LABORATORIO DE INGENIERIAS LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR PRACTICA Nº 6
TIEMPO
TEMA
ESTIMADO
40 min
INTERCAMBIADOR DE CALOR TUBULAR CONCENTRICO
ASIGNATURA Transferencia de calor
1. OBJETIVOS -
Establecer el balance de energía del intercambiador. Calcular la eficiencia y el coeficiente global de transferencia de calor en dos sentidos de flujo. 2. METODO
-
Mediante la determinación de la energía transferida para determinar las características de un intercambiador de calor tubular concéntrico por medio de su eficiencia y su coeficiente global global de transferencia transferencia de calor. 3. EQUIPO Y MATERIALES
-
Unidad de servicio de transferencia de calor HT30CX. Intercambiador Intercambiador de calor tubular concéntrico HT31. 4. MARCO TEORICO
4.1 Intercambiadores Intercambiad ores de calor
Los intercambiadores intercambiadores de calor son equipos que permiten transferir energía (calor) de un fluido a otro sin ponerlos en contacto directo, la transferencia se produce a través de una pared sólida que los separa. Un fluido transfiere calor por convección a una pared sólida, el calor atraviesa esta por conducción y por último el otro fluido recibe la transferencia por convección. Los tipos más usuales son: a. b.
Intercambiadores Intercambia dores de doble tubo. Intercambiadores Intercambiadores de carcasa y tubos.
c. Intercam Intercambiado biadores res co mp ac to s.
4.2 Intercambiadores de calor de doble tubo Es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. En un intercambiador de calor de doble tubo, el fluido caliente circula por un tubo, descendiendo su temperatura desde un valor de entrada, Te, hasta uno de salida, Ts, mientras que el fluido frío lo hace por el segundo tubo, bien en el mismo sentido (corriente directa), bien en sentido contrario (contracorriente), desde un valor de entrada, te, hasta otro de salida, ts.
4.2.1
Operación Flujo Paralelo
Los dos fluidos ingresan por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. La temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser mayor que la temperatura de salida del fluido caliente.
Fig. 4.1 Configuración Flujo paralelo [1]
4.2.2
Operación Flujo Cruzado
Los dos fluidos ingresan por extremos contrarios y por lo tanto fluyen en sentidos opuestos. La temperatura de salida del fluido frío puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.
Fig. 4.2 Configuración Flujo Cruzado [1]
4.3 Coeficiente Global de transferencia en intercambiadores. El coeficiente global de transferencia de calor (U) cuya unidad es (W/m^2 *°C), es un factor que, para una configuración geométrica o hidrodinámica dada, al multiplicarlo por el área del intercambiador de calor y por la diferencia total de temperaturas, es obtiene el valor total transferido.
El coeficiente global de transferencia de calor en un intercambiador es idéntico a la unidad de coeficiente de convección, h
Se tiene de coeficientes de calor globales Ui y Uo, para un intercambiador de calor, se debe a que todo intercambiador de calor tiene dos áreas superficiales, para la transferencia de calor Aiy Ao, las cuales en general no son iguales entre sí. [1]
Podemos concluir que el coeficiente de transferencia de calor global U de un intercambiador de calor no tiene significado a menos que se especifique el área sobre la cual se basa. En la tabla 11-1, se dan valores representativos, para los cuales los intercambiadores que comprenden cambios de fase, en el caso de los casos, por ejemplo, debido a que poseen conductividades térmicas uy bajas y los procesos de cambio de fas están relacionados con coeficientes de transferencia de calor muy altos. [1]
4.4 Eficiencia de intercambiadores El método de efectividad o eficiencia – NTU (número de unidades de transferencia), simplifica mucho los análisis de los intercambiadores de calor, este método se basa en un parámetro adimensional llamado efectividad de transferencia de calor ε definido como:
Donde la razón de transferencia de calor real de un intercambiador de calor se puede determinar en un balance de energía en los fluidos caliente y frío se puede expresar como:
Cc y Ch son las razones de capacidad calorífica de fluidos frío y caliente respectivamente. Y para determinar la razón máxima posible de transferencia de calor en intercambiador se reconoce la diferencia de temperatura máxima: [1]
La transferencia de un intercambiador alcanzará su valor máximo cuando 1) el fluido frío se caliente hasta la temperatura de entrada del caliente o 2) cuando el fluido calien te se enfríe hasta la temperatura de entra del frío. Por lo tanto, la razón máxima posible de transferencia de calor de un intercambiador es:
Donde Cmin es menor que Ch y Cc. La efectividad de un intercambiador de calor depende de su configuración geométrica, así como de la configuración del flujo. Por lo tanto, los diferentes tipos de intercambiadores tienen relaciones diferentes para la efectividad.
