UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO FACULTAD ACULTAD DE QUÍMICA QUÍM ICA PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERO QUÍMICO
PRÁCTICA No.13 “DETERMINACIÓN DE LA CORRELACIÓN MATEMÁTICA QUE DESCRIBA EL COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL INTERCAMBIADOR CONCÉNTRICO PARA EL SISTEMA DE AGUA CALIENTE- AGUA FRÍA” TRABAO QUE PRESENTAN! Alarcón Castillo Mónica Frnan!a Al"aro #$arano Al"onso Contrras Vill%as Man&l I'(n D)a* Var%as Rosalin!a Es+inosa ,(rat Mónica Arli -ó.* San /&an Eri0a 1arli Lora R&i* Marlon Marcl Vill%as Soto Eli*a2t3 -r&+o 44 E5&i+o D
LABORATORIO DE FLUO DE FLUIDOS " TRANSFERENCIA DE CALOR M n C6 /UAN ANTONIO AR,ATE SAL-ADO
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OBJETIVO
Identificar la transferncia de calor que se lleva a cabo dentro de la tubería por convección dentro de un intercambiador de tubos concéntricos tomando en cuenta la resistencia que se produce debido a la corrosión debido al desgaste o suciedad. eterminr a través de re!nols" numero de prandtl" numero de nusselt la temperatura de la parte interior ! e#terior .
HIPÓTESIS
Es posible a partir de los datos obtenidos comprobar que el coeficiente global de transferncia de calor tiene una ma!or eficiencia si la resistnecia que se produce por la corrosión es menor lo que afecta directamente el gradiente de temperatura.
MARCO TEÓRICO $os intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los m%s sencillos que e#isten. Estan constituidos por dos tubos concéntricos de di%metros diferentes. &no de los fluidos flu!e por el interior del tubo de menor di%metro ! el otro fluido flu!e por el espacio anular entre los dos tubos.
'a! dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos( a contracorriente ! en paralelo. ) contracorriente los dos fluidos entran por los e#tremos opuestos ! flu!en en sentidos opuestos* en cambio en paralelo entran por el mismo e#tremo ! flu!en en el mismo sentido. ) continuación se pueden ver
dos im%genes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.
Factores de Obstrucción. $as superficies de transferencia de calor de un intercambiador de calor pueden llegar a recubrirse con varios depósitos presentes en las corrientes o las superficies pueden corroerse como resultado de la interacción entre los fluidos ! el material empleado en la fabricación ! dise+o del intercambiador. El efecto global se representa generalmente mediante un factor de suciedad o resistencia de suciedad" ,f. -ue debe incluirse unto con las otras resistencias térmicas para obtener el coeficiente global de transferencia de calor. $os factores de suciedad se tienen que obtener e#perimentalmente" la determinación de los valores de /&0 del intercambiador de calor" tanto en condiciones de limpie1a como en suciedad.
Intercambiadores alternativos En este caso los fluidos pueden recorrer un mismo espacio de forma alternativa" 2abitualmente se emplea para intercambio térmico aire3aire
Intercambiadores rotativos de aireaire Es un tipo de intercambiador alternativo" de gran superficie ! forma cilíndrica" que puede intercambiar calor sensible ! latente entre los dos fluos. ic2a superficie puede constar de tramas met%licas" o de espuma o de fieltro. El control de intercambio de calor se efect4a variando la velocidad de rotación. $a eficiencia alcan1a valores de 567 mínimo 2asta un 867 o un 897 m%#imo para fluos en contracorriente" para fluos paralelos el valor baa 2asta la mitad.
Intercambiadores de su!er"icie $os fluidos también pueden ocupar distintos espacios separados por una superficie. En este caso" de acuerdo con la dirección relativa de los fluos" se
pueden clasificar como de fluos paralelos o de fluos cru1ados. ) su ve1 si es de fluos paralelos" éstos pueden tener el mismo sentido de circulación :equicorrientes; o sentido contrario :contracorriente;. $os intercambiadores de fluos paralelos se suelen emplear en los intercambios térmicos líquido3líquido" los de fluos cru1ados entre líquido3gas. El intercambiador de fluos a contracorriente permite calentar el fluido frío a una temperatura ma!or que la de la salida del fluido caliente ! a una ma!or velocidad de transmisión.
Intercambiadores est#ticos de aireaire
67 al 567 de calor sensible 6
Flu$o en !aralelo E#iste un fluo paralelo cuando el fluo del tubo interno ! el fluo de sector e#terno ambos flu!en en la misma dirección. En este caso" los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo e#tremo ! estos presentan una diferencia de temperatura significativa. =omo el calor se transfiere del fluido con ma!or temperatura 2acia el fluido de menor temperatura" la temperatura de los fluidos se apro#iman la una a la otra" es decir que uno disminu!e su temperatura ! el otro la aumenta tratando de alcan1ar el equilibrio térmico entre ellos. ebe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcan1a la temperatura del fluido m%s caliente.
