Guía Laboratorio 3 - Intercambiador de calor PDF

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UPC UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADASCarrera de Ingeniería Industrial TERMODINÁMICA APLICADALaboratorio N°3: INTERCAMBIADOR DE CALOROBJETIVO:Al finalizar la parte experimental y la entrega del informe, el alumno será capaz de:  Determinar la velocidad de transferencia de calor de un fluido ...

Description

UPC UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS Carrera de Ingeniería Industrial TERMODINÁMICA APLICADA Laboratorio N°3: INTERCAMBIADOR DE CALOR OBJETIVO: Al finalizar la parte experimental y la entrega del informe, el alumno será capaz de:  Determinar la velocidad de transferencia de calor de un fluido caliente a un fluido frío.  Calcular e identificar las pérdidas de calor a través de las paredes del intercambiador de calor.  Evaluar el efecto, sobre la temperatura de salida del agua fría, al variar el caudal del agua fría.

FUNDAMENTO TEÓRICO: Los intercambiadores de calor son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclarse. Se usan ampliamente en varias industrias y se construyen en diversas formas y tamaños. La forma más simple de un intercambiador de calor es un intercambiador de calor de tubo doble (conocido también como de tubo y coraza), el cual se muestra en la figura y que se compone de dos tubos concéntricos de diámetros distintos. Un fluido corre por el tubo interno mientras otro lo hace en el espacio anular entre ambos tubos. El calor se transfiere del fluido caliente al frío a través de la pared que los separa. Algunas veces el tubo interno tiene un par de vueltas dentro de la coraza para aumentar el área de transferencia de calor y, por consiguiente, la tasa de transferencia de calor. El principio de conservación de la masa para un intercambiador de calor que opera de forma estacionaria expresa: en operación estacionaria, el flujo másico de cada corriente de fluido que fluye por un intercambiador de calor permanece constante. Los intercambiadores de calor comúnmente no tienen que ver con interacciones de trabajo y los cambios de energía cinética y potencial son insignificantes para cada corriente de fluido. La tasa de transferencia de calor relacionada con los intercambiadores de calor depende de cómo se selecciona el sistema de análisis. Los intercambiadores de calor están diseñados para transferencia de calor entre dos fluidos dentro del dispositivo, por lo que normalmente la coraza externa está bien aislada para evitar cualquier pérdida de calor hacia el medio circundante. Si todo el intercambiador de calor se selecciona como el sistema, el balance de energía (primera ley de la termodinámica) se expresa matemáticamente así:

´ cedido +Q´ ganado=Q ´ Q perdido

Cuando los fluidos no cambian de fase, sólo de temperatura, la velocidad de transferencia de calor depende de la capacidad calorífica a presión constante:

5−¿ T 1 T¿ ¿ m ´ caliente C P ¿

1

Si no hay pérdidas de calor al entorno:

5−¿ T 1 T¿ ¿ m ´ caliente C P ¿

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO S2 - Intercambiador de haz de tubos para el intercambio de calor entre agua/agua La figura 1 representa el esquema sinóptico del intercambiador. El intercambiador es de material anticorodal, resistente a la corrosión. El haz de tubos, con aletas integrales, es de cobre. El manómetro diferencial en U, permite medir la pérdida de carga antes y después del intercambiador en el circuito primario y en el secundario. Características Técnicas:  Superficie de intercambio: 0.3 m²  Diámetro interior del tubo de haz de tubos: 15.875 mm  Longitud del tubo: 610 mm  Número de tubos: 4

Fig. 1 - Esquema intercambiador S2

DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Seleccionar el intercambiador S2 en la unidad T60D/C. Fijar la temperatura de entrada T1 del agua caliente mediante el termorregulador del tablero eléctrico. Fijar el flujo volumétrico V1 (caudal) de agua caliente, girando la válvula reguladora G1 del panel. Fijar el caudal de agua fría V2 mediante la válvula reguladora G2 del panel. Esperar unos minutos que el sistema alcance su estado estable y tomar y anotar los datos: T1, T5, T9, T10. Fijar otro caudal de agua fría, manteniendo el mismo caudal para el agua caliente y repetir el paso 5. Realizar 5 corridas en total (experimentos) variando el flujo volumétrico de agua fría

TOMA DE DATOS: Llene la tabla de datos. Es parte de su informe por lo que debe estar bien presentada, escrita con lapicero. INFORME:

2

Desarrolle el informe contestando cada una de las partes que se indican. Debe mostrar sus cálculos: el ejemplo de cálculo con los datos del primer experimento. El orden, claridad y redacción es parte importante para obtener una buena calificación. REGISTRO DE DATOS

Integrantes:

_____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________

1.

