INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL E.S.I.Q.I.E LAB. DE TRANSFERENCIA DE CALOR PRACTICA “TUBOS CONCENTRICOS” CONCENTRICOS” PROFESOR: Philippe de la Vega GRUPO: 5IM2 EQUIPO: 5 NOMBRES: ARCE MORENO SANDRA LETICIA HENESTROSA HENESTROSA CASTILLO MAREMI ALMAZÁN DOMINGUES ROGELIO
OBJETIVOS: * Determinar la eficiencia térmica del equipo * Analizar el comportamiento del intercambiador de calor a diferentes condiciones de operación. * Aprender a operar el equipo de tubos concéntrico. *Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental, teórico y realizar análisis comparativo.
INTRODUCCION Un intercambiador de calor es un aparato que transfiere energía térmica desde un fluido a alta temperatura hacia un fluido a baja temperatura, con ambos fluidos moviendose a través del aparato. Los intercambiadores de calor tienen diferentes nombres según el uso, como por ejemplo: ←
Los calentadores: Se usan primariamente para calentar fluidos de proceso y generalmente es utilizado vapor como fluido de calentamiento, para este fin.
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Los enfriadores : se emplean para enfriar fluidos de proceso; el agua es utilizada como el medio enfriador principal.
←
Los condensadores: Son enfriadores cuyo principal propósito es eliminar calor latente para lograr la condensación de un gas.
←
Los hervidores: Tienen el propósito de suplir los requerimientos de calor en los procesos de destilación como calor latente.
←
Los evaporadores: Se emplean para la concentración de soluciones por evaporación de agua, si se evapora otro fluido además de el agua, la unidad se llama vaporizador. 2.1. INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO (ANATOMÍA). La imagen industrial de este aparato es la mostrada en la siguiente figura. Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tés conectoras, un cabezal de retorno y un codo en “U”. La tubería interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido entra a el tubo interior a través de una conexión roscada localizada en al parte externa del intercambiador. Las tés tienen boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido, el ánulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en “U” que está generalmente expuesta, pues no representa una superficie considerable para la transferencia de calor, cuando se arregla en dos pasos, como en la figura anterior, la unidad se llama horquilla. 2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS.
2.2.1 VENTAJAS. ←
Diseño: Es muy fácil realizar sus partes estándar para un posterior montaje.
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Montaje: Se puede ensamblar en cualquier taller de plomería.
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Costos: Proporciona superficies de transferencia de calor a bajo costo. 2.2.2. DESVENTAJAS.
←
Transferencia: La principal desventaja es la pequeña superficie de transferencia de calor contenida en una horquilla simple.
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Fugas: Cuando se usa con un equipo de destilación se requiere gran número de horquillas y en cada horquilla existe la posibilidad de fugas debido a las conexiones.
←
Espacio: Para los procesos industriales que requieren grandes superficies de transferencia de calo, se necesitan gran número de equipos, los que no se pueden acomodar en pequeños espacios. se recomienda el uso de tubos concéntricos para superficies pequeñas (100-200 ft2).