Flu$o en Contracorriente
ma!or temperatura" la temperatura del fluido m%s frío se apro#imar% a la temperatura de entrada del fluido caliente. Este tipo de intercambiador resulta ser m%s eficiente que el tipo mencionado anteriormente. En contraste con el intercambiador de calor de fluo paralelo" el intercambiador de contracorriente puede presentar la temperatura m%s alta en el fluido frío ! la m%s baa temperatura en el fluido caliente una ve1 reali1ada la transferencia de calor en el intercambiador.
El coe"iciente convectivo de trans"erencia calor es usado para cuantificar la tasa de transferencia de calor convectiva de o 2acia la superficie de un obeto. $a transferencia de calor convectiva es el modo en que la energía se transfiere entre la superficie de un sólido ! un fluido ad!acente que se encuentra en movimiento" ! que implica la combinación de los efectos de conducción ! de movimiento del fluido. ) medida que el movimiento del fluido sea m%s r%pido" ma!or ser% la transferencia de calor convectiva. $a tasa de transferencia convectiva de calor es proporcional a la diferencia de temperatura" ! se e#presa mediante la le! de enfriamiento de ?e@ton( -A2) :Ts3Tf; onde - es la energía neta aplicada al sistema :; 2 es el coeficiente convectivo
de transferencia de calor :CmD =;
) es el %rea a través de la cual se lleva a cabo la transferencia de calor. Ts Temperatura de la superficie :; Tf Temperatura del fluido :=;
El ?4mero de ?usselt :?u; es un n4mero adimensional que mide el aumento de la transmisión de calor desde una superficie por la que un fluido discurre :transferencia de calor por convección; comparada con la transferencia de calor si ésta ocurriera solamente por conducción. Este n4mero se llama así en 2onor a il2elm ?usselt" ingeniero alem%n que nació el D9 de noviembre de F88D en ?4remberg.
El ?4mero de Grandtl :Gr; es un n4mero adimensional proporcional al cociente entre la difusividad de momento :viscosidad; ! la difusividad térmica.
E%&IPOS I'(&STRIA)ES* Industria alimentaria( $os intercambiadores de calor a placas se utili1an en la fabricación de lec2e" mantequilla" queso" postres" miel" !ogures" cerve1a" 2elados" refrescos" agua embotellada" salsas. $a!go gasHets suministra untas de intercambiadores de calor de placas para todo tipo de aplicación alimentaria. Industria n%utica( $os intercambiadores a placas son utili1ados como enfriadores de aceite" enfriadores de agua de refrigeración de los motores" generadores de agua potable. =omo característica particular de los I=G en la Industria arina cabe destacar el material de las placas para poder resistir el poder de corrosión del agua del mar. El material empleado 2abitualmente es el Titanio" de menor peso que el acero ino#iable ! resistente a la corrosión del agua salina. En los generadores de agua potable también se utili1an I=G" que a diferencia de los intercambiadores de tubos" ocupan muc2o menor espacio ! proporcionan un rendimiento muc2o m%s eficiente. Industria de tratamiento de superficies( $os intercambiadores de calor a placas se utili1an para el calentamiento de la solución desengrasante" enfriamiento del agua de aclarado" calentamiento de la imprimación fosfatante" enfriamiento de la laca aplicada por cataforesis. =alefacción ! refrigeración( esde grandes instalaciones 'V)=" 2asta instalaciones centrali1adas de refrigeración. $os intercambiadores de calor de placas son mundialmente demandados para estas aplicaciones de frío ! calor. randes m%quinas para grandes caudales en aplicaciones istrict 2eating ! istrict cooling.
Industria quimica Intercambiadores tipo Ba!oneta( os tubos concéntricos. El tubo interno se utili1a para suplir de fluido al %nulo locali1ado entre el tubo e#terno ! el interno.
