Informe de Transferencia de Calor

Lab. Transferencia de Calor



Ingeniería Mecánica-ESPOCH

TEMA: INTERCAMBIADOR INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS LISOS Y ALETADOS

OBJETIVOS GENERAL: •

Conocer el coeficiente global de Transferencia de Calor experimentalmente y compararlo con el coeficiente global de transferencia de calor teórico.

OBJETIVO ESPECÍFICO: •

•

Aplicar los conocimientos adquiridos el curso de transferencia de calor para realizar los cálculos y obtener los resultados correspondientes. Conocer el funcionamiento de un intercambiador de calor así como también cada una de las partes que lo componen y entender el mecanismo de transferencia de calor en el mismo.

MATERIALES Y EQUIPO: El banco de prueba requieren de •

!n generador de "apor

•

#istema de distribución de "apor y agua

•

$eductores de presión

•

#istema de retorno de condensado

Además de una instrumentación específica compuesta de

Grupo 

•

%ntercambiador %ntercambiador de calor

•

Termómetro digital y termocuplas

•

&anómetros

•

Cinta 'raduada

•

Cronómetro

•

Cubeta graduada

•

Calibrador !" Se#es$re



ESQUEMA: BANCO DE REFRIGERACIÓN DE CALOR

UNIDAD CONDENSADORA

Grupo 

!" Se#es$re



MARCO TEÓRICO:

INTERCAMBIADORES DE CALOR INTRODUCCIÓN En la industria nos encontramos que la transferencia de calor esta presente en todos los procesos( y es tal su importancia( que en ocasiones( la operación de una planta de manera económica depende directamente del uso adecuado de la energía térmica disponible en el proceso( o bien del dise)o adecuado del equipo in"olucrado. *os ser"icios auxiliares más comunes en la industria( tales como el agua de enfriamiento( "apor( refrigeración( entre otros( implican necesariamente el uso de intercambiadores de calor( que mane+ados eficientemente permiten a,orrar energía. Enfriar y calentar son operaciones "itales en la industria. Es necesario que los ingenieros mecánicos ad"iertan que los principios de la transferencia de calor son importantes para diseñar, seleccionar o mantener equipos de intercambio de calor. *os intercambiadores de calor son equipos que transfieren calor entre dos corrientes de un proceso. -or e+emplo( la generación de "apor se basa en el proceso de transporte de energía entre dos fluidos( los calentadores e enfriadores de gases y líquidos. *os %.C. son equipos importantes en instalaciones de procesos( centrales termoeléctricas( refinerías( etc.

CONDENSADORES El condensador es básicamente un intercambiador de calor cuya función es disipar el calor extraído por el refrigerante en el e"aporador ,acia un medio condensante. Como resultado de la pérdida de calor del refrigerante ,acia el medio condensante( este primero es enfriado ,asta su temperatura de saturación y después condensado ,asta su fase de estado líquido. El medio condensante es utilizado en su gran mayoría es agua( aire o una combinación de ambos. *os condensadores se clasifican generalmente en tres tipos( los cuales son enfriados por Agua( aire y e"aporati"os.

CONDENSADORES ENFRIADOS POR AIRE

Grupo 

!" Se#es$re



Estos condensadores pueden ser enfriados por con"ección natural o por la acción de un "entilador o soplador. *os condensadores de con"ección forzada están equipados con "entiladores mltiples( los mismos que pueden ser de bastidor o remotos. !n condensador enfriado por aire instalado en el mismos bastidor del compresor y motor( de tal manera que se constituye en un con+unto que se denomina “UNIDAD CONDENSADORA/( enfriada por aire0 mientras que un condensador remoto generalmente se encuentra instalado remotamente del compresor.

CONDENSAORES ENFRIADOS POR AGUA *os condensadores enfriados por agua admiten temperaturas y presiones de condensación ba+as. Existen "arios tipos

DE DOBLE TUBO En los condensadores de doble tubo( el agua circula a tra"és del tubo interno mientras que el refrigerante fluye en dirección opuesta entre el espacio anular de los tubos.

Condensador enfriado por agua de doble tubo

DE CILINDRO Y SERPENTÍN *os condensadores de cilindro y serpentín como se ilustra en la siguiente figura son fabricados de uno o más tubos aleteados encerrados en un cilindro de acero soldado( formando una unidad compacta que usualmente sir"e como una combinación de condensador y recipiente dentro del circuito. El agua condensante fluye por el serpentín mientras que el refrigerante está contenido en el cilindro rodeando los serpentines.

Grupo 

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Condensador enfriado por agua de cilindro y serpentin

ACORAZADOS *os condensadores acorazados( están formados por un depósito cilíndrico de acero y un nmero determinado de tubos colocados paralelamente( los mismos que están unidos en sus extremos a un cabezal de tubos. El agua fluye a tra"és de los tubos los cuales pueden ser de acero para el amoniaco y de cobre para otros refrigerantes0 el refrigerante está contenido en el cilindro entre los cabezales del tubo.

Condensador acorazado

*os condensadores anteriormente descritos "ienen instalados generalmente con una torre de enfriamiento con el propósito de recuperar el agua de condensación( regenerando su temperatura. *as torres de enfriamiento se clasifican segn el método de empleado para producir la circulación de aire entre las cuales tenemos atmosféricas( con"ección natural y forzadas( siendo estas ltimas las más utilizadas por su tama)o y alto rendimiento.

DISEÑO TERMICO Esta fase se ocupa primordialmente de determinar el área de la superficie para transferir calor a una "elocidad específica a determinados ni"eles( incluye la determinación de temperaturas( flu+o másico( nmero de tubos( dimensiones( longitudes( etc.

Existen dos métodos de clc!lo" •

Grupo 

&étodo de la diferencia de temperatura media logarítmica !" Se#es$re


•


&étodo del nmero de unidades de transferencia de calor.

MÉTODO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGARÍTMICA, LMTD. Este método consiste en determinar una expresión de la rapidez de transferencia de calor en un %. C. relacionando las "ariaciones de la temperatura con respecto al área. -ara el análisis( consideremos el intercambiador de calor de doble tubo con flu+o contracorriente.

dq =U dA ( Tc −Tf )

dq =−mc ¿ c c∗dTc =± mf c f dT f dq =U dA [ ( T c 2−T f 1 )− ( T c 1−T f 2 ) ] / ln ( T c 2− T f 1 )

/ ( T c −T f ) 1

2

q =U A ( ∆T B −∆ T A )/ ln ( ∆T B / ∆ T A )

q = U AF ( LMTD )

1onde 2( es un factor de corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica 3*&T140 para el %.C. de doble tubo( e"aporadores y condensadores 25l0 para otros %.C. se encuentra en figuras específicas.

Grupo 

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MÉTODO DEL NÚMERO DE UNIDADES DE TRANSFERENCIA DE CALOR, NTU. Existen ocasiones en que no se conocen las temperaturas de los fluidos que salen del intercambiador de calor( este tipo de problema suele encontrarse cuando se ,a probado e equipo a una determinada "elocidad de flu+o( pero las condiciones de ser"icio exigen diferentes "elocidades para uno o ambos fluidos. -ara obtener una ecuación de la rapidez de transferencia de calor que no contenga ninguna de las temperaturas de salida se introduce el término de la eficiencia del intercambiador de calor 3ε4. *a eficiencia de un intercambiador de calor es la relación entre el flu+o de calor real y el flu+o de calor máximo que pudiera cederse o absorberse. ε =q REAL / q MAX

El flu+o de calor real( es la energía pérdida o ganada de uno de los fluidos q REAL=m ∗c∗ ∆T

El flu+o de calor máximo está relacionado con el flu+o de fluido mínimo( ya que( éste está más cerca de alcanzar la temperatura de entrada del otro fluido( en el caso de un flu+o en contracorriente. q MAX =C min∗( T c1− Tf 1 )

1onde Cm es el menor "alor del producto mc *a eficiencia de un intercambiador de calor puede determinarse con la ayuda de las figuras específicas. 6bsér"ese que la relación C min C max

=0

#e aplica para un e"aporador o condensador.

REFRIGERANTES INTRODUCCION *os refrigerantes son los fluidos "itales en cualquier sistema de refrigeración mecánica. 1e manera general( un refrigerante es cualquier cuerpo o sustancia que acte como agente de enfriamiento( absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. 1esde el punto de "ista de la refrigeración mecánica por e"aporación de un líquido y la comprensión de "apor( se puede definir Grupo 

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al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición( a aba+a temperatura y presión( ,asta donde lo rec,aza al condensarse a alta temperatura y presión.

PROPIEDADES DE LOS REFRIGERANTES -ara que un líquido pueda ser utilizado como refrigerante( debe reunir ciertas propiedades( tanto termodinámicas como físicas. El refrigerante ideal( sería aquel que fuera capaz de descargar en el condensador todo el calor que absorbe del e"aporador( la línea de succión y del compresor. !n refrigerante ideal debe reunir todas las siguientes características • •

•

•

Calor latente de e"aporación ele"ado. -unto de ebullición( a la presión atmosférica( suficientemente ba+o con respecto a las condiciones de funcionamiento deseadas. $elación de compresión ba+a. Es decir( la relación entre las personas de descarga y aspiración debe ser peque)a. 7olumen específico del "alor saturado mínimo para utilizar un compresor y tubería con dimensiones reducidas.

•

Temperatura crítica muy ele"ada.

•

#er inocuo con el lubricante que se emplea.

•

Composición química estable en las condiciones de funcionamiento de la máquina frigorífica.

•

#in acción sobre los metales componentes del sistema.

•

Compatible con elastómeros y plásticos utilizados en los equipos frigoríficos.

•

8o ser peligroso para la salud.

•

8o atacar a los alimentos que deben conser"arse( etc.

IDENTIFICACIÓN DE REFRIGERANTES *os refrigerantes se identifican por nmeros después de la letra $( que significa 9refrigerante/. El sistema de identificación ,a sido estandarizado por la A#:$AE.

A los re#ri$erantes se los nom%ra de la si$!iente manera" •

A la primera cifra se le suma ; para obtener el nmero de átomos de carbono que contiene la molécula.

•

A la segunda se le resta ; para obtener el nmero de átomos de ,idrógeno.

•

*a tercera se refiere al nmero de átomos de flor.

Grupo 

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•


El resto de "alencias( sal"o que se indique los contrario( quedan cubiertas con cloro.

-or e+emplo

R&'()A CA$<686 ;=; 5> átomos. :%1$?'E86 @; 5> átomos 2*!6$ B átomos El resto de "alencias cubiertas con cloro no existen.

CICLO DE REFRIGERACIÓN IDEAL POR COMPRESION MECÁNICA En el siguiente esquema se presenta un sistema de refrigeración por compresión mecánica de simple etapa.

Sistema de refrigeración por compresión mecánica de simple etapa

El ciclo de refrigeración consta de cuatro procesos que son

Grupo 

•

*'&+ Compresión

•

*+&( Condensación

•

*(&) Expansión

•

*)&' E"aporación

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Diagrama de presión entalpía del ciclo teórico de refrigeración

1. PROCESO DE COMPRESIÓN: Corresponde al al proceso de ;> que se lle"a a cabo en el compresor( desde la presión de e"aporación ,asta la presión de condensación. #e supone que un ciclo teórico simple el proceso de compresión es isoentrópico0 es decir( una compresión 9 adiabática-no fricción” 1urante el proceso de compresión se realiza un traba+o sobre el "apor refrigerante( dado como resultado un aumento en su temperatura pro"ocando un sobrecalentamiento.

2.PROCESO DE CONDENSACIÓN: El proceso de >d es isobárico e indica el sobrecalentamiento que debe retirarse del "apor antes de que se comience el proceso de condensación. Este proceso se efecta en la tubería de descarga y en los primeros tramos del condensador. *a línea de d@ representa el cambio de estado del refrigerante de "apor a líquido a presión y temperatura constante( el cual se efecta en el condensador.

3.PROCESO DE EPANSIÓN: Este proceso se encuentra entre los puntos de estado @B( el punto de estado @ se ubicado sobre la línea de líquido saturado y se ,alla a la entrada del dispositi"o de expansión 3"ál"ula de expansión o tubo capilar4. El refrigerante fluye a tra"és del elemento de expansión( por consiguiente( su presión disminuye inmediatamente llegando a una presión de e"aporación.

