Intercambiadores de Calor de Tubos Concéntricos

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(1)

PRACTICA DE LABO

PRACTICA DE LABORAT

RATORIO 4

ORIO 4

INTERCAMBIADO

INTERCAMBIADORES DE RES DE CALOR DE TUBOS CALOR DE TUBOS CONCENTRICOCONCENTRICOSS

INTRODUCCION INTRODUCCION

(as má)uinas térmicas producen el apro*ec+amiento de la ener!a calor!fica producida. En (as má)uinas térmicas producen el apro*ec+amiento de la ener!a calor!fica producida. En éstas son de ran interés no sólo los fenómenos de transferencia de calor sino además las éstas son de ran interés no sólo los fenómenos de transferencia de calor sino además las ca

caracracteter!sr!stiticas cas conconststruructcti*i*as as , , de de didisese-o. -o. En En la la prepresesentnte e prápráctcticica a se se esestutudidiaráarán n loloss in

intetercrcamambibiabableles s de de cacalolor r popor r ser ser amamplpliaiamementnte e ututililiiadados os cocomo mo mámá)ui)uinas nas tétérmrmicicasas encaradas de a-adir o retirar calor entre sustancias )ue flu,en en su interior.

encaradas de a-adir o retirar calor entre sustancias )ue flu,en en su interior.

1.

1. OBJETIVOSOBJETIVOS

• /e/ealaliiar ar el el babalalancnce e de de enenerer!!a a dedel l inintetercrcamambibiadadoror0 0 tatantnto o en en la la seseccccióión n dede

calent

calentamientamiento0 o0 como la como la secciósección n enfriamenfriamiento , iento , determdeterminar las inar las pérdidapérdidas s por radiaciónpor radiación del sistema.

del sistema.

• Elaborar una ráfica de temperatura *s lonitud para todo el intercambiador.Elaborar una ráfica de temperatura *s lonitud para todo el intercambiador. •

• Determinar la diferencia media loar!tmica de temperaturas 12(DT3 considerandoDeterminar la diferencia media loar!tmica de temperaturas 12(DT3 considerando

dos intercambiadores4 *apor'aceite , aua'aceite. dos intercambiadores4 *apor'aceite , aua'aceite.

• Determinar los coeficientes de pel!cula para cada uno de los intercambiadores.Determinar los coeficientes de pel!cula para cada uno de los intercambiadores. •

• DeDetetermrmininar ar lolos s cocoefeficicieientntes es llobobalales es de de trtranansfsfererenencicia a de de cacalolor r papara ra lolos s dodoss

intercambiadores. intercambiadores.

• Calcular el factor de suciedad 1Calcular el factor de suciedad 1 R Rd d 3 combinado.3 combinado.

• Comparar los coeficientes obtenidos con los suministrados con la literatura.Comparar los coeficientes obtenidos con los suministrados con la literatura.

56$ 56$

(2)

2. GENERALIDADES

%.5 I7TE/C829I8D:/ES DE C8(:/ 

Un intercambiador de calor es un dispositi*o )ue efect;a la transferencia de calor de un fluido a otro. 8un)ue e<isten muc+as modalidades de e)uipos intercambiadores0 el sistema más sencillo )ue eneralmente e<iste es un recipiente en el cual se mecla directamente un fluido caliente , otro fr!o0 +aciendo )ue alcancen la misma temperatura final= la cantidad de calor transferida puede calcularse iualando la ener!a perdida por el fluido más caliente con la ener!a anada por el fluido más fr!o.

Sin embaro son más comunes los intercambiables de calor en los cuales un fluido está separado del otro por una pared o di*isión a tra*és de la cual flu,e el calor0 este tipo de intercambiadores se denominan recuperadores0 de ésta clase0 e<isten muc+os entre los cuales están los intercambiadores de coraa , tubo0 los cuales pueden fabricarse con altas  propiedades mecánicas como resistencia a la corrosión0 , son especiales para calentar0

enfriar0 e*aporar o condensar toda clase de fluidos.

