Informe Intercambiador de Calor Tubos Concentricos. Recuperado

U.P.T.C. Área Disciplinar. Facultad Seccional Duitama Transferencia de calor

Escuela de Ingeniería Electromecánica TERMICAS II

INFORME DE LABORATORIO 2

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOS

ROBINSON MAURICIO PEREZ MONTAÑEZ (monitor)

RAFAEL ANTONIO RAMIREZ MATIZ

HELIO HERNANDO DAVILA GOMEZ

JUAN CARLOS TOBACIA MARTINEZ

WILLIAM ARQUIMEDES SANCHEZ RODRIGUEZ

EIDER ALI LEON MORENO

INGENIERO ORLANDO DIAZ

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIAFACULTAD SECCIONAL DUITAMAINGENIERIA ELECTROMECANICA

2015



INTRODUCCIÓN

En la mayor parte de las industrias se llevan a cabo procesos de transferencia de calor, la

forma más usual de hacerlo es mediante intercambiadores de calor en los cuales los fluidos

intercambian calor a través de las superficies que los separan.

En esta práctica de laboratorio se estudiara el proceso de intercambio de calor en un

intercambiador de calor de tubos concéntricos que costa de dos etapas; en la primera de ellas

el fluido frío (aceite mineral) es calentado mediante vapor de agua, en la segunda etapa el

aceite es refrigerado por medio de agua.

1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVOS GENERALES

Determinar el coeficiente de transferencia de calor y la MLDT para el intercambiador de calor

de tubos concéntricos.

1.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

Elaborar una gráfica de temperatura en función de la longitud para todo el intercambiador.

Realizar el balance de energía del intercambiador, tanto en la sección de calentamiento, como

en la de enfriamiento y determinar las perdidas por radiación y convección del sistema.

Determinar la diferencia media logarítmica de temperatura (MLDT) considerando dos

intercambiadores: vapor-aceite y agua-aceite.

Determinar los coeficientes de película para cada uno de los intercambiadores.

Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor para los dos intercambiadores.

Calcular el factor de suciedad (Rd) combinado.

Comparar los coeficientes obtenidos con los suministrados por la literatura.



2. AUTOEXAMEN

a. ¿En qué consiste un intercambiador de tubos concéntricos?

Es el tipo más simple de intercambiador de calor, está constituido por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes, también es llamado intercambiador de calor de doble tubo. En este tipo de intercambiador uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

El intercambiador de calor de tubos concéntricos tiene dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección del flujo de los fluidos; estas son:

Flujo paralelo: en la configuración en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. (Flujo utilizado en el intercambiador de calor del laboratorio de fluidos de la UPTC seccional Duitama.)

Contraflujo: en la configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentido opuesto.

b. ¿Qué características deben tener en cuenta para el estudio de la transferencia de calor en el interior de intercambiador?

Para el estudio y análisis de un intercambiador de calor deben tenerse en cuenta conceptos importantes de transferencia de calor como lo son el coeficiente de transferencia de calor total, el factor de incrustación y la diferencia media logarítmica de temperatura MLDT, como también diferentes factores internos y externos en el intercambiador como son: el material de los tubos, los diámetros de los tubos, la longitud de los tubos, el espesor de los tubos y la suciedad de los fluidos y sus propiedades.

c. ¿A qué se deben las pérdidas de energía en el intercambiador?, describa cada una de ellas y explique el porqué de su existencia.

Perdidas de calor.

Esto se puede deber a pérdidas de calor en la superficie exterior del intercambiador de calor que aunque este perfectamente aislado pueden ocurrir perdidas mínimas de calor hacia el medio circundante.

Mal aislamiento

Se debe tener en cuenta un buen aislamiento para los intercambiadores de calor debido a que si no se aíslan los equipos se presentan pérdidas de calor por conducción, convección o radiación. Las pérdidas de calor por conducción a través del aire serán pequeñas debido a su baja conductividad (aire=0.0258 W/m.K a 30 °C). Las pérdidas de calor por convección serán las más importantes, pues las corrientes d e convección se desarrollarán fácilmente si existe



una diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno (los tubos concéntricos y los 2 fluidos). Es necesario aislar para disminuir el flujo de calor entre un objeto y sus alrededores. El material aislante debe tener baja conductividad térmica y capacidad para frenar las corrientes de convección.

