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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

FACULTAD DE INGENIERÍA EN MECÁNICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCIÓN

REPORTE DE LABORATORIO

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FECHA:16/2/2014

ALUMNO Andrés Santiago Flores Chaluis GRUPO: 2

MATERIA Transferencia de calor iiLABORATORIO Termo fluidos nº 1 PARALELO: 1

NOMBRE DE LA PRÁCTICA Intercambiadores de calor

RESUMEN:

En esta práctica se trata de medir los coeficientes de trasferencia de calor por un intercambiador de calor, tomamos datos y analizamos, además de trata de analizar si existe o no convección y radiación, esto lo analizamos particularmente. Determinar la forma en que se mide el coeficiente de transferencia de calor global de un intercambiador de calor realizándolo tanto teóricamente como experimentalmente, utilizando datos reales obtenidos del intercambiador.

OBJETIVOS:

Tratar de medir el coeficiente de transferencia de calor total U global del intercambiador de calor.

Comparar los coeficientes de transferencia de calor obtenidos teórico y práctico.

Consultar las diferencias entre flujo paralelo y contraflujo.

MARCO TEÓRICO:

Intercambiadores de Calor En un intercambiador de calor participan dos o más corrientes de proceso, unas actúan como fuentes de calor y las otras actúan como receptores del calor, el cual se transfiere a través de las paredes metálicas de los tubos que conforman el equipo (contacto indirecto). Los equipos utilizados para calentar fluidos emplean generalmente vapor como fuente de calentamiento, los equipos utilizados para

enfriar fluidos emplean usualmente agua como fluido de enfriamiento. Cuando existe una diferencia de temperatura entre un tubo y el fluido que circula por él, se transfiere calor entre la pared del tubo y el fluido. El flujo de calor intercambiado por unidad de tiempo, puede expresarse en función de un área de intercambio (A), una diferencia de temperatura característica (DT), siendo la constante de proporcionalidad el coeficiente de transferencia de calor (h). Para tubos completamente llenos, régimen estacionario y sección transversal circular uniforme, el coeficiente de transferencia de calor es función del diámetro del tubo, largo del tubo, densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica y velocidad promedio del fluido. Intercambiador de calor de tubos concéntricos o doble tuvo:




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Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Están constituidos 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. Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. A continuación se pueden ver dos imágenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos. En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente. En la figura

siguiente se muestran esquemas de las dos configuraciones así como la evolución de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas:

Coeficiente global de transferencia de un intercambiadorEn el estudio de los intercambiadores de calor se supone que el tubo exterior, carcasa o casco, está perfectamente aislado térmicamente, es decir, no existe intercambio de calor con el exterior. Entonces se puede considerar que, a efectos de transferencia de calor, el intercambiador se comporta como una pared cilíndrica (el tubo o tubos interiores) bañada por dos fluidos a diferente temperatura, sistema que ya se ha analizado en este mismo documento y cuyo coeficiente global de transferencia tiene la siguiente expresión:

U = 1

12π r1 Lhi

+

ln( r2

r1)

2 πLk+ 1

2 π r 2 L ho

O lo que es lo mismo:

http://www.epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/flash/tubs_concentrics_cast.swf




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1UA = 1

A ihi+

ln( r2

r1)

2 πLk + 1Aoho

Siendo Ai el área de la superficie interior y Ao el área de la superficie exterior de transferencia de calor, hi el coeficiente de película interior y ho el coeficiente de película exterior. En el caso de que la pared del tubo interior sea lo suficientemente delgada Ai = Ao = A. Si el material del que está hecho el tubo es buen conductor del calor la resistencia térmica debida a conducción es despreciable, entonces:

ln( r2

r1)

2 πLk =0

Las dos condiciones anteriores se dan casi siempre, quedando:

1U

= 1hi

+ 1ho

Factor de incrustaciónCon el paso del tiempo se acumulan depósitos sobre las superficies de transferencia de calor de los intercambiadores que incrementan la resistencia térmica y hacen que disminuya la velocidad de transferencia de calor. El efecto neto de la acumulación de depósitos se cuantifica mediante el llamado factor de incrustación, Rf, que está tabulado para los diferentes fluidos. La acumulación puede producirse en la pared interior, en la exterior o en las dos simultáneamente lo cual se reflejará en el coeficiente global de

transferencia de calor cuya expresión general quedará:

1UA = 1

A ihi+

R fi

A i+

ln( r2

r1)

2πLk +R fo

Ao+ 1

Ao ho

Y cuya expresión simplificada tiene la siguiente forma:

1U

= 1hi

+R fi+R fo+1ho

MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS:

Para la práctica utilizamos un dispositivo prediseñado, que consta de 11 válvulas de flujo, que tiene un banco de intercambiadores de calor de aluminio de varios diámetros, 18 termómetros, una torre de enfriamiento y una caldera de vapor.

