Practica Intercambiadores De Calor (termodinamica).docx

Universidad Autónoma del Carmen

Facultad de Química

Profesor: hjkl Alumnos:

Materia: Termodinámica

Proyecto:

Prácticas de laboratorio

Fecha:

ALUMNOS: MATERIA PRACTICA # NOMBRE DE LA PRÁCTICA

I.

HORARIO:

Termodinámica Intercambiadores de calor

INTRODUCCIÓN:

En esta práctica se trata de medir los coeficientes de trasferencia de calor por un intercambiador de calor, nos proporcionan 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 teóricamente, utilizando datos dados obtenidos del intercambiador. Los intercambiadores de calor serán siempre uno de los indispensables equipos en la transferencia de calor. Estos han obteniendo usos en los sistemas de refrigeración como condensadores o evaporadores, pero no solo en esta área sino también en las maquinarias pesadas chinas utilizan intercambiadores de calor para enfriar el aceite que circula por el convertidor, caja y sistema hidráulico.

II.   

III.

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. Consultar las diferencias entre flujo paralelo y contraflujo.

MARCO TEORICO

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:

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 intercambiador En 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 𝑟 ln ( 2 ) 1 1 𝑟1 + + 2𝜋𝑟1 𝐿ℎ𝑖 2𝜋𝐿𝑘 2𝜋𝑟2 𝐿ℎ𝑜

O lo que es lo mismo:

𝑟 ln ( 2 ) 1 1 1 𝑟1 = + + 𝑈𝐴 𝐴𝑖 ℎ𝑖 2𝜋𝐿𝑘 𝐴𝑜 ℎ𝑜 Dónde: Ai= el área de la superficie interior Ao= el área de la superficie exterior de transferencia de calor Hi= el coeficiente de película interior 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:

𝑟 ln ( 2 ) 𝑟1 =0 2𝜋𝐿𝑘 Las dos condiciones anteriores se dan casi siempre, quedando:

1 1 1 = + 𝑈 ℎ𝑖 ℎ𝑜

Factor de incrustación Con 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:

𝑟2 𝑅𝑓𝑖 ln (𝑟1 ) 𝑅𝑓𝑜 1 1 1 = + + + + 𝑈𝐴 𝐴𝑖 ℎ𝑖 𝐴𝑖 2𝜋𝐿𝑘 𝐴𝑜 𝐴𝑜 ℎ𝑜 Y cuya expresión simplificada tiene la siguiente forma:

1 1 1 = + 𝑅𝑓𝑖 + 𝑅𝑓𝑜 + 𝑈 ℎ𝑖 ℎ𝑜

IV.

LISTA DE MATERIALES Y EQUIPOS

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 Termómetros

1

Aluminio, varios diámetros

18

Escala en centígrados

Torre de enfriamiento

1

NA

Caldera de vapor

1

NA

V.

PRODEDIMIENTO EXPERIMENTAL

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

VI.

DATOS OBTENIDOS

Datos del intercambiador de flujo Caudal (L/h) Hot Cold

T10 (Tc in)

Temperatura (°C) T1(Th in) T9 (Th out)

T18 (Tc out)

400 400 400 800 800 800 1000 1000

400 800 1000 400 800 1000 400 800

33 28 26 30 29 29 30 26

68 63 62 59 59 60 60 62

50 50 48 50 50 50 51 51

42 40 37 37 36 37 38 36

1000

1000

28

61

51

36

Propiedades necesarias para los cálculos de U experimental y teórico Fluido caliente

Th [K] 332 330 328 328 328 328 329 330 329

ρh [Kg/m3] 983,48 984,25 985,42 985,42 985,42 985,42 984,83 984,25 984,83

Propiedades Caliente Cph μh Prh [KJ/Kg.K] [N.s/m2] 4,1848 4,75E-04 3,042 4,184 4,89E-04 3,15 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1836 4,97E-04 3,204 4,184 4,89E-04 3,15 4,1836 4,97E-04 3,204

kfh [W/m.K] 6,52E-01 6,50E-01 6,48E-01 6,48E-01 6,48E-01 6,48E-01 6,49E-01 6,50E-01 6,49E-01

Propiedades necesarias para los cálculos de U experimental y teórico Fluido frio

Tc [K] 311 307 305 307 306 306 307 304 305

ρc [Kg/m3] 992,65 994,23 995,02 994,23 994,63 994,63 994,23 995,42 995,02

Propiedades Frio Cpc μc [KJ/Kg.K] [N.s/m2] 4,1782 6,82E-04 4,178 7,39E-04 4,178 7,69E-04 4,178 7,39E-04 4,178 7,54E-04 4,178 7,54E-04 4,178 7,39E-04 4,1782 7,86E-04 4,178 7,69E-04

Prc 4,528 4,968 5,2 4,968 5,084 5,084 4,968 5,326 5,2

kfc [W/m.K] 6,29E-01 6,23E-01 6,20E-01 6,23E-01 6,22E-01 6,22E-01 6,23E-01 6,19E-01 6,20E-01

