Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas
Práctica “Tubos Aletados”
Integrantes
Transferencia de Calor 11 de Abril de 2013
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Objetivos Conceptuales
Conocer los principios que rigen el intercambio de calor en superficies extendidas Evaluar el coeficiente global de transferencia de calor en un intercambiador de calor de tubo aletado, con aletas del tipo longitudinal, a partir de los coeficientes individuales y compararlo con el teórico Evaluar la eficiencia de las aletas mediante datos experimentales Evaluar el factor de incrustamiento real de equipo.
Procedimentales
Realizar el diagrama de flujo del equipo de intercambio térmico de aletas extendidas. Llevar a cabo el intercambio de calor entre el flujo de agua y el flujo de aire por medio del intercambiador de calor a condiciones
Conceptuales
Fomentar la participación activa del alumno en forma colaborativa del trabajo en equipo. Potenciar las habilidades de recopilación de información bibliográfica y el análisis de la misma
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Introducción Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.
Los intercambiadores de calor pueden clasificarse según como sea:
Intercambiadores de contacto directo: son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.
Intercambiadores de contacto indirecto:
Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable. De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.
Superficies extendidas Al hablar de superficie extendida, se hace referencia a un sólido que experimenta transferencia de energía por conducción dentro de sus límites, así como transferencia de energía por convección e (y/o radiación) entre sus límites y los alrededores.
La aplicación más frecuente es aquella en la que se usa una superficie extendida de manera específica para aumentar la rapidez de transferencia de calor entre un sólido y un fluido contiguo, Las aletas se usan cuando el coeficiente de transferencia de calor por convección h es pequeño.
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Cuando a una superficie de transferencia de calor se le agregan pedazos de metal sobre ella, estos aumentan la superficie disponible para la transmisión con el consiguiente aumento del intercambio de calor. A estos pedazos metálicos se les conoce con el nombre de aletas. Estas pueden ser de muchos tipos, siendo las más usadas, las longitudinales, las transversales y las acuñadas.
Tipos de aletas Aletas longitudinales: Se utilizan en intercambiadores de tubos concéntricos y de camisa y tubos (sin chicanas), cuando uno de los fluidos es viscoso y escurre en régimen laminar. Aletas transversales: Usadas ampliamente para el calentamiento o enfriamiento de gases en flujo cruzado.
Diagrama de Operación
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Inicio
Cerrar todas las válvulas y encender el tablero eléctrico.
Abrir válvula de salida de aire del intercambiador.
Abrir válvula de alimentación de aire al intercambiador.
Abrir válvula de purga del filtro de aire y la Kingler.
Cerrar la válvula de purga de filtro de aire y regular el flujo.
Abrir descarga del tanque 1 y la válvula de control de flujo.
Accionar la regular el rotámetro.
bomba y flujo del
Monitorear las condiciones de operación.
Cálculos
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Datos Experimentales
Tabla de datos experimentales
Gm a g u a = 20 l/min
Pv=0.6 Kg/cm 2
Datos Experimentales Termopar
Tiempo 1
Tiempo 2
Tiempo 3
Tiempo 4
Promedio
1. ( Agua Caliente)
49
50
51
51
50.25
2. ( Agua frí a)
49
50
51
51
50.25
3. (línea de Vapor)
103
103
103
103
103
4. (salida del Ai re)
43
43
44
45
43.75
5. ( Agua Caliente)
53
51
51
53
52
36.9
37.2
37.7
38.3
37.52
3.2m/s
3.3m/s
3.3m/s
3.4m/s
3.3m/s
Anemómetro Temperatura Salida Ai re °C Anemometro Vel oci dad del ai re
Tabla de Datos del Equipo di (m)
de(m)
Di (m)
0,03591
0,04114
0,072
L total(m) 1,856
L de aletas (m) 1,436
Nb
b (m)
eb (m)
24
0,01231
0,00139
Nb: Numero de aletas en un solo tubo interno b: Altura de la aleta eb: Espesor de la aleta di: Diámetro interior del tubo interior de: Diámetro exterior del tubo interior Di: Diámetro interior del tubo exterior
Tabla de Datos de los fluidos Sustancia Agua Aire
Densidad [Kg/m3] 986.65 1.136
Cp [Kcal/Kg OC]
µ [Kg/mh]
K [Kcal/mhOC]
0.994 0.240
1.8918 0.068634
0.5 0.02274
Secuencia de Cálculos (para la primera corrida)
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1. Gasto masa del aire. (
)(
|) (
|
)
2. Calculo del calor transferido. (
)(
)(
)
3. Calculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental referido al área interna.
(
)
(
)
( (
(
)(
)(
) )
)
(
)(
)
4. Calculo del diámetro equivalente. (
[(
) (
(
)
)
(
) )
( (
)[( )(
) ]
( )
)(
)( ]
)
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5. Calculo del
número de Reynolds (Re). )(
(
)
)(
(
)
6. Calculo del coeficiente de película del aire referido al área del anulo (valor leído en grafica Jf).
⁄
(
(
)
)
(
(
)(
)
⁄
)
7. Con el valor obtenido de hf se entra a gráfica y obtenemos el valor de hfi.
8. Calculo del coeficiente de película interno referido al área interna. |
( )( (
| |
|
)( )(
) )
9. Como es flujo turbulento.
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(
(
)(
)
(
)(
)
10.
Calculo del coeficiente de transferencia de calor teórico.
11.
Calculo de la eficiencia térmica de la aleta. (
)(
⁄
(
)
(
[
) (
)( )(
(
[(
) (
12.