DATOS EXPERIMENTALES

Intercambiador de calor con flujo en paralelo

V1 (L/h)

AGUA CALIENTE T1 (oC)

1

300

entrada 49.4

2

303

49.3

3

297

4 5

T5 (oC) salida 42.5

V2 (L/h)

AGUA FRÍA T9 (oC)

T10 (oC)

296

entrada 22.4

salida 28.9

42.6

250

22.7

29.7

49.2

43.0

198

23.4

31.1

297

49.3

43.6

146

24.3

33.0

295

49.3

44.4

100

25.9

36.0

Capacidad calorífica del agua líquida = 4.18 kJ/kg.oC = 1 kcal/kg.oC Densidad del agua líquida = 1 kg/L

Fecha: _____________________________________

3

2. HOJA DE RESULTADOS 2.1 CÁLCULOS: Presente un ejemplo de cálculo (6 puntos) a) Calcule el calor cedido y el calor ganado (kJ/h) El calor cedido está definido por:

5−¿ T 1 T¿ ´ cedido = m Q ´ caliente C P ¿

( )(

)(

)

´ cedido = 1 kg 300 L 4.18 kJ .° C ( 42.5 ° C−49.4 ° C) =−8652.6 kJ Q kg L h h ´ ganado =m´ C (T 10 −T 9 ) Q frío P ´ ganado =8042.32 kJ Q h b) Determine si hay pérdidas de calor y de qué magnitud (kJ/h) Si hubo perdidas de calor ya que hay una diferencia entre el flujo de calor ganado y cedido.

´ cedido +Q´ ganado =−8652.6 kJ +8042.32 kJ =−610.28 kJ ´ perdido = Q Q h h h

c) ¿Cuál sería la temperatura de salida del agua fría si no hubiese pérdidas de calor? (oC)

m ´ frío C P ( T 10 −T 9 )=8652.6

kJ h

( 1 kgL )(296 hL )( 4.18 kgkJ . °C )(T

10

−22 .4 ° C ) =8652.6

kJ h

T 10=29.39° C d) Represente en un gráfico (Temperatura vs. Longitud del intercambiador) la variación de temperatura del agua fría y del agua49.4 caliente, desde que entra hasta que sale del intercambiador de calor T (oC) 22.4

42.5 T ( oC) 28.9

4

2.2 Cuadro resumen de resultados (4 puntos) AGUA

1

CALIENTE

FRÍA

V1 (L/h)

V2 (L/h)

300 303 297 297 295

2 3 4 5

AGUA

296 250 198 146 100

Q1 (kJ/h)

Q2 (kJ/h)

Qp (kJ/h)

T10 (oC)

T10 (oC)

cedido

ganado

perdido

teórico

real

29.39 30.82 32.70 35.90 40.36

28.9 29.7 31.1 33.0 36.0

-8652.60 -8485.82 -7697.05 -7076.32 -6042.19

8042.32 7315.00 6372.83 5309.44 4221.80

-610.28 -1170.82 -1324.22 -1766.89 -1820.39

3. CUESTIONARIO (4 puntos) a) ¿Qué tipo de intercambiador se ha utilizado? Describa con precisión. - Se ha utilizado un intercambiador de calor de haz de coraza y tubos. Este equipo se utiliza con la finalidad de transferir calor entre 2 fluidos dentro del mismo. Por ello, normalmente se encuentra la coraza bien aislada para evitar cualquier perdida de calor el medio circundante

b) ¿Por qué hay que esperar unos minutos antes de tomar los datos de temperatura? Utilice los términos adecuados para su explicación. - Se tiene que esperar unos minutos antes de tomar los datos de temperatura para que el sistema se estabilice. Ya que se estudia un sistema que tiene entropía.

c) Represente en un gráfico (Temperatura vs. Longitud del intercambiador) la variación de temperatura del agua fría y del agua caliente

c) ¿A qué se denomina calor perdido? Físicamente ¿qué significa? -

Calor perdido es la diferencia que existe entre el calor que cede el agua caliente y el calor que gana el agua fría. Este calor se representa como la energía que disipa el intercambiador en el experimento.

d) Mencione dos aplicaciones de los intercambiadores de calor en aparatos industriales o domésticos.

5

4.

CONCLUSIONES (4 puntos) -

De acuerdo a los datos obtenidos, se puede observar que el calor cedido disminuye, y esto se debe a que también disminuye el flujo volumétrico y por ende el flujo másico. Con los datos obtenidos, se puede concluir que existen perdidas de calor y estas aumentan cuando el flujo volumétrico del agua fría disminuye. Según los datos obtenidos, se puede observar que la temperatura de salida de agua fría aumenta cuando el caudal del agua fría disminuye.

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