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UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA U.M.R.P.S.F.X.CH. – Facultad de Tecnología

práctica 5: Intercambiador de calor tipo vasija y serpentín

Nombres y carreras: Rodríguez Delgadillo Jessica – Ingeniería Industrial Vargas Flores Gustavo – Ingenieria Industrial Zeballos Guevara Deisi Ninet– Ingeniera Industrial Materia: Lab. Operaciones Unitaria II Grupo: Jueves de 11:00 – 13:00 Fecha de realización de la práctica: 20 de octubre de 2016 Fecha de entrega del informe: 27 de octubre de 2016 Docente: Ing. Máximo Eduardo Arteaga Téllez

Sucre - Bolivia

PRÁCTICA Nº5 INTERCAMBIADOR DE CALOR TIPO VASIJA Y SERPENTÍN 1.

INTRODUCCIÓN.-

El intercambiador de calor de serpentín, es un equipo en donde el material a enfriar fluye por el interior de un serpentín metálico (un tubo enrrollado para aumentar la superficie de contacto) que se sujeta en sus extremos a una vasija cilíndrica o rectangular. El serpentín queda sumergido por su parte exterior en el líquido refrigerante (a calentar). Se utiliza con frecuencia en los intercambiadores de calor que trabajan a contracorriente. Este modelo se utiliza cuando se desea efectuar la condensación de vapores. (“Apuntes de procesos químicos de la UNIDEG”) 2.

OBJETIVOS.2.1. OBJETIVO GENERAL.Determinar las propiedades de los diferentes fluidos mediante la utilización del programa o software. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.1) Determinar las temperaturas de entrada y salida de ambos flujos. 2) Determinar el coeficiente de transferencia de calor. 3) Determinar los flujos másicos de ambos fluidos. 4) Determinar el calor cedido, calor ganado y calor perdido. 5) Comparar resultados con valores teóricos. 6) Proponer una ecuación de cálculo para Uo en función a di, do, hi, ho y números adimensionales). 7) Comprender el funcionamiento de un intercambiador de calor de tipo serpentín.

3.

FUNDAMENTO TEÓRICO.-

Como se ilustra en la figura, 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. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.

(“INTERCAMBIADORES DE CALOR O. A. Jaramillo Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México November 20, 2007”)

Tendríamos 3 diferentes calores:   

𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑊𝑐 ∗ 𝐶𝑝𝑐 ∗ (𝑇1 − 𝑇2 )𝑐 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑊𝑓 ∗ 𝐶𝑝𝑓 ∗ (𝑇 2 − 𝑇 1 )𝑓 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑈𝑜 ∗ 𝐴𝑜 ∗ 𝑇𝐿𝑀

Donde: Wi Cpi Uo Ao TLM

flujo másico del fluido i Calor específico del fluido i Coeficiente global de transferencia Área exterior del tubo interior Media logarítmica

Calculamos el calor cedido y ganado y por la relación: Qc=Qg+qp De donde: Qp=qc-qg Con esta relación calculamos qp, con este valor podemos calcular el valor de Uo de acuerdo a la siguiente ecuación: 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑈𝑜 = 𝐴𝑜 ∗ 𝑇𝐿𝑀 Teniendo el valor de Uo comparamos con el valor teórico (valor obtenido por el software). Para calcular el valor de Uo en función a los diámetros, coeficientes de convección interno y externo y los números adimensionales procedemos de la siguiente manera: Calculamos la media logarítmica mediante la siguiente ecuación:

∆𝑇𝐿𝑀 =

(𝑡1 − 𝑇2 ) − (𝑡2 − 𝑇1 ) (𝑡 − 𝑇2 ) 𝑙𝑛 1 (𝑡2 − 𝑇1 )

Calculamos el área exterior del tubo tipo serpentín: 𝐴𝑜 = 𝜋 ∗ 𝑑𝑜 ∗ 𝐿 Calculamos el coeficiente global de transferencia: 𝑈𝑜 =