)
⁄
) )
]
)(
)]
)(
)
Calculo del porciento de desviación. (
)
(
)
Datos Experimentales
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Tabla de datos experimentales
Gm a g u a = 30l/min
Pv=0.6 Kg/cm 2
Datos Experimentales Termopar
Tiempo 1
Tiempo 2
Tiempo 3
Tiempo 4
Promedio
1. ( Agua Caliente)
52
52
53
53
52.5
2. ( Agua frí a)
52
52
52
52
52
3. (línea de Vapor)
103
103
103
103
103
4. (salida del Ai re)
43
47
48
48
46.5
5. ( Agua Caliente)
53
55
54
51
53.25
40.4
40.5
40.8
40.9
40.65
4.5m/s
4.5m/s
4.6m/s
4.7m/s
4.57m/s
Anemómetro Temperatura Salida Ai re °C Anemometro Vel oci dad del ai re
Secuencia de Cálculos (para la primera corrida) 13.
Gasto masa del aire. (
14.
)(
|) (
|
)
Calculo del calor transferido.
(
)(
)(
)
15.
Calculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental referido al área interna. (
) ( (
(
) ) )
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(
)(
)(
)
(
)(
)
16. Calculo del diámetro equivalente. (
[(
)
(
)
(
(
)
)
) ]
(
(
)[( )(
(
)(
)
)(
)
]
)
17. Calculo del número de Reynolds (Re). )(
(
)
)(
(
)
18. Calculo del coeficiente de película del aire referido al área del anulo (valor leído en grafica Jf).
⁄
(
)
(
)
(
(
)(
)
⁄
)
19. Con el valor obtenido de hf se entra a gráfica y obtenemos el valor de hfi.
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20. Calculo del coeficiente de película interno referido al área interna. |
21.
| |
( )(
)(
(
)(
|
) )
Como es flujo turbulento. (
)(
)
(
)(
)
(
)
22.
Calculo del coeficiente de transferencia de calor teórico.
23.
Calculo de la eficiencia térmica de la aleta. (
)(
⁄
(
)
[
)
( (
)( )(
⁄
) )
]
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(
[(
) (
24.
)( )(
)] )
Calculo del porciento de desviación. (
)
(
)
Conclusiones Reyes Santamaría Ansony Yozhimar
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Mediante las series de cálculos realizados podemos observar que conforme los gastos aumentan el coeficiente global de transferencia de calor “U” entre más alto sea este coeficiente mejor será la capacidad para transferir calor, también existe un alto porcentaje de desviación esto se debe a que no se pueden controlar todos los parámetros como el de la presión, el factor de incrusta miento, etc. El coeficiente de película interno aumenta conforme se aumenta el gasto que se manipulo mediante un rotámetro, no así con la presión que varía en todo el sistema ya que tenemos perdidas de presión por los accesorios que despreciamos y también al entrar el fluido al intercambiador de calor existe una variación de presión y del Reynolds al chocar nuestro fluido con las aletas del equipo de transferencia de calor lo cual por lo general se vuelve un flujo turbulento. La variación del número de Reynolds en función del gasto es que si se aumenta el gasto el fluido tendera a un estado turbulento. De igual forma podemos ver que la intensidad en la transferencia de calor media disminuye principalmente debido a las siguientes causas:
Disminución de la porción más efectiva de superficie que esta expuesta perpendicularmente al flujo (superficie del tubo) y por consiguiente el aumento de la superficie menos efectiva que esta expuesta paralelamente al flujo (superficie de las aletas);
Aumento del espesor de la capa límite en la aleta al hacer mayor su altura; Disminución de la superficie de la aleta ocupada por la zona de separación y recirculación, en la cual la transferencia de calor por lo general es más alta en comparación con los valores totales en la aleta.
Existió una desviación elevada en cuanto a los valores de coeficientes de calor obtenidos: teóricoExperimental, esto debido a factores que afectaron a los datos obtenidos mediante la realización de la experimentación.
Zamorano Fuentes Christian Alejandro Se comprendió como operan las superficies extendidas en los intercambiadores de calor. Se demostraron las ventajas que ofrecen los intercambiadores aletados, mediante el cálculo del coeficiente total de transferencia de calor. Cuando a una superficie de transferencia de calor se le agregan pedazos de metal sobre ella, estos aumentan la superficie disponible para la transmisión con el consiguiente aumento del intercambio de calor. En la experimentación que se llevo a cabo no se presentó la transferencia de calor esperada, sin embargo los resultados obtenidos hacen aceptable la operación del equipo.
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Los factores que pudieron haber afectado nuestra experimentación, se podría mencionar que fueron: la falta de mantenimiento del equipo, ya que la línea de vapor no estaba completamente lista para operar. Con nuestros datos obtenidos mediante la realización de los respectivos cálculos podemos ver que para incrementar la eficiencia térmica de las superficies de intercambio de calor en las cuales uno de los fluidos es un vapor y por lo tanto tiene lugar una baja densidad del flujo térmico, es necesario intensificar la transferencia de calor. Conforme aumenta el grado de turbulencia o para este caso el flujo dentro del intercambiador de calor, la velocidad de transferencia, como el calor transferido es mayor, aumenta, perdiéndose calor, por lo tanto es menos efectiva. Aun que el equipo muestra una muy buena eficiencia existen perdidas de calor de esto depende el material con el que sean fabricadas las aletas al igual que del factor de incrusta miento.