←
Mantenimiento: El tiempo y gastos requeridos para desmontarlos y realizar limpiezas son prohibitivos, comparados con otros tipos de equipos. 2.3. Posición de los fluidos La colocación de los fluidos depende de varios factores, el más importante es el de colocar el de fluido
caliente en el tubo interior con el objetivo de que no halla pérdidas de calor por convección al medio exterior (aire). También hay otros factores que suprimen a este como por ejemplo que el fluido sea corrosivo o tóxico en caso de este se colocara este fluido en el tubo interior porque es preferible que se dañe el tubo interior que el exterior para evitar perdidas de este fluido, además si llegara haber un escape el medio ambiente no estaría en peligro ya porque el fluido tóxico se encuentra en la tubería interior. La colocación de los fluidos depende también de la caída de presión en los tubos, ya que la caída de presión de cada tubo debe ser menor a la presión disponible de cada uno. 2.4. Temperatura Por conveniencia, el método para calcular la diferencia de temperaturas entre dos fluidos, deberá emplear únicamente las temperaturas de proceso, ya que en general son las únicas que se conoce. La diferencia de temperaturas que se utiliza para los tubos concéntricos es la MLDT llamada la media logarítmica de temperaturas que es igual a: ð t = MLDT = ( ðt2 - ðt1 ) / ln( ðt2 /ðt1 ) donde ðt2 , ðt1 son las diferencia de temperatura de cada terminal Para utilizar esta diferencia de temperaturas se debe aceptar las siguientes 5 suposiciones: El coeficiente total de transferencia de calor U es constante en toda la trayectoria. Las libras por horas de fluido que fluye son constantes, obedeciendo los requerimientos de estado estable. El calor específico es constante en toda la trayectoria. No hay cambios parciales de fase en el sistema, por ejemplo vaporización o condensación. Las pérdidas de calor son despreciables. La diferencia de temperaturas entre un fluido y la pared de un tubo: si la temperatura de la circunferencia interior de la pared de un tubo es casi constante en toda su longitud, como sucede cuando el fluido dentro del tubo se calienta por vapor, habrá dos diferencias de temperatura distintas en los finales: una entre la pared del tubo y el liquido y otra en el otro extremo entre la pared del tubo y el liquido calentado. Refiriéndonos a la figura , la temperatura constante de la pared interior del tubo se muestra por la líneas horizontal tp.
Si se supone que el calor especifico es constante para el liquido, el aumento en la temperatura es proporcional al calor total recibido por el liquido al pasar de la temperatura interior t1 a la temperatura exterior t2 y si hi se considera constante .dQ = hi*dAi*_ti la pendiente de la línea inferior que define la diferencia de temperatura _ti como función de Q es d_ti/dQ = (_t2 - _t1 )/Q eliminando dQ e integrando: Q = hi*Ai*(_t2 - _t1) Ln _t2/_t1
La expresion (_t2 - _t1) es la media logaritmica de la diferencia de temperatura y Ln _t2/_t1 Se abrevia MLDT. 2.5.Turbulencia Es uno de los fenómenos más importantes de la transferencia de calor por convección, ya que a mayor turbulencia se aumentara el coeficiente de película con una proporcionalidad de h ð Re^.8, por esta razón se debe maximizar la caída de presión hasta la caída de presión disponible. Uno de los criterios para seleccionar la colocación de los fluidos en un intercambiado es el de colocarlo el fluido de mayor flujo en la mayor área transversal de la tubería y el de menor flujo en la menor area, todo con el objetivo de evitar el flujo laminar ya que bajaría el valor del coeficiente de película debido a que transferencia de calor sería más conducción que por convección ya que las partículas del fluido no se estarían moviendo de forma perpendicular a la tubería Sino en forma paralela. Al caer el valor del coeficiente de película la transferencia de calor sería mala. TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES
%R
P Kg./cm2 vapor
T Vapor ºC
T Cond ºC
T Agua ºC
Tagua caliente ºC
100
0.7
108
108
25
35
15
+100
0.7
108
108
25
34
15
SECUENCIA DE CALCULOS 1.- Calculo del gasto volumétrico del agua
Gva
•
=
π 4
di
2
∆Ζ
θ
3
m = h
calculo directo,
100% - 10.38 l/min. 3 60min 10.38 = 0.6228 m .min 1000 l 1h h 3
l
1m
2.- Calculo del gasto masa de agua Gma
= gvaρ a =
kg h
∆Z Cond cm
Θ min
Gma = ( 0.6228) ( 998.035)
= 621.576 kg h
3.- calculo del gasto volumetrico del condensado
Gva
Gva
=
=
π 4 π 4
di
2
∆Ζ
θ
0.1475
3
m = h
0.026 0.1667
3
=
0.018063 m h
4.- Cálculo del gasto masa del condensado
Gmvc = (0.3533* 60* 998.035) /1000 = 21.1563
kg h
5.- cálculo de calor ganado o absorbido del agua Qa)
cp
=1
kcal kg *º C
Qa = ( 621.576) ( 1) ( 35 − 25)
= 6215.7619 kcal h
6.- cálculo del calor cedido por el vapor (Qv)(si la condensación es isotérmica)
λv = 533.3 Kcal/Kg
Qv = 21.1563*533.3 = 11282.6548
kcal h
7.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental.