Se han desarrollado relaciones de la efectividad para un gran número de intercambiadores como los podemos observar en la tabla 11-4. [1]
5. DESARROLLO
5.1 PREPARACION Y AJUSTE DEL EQUIPO
Conectar los 6 termopares en la unidad de servicio HT30XC procurando conectar cada termopar en su zócalo, razón por la cual cada punto de conexión y cada terminal están numerados.
Además, se debe inspeccionar que la conexión a la fuente de agua fría este acoplada con el regulador de presión y no posea fugas, de igual manera se debe llenar el tanque reservorio del equipo que proporcionará agua caliente al equipo. Verificar que la alimentación eléctrica esté conectada adecuadamente en la parte posterior de la unidad de servicio.
Fig. 5.1 Diagrama del Intercambiador de Calor HT31.
5.2 PROCEDIMIENTO
Ubique el dispositivo HT31 en la unidad de servicio y acople las mangueras de alimentación a las válvulas de la unidad HT30XC, es decir, cada toma con su respectiva válvula de alimentación.
Encender la unidad de servicio por el botón el su parte frontal y de igual manera conectarla mediante el puerto USB en la parte frontal del equipo a la computadora de control.
Fig. 5.2 Conexión del Intercambiador HT31
Ingrese al software del dispositivo HT31 TUBULAR HEAT EXCHANGER donde seleccionará OPERACIÓN CONTRACORRIENTE (COUNTERCURRENT OPERATION).
Mediante click en el botón FLOW se ajusta el porcentaje de caudal de agua caliente, para facilitar el control de flujo se selecciona 60%. Ahora se selecciona le porcentaje de flujo de agua fría en la casilla con las flechas de ascenso o descenso de valor (40%).
Se ajusta la temperatura a la cual se desea calentar el agua con click en el botón HEATER, se ingresa el valor de la temperatura máxima deseada (65 ºC).
Encender el sistema mediante POWER ON y permitir que el sistema se estabilice.
Tomar una muestra por medio del botón
Una vez realizado el experimento se apaga el sistema, se guardan los resultados y se abre un nuevo experimento, esta vez se selecciona OPERACIÓN CORRIENTE PARALELA (COCURRENT OPERATION).
Repetir la experiencia en esta manera de operación.
Para la exportación de datos, se guardan el archivo de los resultados que luego debe ser abierto con el programa EXCEL donde se podrán contar con los valores obtenidos durante la práctica para su posterior manejo.
.
6. CÁLCULOS Y RESULTADOS
Algunos de las fórmulas y constantes necesarias para este ejercicio son: Flujo másico
kg/s
Velocidad
m3/s
CONSTANTE
MEDIDA
UNIDAD
Diámetro interno
Di= 0.0083
m
Diámetro externo
De= 0.0095
m
Longitud de cada tubo
L= 0.660
m
1. F lujo Contracor r i ente.
Para cada serie de valores tomados los resultados deben ser tabulados bajo la siguiente estructura: Calor emitido (agua caliente)
W
Calor ganado (agua fría)