El material en el cual se construye las piezas del intercambiador de calor.

Actualmente se fabrican piezas de magnesia y otros aislantes de fácil instalación sobre tuberías y otros equipos. A mayores velocidades, aumentan los coeficientes de transferencia de calor, pero también las pérdidas por fricción y la erosión en los materiales.

d. ¿Para el estudio de la transferencia de calor en intercambiadores, porque se hace necesario definir la diferencia media logarítmica de temperatura?

Es necesario definir la LMTD ya que la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frio varia a lo largo del intercambiador de calor y resulta conveniente tener una diferencia de temperatura media ΔTm

Para usarse en la relación

Q=U A s ΔT m

La temperatura del fluido caliente decrece y la del frio aumenta a lo largo de dicho intercambiador, pero la temperatura del fluido frio nunca puede sobrepasar la del caliente, sin importar cuan largo sea dicho intercambiador, por tal razón.

La diferencia media logarítmica de temperatura se define como.

ΔT ml= ΔT 1−ΔT 2

¿ (ΔT 1ΔT 2

)

Que es la forma apropiada de la diferencia de temperatura promedio que debe usarse en el análisis de los intercambiadores de calor. En este caso, ΔT1 y ΔT2 representan la diferencia de temperatura entre los dos fluidos en ambos extremos (de entrada y de salida) del intercambiador.

e. ¿Para qué se emplean las trampas de vapor?

Las trampas de vapor son un tipo de válvula automática que filtra el condensado (es decir vapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin dejar escapar al vapor. El vapor es regularmente usado para calentamiento, en nuestro caso este vapor fue necesario para poder calentar el fluido frio que entraba en el intercambiador en este caso fue (aceite mineral).



El vapor se forma cuando el agua es evaporada para formar un gas. Para que el proceso de evaporación se produzca, las moléculas de agua deben recibir suficiente energía de tal manera que las uniones entre las moléculas (uniones de hidrogeno, etc.) se rompan. Esta energía que se da para convertir un líquido a gas recibe el nombre de "calor latente". Por tal razón fue de mucha importancia la instalación y ubicación de esta trampa de calor en el intercambiador de calor del laboratorio ya que estas pueden actuar como válvulas cheques las cuales cuando se supera determinada presión se abren, liberan el vapor y la presión disminuye. en el cual podemos observar en la figura1.

.

3. MATERIALES Y EQUIPOS

3.1. Intercambiador de tubos concéntricos de cinco tubos

Material de construcción: Tubería de cobre tipo k, sus características se muestran a

continuación:

Tabla 1. Características de la tubería de cobre.

DiámetroDiámetro

EspesorDiámetro

Longitud PresiónExterior interior Peso

TuboNominal Pared

in in mm In mm In mm m Kg/m lb/ ft2

Tubo1/2 5/8 15,87 0.049 1.24 0,527 13.39 1.57 0.508 995

interiorTubo

1 1 1/8 28,57 0.065 1.65 0, 995 25.27 1.57 1.25 725exterior

Longitud de cada tubo 1 = 1.57 m

Longitud tubos 2 al 5 = 1.84 m



Figura 1.Diagrama del Intercambiador de calor de tubos concéntricos de la U.P.T.C Duitama.

Figura 3. Intercambiador de calor de tubos concéntricos

INDICACION DE CADA TEMPERATURA T1: Temperatura de entrada de aceite en el tubo No.1.

Figura 2. Tablero indicador de temperatura. Primera medición a proceso estable a 30PSI.



T2. Temperatura del aceite en la salida del tubo 1 y la entrada del tubo 2.

T3: Temperatura del aceite en la salida del tubo 2 y la entrada del tubo 3.



T6: Temperatura del aceite en la salida del sistema.

T7: Temperatura del agua a la entrada del tubo 5.