Parámetros constantes en los cálculos de U

Ao Ai A [m2] [m2] [m2] 0,06132389 0,41745483 0,23938936

L [m] 8

Rfi [m2.K/W] 0,0001

Rfo [m2.K/W] 0,0001

En flujo paralelo los resultados obtenidos para U experimentalmente son: Resultados obtenidos experimentalmente para intercambiador de flujo paralelo Q [m3/s] Frio Cali 0,00011 0,00011 0,00011 0,00022 0,00022 0,00022 0,00028 0,00028 0,00028

0,00011 0,00022 0,00028 0,00011 0,00022 0,00028 0,00011 0,00022 0,00028

𝒎̇𝒉 [Kg/s]

𝒎̇𝒄 [Kg/s]

𝒒𝒉 [W]

𝒒𝒄 [W]

q [W]

∆𝑻𝒎𝒍 [K]

Uexp [W/m2.K]

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 = 0,023𝑅𝑒𝐷 4⁄5 𝑃𝑟 0,3 Dónde: 𝑁𝑢𝑖,𝑜 =

ℎ𝑖,𝑜 𝐷ℎ 𝑘𝑓

𝐷ℎ = 𝐷𝑜 − 𝐷𝑖

Usando las formulas descritas hasta ahora, los resultados teóricos son: Resultados obtenidos teóricamente para el intercambiador de flujo paralelo

𝑹𝒆𝑫𝒉

𝑹𝒆𝑫𝒄

𝑵𝒖𝑫𝒊

𝑵𝒖𝑫𝒐

1,8E+04 1,7E+04 1,7E+04 3,3E+04 3,3E+04 3,3E+04 4,2E+04 4,3E+04 4,2E+04

5,8E+03 1,1E+04 1,3E+04 5,3E+03 1,0E+04 1,3E+04 5,3E+03 1,0E+04 1,3E+04

8,0E+01 7,9E+01 7,8E+01 1,4E+02 1,4E+02 1,4E+02 1,6E+02 1,6E+02 1,6E+02

3,7E+01 6,2E+01 7,3E+01 3,6E+01 6,2E+01 7,4E+01 3,6E+01 6,0E+01 7,3E+01

hi ho 2 [W/m .K] [W/m2.K] 2,1E+04 9,5E+03 2,1E+04 1,6E+04 2,1E+04 1,9E+04 3,6E+04 9,1E+03 3,6E+04 1,6E+04 3,6E+04 1,9E+04 4,4E+04 9,1E+03 4,4E+04 1,5E+04 4,4E+04 1,9E+04

T k Uteo [K] [W/m.K] [W/m2.K] 321 238,82 1129,5 318 238,77 1384,6 316 238,74 1455,4 317 238,76 1119,4 317 238,76 1401,2 317 238,76 1485,9 318 238,77 1122,8 317 238,76 1395,1 317 238,76 1486,8

Datos obtenidos para el intercambiador de contraflujo Caudal (L/h) Hot Cold 400 400 400 800 800 800 1000 1000 1000

400 800 1000 400 800 1000 400 800 1000

T10 (Tc in) 41 40 39 40 42 41 45 43 42

Temperatura (°C) T1(Th in) T9 (Th out) 60 60 59 60 60 60 60 59 59

49 49 48 50 50 50 51 50 50

T18 (Tc out) 34 33 31 30 30 30 31 30 30

Propiedades necesarias para los cálculos de U experimental y teórico

Th [K] 328 328 327 328 328 328 329 328 328

ρh [Kg/m3] 985,42 985,42 986,00 985,42 985,42 985,42 984,83 985,42 985,42

Propiedades Caliente Cph μh Prh [KJ/Kg.K] [N.s/m2] 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1828 5,12E-04 3,312 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1836 4,97E-04 3,204 4,1832 5,05E-04 3,258 4,1832 5,05E-04 3,258

kfh [W/m.K] 6,48E-01 6,48E-01 6,47E-01 6,48E-01 6,48E-01 6,48E-01 6,49E-01 6,48E-01 6,48E-01

Propiedades necesarias para los cálculos de U experimental y teórico

Tc [K] 311 310 308 308 309 309 311 310 309

ρc [Kg/m3] 992,65 993,05 993,84 993,84 993,44 993,44 992,65 993,05 993,44

Propiedades Frio Cpc μc [KJ/Kg.K] [N.s/m2] 4,1782 6,82E-04 4,178 6,95E-04 4,178 7,25E-04 4,178 7,25E-04 4,178 7,10E-04 4,178 7,10E-04 4,1782 6,82E-04 4,178 6,95E-04 4,178 7,10E-04

Prc 4,528 4,62 4,852 4,852 4,736 4,736 4,528 4,62 4,736

kfc [W/m.K] 6,29E-01 6,28E-01 6,25E-01 6,25E-01 6,26E-01 6,26E-01 6,29E-01 6,28E-01 6,26E-01

Resultados obtenidos experimentalmente para intercambiador de contraflujo Q [m3/s] Frio Cali 0,00011 0,00011 0,00011 0,00022 0,00022 0,00022 0,00028