n=
6215.7619 11282.6548
× 100 = 55.0913%
8.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor.
U exp =
6215.7619 0.2007*77.893
= 397.602
kcal 2 m * h* C
9.- Cálculo de la media logarítmica de la diferencia de temperatura. ∆T =
∆Τ1 − ∆Τ2
ln
∆Τ1
=º C
∆Τ2
∆T = 83 − 73 = 77.893º C ln
83 73
En donde: ∆Τ1 = Τ1 − t 1 = ∆Τ1 = Τv − ta ∆Τ2 = Τ2 − t 2 = ∆Τ2 = Τv − tacaliente
∆Τ1 = 108 − 25 = 83 ∆Τ 2 = 108 − 35 = 73 10.-Cálculo del área de transferencia de calor. A = π * de * L
=
m
2
A = π * 0.0213 * 3 = 0.2007 m
2
11.-Coeficiente de película interior.
tm
=
tm=
t 1 + t 2 2
35 − 25 2
=º C
= 5º C
0.5393 0.0161*3059.1936*951 ( 0.0161 2.599
hi = 0.0225
12.- calculo de la velocidad de flujo del agua. v
=
Gva Aflujo
=
Gva π 2 * di 4
=
m h
0.8
0.988*2.599 0.5393
0.4
)
= 3572.12
kcal 2
hm*º c
v =
0.6228 π
4
2
= 3059.1936 m h
* 0.0161
13. -Coeficiente de película exterior
λv = 543.3 Kcal/Kg
2
3
* *543.3*127137600 ^ 1 / 4 = 6177.0013 he= 0.725 971.53 0.577
0.0213*1.2856 *86.75
14.- Cálculo de la Tf Tf = Tv − 0.75∆Tf ∆Tf =
Tv − T sup
Tf = 110 − 0.75( 31)
= 86.75
∆Tf = 110 − 69 = 31
Este cálculo es un aproximado de la temperatura de pared o superficie
kcal 2
hmº c
T sup
=
T sup
=
T sup =
Tv + Tc + ta + tacaliente 4 T 1 + T 2 + t 1 + t 2 4
=º C
=º c
108 + 108 + 25 + 35
= 69º c
4
Las propiedades físicas se evalúan a temperatura de pared de película(Tf) del condesado
15.-Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teorico
Uteo =
1 0.0026*0.0213
1 + + 3572.12 * 0.0161 386.9*0.0187 6177.0013 0.0213
= 1852.17
16.-Cálculo de la desviación porcentual %D de los coeficientes Uteo y Uexp
% D
=
%D =
Uteo − Uexo Uteo
Χ100
5010.9153 − 1852.17 5010.9153
SECUENCIA DE CALCULOS
Χ100 = 63.03%
kcal 2
hmº C
1.- Calculo del gasto volumétrico del condensado
Gvc =
1m3
5.7 L
* * 15min 1000 L
60min 1h
m3 = 0.0228 h
2.- Calculo del gasto masa del condensado
Gmc = Gvc ρ c =
kg h
m3 Kg kg Gmc = 0.0228 998.035 3 = 22.75 h m h 3.- cálculo del calor cedido por el vapor (Qv)(si la condensación es isotérmica)
λv = 543.3 Kcal/Kg
Qv = 22.75*543.3 = 12362.9
kcal h
4.- Gasto másico del agua con un balance de energías, si la eficiencia fuera del 100%
Qa = Qv cp
=1
kcal kg *º C
Qv = Gma* Cpa* (T 2 − T 1)
Gma =
12362.9 1*(34 − 25)
= 1373.66 Kg h
7.- Cálculo del gasto volúmen del agua
Qva =
1373.66 998
m3 = 1.376 h
8.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor.