T8: Temperatura del agua a la salida del tubo 5 y la entrada del tubo 4.

T9: Temperatura del agua a la salida del tubo 4 y la entrada del tubo 3.

T10: Temperatura del agua la salida del tubo 3 y la entrada del tubo 2.

T11: Temperatura del agua a la salida del tubo 2.

T12: Temperatura del vapor a la entrada del tubo 1.

T13: Temperatura del vapor a la salida del tubo 1.

M1: Manómetro: Indica la presión de entrada del vapor en el tubo uno.

4. DATOS A OBTENERLa toma de mediciones se realizó ubicando el tablero de temperatura en cero y cuando

la presión de ubico a 30PSI y logrado a un estado estable.

Tabla 2. Temperaturas del aceite y del agua en estado transitorio

ACEITE AGUATiempo

(minutos)TEMPERATUTA (°C)

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T130 31 71 54 41 32 28 09 12 11 10 X 98 981 32 71 55 42 33 30 09 12 11 10 X 97 982 33 71 56 43 34 31 09 12 11 10 X 97 973 33 72 55 44 37 31 09 12 11 11 X 97 974 35 72 56 45 37 32 09 12 11 11 X 97 975 36 72 56 46 38 32 09 12 11 11 X 97 976 37 72 57 47 39 33 09 12 12 11 X 97 977 38 73 57 47 39 34 09 12 12 11 X 97 97

Análisis de los datos

Si conservamos cada una de las temperaturas con el paso del tiempo se puede concluir que:

T1, T4, T5, T6 va aumentado progresivamente con un aproximado de 1°C cada minuto.

T2 y T3 va aumentado hasta un valor de 71 a 73°C y 54 a 57°C respectivamente.



T7 y T8 permanece constante todo el tiempo.

T9 Y T10 permanecen constantes por un tiempo pero luego suben un máximo de 1°C.

T 11 no funciona ya que se encuentra desconectado y no estuvo disponible en la toma de datos, pero es un valor que relacionado a las temperaturas de 7 a 10 es decir los mismos 15 °C, concluyendo que sin importar cuanto se calienten las primeras, las ultimas van a permanecer a una temperatura estable y relativamente continua.

T 12 Y T 13 en todas las medidas nos dan en rango de 97 a 98 °C

5. CARACTERISTICAS A OBTENER

1) Haga un balance de energía del intercambiador para la sección de calentamiento al igual que para la sección enfriamiento.

Sección de calentamientoEtapa de calentamiento: en la primera etapa el fluido frio (aceite mineral blanco) en nuestro caso nos basamos con las tablas de propiedades de [aceite para motor (no usado)] es calentado en el tubo número uno; como medio de calentamiento los diseñadores del intercambiador utilizaron vapor de agua y adoptaron un coeficiente de película de 1000 Btu/hr*ft2*°F.

QV =QAC+QP ec :1Dónde:QV =mv (hs−he ) Flujo de calor entregado por el vapor (W) ec: 2

QAC=mAC Cp(T s−Te ) Flujo de calor tomado por el aceite (J/Kg) ec: 3

QP=QV −QAC Flujo de calor perdido (W)

Iniciamos calculando el flujo de calor ganado por el aceite en la etapa de calentamiento

QAC=mAC Cp (T s−T e ) ec : 4

PROPIEDADES DEL ACEITE A UNA TEMPERATURA 38 ° C

FLUIDO FRIO: aceite mineral blanco.

Caudal: Qf=4 GPM= 32.088 ft3/hrTemperatura del fluido frio a la entrada: T1=38°C =100.4° FTemperatura del fluido frio a la salida: T2=73°C =163.4° FTemperatura promedio del fluido frio: Tm=35°C =95° FViscosidad cinemática: vf=3.18*10-4 m2/sDensidad: rf= 877.21 kg/m3

Viscosidad dinámica: µf=0.28 kg/m.s Calor especifico a presión cte: Cpf= 1.956 kj/kg.k



Conductividad térmica: kf = 0.1444 w/m.kNota: todos estos datos de propiedades del aceite fueron obtenidos e interpolando de la tabla A-13 del libro (transferencia de calor y masa-fundamentos y aplicaciones) YUNUS A.CENGEL.

FLUIDO CALIENTE: vapor de agua saturada.

Durante la etapa de calentamiento se produce una condensación isotérmica del vapor de agua, donde las temperaturas a la entrada y salida del proceso son aproximadamente iguales, esto se aprecia en la siguiente figura.

Figura 4. Grafica de temperaturas de entrada y salida. Etapa de calentamiento.

PROPIEDADES DEL VAPOR DE AGUA A UNA TEMPERATURA 97 ° C

Presión: 30 psiTemperatura de saturación: Ts= 97°CTemperatura de entrada del vapor: T12= 97°CTemperatura de salida del vapor: T13= 97°CTemperatura promedio del fluido caliente: Tmc=Ts

Entalpia de vaporización: hfg=2264.8 Kj/kgDensidad: rc= 0.542 kg/m3

Calor especifico a presión constante: cpc=2017.6 J/kg.kViscosidad dinámica: µc= 1.217*10-5 kg/m.sConductividad térmica: Kc= 0.025 W/m.k Nota: todos estos datos de propiedades del vapor de agua fueron obtenidos e interpolando de la tabla A-9 del libro (transferencia de calor y masa-fundamentos y aplicaciones) YUNUS A.CENGEL.

CALCULAMOS EL FLUJO MASICO:

mAC=ρq ec :5 Donde q será el caudal del aceite

Caudal del aceite



q=4galones

min=2.52 x10−4 m3

s

q=2.52 x10−4 m3

sFlujo másico de la ec: 5

mAC=(877.21kgm3 )(2.52 x10−4 m3

s )mAC=0,2211

kgs

CALCULAMOS EL FLUJO DE CALOR GANADO POR EL ACEITE DE LA EC: 3

QAC=mAC Cp(T 2−T 1)

QACEITE=(0,2211kgs

)(1.956kJ

kg °c)(73−38 ° c)

QAC=15.137kJs

=15.137 KW

CALCULAMOS EL FLUJO MÁSICO DE EC: 2

QAC=QV =15.137 KW

mV =QV

hfg

h fg=2264.8KJkg

mV =15.137

KJS

2264.8KJkg

=6.684 x10−3 kgs

SECCIÓN ENFRIAMIENTOEtapa de enfriamiento. En la segunda etapa el aceite mineral se enfría mediante agua a temperatura ambiente en los tubos 2 al 5. El aceite mineral circula dentro del tubo interior a lo largo del intercambiador, el caudal de aceite se mantiene constante tanto en la etapa de calentamiento como en la etapa de enfriamiento.

QAC=Q a+QP ec : 6Dónde:QAC=mAC Cp(T s−Te ) Flujo de calor entregado por el aceite (W) ec: 7

QA=mA Cp(Ts−T e) Flujo de calor tomado por el aceite (W) ec: 8

QP=QV −QAC Flujo de calor perdido (W)



Iniciamos calculando el flujo de calor ganado por el aceite en la etapa de calentamiento

QAC=mAC Cp (T s−T e ) ec : 4

Figura 5. Variación de las temperaturas de los fluidos en la etapa de enfriamiento.

PROPIEDADES DEL ACEITE A UNA TEMPERATURA 38 ° C

FLUIDO CALIENTE: aceite mineral blanco. Circula dentro del tubo interior en los tubos 2 al 5 y luego regresa al depósito de aceite.

Caudal: Qc=4 GPM= 32.088 ft3/hrTemperatura del fluido caliente a la entrada: T2=73°C =163.4° FTemperatura del fluido caliente a la salida: T3= 57°C =134.6 ° FTemperatura promedio del fluido caliente: Tm=16°C =60.8° FViscosidad cinemática: vc=5.464*10-5 m2/sDensidad: rc= 856.165 kg/m3

Viscosidad dinámica: µc=0.047kg/m.s Calor especifico a presión cte: Cpc= 2.1026 kj/kg.kConductividad térmica: kc= 0.1389 w/m.kNota: todos estos datos de propiedades del aceite fueron obtenidos e interpolando de la tabla A-13 del libro (transferencia de calor y masa-fundamentos y aplicaciones) YUNUS A.CENGEL.

Fluido frio: agua a temperatura ambiente.

PROPIEDADES DEL AGUA A UNA TEMPERATURA 9 ° C

Temperatura del fluido frio a la entrada: T7= 9°CTemperatura del fluido frio a la salida: T8= 12°CTemperatura promedio del fluido frio: Tmc=10.5 Densidad: rf= 999.664 kg/m3

Calor especifico a presión constante: cpf= 4196.2 J/kg.kEntalpia de vaporización: hfg=2480.4 Kj/kgViscosidad dinámica: µf= 1.3494*10-3 kg/m.sConductividad térmica: Kf= 0.5782 W/m.k



Nota: todos estos datos de propiedades del agua fueron obtenidos e interpolando de la tabla A-9 del libro (transferencia de calor y masa-fundamentos y aplicaciones) YUNUS A.CENGEL.

CALCULAMOS EL FLUJO MASICO:

mAC=ρ∗q ec :5 Donde q será el caudal del aceite

Caudal del aceite

q=4galones

min=2.52 x10−4 m3

s

q=2.52 x10−4 m3

sFlujo másico de la ec: 5

mAC=(856.165kgm3 )(2.52x 10−4 m3

s )mAC=0,2158

kgs

CALCULAMOS EL FLUJO DE CALOR GANADO POR EL ACEITE DE LA EC: 3

QAC=mAC Cp(T 2−T 1)

QACEITE=(0,2158kgs

)(1.956kJ

kg° c)(73−57 ° c)

QAC=25.663kJs

=25.663 KW

Para calcular el caudal de agua necesario para enfriar el aceite, se usa:

q f =QAC1

ρ∗C pf∗(T2−T1 )=25.663

1999.664∗4196.2∗(12−9 )

q f =2.04 x10−6 m3

sPara hallar el flujo másico de fluido frio (en este caso el agua).

mf =ρ∗q f=999.664kgm3

∗2.04 x 10−6 m3

s

mf =2.04∗10−3 kgs

2) Dibuje una gráfica de temperatura vs longitud para todo el intercambiador.



Figura 6. Curva del intercambiador de calor T vs L

3) Determine la diferencia media logarítmica de temperaturas (MLDT) para los dos intercambiadores estudiados.

SECCIÓN DE CALENTAMIENTO

MEDIA LOGARITMICA DIFERENCIAL DE TEMPERATURA: MLDT Ó LMTD.

El factor LMTD viene de las diferencias de temperaturas tomadas en ambos terminales del intercambiador y se define como:

ΔT1 = Th,ent - Tc,ent = T2 – t1= 97°C - 38°C= 59°C ec:6ΔT2 = Th,ent- Tc,ent = T1 – t2= 97°C - 73°C= 24°C ec:7

Es preciso indicar que para este caso se ha tomado los valores de temperatura de la figura 4.

De la ec: 8

MLDT= ΔT 1−ΔT 2

¿( ΔT 1ΔT 2 )

ec :8

MLDT= ΔT 1−ΔT 2

¿( ΔT 1ΔT 2 )

=(59−24 )° C

¿( 5924 )

=38.911° C

Diámetro equivalente del anulo: Deq



Figura 7. Diámetro equivalente del anulo.

Deq= Di2−de2

deec :9

Para el tubo interior se tiene:Diámetro extremo efectivo: de= 0.052 ft= 0.0158 mDiámetro interior: di=0.044 ft= 0.0134 m Para el tubo exterior se tiene:Diámetro exterior: De= 0.093 ft= 0.02834 mDiámetro interior: Di= 0.083 ft= 0.02529 m

Remplazando en la ec: 9 se tiene:

Deq=0.0832−0.0522

0.052=0.080 ft=0.02438 m

Área de flujo.

Anulo: Aa=π (Di¿¿2−de2)

4=

π (0.0832−0.0522)4

=3.287 x 10−3 ft2 ¿= 3.0537x10−4 m2

ec: 10

Tubo interior: Ai=π (di¿¿2)

4=

π (0.0442)4

=1.5205 x 10−3 ft2 ¿= 1.412x10−4 m2

ec: 11Flujo másico:

Gi=mAC

Ai=

0,2211kgs

1.412 x 10−4 m2 =1565.864kg

s . m2 ec :12

Numero de Reynolds

ℜ=di∗Giµ

=0.0134 m∗1565.864

kg

m2. s0.28 kg/m . s

=74.938<2000 el flujo es laminar ec :12

Numero de Prandtl

pr=c pc∗µc

k c

=2017.6 J /kg . k∗1.217∗10−5 kg /m.s0.0249 W /m . k

=0.986 ec :13



SECCIÓN DE ENFRIAMIENTO

MEDIA LOGARITMICA DIFERENCIAL DE TEMPERATURA: MLDT Ó LMTD.

El factor LMTD viene de las diferencias de temperaturas tomadas en ambos terminales del intercambiador y se define como:Es preciso indicar que para este caso se ha tomado los valores de temperatura de la figura 5.

ΔT1 = Th,ent - Tc,ent = T2 – t1= 57°C - 9°C= 48°C ec:6ΔT2 = Th,ent- Tc,ent = T1 – t2= 73°C - 12°C= 61°C ec:7

De la ec: 8

MLDT= ΔT 2−ΔT 1

¿( ΔT 2ΔT 1 )

ec :8

MLDT= ΔT 2−ΔT 1

¿( ΔT 2ΔT 1 )

=(61−48)° C

¿( 6148 )

=54.24 ° C

Para el tubo interior se tiene:Diámetro extremo efectivo: de= 0.052 ft= 0.0158 mDiámetro interior: di=0.044 ft= 0.0134 m

Para el tubo exterior se tiene:Diámetro exterior: De= 0.093 ft= 0.02834 mDiámetro interior: Di= 0.083 ft= 0.02529 m

Remplazando en la ec: 9 se tiene:

Deq=0.0832−0.0522

0.052=0.080 ft=0.02438 m

Área de flujo.

Anulo: Aa=π (Di¿¿2−de2)

4=

π (0.0832−0.0522)4

=3.287 x 10−3 ft2 ¿= 3.0537x10−4 m2

ec: 10

Tubo interior: Ai=π (di¿¿2)

4=

π (0.0442)4

=1.5205 x 10−3 ft2 ¿= 1.412x10−4 m2

ec: 11Flujo másico por unidad de área:Para el anulo se tiene:



Ga=mf

Ai=

2.04∗10−3 kgs

3.0537 x10−4 m2=6.68kg

s . m2

Para el tubo interior se tiene:

Gi=mAC

Ai=

0,2158kgs

1.412 x 10−4 m2 =1528.329kg

s . m2

Número de Reynolds para el anulo:

ℜ=deq∗Gaµf

=0.02438 m∗6.68

kg

s .m2

1.3494∗10−3kgm

. s=120.69<2000 el flujo es laminar

Número de Reynolds para el tubo interior:

ℜ=di∗Giµc

=0.0134 m∗1528.329

kg

s .m2

0.047 kg /m. sℜ=435.74<2000 el flujo es turbulento ec :12

Número de Prandtl para el anulo:

pr=c pf∗µ f

k f

=4196.2 J /kg . k∗1.3494∗10−3

kgm

. s

0.5782W /m. k=9.79

Número de Prandtl para el tubo interior::

pr=c pc∗µc

k c

=2.1026 kj /kg . k∗0.047 kg/m .s0.1389 w /m. k

=0.7114

4) Obtenga los coeficientes de película para ambos intercambiadores.

CALCULO DE LOS COEFICIENTES DE PELÍCULA

DEBEMOS DETERMINAR LAS TEMPERATURAS CALÓRICAS (T ¿¿c y t c)¿ DONDE:

T c=T2+Fc (T1−T2) Temperatura calórica para el vapor en la etapa de calentamiento

T c=T2=97 °C

t c=t1+Fc (t2−t1) Temperatura calórica del aceite en la etapa de calentamiento

El factor Fc lo calculamos utilizando la gráfica de la figura 24 del apéndice del libro procesos de transferencia de calor de Donald Q. Kern.



El

diámetro interior del tubo por donde circula el aceite DI = 0.527 in par este diámetro el Fc es.

F c=1,04t c=t1+Fc (t2−t1)=35+1,04 (60−35)

t c=61° CNota:En la guía nos muestra un procedimiento para conocer los coeficientes de película, aplicando las ecuaciones correspondientes de la guía, y con la ayuda de la figura 8.Pero la consulta de información sobre los intercambiadores y una forma alternativa de hallar estos coeficientes, se presenta a continuación con la ayuda de los números de Reynolds y Prandtl. Hay que recordar que este procedimiento está respaldado por el procedimiento utilizado en la tesis del intercambiador presentando su fuente al final de la guía. [2]

Etapa de calentamiento:Coeficientes de película.Como se había mencionado en esta epata de calentamiento se tiene un coeficiente de película exterior de:

Coeficiente de película exterior: ho=1000 Btu/hr*ft2*°F ho= 5678.3 W/*m2*°c

Coeficiente de película interior: hi

Figura 8. Curva de transferencia de calor lado de tubos



Para el cálculo de hi se emplea la siguiente expresión:

Nu=(hi∗d i)

K f

=0.023∗ℜ0.8∗Pr0.4

Despejando hi se tiene:

hi=0.023K f

d i

∗ℜ0.8∗Pr0.4

hi=0.0230.1444

wm

. k

0.0134 m∗74.9380.8∗0.9860.4

hi=7.79W /¿m2∗° k

Como la temperatura de la pared del tubo es mucho mayor que la temperatura del fluido es necesario utilizar el coeficiente de película interior referido al área exterior corregido por viscosidad.El valor de hi hay que corregirlo con la siguiente ecuación

hio=hi(di /de)

hio=(7.79W

m2 ° c )( 0.01339 m0.01587 m )

hio=6.57W

m2° kETAPA DE ENFRIAMIENTO Coeficientes de película.Coeficiente de película exterior: ho

El coeficiente de película para el agua será:

h0=0.023K f

D eq

∗ℜ0.8∗Pr0.3

h0=0.0230.5782W /m. k

0.02438 m∗120.690.8∗9.790.3

h0=50.04 W /¿m 2∗° k

Coeficiente de película interior: hi

Para el cálculo de hi se emplea la siguiente ecuación:



hi=0.023K c

d i

∗ℜ0.8∗Pr0.4

hi=0.0230.1389 w /m .k

0.0134 m∗435.740.8∗0.71140.4

hi=26.93W /¿m2∗° k

Como la temperatura de la pared del tubo es mucho mayor que la temperatura del fluido es necesario utilizar el coeficiente de película interior referido al área exterior corregido por viscosidad.El valor de hi hay que corregirlo con la siguiente ecuación

hio=hi(Di/ De)

hio=(26.93W

m2 ° k )( 0.02529 m0.02834 m )

hio=24.04W

m2 ° K

5) Determine los coeficientes globales de transferencia para los dos intercambiadores.

Etapa de calentamiento:

El coeficiente total limpio de transferencia de calor está dado por la ecuación:

Coeficiente Global limpio

UC=hio∗ho

h io+h0

UC=(6.57

W

m2 ° K )(5678.3W

m2 ° K )6.57

Wm2 ° K

+5678.3W

m2 ° K

UC=6.562W

m2° K

ETAPA DE ENFRIAMIENTO:



El coeficiente total limpio de transferencia de calor está dado por la ecuación:

Coeficiente Global limpio

UC=hio∗ho

h io+h0

UC=(24.04

W

m2° K )(50.04W

m2° K )24.04

Wm2° K

+50.04W

m2° K

UC=16.24W

m2 ° K

6) Calcule el factor de suciedad (Rd) combinado, y compare los coeficientes obtenidos con los suministrados en la literatura.