Equipo Cantidad

Especificaciones

Válvulas de

flujo

11 NA

Banco de Intercambiadores de calor

1 Aluminio, varios

diámetrosTermómetros 18 Escala en

centígradosTorre de enfriamiento

1 NA

Caldera de vapor

1 NA

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

1. Variamos los caudales en las válvulas.




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2. Medimos las temperaturas en los puntos de salida claves de los tubos del intercambiador

3. Tomamos las mediciones con el flujo paralelo, y en contraflujo.

4. Realizamos los cálculos necesarios para obtener el coeficiente global de transferencia de calor tanto para el teórico como para el experimental.

RESULTADOS

Los resultados obtenidos y graficas se muestran en anexos.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para mayor visualización de los que sucede en la realidad con los intercambiadores de calor, se realizaran mediciones que nos permitan comparar los resultados teóricos esperados con los prácticos obtenidos.

Las curvas los valores del coeficiente de transferencia de calor global, para cada intercambiador.

En la teoría el coeficiente de transferencia de calor global, es una función que depende únicamente del gradiente de temperatura al que se somete, por lo tanto debería ser una función de valores de dominio e imagen únicos, pero como se observa varía considerablemente, y más parece que no existe uniformidad

En las curvas experimentales, los resultados son aún más desordenados, y son menores a los teóricos, que sean menores a los teóricos es lo que se esperaba teóricamente.

El cálculo del coeficiente global se realiza bajo la suposición de que no existen perdidas al medio ambiente, esto es incorrecto para un intercambiador de la vida real.

Para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor por convección, se supone que el flujo está completamente desarrollado, una suposición que no causa mucho error, pero la suposición de flujos de calor iguales y constantes entre los tubos, causa el gran error que se puede visualizar, el tubo exterior comparte calor con el medio, no se encuentra completamente aislado.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Obtuvimos diferentes coeficientes de transferencia de calor globales de los intercambiadores, ocurre ya que se encuentran sometidos a varias condiciones de operación, todos ellos salen diferentes.

La diferencia existente entre los intercambiadores de flujo paralelo y contraflujo, es principalmente su gradiente de temperatura con el paso de los fluidos por su interior.

Se recomienda que se dé un adecuado mantenimiento a las máquinas del laboratorio para poder realizar las mismas y evitar inconvenientes.

Recomendamos que se tomen las debidas instrucciones antes de iniciar la práctica.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS/ FUENTES DE INFORMACIÓN




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Mecánica de Fluidos, Sexta Edición – Frank M. White, University of Rhode Island.

DONALD KERN, Procesos de Transferencia de Calor.

Guía de la práctica de intercambiadores, transferencia de calor II/ II término 2013-2014

ANEXOS

CÁLCULOS REPRESENTATIVOS.

Cálculo de U práctico

Para el cálculo del coeficiente global de transferencia (U), debemos realizar el procedimiento detallado a continuación:

Q=U × A ×(MLDT )

U = QA ×(MLDT )

Cálculo del MLDT:

MLDT =(T 1−t 2 )−(T 2−t 1)

ln ( (T 1−t 2 )(T 2−t 1)

)

MLDT =(69−50 )−(60−27)

ln ( (69−50 )(60−27)

)

MLDT =25.36 °CBalance de Energía:

Q=C p ×m× ∆ T

Q=(4,18 KJKg−° C )×(0,277 Kg

s )× (9 ° C )

Q=10.45 KJs

Q=C p ×m× ∆ T

Q=(4,18 KJKg−° C )×(0,11 Kg

s )× (23 °C )

Q=10.68 KJs




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Q=10.45+10.682

=10.57 KJs

Área de Transferencia de Calor:A=π × Do × L

A=π × 0,0191× 8A=0,480 m2

Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor U:

Ud=10.57 KJ

s0,480 m2 ×25.36 ° C

× 3600 s1h

× 1watt

3,6 KJh

U d=868.33 wattm2 ×° C

Cálculo de U teóricoFlujo Másico Superficial

At=π Di2

4Ao=π ¿¿

At=0,000867 m2

4Ao=

0,00196 m2

4At=2,17 ×10−4 m2 Ao=4,99 × 10−4 m2

Gt=MA t

Gt=1000 Kg

h∙ 1 h3600 s

2,17 ×10−4 m2

Gt=1280,08 Kgm2−s

Ga=1000 Kg

h∙ 1 h3600 s

4,99× 10−4 m2

Ga=222,67 Kgm2−s

Cálculo del Número de Reynolds:




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ℜt=Di×Gt

u

ℜt=(1280,08 Kg

m2−s )× (0,0166 m ) × 3600 s1 h

1.656 Kgh−m

ℜt=46222,02

ℜa=(222,67 Kg

m2−s )× (0,0334 m) × 3600 s1 h

2,77 Kgh−m

ℜa=10065,35

Cálculo del Número de Prandt:

Pr t=u ∙Cp

k

Pr t=(4,18 KJ

Kg−°C )×(1,656 Kgh−m )

1,319 KJh−m−° C

Pr t=5,25

Pr t=(4,18 KJ

Kg−°C )×(2,66 Kgh−m )

1,28 KJh−m−° C

Pr t=8,69

ECUACIÓN DE SIEDER Y TATE FLUJO TURBULENTO

hi=0,027( kDi )× (ℜ )

0,8 × ( Pr )0,333

hi=20086,43 KJh−m2−°C

hio=20086,43 × 0,01660,0191

hio=17513,68 KJh−m2−° C

FLUIDOS POR EL EXTERIOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS




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ho=0,026( kDe )× (ℜ )

0,8 × (Pr )0,333

ho=3386,31 KJh−m2−°C

CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR TEÓRICO

U d=1/( 1Uc

+Rd)

Ud=776,01 wattm2−° C

CALCULO DEL ERROR DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA

Error=( 868,33−776,01868,33 ) ∙100=10,63 %

Datos del intercambiador de flujo Caudal (L/h) Temperatura (°C)Hot Cold T10 (Tc in) T1(Th in) T9 (Th out) T18 (Tc out)400 400 33 68 50 42400 800 28 63 50 40400 1000 26 62 48 37800 400 30 59 50 37800 800 29 59 50 36800 1000 29 60 50 371000 400 30 60 51 381000 800 26 62 51 361000 1000 28 61 51 36

Propiedades necesarias para los cálculos de U experimental y teóricoFluido caliente

Th

[K]

Propiedades Calienteρh

[Kg/m3]Cph

[KJ/Kg.K]μh

[N.s/m2] Prhkfh

[W/m.K]332 983,48 4,1848 4,75E-04 3,042 6,52E-01330 984,25 4,184 4,89E-04 3,15 6,50E-01328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01




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328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01329 984,83 4,1836 4,97E-04 3,204 6,49E-01330 984,25 4,184 4,89E-04 3,15 6,50E-01329 984,83 4,1836 4,97E-04 3,204 6,49E-01

Propiedades necesarias para los cálculos de U experimental y teóricoFluido frio

Tc

[K]

Propiedades Frioρc

[Kg/m3]Cpc

[KJ/Kg.K]μc

[N.s/m2] Prckfc

[W/m.K]311 992,65 4,1782 6,82E-04 4,528 6,29E-01307 994,23 4,178 7,39E-04 4,968 6,23E-01305 995,02 4,178 7,69E-04 5,2 6,20E-01307 994,23 4,178 7,39E-04 4,968 6,23E-01306 994,63 4,178 7,54E-04 5,084 6,22E-01306 994,63 4,178 7,54E-04 5,084 6,22E-01307 994,23 4,178 7,39E-04 4,968 6,23E-01304 995,42 4,1782 7,86E-04 5,326 6,19E-01305 995,02 4,178 7,69E-04 5,2 6,20E-01

Parámetros constantes en los cálculos de U

Ao [m2]

Ai [m2]

A[m2]

L[m]

Rfi[m2.K/W]

Rfo[m2.K/W]

