PRACTICA INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS ALETADOS
I.INTRODUCCION TEORICA
En la mayoría de los dispositivos la transferencia de calor entre los fluidos se lleva a cabo a través de una superficie de intercambio y estos fluidos no se mezclan, sin embargo, existen algunos intercambiadores en los cuales la trasferencia de calor se lleva a cabo mediante la mezcla de dichos fluidos. Entre mayor sea la superficie de intercambio, mejor será la transferencia de calor, por ello, usualmente se utilizan “aletas” para incrementar esta superficie y reducir la resistencia a la transferencia de calor. El intercambiador de calor compacto más empleado es el de tubos aletados. La configuración de la aleta puede ser rectangular o circular, continua o individual; a su vez la geometría para los tubos puede ser circular, plana u oval. En operación, parte o toda la superficie de la aleta puede ser cubierta por una película de agua producida por la condensación del vapor de agua en la corriente de aire entrante. Superficies extendidas: El término de superficie extendida se usa normalmente con referencia a un
sólido que experimenta transferencia de calor por conducción dentro de sus límites, así como transferencia de calor por convección y/o radiación entre sus límites y alrededores. La aplicación más frecuente es el uso de las superficies extendidas de manera específica para aumentar la rapidez de transferencia de calor entre un sólido y un fluido contiguo. Esta superficie extendida se denomina “aleta”. Dentro de sus usos comunes tenemos los radiadores r adiadores (enfriadores de agua de enfriamiento de los sistemas de combustión interna) la estructura externa de la cámara (cilindro) de los motores de motocicletas, etc. Considérese la pared plana de la figura si T es fija hay dos formas en la que es posible aumentar la transferencia de calor. El coeficiente de convección (h) podría aumentarse incrementando la velocidad del fluido y podría reducirse la temperatura del fluido.
La eficiencia de calor más efectiva se logra aumentando el Área de la superficie a través de la cual ocurre convección, esto se logra a través del uso de aletas que se extienden desde la pared al fluido circundante la conductividad térmica del material de la aleta tiene fuerte afecto sobre la distribución
de temperaturas a lo largo de la aleta y por lo tanto influye en el grado al que la transferencia de calor aumenta, se tiene distintas configuraciones de aletas. Las Aletas se montan en un aparato térmico, tubería u otro sistema con la finalidad de aumentar el producto del Coeficiente de Transferencia de Calor convectivo con el Área (hA) y así disminuir la resistencia térmica (1/hA). Sin embargo, el Área adicional no es tan eficiente como la superficie original, la temperatura superficial media del conjunto resulta ser menor, por lo que, al reducir la diferencia media de temperatura entre la superficie y el fluido, puede ocurrir que el aumento de superficie no produzca un incremento notable en el flujo de calor disipado o incluso que éste disminuya, es decir, que las aletas aíslen térmicamente la superficie. Resulta importante pues, determinar el campo de temperaturas resultante al instalar las aletas. Clasificación de las superficies extendidas:
Aletados longitudinales. – las tuberías y tubos con aletas longitudinales consisten en largas tiras de metal con canales sujetos a la parte exterior del tubo. Estas tiras se sujetan ya sea por inserción al tubo o soldándolas continuamente por su base. Este tipo de aletas longitudinales se usan comúnmente en intercambiadores de doble tubo o intercambiadores de tubo y coraza sin deflectores cuando el flujo procede a lo largo del eje del tubo. Las aletas longitudinales se emplean más comúnmente en problemas que involucran gases y líquidos viscosos o cuando debido al reducido flujo de alguno de los medios de transferencia se originan flujos laminares.
Aletados transversales. - las aletas transversales se emplean principalmente para el enfriamiento y calentamiento de gases en flujo cruzado. Las aletas helicoidales se clasifican como aletas transversales y se sujetan en varias formas tales como insertos, expandiendo el metal mismo para formar la aleta o soldando una cinta metálica al tubo en una forma continua. Las aletas de tipo disco son también del tipo transversal y usualmente se sueldan al tubo o se sujetan a el mediante contracción.
Las aplicaciones actuales más comunes son en los siguientes servicios: enfriamiento de agua con aire, condensación de vapor, economizadores y recalentadores de vapor en hornos de calderas y serpentines de enfriamiento de aire en acondicionadores, calderas de recuperación y de ciclo combinado, secciones de convección de calentadores de proceso y enfriadores de aceite servicios que involucran calentamiento o enfriamiento de gases. Estas aplicaciones en general no requieren coraza, ya que el haz de tubos no se encuentra confinado sino más bien interpuesto en el canal conductor de gases. II.OBJETIVOS
a) Conceptuales 1. Conocer los principios que rigen el intercambio de calor en superficies extendidas. 2. Evaluar el coeficiente global de transferencia de calor en un intercambiador de calor de tubo aletado, con aletas del tipo longitudinal, a partir de los coeficientes individuales y compararlo con el teórico. 3. Evaluar la eficiencia de las aletas mediante datos experimentales. 4. Evaluar el factor de incrustamiento real del equipo. b) Procedimentales 1. Realizar el diagrama de flujo del equipo de intercambio térmico de aletas extendidas. 2. Llevar acabo el intercambio de calor entre el flujo de agua y el flujo de aire por medio del intercambiador de calor a condiciones constantes. c) Actitudinales 1. Fomentar la participación activa del alumno en forma colaborativa del trabajo en equipo. 2. Potenciar las habilidades de recopilación de información bibliográfica y el análisis de la misma.