%.% I7TE/C829I8D:/ DE C8(:/ DE TU9:S C:7C>7T/IC:S

Es el tipo más sencillo de intercambiables de calor0 consiste en un tubo colocado concéntricamente dentro de otro tubo. Uno de los fluidos flu,e en el interior0 , el otro en la reión anular formada entre ambos tubos. Cuando las corrientes de ambos fluidos recorren el intercambiador una sola *e0 se conoce como intercambiadores de un solo paso o de paso ;nico0 si ambos fluidos se desplaan en la misma dirección0 el intercambiador es de tipo de flu?o paralelo= si los fluidos transitan en direcciones opuestas0 el intercambiador es de contraflu?o o de contracorriente.

(3)

Para los intercambiadores de calor de tubos concéntricos0 la diferencia de temperaturas entre el fluido caliente , el fluido fr!o no permanece constante a todo lo laro del tubo0 la *elocidad del flu?o de calor *ariará de una sección a otra , para su determinación es preciso usar una adecuada diferencia temperaturas medias0 conocida como diferencia media loar!tmica de temperaturas 2(DT.

%.@ ECU8CI:7ES 7ECES8/I8S P8/8 (8 /E8(IA8CIB7 DE (:S CÁ(CU(:S %.@.5 Balance de energía. El balance de ener!a para cada una de las secciones de

calentamiento se determina mediante las siuientes ecuaciones4

 P  ac V  Q Q Q =  +  1Ec. 53 Donde4 3 1  s e V  V  m h h

Q =  −  Flu?o de calor cedido por el *apor 1W 3

=

 s

h Entalp!a del l!)uido a la salida   

        kg   J  = e

h Entalp!a del *apor a la entrada   

        kg   J  3 1  s e  p  Ac ac m C  T  T 

Q =  −  Flu?o de calor tomado por el aceite 13

=

 s

T  Temperatura del aceite de la salida 1 K 3

=

e

T  Temperatura del aceite a la entrada 1 K 3

=

 P 

Q Flu?o de calor perdido 1W 3

= V  m Flu?o de *apor             s kg 

El balance de ener!a para la sección de enfriamiento se determina mediante la siuiente ecuación4

(4)

 P  a  Ac Q Q Q =  +  1Ec. %3 Donde4 3 1  s e  p  Ac  Ac m C  T  T 

Q =  −  Flu?o de calor entreado por el aceite 13

3 1  s e  p

a

a m C  T  T 

Q =  −  Flu?o de calor tomado por el aua 1W 3

=

 P 

Q Flu?o de calor perdido 1W 3

%.@.% Diferencia media logarítmica de temperatra. (a diferencia media loar!tmica de

temperaturas en cada sección de calentamiento se calcula as!4 =

= % 5 T 

T  Temperatura de saturación del *apor de aua a la presión de traba?o. 1 K 3

5 % 5 T  t  t  = − ∆ , ∆t % =T 5 −t % 3 ln1 5 % % 5 t  t  t  t   !"TD ∆ ∆ ∆ − ∆ = 1Ec. @3

=

5

Temperatura de entrada del fluido fr!o 1 K 3

=

%

t  Temperatura de salida del fluido fr!o 1 K 3

El *alor anterior es iual si se calcula suponiendo paralelo o contracorriente.

(a diferencia media loar!tmica de temperatura en la sección enfriamiento suponiendo flu?o en contracorriente se calcula as!4

5 % 5 T  t  t  = − ∆ , ∆t % =T 5 −t % 56@

(5)

3 ln1 % 5 5 % t  t  t  t   !"TD ∆ ∆ ∆ − ∆ = 1Ec. #3

=

5

T  Temperatura de entrada del fluido caliente 1 K 3

=

%

T  Temperatura de salida del fluido caliente 1 K 3

=

5

Temperatura de entrada del fluido fr!o 1 K 3

=

%

t  Temperatura de salida del fluido fr!o 1 K 3

%.@.@Coeficientes de pelícla para el aceite# el aga $ el %apor .

%.@.@.5Temperatras cal&ricas 1T C   $ t C 3. Para fracciones del petróleo o +idrocarburos

*iscosos las temperaturas calóricas pueden calcularse por la siuiente ecuación4

3 1 5 % %  '  T  T  T  T  = + 1Ec. "3 3 1 % 5 5  '  t  t  t  t  = + − 1Ec. 3 C 

 '   Se determina con un ráfico como lo indica Kern.

Si los l!)uidos no son mu, *iscosos0 no más de 5.$ centipoises0 si el inter*alo de temperaturas no e<cede de "$ a 5$$ F , si la diferencia temperaturas es menor de "$ F0 la media aritmética entre T 50T %  , entre t 50t % puede utiliarse en luar de las temperaturas calóricas para la e*aluación de las propiedades f!sicas. Para fluidos no *iscosos

5# . $

3 1 µ  µ m

φ  =  puede tomarse como 5.$.

%.@.@.%Coeficiente de pelícla para el aceite1t(o interior 3.

Área de flu?o=a P  =π  D% # 1m%3

(6)

=

 D Diámetro interno del tubo interior 1m3

elocidad másica=) P  = m Ac aP 

 

 

 

 

 

 s m kg  % =  Ac

m Flu?o de masa del aceite  

          s kg  ( )  µ   P   P   D)  Re = 1Ec. 63

=

 µ  iscosidad a la temperatura calórica  

         − s m kg 

8 partir de la fiura dada por Kern0 se determina4 5# . $ @ 5 −                                    = W  i  *  k  C  k   D h  +  µ   µ   µ  1Ec. 3 Se calcula a+ora4 @ 5            k  C  µ  , 5# . $ −             W   µ   µ  1Ec. &3

C 0 µ 0k 4 se determinan a la temperatura calórica.

 µ   Se determina a la temperatura de pared.

Se despe?a hi  , se corrie para obtener hio mediante la ecuación4

 ,   -  i io  D  D h h = 1Ec. 5$3 56"

(7)

=

io

h Coeficiente de pel!cula referido al diámetro e<terior   

        kg   J  =  -   D Diámetro interno 1m3 =  ,   D Diámetro e<terno. 1m3

%.@.@.@Coeficiente de pelícla para el aga.

Área de flu?o=aa =π 1 D%% −D5%3 # 1 %

m 3 1m%3

=

%

 D Diámetro interno del tubo e<terior. 1m3

=

5

 D Diámetro e<terno del tubo interior 1m3

elocidad másica=) P  =ma aa

 

 

 

 

 

 s m kg  % = a

m Flu?o de masa del aua  

          s kg  ( )  µ  a e a )  D  Re = 1Ec. 553 = e  D Diámetro e)ui*alente 1m3 5 % 5 % % #  D  D  D h.medo  perímetro  fl+o de /rea  De

=

=

1Ec. 5%3

=

 µ  iscosidad del aua a la temperatura media  

         − s m kg 

8 partir de la fiura dada por Kern se calcula  + * .

El coeficiente de pel!cula para el aua será4

(8)

5# . $ @ 5 −                                      = W  e  *  o k  C   D  K   + h  µ   µ   µ  1Ec. 5@3

%.@.@.#Coeficiente de pelícla para el %apor en la secci&n de calentamiento. Como la

medición de la temperatura de pared no es posible en este e)uipo0 se utilia la siuiente ecuación4 ( a) o io o a W  T  T  h h h T  T  − + + = 1Ec. 5#3 = a

T  Temperatura media del fluido fr!o 1 K 3

Para el cálculo anterior puede suponerse un *alor adecuado del coeficiente de pel!cula 1ho3

 para él *apor de aua de 5"$$ BT1  h. pie%.C ' .

