambiadores de calor en la industria se puede ahorrar energía lo cual implica costos y mantener las propiedades de tratamiento de los fluidos los mismos que coadyuvan el óptimo desempeño de las máquinas y equipos.
Existen diferentes tipos de intercambiadores (flujo y por construcción), aplicados en instalaciones industriales, instalaciones navales, instalaciones de climatización civil que sirve de ayuda para los ahorros de costos energéticos.
22
7. BIBLIOGRAFÍA McCabe; Smith. Harriott. “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”.
Geankoplis, C. “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias”.
2002.
1998.
Mott Robert. “Mecánica de Fluidos Aplicadas”. 1996.
PERRY, Robert H. “Manual del Ingeniero Químico”.
McGraw Hill. 6t.a. Edición.
STREETER, Víctor L. Mecánica de los Fluidos. McGraw Hill. 8va. Edición.
FOX, Robert W. y McDonald, Alan T. Introducción a la mecánica de los fluidos. McGraw Hill. 4ta. Edición.
23