0,06132389

0,41745483

0,23938936

8 0,0001 0,0001

En flujo paralelo los resultados obtenidos para U experimentalmente son: Resultados obtenidos experimentalmente para intercambiador de flujo paralelo

Q [m3/s] mh

[Kg/s]mc

[Kg/s]qh

[W]qc

[W]q

[W]∆ T ml

[K]Uexp

[W/m2.K]Cali Frio0,0001

1 0,00011 0,1093 0,1103 8231,3 4147,5 6189,4 42,1 613,8

0,00011 0,00022 0,1094 0,2209 5948,4 11077,1 8512,7 46,0 773,9

0,00011 0,00028 0,1095 0,2764 6412,3 12702,6 9557,4 48,6 822,3

0,00022 0,00011 0,2190 0,1105 8244,4 3230,8 5737,6 45,9 522,0




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0,00022 0,00022 0,2190 0,2210 8244,4 6464,2 7354,3 48,3 635,5

0,00022 0,00028 0,2190 0,2763 9160,4 9234,6 9197,5 47,7 805,6

0,00028 0,00011 0,2736 0,1105 10300,4 3692,4 6996,4 46,8 624,4

0,00028 0,00022 0,2734 0,2212 12583,1 9242,4 10912,7 55,2 825,3

0,00028 0,00028 0,2736 0,2764 11444,9 9238,3 10341,6 52,6 821,8

Para los cálculos teóricos, utilizamos las formulas dadas, para esto necesitamos los coeficientes de transferencia de calor por convección de cada fluido, aplicando la teoría de flujo interno completamente desarrollada, vista en el cap. 8 del texto guía, también necesitamos la k del aluminio, esta propiedad se evalúa en la temperatura media normal. Aplicamos las siguientes formulas por las condiciones del fluido.

NuD=0,023 ℜD4 /5 Pr0,3

Dónde:

Nui ,o=h i ,o Dh

k fDh=D o−Di

Usando las formulas descritas hasta ahora, los resultados teóricos son:

Resultados obtenidos teóricamente para el intercambiador de flujo paralelo

ℜDh ℜDc NuDi NuDohi

[W/m2.K]ho

[W/m2.K]T

[K]

k [W/m.K

]

Uteo

[W/m2.K]

1,8E+04

5,8E+03

8,0E+01

3,7E+01 2,1E+04 9,5E+03 32

1 238,82 1129,5

1,7E+04

1,1E+04

7,9E+01

6,2E+01 2,1E+04 1,6E+04 31

8 238,77 1384,6

1,7E+04

1,3E+04

7,8E+01

7,3E+01 2,1E+04 1,9E+04 31

6 238,74 1455,4

3,3E+04

5,3E+03

1,4E+02

3,6E+01 3,6E+04 9,1E+03 31

7 238,76 1119,4

3,3E+04

1,0E+04

1,4E+02

6,2E+01 3,6E+04 1,6E+04 31

7 238,76 1401,2

3,3E+04

1,3E+04

1,4E+02

7,4E+01 3,6E+04 1,9E+04 31

7 238,76 1485,9

4,2E+04

5,3E+03

1,6E+02

3,6E+01 4,4E+04 9,1E+03 31

8 238,77 1122,8

4,3E+04

1,0E+04

1,6E+02

6,0E+01 4,4E+04 1,5E+04 31

7 238,76 1395,1

4,2E+0 1,3E+0 1,6E+0 7,3E+0 4,4E+04 1,9E+04 31 238,76 1486,8




Hoja 11 de 14

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4 4 2 1 7

Datos obtenidos para el intercambiador de contraflujo

Caudal (L/h) Temperatura (°C)Hot Cold T10 (Tc in) T1(Th in) T9 (Th out) T18 (Tc out)400 400 41 60 49 34400 800 40 60 49 33400 1000 39 59 48 31800 400 40 60 50 30800 800 42 60 50 30800 1000 41 60 50 301000 400 45 60 51 311000 800 43 59 50 301000 1000 42 59 50 30

Propiedades necesarias para los cálculos de U experimental y teórico

Th

[K]

Propiedades Calienteρh

[Kg/m3]Cph

[KJ/Kg.K]μh

[N.s/m2] Prhkfh

[W/m.K]328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01327 986,00 4,1828 5,12E-04 3,312 6,47E-01328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01329 984,83 4,1836 4,97E-04 3,204 6,49E-01328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01328 985,42 4,1832 5,05E-04 3,258 6,48E-01