Se utilia la ecuación de 2sselt  para condensar laminar tipo pel!cula sobre la superficie de

un tubo +oriontal4 # 5 @ 3 1 3 1 6%" . $              − − = W  0   ! V   !  fg   ! o T  T   D k  h  g  h  µ   ρ   ρ   ρ  1Ec. 5"3 Donde4 = 0 

T  Temperatura de saturación del *apor 1 K 3

=

T  Temperatura de pared del tubo 1 K 3

=

 g  8celeración de la ra*edad            %  s m = V   ! ρ 

 ρ  0 Densidad del l!)uido , el *apor a T  s  

         @ m kg  566

(9)

=  fg  h Entalp!a de condensación            kg   J 

=

k  Conducti*idad térmica del l!)uido a T  s  

         − K  m W  C =  !

 µ  iscosidad del condensado a T  s  

         − s m kg 

=

 D Diámetro e<terior del tubo 1m3

%.@.#Coeficiente glo(al limpio 1 C .

o io o io C  h h h h 1  + = 1Ec. 53 Coeficiente de dise-o 1  D. t   A Q 1  D ∆ =  1Ec. 563

=

t  Diferencia media loar!tmica de temperatura 1 K 3

=

 A Área total de transferencia de calor 1 %

m 3  !  D  A=π   ,  1Ec. 53 =  , 

 D Diámetro e<terno del tubo interno 1m3

=

 ! (onitud total del intercambiador 1m3

=

Q Flu?o de calor transferido en el intercambiador.

%.@." 'actor de sociedad  1 Rd 3 com(inado.

(10)

 D C   D C  d  1  1  1  1   R = − 1Ec. 5&3 %.# P/EC8UCI:7ES

• Utilice ropas adecuadas para el laboratorio.

• Identifi)ue el e)uipo0 las partes sobre las cuales se *an a realiar las mediciones0 al

iual )ue las superficies )ue puedan calentarse.

• E*ite tocar las superficies calientes0 si lo piensa +acer utilice uantes de carnaa o

amianto0 solicitelos al dependiente del laboratorio.

• Identifi)ue los puntos de colocación de los termómetros.

• 2anipule cuidadosamente los termómetros de *idrio0 para e*itar )ue se rompan.

• Cual)uier irreularidad comun!)uela al profesor encarado de la asinatura o al

dependiente del laboratorio.

%." 8UT:EG82E7

a. HEn )ué consiste un intercambiador de tubos concéntricos

 b. HJué caracter!sticas deben tener en cuenta para el estudio de la transferencia de calor en el interior de intercambiador

c. H8 )ue se deben las pérdidas de ener!a en el intercambiador0 describa cada una de ellas , e<pli)ue el por )ué de su e<istencia.

d. HPara el estudio de la transferencia de calor en intercambiadores0 por)ue se +ace necesario definir la diferencia media loar!tmica de temperatura

e. HPara )ue se emplean las trampas de *apor

3. MATERIALES Y EQUIPOS

(11)

Para realiar la práctica correspondiente a este tema se utilia un e)uipo conocido como

 -ntercam(iador de t(os conc3ntricos4

Fiura 5. Intercambiador tubos concéntricos.

(ocaliación4 (aboratorio de Transferencia de calor Uni*ersidad 7acional de Colombia0 sede 9ootá.

El e)uipo consta de las siuientes partes4

5.  -ntercam(iador de t(os conc3ntricos. El e)uipo se compone de oc+o

intercambiadores de tubos concéntricos con las siuientes caracter!sticas4 Tubos e<ternos D -  =5.#F5 plgadas

 plgadas  D ,  =5.D%"

Tubos internos D -  =$.&&" puladas  puladas 5%F . 5 =  ,   D

(onitud de cada tubo=555  plgadas

%.  Bom(a centrífga.

@.  Dep&sito de aceite.

#.  Rot/metro para aga $ aceite.

(12)

". Trampas de %apor# %/l%las de control de fl+o $ term&metros.

. Caldera de %apor .

Tabla 5. E)uipos.

Cantida

d Elemento

5 Intercambiador de tubos concéntricos

' Termómetros

4. PROCEDIMIENTO

53 /e*ise el e)uipo0 *ea si las *ál*ulas correspondientes están cerradas o abiertas. (a fiura % a,uda a identificar las *ál*ulas.

%3 Colo)ue los termómetros0 siuiendo las indicaciones del dependiente del laboratorio. @3 Pona el aua de refrieración en circulación abriendo la *ál*ula correspondiente ,

mantena un *alor constante indicado por rotámetro. Este *alor será dado a conocer por  el profesor al comieno de la práctica.

#3 Encienda la bomba.

"3 8bra la *ál*ula )ue controla el flu?o de aceite lentamente +asta obtener un *alor  indicado por rotámetro. Este *alor también será indicado por el profesor al comieno de la práctica.

3 8bra la *ál*ula )ue da paso al *apor +asta un *alor de presión )ue será fi?ado al iniciar  la práctica , se mantendrá constante.

63 Permita la estabiliación del e)uipo.

3 Tome los datos indicados , cons!nelos en la tabla @.

&3 Suspenda el funcionamiento del e)uipo utiliando la siuiente secuencia4 cierre la *ál*ula )ue da paso al *apor0 cierre la *ál*ula )ue da paso al aceite0 apaue la bomba0

(13)

espere m!nimo 5$ minutos , cierre la *ál*ula )ue controla el flu?o de aua= reco?a los termómetros.

Fiura %. Diarama del intercambiador de tubos concéntricos.

2odificado de4 K::DI7K0 7estor. 2anual de prácticas operaciones unitarias II. 5ed . Uni*ersidad 7acional de Colombia. 5&&.

5. TOMA DE DATOS

(14)

Tabla @. Sistema aua'aceite.

Caudal   Primer tubo Segundo tubo Tercer tubo Cuarto tubo Quinto tubo

ent 

T  T  sal ent  sal ent  sal ent  sal ent  sal  8  u a (ectura del rotámetro mm            min lt  C  F            min lt  C  C 8 c e i t e (ectura del rotámetro mm            min lt  C  F            min lt  C  C

Tabla #. Sistema *apor'aceite.

Caudal   Primer tubo Segundo tubo Tercer tubo

ent 

T  T  sal ent  sal ent  sal  8  u a (ectura del rotámetro mm            min lt  C  F            min lt  C  C 8 c e i t e (ectura del rotámetro mm            min lt  C  F            min lt  C  C 6. CARACTERISTICAS A OBTENER 

53Laa un balance de ener!a del intercambiador para la sección de calentamiento al iual )ue para la sección enfriamiento.

%3Dibu?e una ráfica de temperatura *s lonitud para todo el intercambiador.

@3Determine la diferencia media loar!tmica de temperaturas 12(DT3 para los dos intercambiadores estudiados.

#3:btena los coeficientes de pel!cula para ambos intercambiadores.

(15)

"3Determine los coeficientes lobales de transferencia para los dos intercambiadores. 3Calcule el factor de suciedad 1 Rd 3 combinado0 , compare los coeficientes

obtenidos con los suministrados en la literatura.

7. CUESTIONARIO

5. Identifi)ue la cantidad de ener!a perdida en el intercambiador , +alle el rendimiento de este.

%. H(a ráfica temperatura *s. lonitud es caracter!stica para los dos intercambiadores estudiados

@. HJue identifica el factor de suciedad

BIBLIOGRAFIA

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5&&$.

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2I((S0 8nt+on, F. Transferencia de calor. 2e<ico 4 2cKra'LillQIrin0 5&&&. &@%p.

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Referencias

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