1 𝑑 ∗ ln⁡(𝑑𝑜 ⁄𝑑𝑖 ) 1 𝑑𝑜 + 𝑜 + 𝑑𝑖 ∗ ℎ𝑖 2 ∗ 𝑘𝑡𝑢𝑏. ℎ𝑜

De donde: 1 𝑘 𝜇 0.8 ℎ𝑖 = ∗ 0.027 ∗ 𝑅𝑒𝑐 ∗ 𝑃𝑟𝑐3 ∗ ( )0.14 𝑑𝑖 𝜇𝑜

ℎ𝑜 = Asumimos que

𝜇 𝜇𝑜

1 𝑘 𝜇 ∗ 0.027 ∗ 𝑅𝑒𝑓0.8 ∗ 𝑃𝑟𝑓3 ∗ ( )0.14 𝑑𝑜 𝜇𝑜

es aproximadamente igual a 1, porque se trata del mismo

fluido. Calculamos el número de Reynolds para cada fluido: 𝑅𝑒𝑐 =

𝑅𝑒𝑓 =

𝜌𝑐 ∗ 𝑣𝑐 ∗ 𝑑𝑖 𝜇𝑐

𝜌𝑓 ∗ 𝑣𝑓 ∗ 𝑑𝑒𝑞 𝜇𝑓

Donde: 4 ∗ 𝑉𝑓 𝑃𝐼 ∗ 𝑑𝑜 ∗ 𝐿 Leemos todas las propiedades de los fluidos de tablas, a una temperatura promedio: 𝑑𝑒𝑞 =

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚,𝑐𝑎𝑙 =

𝑡1 +𝑡2 2

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚,𝑓𝑟í𝑜 =

𝑇1 +𝑇2 2

Los sub índices c, f, i, o, corresponden al fluido caliente, frío, tubería interna y externa respectivamente. 4.

DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO.4.1. MATERIAL.

Equipo de tubo tipo serpentín

    

Interface de intercambiador Regulador de presión Sensores de temperatura Tanque de agua Bomba

4.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.Encendemos la interface, abrimos las llaves correspondientes, encendemos la bomba y esperamos a que el agua del tanque llegue a 50ºC para empezar a tomar los datos. Se manda por el tubo serpentín el fluido caliente y por el exterior en el tanque el fluido frío. El tiempo en que grabará los datos el software serán 60 segundos. ST4 Temperatura de entrada del fluido caliente. ST5 Temperatura de salida del fluido caliente. ST1 Temperatura de entrada del fluido frío. ST3 Temperatura de salida del fluido frío. SC1 flujo másico del fluido caliente. SC2 flujo másico del fluido frío. ST16 Temperatura del agua del tanque. Qh Calor cedido. Ql Calor perdido. Qc Calor ganado.

5.

CÁLCULOS.-

Tabla de datos obtenidos: st-1(ºC) 23,9 25,8 26 24,8 cr 2,13754 2,52 1,57797 1,9

st-2(ºC) 23,1 24 24,3 24,1 NTU 0,228491 0,193 0,309 0,272

st-3(ºC) 20,8 20,9 21,1 21,2

st-4(ºC) 39,4 44,3 48,1 21,2

st-5(ºC) 39,4 44,3 48,1 50,7

st-1(l/m) 1,6 1,6 1,6 1,7

st-2(l/m) 3,4 3,8 2,5 3,2

st-16(ºC) 45 50 55 60

Temperatura del depósito (°C) 45 39,4 t1(°C) 32,9 t2(°C) 20,8 T1(°C) 23,1 T2(°C) 1,6 Wc(lt/min) 3,4 Wf(lt/min) 13,3422 ATLM (K) 2 Uo(W/m *K) 1017,77 711,659 qc (W) 703,407 qg(W) -825,154 qp(W)

50 44,3 36,5 20,9 24 1,6 3,8 16,1877 1002,91 1259,16 840,962 -454,196

55 48,1 38,8 21,1 24,3 1,6 2,5 18,9559 1094,67 853,794 1006,14 152,343

60 50,7 39,6 21,2 24,1 1,7 3,2 21,3981 1136,68 842,087 1259,92 417,834

De tablas leemos propiedades a una temperatura promedio: Flujo Caliente Temperatura Tpromedio Densidad Cp k Viscosidad del tanque (°C) (kg/m3) (J/kg.K) (W/m.K) (kg/m.s) 45 32,9 994,707 4177,69 0,62147 0,0007359 50 37,35 993,107 4178,470 0,62676 0,0006885 38,8 991,6 4179,20 0,63206 0,0006410 55 60 45,25 990,0 4180,05 0,63735 0,0005936 Flujo Frío 20,7 998,07 4182,14 0,59737 0,000100977 45 50 21,2 997,76 4181,52 0,60016 0,00097536 55 60

Pr 4,9393 4,5903 4,241 3,892 7,0529 6,8012

23,1

997,45

4180,9

0,60295

0,00094095

6,5315

24,3

997,14

4180,28

0,60574

0,00090654

6,2618

Datos adicionales: Do (m) 0,2 lb(m) 0,188

Di (m) 0,18 l (m) 0,18

do (m) di (m) L (m) 0,00635 0,00435 1,7 w (rev/min) deq 500 0,28661159

h (m) 0,3

H(m) 0,1625

Calculamos el caudal, flujo másico, velocidad y el número de Reynolds:

Temperatura Q (m3/s) del tanque 2,66667E-05 45 50 6,33333E-05

Flujo Caliente Cp W(kg/s) Área (m2) (J/kg.K) 0,02653 4178,470 0,00001 0,06290 4180,05

velocidad (m/s) 1,7943218 4,2615143

Re 9830,518 11258,3666

55 60

0,000315932 0,018944667

0,31326 18,75522

45 50 55 60

5,66667E-05 0,00022237 0,016962833 0,011860983

0,05653973 0,22173402 16,9195781 11,8270609

4180,05 21,2581155 4180,05 1274,7310747 Flujo Frío 4181,52 1,24589291 4180,28 1,250558012 0,06451748 4180,28 1,23670152 4180,28 1,250558012

Calculamos los calores y obtenemos Uo. Temperatura del tanque 45 50 55 60

Qc (W)

Qg (W)

Qp (W)

720,434582 543,771 176,664 3181,23122 19931,527 -16750,30 3011,74795 127311,433 -124299,685 1685551,78 1945,2 1685551,78

Uo (W/m2.K) 390,434246 -485,288855 -5150,21742 70584,9348

Uo (W/m2.K) 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 -10000 -20000

Uo (W/m2.K)

21088,885 30919,403 358577,248 366655,95 366655,95 394245,509

Uo (W/m2.K) 80000 70000 60000

50000 40000

Uo (W/m2.K)

30000 20000 10000 0 1.235 -10000

6.

1.24

1.245

1.25

1.255

CONCLUSIONES. Rodríguez Delgadillo Jessica Después de realizar la práctica, como era de esperarse, la convección natural es menor que la convección forzada, esto indica que la transferencia de calor en la convección natural es menor y más lenta. En la convección forzada, los resultados se deben a la presencia de la velocidad angular, con la que calculamos el número de Reynolds que da lugar al cálculo del coeficiente de transferencia de calor “h”; esta velocidad angular se produce por el movimiento del agitador magnético que se colocó en el experimento para generar el movimiento forzado. El uso de este agitador presenta ventaja como que es un elemento económico y fácil de limpiar para la utilización en comparación de otros mecanismos con engranes que puedan necesitar lubricantes para su movimiento, y la desventaja es que este no puede ser aplicado más que en experimentos a pequeña escala, por su tamaño.

 Vargas Flores Gustavo Realizada la práctica calculamos los calores, con los resultados obtenidos podemos observar que cuando agitamos el agua es decir forzamos la convección, la transferencia de calor es mayor y más rápida, también al calcular el coeficiente de convección podemos ver que el coeficiente es mayor para la convección forzada, pues no solo influye la temperatura si no también la velocidad angular, pues con ella calculamos el número de Reynolds que es un factor adicional para calcular el coeficiente de convección, en convección natural el coeficiente de convección depende de la naturaleza del material en este caso agua y de la temperatura de este, en cambio, en convección forzada depende de otros números adimensionales adicionales que influyen en el coeficiente de convección por lo que es mayor y por tanto

la transferencia de calor también, debido a esto y a que las temperaturas también son mayores, en convección forzada al influir la velocidad el coeficiente es mayor.  Zeballos Guevara Deisi Realizado la práctica, se obtuvo el coeficiente de película o coeficiente de transferencia de calor por conducción con la ayuda de números adimensionales en este caso el número de Nusselts, Prants y Reynolds, siendo mayor el coeficiente por convección forzada que natural, con esto se hace el cálculo de la transferencia de calor por convección forzada y natural, con los resultados obtenidos se puede ver claramente que la transferencia de calor aumenta más rápido cuando se aplica una fuerza externa al fluido, en la práctica se usó un agitador magnético hechizo (porque lo que no se consiguió un movimiento significativo), que cuando se deja calentar naturalmente el mismo. BIBLIOGRAFIA Yunus A. Cengel transferenciadecalorcengel3ed (2006). Libro para universitarios: transferencia de calor cengel (traducción) .tercera edición (traducción).pp.863,870 https://www.ucursos.cl/usuario/cfd91cf1d8924f74aa09d82a334726d1/mi_blog/r/ Transferencia_de_Calor_y_Masa_-_Yunus_Cengel_-_Tercera_Edicion.pdfeduardo carreon; 24 de octubre de 2016. Donald Q. Kern (2006). Libro para universitarios: transferencia de calor y masa (traducción) .primera edición (traducción).pp.573,580, 582