Etapa de calentamiento:

Coeficiente de diseño

U D=Q

A∗MLDT

A=π (DE) L Área total de transferencia de calor

A=π (0.0158 m)1.57m

A=0.078 m2

U D=5.137

kJs

(0.078 m2 )∗38.911°C

U D=1.69KW

m2° CFactor de suciedad combinado

Rd=UC−U D

UC∗U D



Rd=6.562

W

m2 °C−1.69

KW

m2° C

(6.562KW

m2°C )(1.69W

m2° C )Rd=0.44

m2° CW

ETAPA DE ENFRIAMIENTO:Coeficiente de diseño

U D=Q

A∗MLDT

A=π (DE) L Área total de transferencia de calor

A=π (0.02529m)1.84m

A=0.146 m2

U D=25.663

kJs

(0.146 m2 )∗54.24 °C

U D=3.24KW

m2 °CFactor de suciedad combinado

Rd=UC−U D

UC∗U D

Rd=16.24

W

m2° C−3.24

KW

m2° C

(16.24KW

m2° C )(3.24W

m2° C )Rd=0.25

m2°CW

7) CUESTIONARIO

1. Identifique la cantidad de energía perdida en el intercambiador y halle el rendimiento de este.



Según la fórmula:˙Qp=∑ ˙Qpi

Qp=15.137 KW

ᶯ = calor entregadocalor de salida

ᶯ = QpQv

=15.137 KW25.663 KW

ᶯ =58 %

2. ¿La gráfica Temperatura vs. Longitud es característica para los dos intercambiadores estudiados?

Si ya que se observa que cuando el aceite pasa por el vapor, este aumenta su temperatura, y a medida que va fluyendo por el tubo del intercambiador este va disminuyendo su temperatura.

3. ¿Que identifica el factor de suciedad?

Identifica la tendencia general a ensuciarse del intercambiador, además tiene como finalidad prever un área adicional calculada para compensar la pérdida de rendimiento que en ellos genera el ensuciamiento originado por diseño constructivo.

8) CONCLUSIONES

Las pérdidas para el intercambiador de calor dependen en gran medida del aislamiento de este; en este caso fue de: Qp=15.137 KW

Un buen aislamiento de los elementos que entran en contacto con los fluidos para el intercambiador garantiza que se disminuya el número de pérdidas de calor por distintos factores anteriormente mencionados

Se puede afirmar que hay varias maneras alternativas de encontrar los coeficientes de película de los fluidos y esto se pueden determinar con la ayuda de los números de Reynolds y el número de Prandtl así como con base en la teoría se encuentra un valor cercano de factor de obstrucción y de suciedad mencionado así en algunos libros.

Basarnos en buenas referencias bibliográficas como libros, internet o en documentos investigados por compañeros que se basaron para hacer la tesis, son de gran apoyo



para el enriquecimiento del conocimiento y por eso es de gran importancia darle el crédito correspondiente por la información.

A medida que aumenta el flujo del aceite, aumenta el coeficiente de transferencia general, también se pudo concluir que a medida que se aumentaban los flujos la media logarítmica disminuye.

9) BIBLIOGRAFIA

Articulo guía:

Tesis sobre el intercambiador de calor de tubos concéntricos existente en el laboratorio

de transferencia de calor y termodinámica de la UPTC. DUITAMA.

CHAPMAN, Alanj. Transmisión del calor. 3ª ed. Madrid : Librería Editorial Bellisco.

1990.

GOODING, Nestor. Manual de prácticas operaciones unitarias II. 1 ed. Universidad

Nacional de Colombia. 1998. 138p.

KERN, Donald. Procesos de transferencia de calor. 14 ed. Editorial continental. 1980.

KREITH, Franck. Principios de transferencia de calor. 1 ed. México. Herrera hermanos,

sucesores S.A, 1970.

MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. Mexico: McGraw-Hill/Irwin, 1999. 932p.

http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-a-steam-trap.html

Documents

Informe Intercambiador de Calor Tubos Concentricos. Recuperado