0,00011 0,00022 0,00028 0,00011 0,00022 0,00028 0,00011

𝒎̇𝒉 [Kg/s]

𝒎̇𝒄 [Kg/s]

𝒒𝒉 [W]

𝒒𝒄 [W]

q [W]

∆𝑻𝒎𝒍 [K]

Uexp [W/m2.K]

0,1095 0,1095 0,1096 0,2190 0,2190 0,2190 0,2736

0,1103 0,2207 0,2761 0,1104 0,2208 0,2760 0,1103

5038,2 5038,2 5040,7 9160,4 9160,4 9160,4 10300,4

3225,8 6453,9 9227,2 4613,6 11068,3 12682,4 6451,7

4132,0 5746,1 7134,0 6887,0 10114,4 10921,4 8376,0

39,0 41,3 42,5 ~0,0 43,7 44,9 40,0

443,0 581,5 701,1 ~∞ 966,6 1016,3 874,3

0,00028 0,00022 0,00028 0,00028

0,2737 0,2737

0,2207 0,2760

10305,5 10305,5

11985,9 13835,4

11145,7 12070,4

41,3 42,5

1128,0 1186,3

Resultados obtenidos teóricamente para el intercambiador de contraflujo

𝑹𝒆𝑫𝒉

𝑹𝒆𝑫𝒄

𝑵𝒖𝑫𝒊

𝑵𝒖𝑫𝒐

1,7E+04 1,7E+04 1,6E+04 3,3E+04 3,3E+04 3,3E+04 4,2E+04 4,2E+04 4,2E+04

5,8E+03 1,1E+04 1,4E+04 5,4E+03 1,1E+04 1,4E+04 5,8E+03 1,1E+04 1,4E+04

7,8E+01 7,8E+01 7,8E+01 1,4E+02 1,4E+02 1,4E+02 1,6E+02 1,6E+02 1,6E+02

3,7E+01 6,4E+01 7,5E+01 3,6E+01 6,3E+01 7,6E+01 3,7E+01 6,4E+01 7,6E+01

VII.

hi ho 2 [W/m .K] [W/m2.K] 2,1E+04 9,5E+03 2,1E+04 1,6E+04 2,1E+04 1,9E+04 3,6E+04 9,2E+03 3,6E+04 1,6E+04 3,6E+04 1,9E+04 4,4E+04 9,5E+03 4,3E+04 1,6E+04 4,3E+04 1,9E+04

T [K]

k Uteo [W/m.K] [W/m2.K]

REALIZAR LOS SIGUIENTES CALCULOS:

Cálculo de U práctico Para el cálculo del coeficiente global de transferencia (U), debemos realizar el procedimiento detallado a continuación: 𝑄 = 𝑈 × 𝐴 × (𝑀𝐿𝐷𝑇) 𝑄 𝑈= 𝐴 × (𝑀𝐿𝐷𝑇)

Cálculo del MLDT: 𝑀𝐿𝐷𝑇 = Dónde: T1=69 t.2=50 T2=60 t.1=27

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

Balance de Energía: 𝑄 = 𝐶𝑝 × 𝑚 × ∆𝑇 𝐾𝐽 𝐾𝑔 𝑄 = (4,18 ) × (0,277 ) × (9 °𝐶) 𝐾𝑔 − °𝐶 𝑠

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

Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor U: 𝐾𝐽 3600 𝑠 1 𝑤𝑎𝑡𝑡 𝑠 𝑈𝑑 = × × 2 𝐾𝐽 0,480 𝑚 × 25.36 °𝐶 1ℎ 3,6 ℎ 10.57

Cálculo de U teórico Flujo Másico Superficial 𝐴𝑡 =

𝜋𝐷𝑖 2 4

𝐴𝑜 =

𝐺𝑡 =

𝑀̇ 𝐴𝑡

𝜋(𝐷22 − 𝐷12 4

Cálculo del Número de Reynolds: 𝑅𝑒𝑡 =

𝐷𝑖 × 𝐺𝑡 𝑢

Cálculo del Número de Prandt: 𝑃𝑟𝑡 =

𝑢 ∙ 𝐶𝑝 𝑘

Ecuación de sieder y tate flujo turbulento 𝑘 ℎ𝑖 = 0,027 ( ) × (𝑅𝑒)0,8 × (𝑃𝑟)0,333 𝐷𝑖

Fluidos por el exterior de tubos concéntricos 𝑘 ℎ𝑜 = 0,026 ( ) × (𝑅𝑒)0,8 × (𝑃𝑟)0,333 𝐷𝑒

Calculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico 1 𝑈𝑑 = 1/( + 𝑅𝑑) 𝑈𝑐

Calculo del error del coeficiente global de transferencia 𝑈𝑑 − 𝑈𝑑 (𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜) 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = ( ) ∙ 100 =? ? ? % 𝑈𝑑

VIII.

REALIZA DOS GRAFICAS.

1. U vs. ∆Tml del intercambiador de flujo paralelo 2. U vs. ∆Tml del intercambiador de contraflujo

Realizados tus cálculos y visualizando los gráficos anexa tus conclusiones.

1. CONCLUSIONES: