PRACTICA DE LABORATORIO 1

U.P.T.C. Formacin bsica profesional. rea complementaria tcnica Facultad Seccional Duitama Trmicas II Escuela de Ingeniera Electromecnica 54020909-04

PRACTICA DE LABORATORIO 4INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOSINTRODUCCION

Las mquinas trmicas producen el aprovechamiento de la energa calorfica producida. En stas son de gran inters no slo los fenmenos de transferencia de calor sino adems las caractersticas constructivas y de diseo. En la presente prctica se estudiarn los intercambiables de calor por ser ampliamente utilizados como mquinas trmicas encargadas de aadir o retirar calor entre sustancias que fluyen en su interior.1. OBJETIVOS

Realizar el balance de energa del intercambiador, tanto en la seccin de calentamiento, como la seccin enfriamiento y determinar las prdidas por radiacin del sistema. Elaborar una grfica de temperatura vs longitud para todo el intercambiador.

Determinar la diferencia media logartmica de temperaturas (MLDT) considerando dos intercambiadores: vapor-aceite y agua-aceite. Determinar los coeficientes de pelcula para cada uno de los intercambiadores.

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

Calcular el factor de suciedad () combinado.

Comparar los coeficientes obtenidos con los suministrados con la literatura.2. GENERALIDADES

2.1 INTERCAMBIADORES DE CALOR

Un intercambiador de calor es un dispositivo que efecta la transferencia de calor de un fluido a otro. Aunque existen muchas modalidades de equipos intercambiadores, el sistema ms sencillo que generalmente existe es un recipiente en el cual se mezcla directamente un fluido caliente y otro fro, haciendo que alcancen la misma temperatura final; la cantidad de calor transferida puede calcularse igualando la energa perdida por el fluido ms caliente con la energa ganada por el fluido ms fro.Sin embargo son ms comunes los intercambiables de calor en los cuales un fluido est separado del otro por una pared o divisin a travs de la cual fluye el calor, este tipo de intercambiadores se denominan recuperadores, de sta clase, existen muchos entre los cuales estn los intercambiadores de coraza y tubo, los cuales pueden fabricarse con altas propiedades mecnicas como resistencia a la corrosin, y son especiales para calentar, enfriar, evaporar o condensar toda clase de fluidos.2.2 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCNTRICOSEs el tipo ms sencillo de intercambiables de calor, consiste en un tubo colocado concntricamente dentro de otro tubo. Uno de los fluidos fluye en el interior, y el otro en la regin anular formada entre ambos tubos. Cuando las corrientes de ambos fluidos recorren el intercambiador una sola vez, se conoce como intercambiadores de un solo paso o de paso nico, si ambos fluidos se desplazan en la misma direccin, el intercambiador es de tipo de flujo paralelo; si los fluidos transitan en direcciones opuestas, el intercambiador es de contraflujo o de contracorriente.Para los intercambiadores de calor de tubos concntricos, la diferencia de temperaturas entre el fluido caliente y el fluido fro no permanece constante a todo lo largo del tubo, la velocidad del flujo de calor variar de una seccin a otra y para su determinacin es preciso usar una adecuada diferencia temperaturas medias, conocida como diferencia media logartmica de temperaturas MLDT.2.3 ECUACIONES NECESARIAS PARA LA REALIZACIN DE LOS CLCULOS2.3.1 Balance de energa. El balance de energa para cada una de las secciones de calentamiento se determina mediante las siguientes ecuaciones:

(Ec. 1)Donde:

Flujo de calor cedido por el vapor (W)

Entalpa del lquido a la salida

Entalpa del vapor a la entrada

Flujo de calor tomado por el aceite (W)

Temperatura del aceite de la salida (K)

Temperatura del aceite a la entrada (K)

Flujo de calor perdido (W)

Flujo de vapor

El balance de energa para la seccin de enfriamiento se determina mediante la siguiente ecuacin:

(Ec. 2)Donde:

Flujo de calor entregado por el aceite (W)

Flujo de calor tomado por el agua (W)

Flujo de calor perdido (W)2.3.2 Diferencia media logartmica de temperatura. La diferencia media logartmica de temperaturas en cada seccin de calentamiento se calcula as:

Temperatura de saturacin del vapor de agua a la presin de trabajo. (K)

y

(Ec. 3)

Temperatura de entrada del fluido fro (K)

Temperatura de salida del fluido fro (K)El valor anterior es igual si se calcula suponiendo paralelo o contracorriente.

La diferencia media logartmica de temperatura en la seccin enfriamiento suponiendo flujo en contracorriente se calcula as:

y

(Ec. 4)

Temperatura de entrada del fluido caliente (K)

Temperatura de salida del fluido caliente (K)

Temperatura de entrada del fluido fro (K)

Temperatura de salida del fluido fro (K)2.3.3 Coeficientes de pelcula para el aceite, el agua y el vapor.

2.3.3.1 Temperaturas calricas (). Para fracciones del petrleo o hidrocarburos viscosos las temperaturas calricas pueden calcularse por la siguiente ecuacin:

(Ec. 5)

(Ec. 6)

Se determina con un grfico como lo indica Kern.

Si los lquidos no son muy viscosos, no ms de 1.0 centipoises, si el intervalo de temperaturas no excede de 50 a 100 F y si la diferencia temperaturas es menor de 50 F, la media aritmtica entre y entre puede utilizarse en lugar de las temperaturas calricas para la evaluacin de las propiedades fsicas. Para fluidos no viscosos puede tomarse como 1.0.

2.3.3.2 Coeficiente de pelcula para el aceite (tubo interior).rea de flujo ()

Dimetro interno del tubo interior (m)Velocidad msica

Flujo de masa del aceite

(Ec. 7)

Viscosidad a la temperatura calrica

A partir de la figura dada por Kern, se determina:

(Ec. 8)Se calcula ahora:

y

(Ec. 9)C, (, k: se determinan a la temperatura calrica.

Se determina a la temperatura de pared.Se despeja y se corrige para obtener mediante la ecuacin:

(Ec. 10)

Coeficiente de pelcula referido al dimetro exterior

Dimetro interno (m)

Dimetro externo. (m)2.3.3.3 Coeficiente de pelcula para el agua.

rea de flujo () ()

Dimetro interno del tubo exterior. (m)

Dimetro externo del tubo interior (m)Velocidad msica

Flujo de masa del agua

(Ec. 11)

Dimetro equivalente (m)

(Ec. 12)

Viscosidad del agua a la temperatura media

A partir de la figura dada por Kern se calcula .El coeficiente de pelcula para el agua ser:

(Ec. 13)2.3.3.4 Coeficiente de pelcula para el vapor en la seccin de calentamiento. Como la medicin de la temperatura de pared no es posible en este equipo, se utiliza la siguiente ecuacin:

(Ec. 14)

Temperatura media del fluido fro (K)Para el clculo anterior puede suponerse un valor adecuado del coeficiente de pelcula () para l vapor de agua de .

Se utiliza la ecuacin de Nusselt para condensar laminar tipo pelcula sobre la superficie de un tubo horizontal:

(Ec. 15)Donde:

Temperatura de saturacin del vapor (K)

Temperatura de pared del tubo (K)

Aceleracin de la gravedad

Densidad del lquido y el vapor a

Entalpa de condensacin

Conductividad trmica del lquido a

Viscosidad del condensado a

Dimetro exterior del tubo (m)2.3.4 Coeficiente global limpio .

(Ec. 16)Coeficiente de diseo .

(Ec. 17)

Diferencia media logartmica de temperatura (K)

rea total de transferencia de calor ()

(Ec. 18)

Dimetro externo del tubo interno (m)

Longitud total del intercambiador (m)

Flujo de calor transferido en el intercambiador.2.3.5 Factor de sociedad () combinado.

(Ec. 19)2.4 PRECAUCIONES

Utilice ropas adecuadas para el laboratorio. Identifique el equipo, las partes sobre las cuales se van a realizar las mediciones, al igual que las superficies que puedan calentarse. Evite tocar las superficies calientes, si lo piensa hacer utilice guantes de carnaza o amianto, solicitelos al dependiente del laboratorio. Identifique los puntos de colocacin de los termmetros. Manipule cuidadosamente los termmetros de vidrio, para evitar que se rompan. Cualquier irregularidad comunquela al profesor encargado de la asignatura o al dependiente del laboratorio.2.5 AUTOEXAMENa. En qu consiste un intercambiador de tubos concntricos?b. Qu caractersticas deben tener en cuenta para el estudio de la transferencia de calor en el interior de intercambiador?c. A que se deben las prdidas de energa en el intercambiador?, describa cada una de ellas y explique el por qu de su existencia.

d. Para el estudio de la transferencia de calor en intercambiadores, porque se hace necesario definir la diferencia media logartmica de temperatura?e. Para que se emplean las trampas de vapor?