U exp =
12362.9 0.2007*78.4
= 785.7
kcal 2 m * h* C
9.- Cálculo de la media logarítmica de la diferencia de temperatura. ∆T =
∆Τ1 − ∆Τ2
ln
∆Τ1
=º C
∆Τ2
∆T = 83 − 74 = 78.4º C ln
83 74
En donde: ∆Τ1 = Τ1 − t 1 = ∆Τ1 = Τv − ta ∆Τ2 = Τ2 − t 2 = ∆Τ2 = Τv − tacaliente
∆Τ1 = 108 − 25 = 83 ∆Τ 2 = 108 − 34 = 74
10.-Cálculo del área de transferencia de calor. A = π * de * L
=
m
2
A = π * 0.0213 * 3 = 0.2007 m
2
11.-Coeficiente de película interior.
tm
=
tm=
t 1 + t 2 2
=º C
34 − 25 2
= 2.25º C
0.5393 0.0161*6760.94*951 ) 0.0161 ( 2.599
hi = 0.0225
12.- calculo de la velocidad de flujo del agua. v
=
v =
Gva Aflujo
=
Gva π 2 * di 4
1.376 π
4
2
* 0.0161
=
m h
= 6760.94 m h
13. -Coeficiente de película exterior
0.988*2.599 0.5393
0.8
0.4
= 6763.87
kcal 2
hm*º c
λv = 543.3 Kcal/Kg
2
3
* * 543.3*127137600 ^ 1 / 4 = 6332.06 he= 0.725 971.53 0.577
0.0213*1.2856* 78.56
14.- Cálculo de la Tf Tf = Tv − 0.75∆Tf ∆Tf =
Tv − T sup
Tf = 108 − 0.75( 39.25)
= 78.56
∆Tf = 108 − 68.75 = 39.25 Este cálculo es un aproximado de la temperatura de pared o superficie
T sup
=
T sup
=
T sup =
Tv + Tc + ta + tacaliente 4 T 1 + T 2 + t 1 + t 2 4
=º c
108 + 108 + 34 + 25 4
=º C
= 68.75º c
kcal 2
hmº c
Las propiedades físicas se evalúan a temperatura de pared de película(Tf) del condesado
15.-Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teorico
Uteo =
1 0.0026*0.0213
1 + + 6763.87* 0.0161 386.9*0.0187 6332.06 0.0213
= 2768.73
kcal
hmº C
16.-Cálculo de la desviación porcentual %D de los coeficientes Uteo y Uexp
% D
=
%D =
Uteo − Uexo Uteo
Χ100
2768.73 − 785.7 2758.73
CONCLUSION
Χ100 = 71.62%
2
Los intercambiadores de calor son equipos que permiten el calentamiento, cambio de fase o enfriamiento de un fluido (liquido o gas) por medio de otro fluido a diferente temperatura y separado por una pared generalmente metálica. En la industria la transferencia de calor se efectúa por medio de intercambiadores de calor y el más sencillo esta formado por dos tubos de diferentes diámetros de tal manera que uno esta dentro del otro, al espacio entre ambos tubos se le denomina anulo o sección anular por donde uno de los fluidos circula, el otro fluido circula dentro del tubo interior. A este intercambiador de calor se le conoce como intercambiador de tubos concéntrico. Los usos más frecuentes es por que la sección transversal es pequeña, estos cambiadores manejan poco columna de fluido, tiene a trabajarse a presiones y temperaturas elevadas, debido a que la relación entre el diámetro y espesor es alto, lo que le da una alta resistencia mecánica.