W
Calor ganado o perdido total
W
Eficiencia Global
%
Reducción de temperatura Agua caliente
ºC
Aumento de temperatura Agua Fría
ºC
Eficiencia Agua caliente
%
Eficiencia Agua Fría
%
Eficiencia Promedio
%
Diferencia Temperatura Media Logarítmica
ºC
Área de transferencia
m2
Diámetro medio
M
Coeficiente Global de Transferencia de calor
W/m2K
2. F lujo Paralelo.
Para cada serie de valores tomados los resultados deben ser tabulados bajo la siguiente estructura: Calor emitido (agua caliente)
W
Calor ganado (agua fría)
W
Calor ganado o perdido total
W
Eficiencia Global
%
Reducción de temperatura Agua caliente
ºC
Aumento de temperatura Agua Fría
ºC
Eficiencia Térmica del Agua caliente
%
Eficiencia Térmica del Agua Fría
%
Eficiencia Promedio
%
Diferencia Temperatura Media Logarítmica
ºC
Área de transferencia
m2
Diámetro medio
M
Coeficiente Global de Transferencia de calor
W/m2 K
7. ACTIVIDADES DEL ALUMNO 7.1 llenar la siguiente tabla con los resultados de cálculo para las dos fases de la experimentación: Temperatura de reservorio ºC
H2O caliente
% H2O Fría
60
40
-0.0814 0.00116 -0.0815 1.3682 0.8474 0.8474 30.9804 0.13985
60
40
-0.0932 0.00127 -0.0919 1.3527 0.8645 0.8645 32.6534 0.14697
60
40
-0.1125 0.00154 -0.1154 1.3506 1.1327 0.8226 36.9825 0.17033
%
7.2
Realizar un gráfico temperatura de agua fría y caliente vs distancia de la entrada de agua caliente donde se puedan observar las líneas a través de los puntos.
TEMPERATURA VS DISTANCIA T agua caliente 60 52.4
T agua fría
52.1
51.9
20.6
20.7
50 A R 40 U T A R 30 E 20.1 P M20 E T
10 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
DISTANCIA
0.5
0.6
0.7
8. CONCLUSIONES Al realizar la práctica del intercambiador de calor tubular concéntrico HT31 Armfield, con la ayuda de la unidad de servicio de transferencia de calor HT30CX , que proporciona un flujo controlado de agua fría, un flujo bidireccional de agua caliente y los instrumentos necesarios para realizar una serie de investigaciones o experimentos didácticos sobre el rendimiento del intercambiador de calor. Determinando de esta forma, la eficiencia y el coeficiente global de transferencia de calor en dos
sentidos de flujo, como se propone en los objetivos de la presente práctica. Se llega a la conclusión que, de intercambiador de tubos concéntricos, tiene una buena eficiencia, haciendo de este intercambiador uno de los más utilizados dentro de la industria.
9. CUESTIONARIO 1. Realizar un cuadro comparativo de intercambiadores de calor de carcasa y
tubos, placas y concéntricos.
R
e
p
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s
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at
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F
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ni
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ói
n
Cuadro comparativo de Intercambiadores de calor Carcasa y tubos
Placas
Concéntricos
Estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en una carcasa con sus ejes paralelos al de éste.
Es un tipo innovador de intercambiador, el cual consta de una serie de placas con pasos corrugados y aplastados para el flujo.
El tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntricos de diámetros diferentes, llamado intercambiador de tubos concéntricos.
La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza.
Los fluidos caliente y frío fluyen en pasos alternados, de este modo cada corriente de fluido frío queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo que da por resultado una transferencia muy eficaz de calor.
En un intercambiador de este tipo uno de los fluidos pasa por el tubo más pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos tubos.
2. ¿Cómo afecta el cambio en el valor de los caudales de agua fría y caliente en la
transferencia de calor? ¿Influye de alguna manera el número de tubos? El cambio de valor de los caudales ya sea de agua fría o caliente, afectan cambiando las propiedades del fluido éntrelas principales su velocidad y la temperatura, en cualquier entrada o salida, no van a seguir siendo las mimas. Por lo tanto, la transferencia de calor entre el fluido caliente y el fluido frío no pueden ser iguales. Si se tiene un mayor número de tubos, se requiere un caudal mayor para transportar el fluido por todo el intercambiador y si se tiene un menor número de tubos pues se necesitará de un menor caudal para llevar todo el fluido a través del intercambiador.
3. ¿Cómo influye el sentido del flujo, ya sea contracorriente o corriente paralela, a
la transferencia de calor? Influye en la temperatura de salida del fluido frio , porque en el flujo paralelo, la temperatura de salida del fluido frío puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente y en el flujo a contracorriente, la temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser mayor que la temperatura de salida del fluido caliente.
INFORME a.
Como marco teórico se debe abordar y profundizar los siguientes temas: 1. 2. 3.
Intercambiadores de calor de doble tubo. Coeficiente Global de transferencia en intercambiadores. Eficiencia de intercambiadores de calor de doble tubo.
REFERENCIAS [1] Y. Cengel, J. Ghajar, Transferencia de calor y masa, cuarta edición, editorial Mc Graw Hill, 2007 [2] Vanegas Rivera, V. (2012). “Elaboración e implementación de las guías prácticas de laboratorios de mecánica fluidos, máquinas térmicas, máquinas hidráulicas, termodinámica, transferencia de calor, automatismos, metrología, fundición, tratamientos térmicos y CNC ”. Universidad Politécnica Salesiana.
ANEXOS
Figura 1. Componentes de la unidad HT 30 XC [2]