III.TABLA DE DATOS Tabla de datos experimentales T entrada de aire
T salida de aire
T entrada de agua
T salida de agua
32
38
51
47
°
°
°
LPM
V de aire
12.5
6.8
⁄ ⁄
°
Tabla de datos del equipo di
de
Di
L total
L de aleta
Num. De aletas
0.03591
0.04114
0.072
1.856
1.436
24
b
eb
0.01231
0.00139
Tabla de datos de los fluidos Fluido Aire Agua
2.004 0.241 ° 0.06822 ℎ 0.02259 ℎ ° 988.47 0.999 ° 2.0016 ℎ 0.5595 ℎ ° Densidad
Cp
Viscosidad
K
IV. SECUENCIA DE CALCULO
= = = → = → = 1.∗ 7566)308.15 =0.0695 ∗ 28.84 ∗ 1000 1 ∗ 1000 = (0.08205 1 ∗ =2.004 = ∗4 ∗ 3600 6. 8 ∗ ∗ 0 . 0 525 ∗ ℎ =(2.004 )∗ =106. 1 983 4 ℎ =∗∗∆ =106.1983 ℎ ∗0.241 ° ∗3832°=153.5627 ℎ 1 315 ° ∆ = ∆1∆2 = =13. 9 8° ∆1 13 l n ∆2 .. =∗∗2∗=0.03591∗∗2∗1.15 436=0.324 153. 5 627 = .. ∗∆ = 0.324 ∗13.9ℎ8° =33.9026 ℎ °
1. Gasto masa de aire
2. Calculo del calor transferido
3. Calculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental referido al área interna
4. Calculo del diámetro equivalente
∗ = ∗∗ 4 ∗ 0 . 0 72 0. 0 4114 = 24∗0.01231∗0.00139=0.00233 4 =∗+=0. ∗6867 2 ∗=∗0.04114+24∗2∗0.012310.00139 4∗ 4∗0. 0 0233 = = 0.6867 =0.01357 106. 1 983 1357 =9066.2935 ∗ = ∗ = 0.06822 ℎℎ ∗0.∗0.000233 0. 2 41 ∗0. 0 66822 ⁄ 0. 0 2259 ℎ= ∗ =34 0.01357 ℎ ° 0.°02259 ℎ ° ℎ =50.9119 ℎ ° 740. 5 3 (988. 4 7 ) 0 . 0 3591 ∗∗ ℎ = = (2.0016 ℎ) =13132.40 1 60 12. 5 ( ) 1000 1ℎ = 4 ∗ = 4 ∗0.03591 =740.53 ℎ 0. 9 99 ∗2. 0 016 ∗ = = 0.5595° ℎ ° ℎ =3.5739 =ℎ∗ =0.027∗. ∗⁄ ∗∅− ℎ= ∗0.027∗. ∗⁄ = 0.0.559503591ℎ ° ∗0.027∗13132.40.3.5739 =1267.6651 ℎ °
5. Calculo del número de Reynolds
6. Calculo del coeficiente de película del aire referido al área del anulo
7. Calculo del coeficiente de película interno referido al área interna
8. Calculo del coeficiente de transferencia de calor teórico
1∪ = ℎ1 + ℎ1 ∪= ℎ1 +1ℎ1 = 1 1 + 1 =208.8181 ℎ ° 1267.66 ℎ ° 250 ℎ ° =∗⁄ =1.436∗0.00139=0.001996⁄ 50. 9 119 ∗2. 8 966 ℎ∗ ℎ ° =( ∗ ) =395.53 ℎ° ∗0.001996 =13.6673 t a nh 1 3. 6 673∗0. 0 1231 ∩= ℎ = 13.6673∗0.01231 =0.9902 208. 8 181 33. 9 026 %= ∗100= 208.ℎ 8 181° ℎ ° ℎ ° ∗100=83.76% ∩ % ℎ 250 ° 1267.ℎ 6 651° 208.ℎ 8181 ° 33.ℎ 9026 ° 0.9902 83.76%
9. Calculo de la eficiencia térmica de la aleta
10. Calculo del % de desviación
V.TABLA DE RESULTADOS hfi
hi
Uteo
Uexp
%D
VI.OBSERVACIONES
Los fluidos con los que se trabajaron (agua y aire) estaban colocados a contracorriente, las temperaturas de entrada y salida del agua con respecto a las del aire son mayores. Se debe de tener el control y fijar el gasto volumétrico en el rotámetro y a que si no se tiene cuidado el flujo puede aumentar o disminuir alterando los resultados. Se debe tener un control sobre la velocidad del aire a la salida vigilándolo constantemente para también darse cuenta también si el gasto del rotámetro no cambia. VII.CONCLUSIONES
En esta práctica se obtuvo el coeficiente global de transferencia de calor en un intercambiador de tubo aletado, con aletas del tipo longitudinal, a partir de los coeficientes individuales, concluyendo que mientras mas alto sea U (coeficiente global de transferencia de calor), mejor será la capacidad para transferir calor, así como también existió una desviación elevada en cuanto a los valores de
coeficientes de calor obtenidos, teórico-experimental, esto debido a los factores que no se pueden controlar como el de la presión o el factor de incrustamiento. También al entrar el fluido al intercambiador de calor existe una variación de presión y del número de Reynolds que, al chocar el fluido con las aletas, estas pueden hacer que se vuelva un flujo turbulento. Por otro lado, también se puede concluir que la cantidad de calor que se transfiere por las aletas es menor que la que se pueda transferir por la pared del tubo, ya que la diferencia que hay entre el fluido y la pared del tubo es mayor que la diferencia que hay entre la aleta y el fluido, aunado a las pérdidas ocasionadas por la resistencia de las aletas al paso del calor.