(ATOS E+PERIME'TA)ES
P&*&,#,o I()#*$&/&'o* 01 I()#*$&/&'o* 0 T#5 A+2& A+2& Vo,2 o V&5o* F*6& C&,#()# A+2& F*6& #( L4 M(4 T o2) T T Co**' T ( T o2) T ( 7C T ( o2) T ( o2) & 7C4 7C4 7C4 4 7C4 7C4 7C4 7C4 7 77; 7;8 :; 8< 8< 8< :; << 7: =6:8 : 77; 7;8 :; 88 8< 8= =8 <8 4 76<7 = 77; 7;8 :; 88 84 87 =; <8 4 76=8 < 77; 7;= 7> 88 8< 8< =8 <8 4 76<> 8 7;? 7;= :; 8< 8< 8< =8 <8 4 76=@ 4 77; 7;= :; 8< 8< 8= =8 <8 4 76=> @ 777 7;= :; 8; 8; 8; => << 4 76<= > 7;? 7;8 :; 8@ 8@ 8< == << 4 768 +ro.! 7;?6>@ 7?6@ 8<6 8<67 8:6> =:64 <<64 764<4: io 8 7;< 8 :8 :8 @8 :8 :8 46@8 8 Ta2la 76 Datos +ri.ntals !l arr%lo n +arallo6 Co()*&$o**#()#
I()#*$&/&'o* 01 I()#*$&/&'o* 0 Vo,2 A+2& A+2& #( T#5o V&5o* 8*6& $&,#()# A+2& 8*6& ,4 (4 T o2) T T T ( T o2) T ( 7C T ( o2) T ( o2) Co**'& 7C4 7C4 7C4 4 7C4 7C4 7C4 7C4 7 77: 7;8 =: ?< ?@ =8 78 =; 4 76: : 77:68 777 <: ?< ?@ :@ 78 :< 4 76:4 = 77:68 77: =; ?< ?@ :: 7= :< 4 76:< < 77:68 77: => ?< ?@ :; 7= :< 4 76:< 8 77:68 77< <; ?< ?@ 7? 7= :< 4 76:@ 4 77:68 774 <7 ?< ?@ 7? 7= := 4 76:= @ 77:68 77@ <7 ?< ?@ 7? 7= := 4 76:< > 77:68 77@ <7 ?< ?@ 7> 7= := 4 76: +ro.!i 77:6<= =>67 ::6= :<6= o @8 77= :8 ?< ?@ @8 7=68 @8 4 76:=8 Ta2la :6 Datos +ri.ntals !l arr%lo a contracorrint6
C,)C&)OS atos iniciales( En la pr%ctica FD se obtuvieron(
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I()#* 01 I()#* 0
PARALELO TBF $ 77;68>?< =;; <868;44
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76G R#,&$9( #56*$& 5&*& #, $:,$2,o '#, $o#;$#()# '# 5#,6$2,&
CoHcint ! +l)c&la +ara &i!os n t&2os J t&2r)asK s%n Si!r J Tat
Sin .2ar%oK &na r+rsntación %r(Hca ! sta +rsión st( !a!a +or la H%&ra :<6 C&r'a ! trans"rncia ! calor la!o ! t&2os6 B+6?=?K D6 rn
or .!io !l %rHco +o!.os !tr.inar l "actor / con 2as al n.ro ! RK J as) &sar la corrlación +ara o2tnr l c(lc&lo !l coHcint ! trans"rncia ! calor con'cti'o6 La c&ación ! corrlación +ara l coHcint ! tras"rncia ! calor con'ti'o "& 1 0.9
Nu=0.0115 ℜ Pr 3 1
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Con 2as al 2alanc ! nr%)a s o2tin los si%&ints !atos F,2<;6>>: 8=86>4?; ==:@@6< 84446=>; 4=<6?<=< ><7@@64 77 ?? @7 << 7= := Prs<a!os con los 'alors +ro.!io ! las ta2las6
ro+i!a!s ")sicas ! los &i!os Fl&$o +arallo P*o5#'&'
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ro+i!a!s a t.+rat&ras +ro.!io ! los &i!os ta2la <6 Con!&cti'i!a!s tr.icas ! l)5&i!osK H%&ra 7<6 Viscosi!a!s ! l)5&i!osK H%&ra :6 Calors s+c)Hcos ! l)5&i!os J %ass
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?.-ANÁLISIS DE RESULTADOS!
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e acuerdo con los datos obtenidos podemos observar que el intercambiador que opera bao el régimen de fluo a contracorriente tiene las meores condiciones de transferencia !a que el valor obtenido en la película es menor por lo que el factor de obstrucción dentro de los tubos es mínimo 2aciendo que tenga un meor fluo. eterminando que el arreglo en contracorriente es m%s eficiente que el arreglo en paralelo debido a que el coeficiente de película esta controlado por el anulo el cual transporta vapor" que analíticamente presenta una ma!or resistencia a la transferencia de calor e comparación del agua.
1.-CONCLUSIONES! $os coeficientes de transferencia son ma!ores en contracorriente debido a la eficiencia que presentan en comparación con el arreglo en paralelo El c%lculo de coeficiente conectivo de transferencia de calor es un par%metro mu! 4til en el dise+o de equipos de transferencia de calor !a que nos permite conocer la rapide1 de transferencia de calor por convección utili1ando la correlación matem%tica de los n4meros adimensionales
REFERE'CIAS CO'S&)TA(AS
iblio/r#"icas =rane." :D669; Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías. :Kra ed.; é#ico .L.( c ra@3'ill Burbano" <.E. :D66K; Física general :Kra ed.; é#ico .L.( Editorial Téba
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2ttp(CC@@@.academia.eduC9>>6FK8CG7=K78Q,I)
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