3. MATERIALES Y EQUIPOS

Para realizar la prctica correspondiente a este tema se utiliza un equipo conocido como Intercambiador de tubos concntricos.Figura 1. Intercambiador tubos concntricos.

Localizacin: Laboratorio de Transferencia de calor Universidad Nacional de Colombia, sede Bogot.

El equipo consta de las siguientes partes:

1. Intercambiador de tubos concntricos. El equipo se compone de ocho intercambiadores de tubos concntricos con las siguientes caractersticas:Tubos externos

Tubos internos

Longitud de cada tubo

2. Bomba centrfuga.

3. Depsito de aceite.

4. Rotmetro para agua y aceite.

5. Trampas de vapor, vlvulas de control de flujo y termmetros.

6. Caldera de vapor.

Tabla 1. Equipos.CantidadElemento

1Intercambiador de tubos concntricos

-Termmetros

4. PROCEDIMIENTO

1) Revise el equipo, vea si las vlvulas correspondientes estn cerradas o abiertas. La figura 2 ayuda a identificar las vlvulas.2) Coloque los termmetros, siguiendo las indicaciones del dependiente del laboratorio.

3) Ponga el agua de refrigeracin en circulacin abriendo la vlvula correspondiente y mantenga un valor constante indicado por rotmetro. Este valor ser dado a conocer por el profesor al comienzo de la prctica.

4) Encienda la bomba.

5) Abra la vlvula que controla el flujo de aceite lentamente hasta obtener un valor indicado por rotmetro. Este valor tambin ser indicado por el profesor al comienzo de la prctica.

6) Abra la vlvula que da paso al vapor hasta un valor de presin que ser fijado al iniciar la prctica y se mantendr constante.

7) Permita la estabilizacin del equipo.

8) Tome los datos indicados y consgnelos en la tabla 3.

9) Suspenda el funcionamiento del equipo utilizando la siguiente secuencia: cierre la vlvula que da paso al vapor, cierre la vlvula que da paso al aceite, apague la bomba, espere mnimo 10 minutos y cierre la vlvula que controla el flujo de agua; recoja los termmetros.

Figura 2. Diagrama del intercambiador de tubos concntricos.

Modificado de: GOODING, Nestor. Manual de prcticas operaciones unitarias II. 1 ed. Universidad Nacional de Colombia. 1998.

5. TOMA DE DATOSTabla 3. Sistema agua-aceite.CaudalPrimer tuboSegundo tuboTercer tuboCuarto tuboQuinto tubo

A

g

u

aLectura del rotmetro mm

F

C

A

c

e

i

t

eLectura del rotmetro mm

F

C

Tabla 4. Sistema vapor-aceite.

CaudalPrimer tuboSegundo tuboTercer tubo

A

g

u

aLectura del rotmetro mm

F

C

A

c

e

i

t

eLectura del rotmetro mm

F

C

6. CARACTERISTICAS A OBTENER

1) Haga un balance de energa del intercambiador para la seccin de calentamiento al igual que para la seccin enfriamiento.2) Dibuje una grfica de temperatura vs longitud para todo el intercambiador.

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

4) Obtenga los coeficientes de pelcula para ambos intercambiadores.

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

6) Calcule el factor de suciedad () combinado, y compare los coeficientes obtenidos con los suministrados en la literatura.7. CUESTIONARIO1. Identifique la cantidad de energa perdida en el intercambiador y halle el rendimiento de este.2. La grfica temperatura vs. longitud es caracterstica para los dos intercambiadores estudiados?

3. Que identifica el factor de suciedad?BIBLIOGRAFIACHAPMAN, Alanj. Transmisin del calor. 3 ed. Madrid : Librera Editorial Bellisco. 1990.

GOODING, Nestor. Manual de prcticas 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. Mexico . Herrera hermanos, sucesores S.A, 1970.MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. Mexico : McGraw-Hill/Irwin, 1999. 932p.

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