Propiedades necesarias para los cálculos de U experimental y teórico

Tc

[K]

Propiedades Frioρc

[Kg/m3]Cpc

[KJ/Kg.K]μc

[N.s/m2] Prckfc

[W/m.K]311 992,65 4,1782 6,82E-04 4,528 6,29E-01310 993,05 4,178 6,95E-04 4,62 6,28E-01308 993,84 4,178 7,25E-04 4,852 6,25E-01




Hoja 12 de 14

FECHA:16/2/2014

308 993,84 4,178 7,25E-04 4,852 6,25E-01309 993,44 4,178 7,10E-04 4,736 6,26E-01309 993,44 4,178 7,10E-04 4,736 6,26E-01311 992,65 4,1782 6,82E-04 4,528 6,29E-01310 993,05 4,178 6,95E-04 4,62 6,28E-01309 993,44 4,178 7,10E-04 4,736 6,26E-01

Resultados obtenidos experimentalmente para intercambiador de contraflujo

Q [m3/s] mh

[Kg/s]mc

[Kg/s]qh

[W]qc

[W]q

[W]∆ T ml

[K]Uexp

[W/m2.K]Cali Frio0,0001

10,00011 0,1095 0,1103 5038,2 3225,8 4132,0 39,0 443,0

0,00011

0,00022 0,1095 0,2207 5038,2 6453,9 5746,1 41,3 581,5

0,00011

0,00028 0,1096 0,2761 5040,7 9227,2 7134,0 42,5 701,1

0,00022

0,00011 0,2190 0,1104 9160,4 4613,6 6887,0 ~0,0 ~∞

0,00022

0,00022 0,2190 0,2208 9160,4 11068,3 10114,4 43,7 966,6

0,00022

0,00028 0,2190 0,2760 9160,4 12682,4 10921,4 44,9 1016,3

0,00028

0,00011 0,2736 0,1103 10300,4 6451,7 8376,0 40,0 874,3

0,00028

0,00022 0,2737 0,2207 10305,5 11985,9 11145,7 41,3 1128,0

0,00028

0,00028 0,2737 0,2760 10305,5 13835,4 12070,4 42,5 1186,3

Resultados obtenidos teóricamente para el intercambiador de contraflujo

ℜDh ℜDc NuDi NuDohi

[W/m2.K]ho

[W/m2.K]T

[K]k

[W/m.K]Uteo

[W/m2.K]1,7E+0

4 5,8E+03 7,8E+01 3,7E+01 2,1E+04 9,5E+03 319 238,79 1128,3

1,7E+04 1,1E+04 7,8E+01 6,4E+01 2,1E+04 1,6E+04 319 238,79 1399,9

1,6E+04 1,4E+04 7,8E+01 7,5E+01 2,1E+04 1,9E+04 317 238,76 1469,8

3,3E+04 5,4E+03 1,4E+02 3,6E+01 3,6E+04 9,2E+03 318 238,77 1125,5

3,3E+04 1,1E+04 1,4E+02 6,3E+01 3,6E+04 1,6E+04 319 238,79 1417,7




Hoja 13 de 14

FECHA:16/2/2014

3,3E+04 1,4E+04 1,4E+02 7,6E+01 3,6E+04 1,9E+04 318 238,77 1501,4

4,2E+04 5,8E+03 1,6E+02 3,7E+01 4,4E+04 9,5E+03 320 238,80 1147,1

4,2E+04 1,1E+04 1,6E+02 6,4E+01 4,3E+04 1,6E+04 319 238,79 1428,6

4,2E+04 1,4E+04 1,6E+02 7,6E+01 4,3E+04 1,9E+04 318 238,77 1507,3

GRAFICAS

U vs. ∆Tml

41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 560

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

ExpTeo

Gráfica 1 U vs. ∆Tml del intercambiador de flujo paralelo




Hoja 14 de 14

FECHA:16/2/2014

38 39 40 41 42 43 44 45 460

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

ExpTeo

U vs. ∆Tml

Gráfica 2 U vs. ∆Tml del intercambiador de contraflujo

reporteintercambiadoresdecalor-140607224216-phpapp02

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