!.PROCESO DE EVAPORACIÓN Corresponde al proceso de B;( el punto B se ,alla ubicado en la zona ,meda( mientras que el punto ; se encuentra sobre la línea de saturación( este proceso se lle"a a cabo a presión constante.

CICLO DE REFRIGERACIÓN REAL POR COMPRESIÓN MECÁNICA En el esquema de la siguiente figura se representa un ciclo de refrigeración real.

Grupo 

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Diagrama presión - entalpía del ciclo real de refrigeración

PROCEDIMIENTO: Entre los fluidos que circulan en un intercambiador de calor( se cumplirá la le- de

conser.aci/n de la ener$0a, de tal modo que el calor cedido por uno de ellos al enfriarse( será tomado por otro al calentarse. #e podrá calcular el flu+o de transferencia de calor( si se conoce la cantidad de masa de fluido que circula durante un tiempo determinado( su calor específico promedio y las temperaturas iníciales y finales. #i además( mediante el uso de termocuplas determinamos las temperaturas de los dos fluidos al comienzo y al final de la longitud de recorrido en estudio y medimos el área total de transferencia de calor correspondiente a dic,a longitud( podemos calcular el "alor del coeficiente global de transferencia de calor( que será la nica incógnita de la ecuación de transferencia de calor. Esto podemos repetir para di"ersas situaciones experimentales y tendremos oportunidad de obtener las "ariaciones del coeficiente total de transferencia de calor en relación con las "ariables que deseamos estudiar. -ara la determinación del coeficiente total de transferencia de calor 3!4( se realizarán las mediciones correspondientes •

El flu+o de masa de fluidos.

•

*a temperatura inicial y final del intercambiador de calor( para cada flu+o de masa especificado.

•

El área de transferencia de calor( se medirá el diámetro del tubo( dimensiones de la aleta así como también el nmero de aletas por pulgada y la carcasa donde se encuentran las aletas +unto con los tubos.

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CALCULOS:

CONCLUSIONES:  *os intercambiadores de calor son una parte esencial en la industria( por ende están presentes en todos los procesos tales como el enfriamiento del agua( "apor( refrigeración( etc.  un mane+o( dise)o y uso eficiente del mismo nos permitirá a,orrar energía lo que implica un costo de la operación de la planta muy ba+o y económico. -or esta razón es importante para nosotros como futuros ingenieros "alorar los conocimientos adquiridos en la materia de transferencia de calor pues estos nos serán de muc,a importancia en nuestra "ida profesional.

 Al realizar el cálculo experimental del coeficiente global de transferencia de calor podemos obser"ar que este es muy ba+o( en comparación con grandes sistemas de refrigeración( esto se debe a que a pesar de que el equipo condensador empleado disipa gran cantidad de calor ,acia el ambiente( el mismo que es extraído de los productos su+etos a refrigeración( es afectado por la diferencia media logarítmica la misma que relaciona las diferencias de temperatura a la entrada y salida del refrigerante( esta es relati"amente alta por lo que se lo considera como el factor más influyente en este cálculo.

 También se pudo obser"ar que este condensador disipa gran cantidad de energía en forma de calor como es de ('123+) 4 a pesar de que su tama)o es muy peque)o( lo que influye muc,o en el sistema de refrigeración ya que esto nos permite extraer completamente el calor existente en el producto que está siendo refrigerado( esto se debe a que el área de transferencia de calor es muy grande y a la "ez que se utiliza un sistema de con"ección forzada la misma que lo realiza un "entilador.

RECOMENDACIONES: Grupo 

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 Es importante que la práctica sea realizada de acuerdo al a"ance de la materia( es decir cuando el estudiante ,aya adquirido los conocimientos básicos y necesarios para que la misma sea entendida y captada correctamente y de me+or manera pues así se e"itará contratiempos en el momento de realizar el informe.

BIBLIOGRAFÍA: - Tesis de un %In$erca#biador de Calor& ' (arío )a#íre*

ANEOS: 5RO5IEDADES DE6 AIRE A +78279: ; 5RESIRICA 6OCA6 DE '?28 @si

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