Informe 2 - Tubos Concentricos- Tranferencia DE Calor PDF

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Facultad de Ingeniería – Semestre 2019-IFecha de realización: 24 de Mayo de 2019 •Fecha de presentación: 07 de Junio de 2019Fa19 • FeIntercambiador de tubos concéntricos sistematizado (edibon)Systematized concentric tubes heat exchanger (edibon)Escudero Nelson1* 1 Estudiante de ingeniería mecánica U...

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atorio Laboratorio Tr Labor Labor atorio de de T T ansferencia de de Calor Calor Laboratorio Trrransferencia Facultad de Ingeniería – Semestre 2019-I Fecha de realización: 24 de Mayo de 2019 • Fecha 19 • de presentación: 07 de Junio de 2019

Intercambiador de tubos concéntricos sistematizado (edibon) Systematized concentric tubes heat exchanger (edibon) Escudero Nelson1* 1

Estudiante de ingeniería mecánica Universidad del Atlámtico, Barranquilla, Colombia; *[email protected]

Resumen—En el siguiente informe se realiza un balance global de energía y se evalúa la influencia de distintas variables en un proceso de transferencia de calor en un intercambiador de tubos concéntricos. Para esto se utilizó un intercambiador de tubos concéntricos con software de control Edibon. Este intercambiador da paso al fluido por tuberías de diferentes diámetros las cuales están contenidas una dentro de otras. Se midió la temperatura del sistema en dos direcciones de flujo distinto (paralelo y contracorriente), con esto se calculó los coeficientes individuales convectivos de los fluidos caliente y frio, la resistencia total del sistema y el coeficiente global de transferencia de calor. Palabras clave:.Intercambiador de tubos concéntrico. transferencia de calor, Flujo paralelo, Flufo contracorriente. Abstract—the following paper shows the global energy balance and the influence of different variables on a heat transfer process in a concentric tube heat exchanger. For this, a concentric tube exchanger with Edibon control software was used. This exchanger gives way to the fluid through pipes of different diameters which are contained within one another. The temperature of the system was measured in two different flow directions (parallel and countercurrent), with this it was calculated the individual convective coefficients of the hot and cold fluids, the total system resistance and the overall heat transfer coefficient. Keywords: Concentric tubes heat exchanger, heat trnasfer, parallel flow, countercurrent flow

I.

INTRODUCCIÓN

Los intercambiadores de calor pueden tener diversos usos, pero en general, son usados para recuperar calor entre dos corrientes en un proceso [1]. Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos, son los intercambiadores de calor más sencillos. Están constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto a la dirección del flujo de los fluidos: contra flujo y flujo paralelo. En la configuración en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuración en contra flujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos.

Figura 1. Intercambiador de calor de tubos concentricos [3]

En el flujo en contracorriente los fluidos se mueven en direcciones opuestas el uno del otro. Esta es la disposición de flujo termodinámicamente superior a cualquier otra. En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un intercambiador de calor en contracorriente la temperatura de salida del fluido frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca

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puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente. Se realizará el cálculo del número de Reynolds, de Prantdlt y de Nusselt, estas tres constantes adimensionales junto conla difusividad térmica tanto del agua fría como del agua caliente para poder determinar los coeficientes convectivos individuales tanto del de ambos flujos, teniendo en cuenta que hay que calcular un diámetro equivalente para la condición del flujo de agua fría, ya que esta es la que pasa por el anulo o tubo exterior. Para determinar las constantes adimensionales se utilizan las siguientes ecuaciones:

πμ d∫ ¿

´ 4m Re h= ¿ Re c=

(1)

4m ´ πμ d e

(2)

Donde (1) es para la tubería de agua caliente y (2) es para el agua fría determinando un diámetro para el ánulo.

Pr=

μCp Kf

(3)

El número de Nusselt se determina mediante una ecuación preestablecida, la cual se selecciona dependiendo de los valores de las dos anteriores constantes adimensionales. Luego el coeficiente convectivo individual para el flujo frio y caliente está dado por la siguiente ecuación:

d∫ ¿ hh =

Nu K f ¿

hc =

(4)

Nu K f (5) de

Donde U es el coeficiente global de transferencia y A el área de intercambio. Calculamos el número de Reynolds ( Re ¿ , el cual nos indica el régimen de flujo del fluido en la tubería de la siguiente forma. La resistencia total del sistema está dada por la siguiente expresión:

2

ln

de ( dint )

1 ¿ + (6) 2 π L K he π de L 1 +¿ Rt = hh π dint L Donde dint, y de son respectivamente los diámetros interno y externo y L es la longitud del tubo interior en el intercambiador.

Rt =

1 1 →U = Rt A UA

(6)

Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2-K) y A es el área perpendicular a la dirección del flujo de calor (m2) II.

METODOLOGÍA

Para dar inicio a la práctica, se utilizó un intercambiador de calor de tubos concéntricos sistematizado donde inicialmente se comprobó que las válvulas estuvieran abiertas y que se tuviera la dirección de flujo deseada, también se comprobó que el depósito de agua estuviera lleno por encima del nivel del interruptor de nivel, una vez verificado esto, se fijó la temperatura del depósito y del caudal de agua caliente y de agua fría, esto se hizo con ayuda del software al cual está conectado el intercambiador, el cual de una lectura en pantalla de la temperatura. Una vez las condiciones de caudal de agua fría eran estacionarias, se registró los valores de temperatura para el flujo en contracorriente. Se dejó en reposo al sistema por unos minutos y luego se realizó el mismo procedimiento pero con flujo en paralelo. Se utilizó un intercambiador de tubos concéntricos ampliado TICTA EDIBON. El tubo interior tenía un diámetro interno de 0.016 m y un diámetro eterno de 0.018 m, el tubo exterior tenía un diámetro interno de 0.026 in y un diámetro externo de 0.028 in. La tubería era de cobre forrada con aislante y tenía una longitud de 4 m divididos en secciones de 1 m cada una. Luego para este primer ensayo con flujo en contracorriente se fijó el caudal de agua caliente, SC1 con un valor de 3.2 L/min y el caudal de agua fría, SC2 en 0.6 L/min, se esperó a que se estabilizara el sistema y se tomaron los datos medidos por ST1 a ST10, además de ST16 y se registraron en la tabla. Para el segundo ensayo en flujo a contracorriente, se aumentó el caudal de agua fría, SC2 en 3 L/min, mientras que el caudal de agua caliente se colocó en 3 L/min. Se esperó a que se estabilizara el sistema y se volvieron a tomar los datos

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medidos por ST1 a ST10, además de ST16 y se registraron en la tabla correspondiente. Para la parte correspondiente al ensayo en paralelo se dispusieron las válvulas en flujo paralelo abriendo las válvulas que se encontraban cerradas y para el primer ensayo de esta parte se fijó el caudal SC1 en 3.4 L/min y el caudal SC2 en 0.5 L/min. Al invertirse el flujo de agua fría, ST6 disminuyó su temperatura y ST10 aumentó su temperatura. Cuando el sistema se estabilizó, se registraron en la tabla los valores de ST1 a ST10, además de ST16. Finalmente se repitió el mismo procedimiento de uno, para el segundo ensayo, pero con un caudal SC1 de 3 L/min y un caudal SC2 de 3 L/min, volviendo a registrar los datos obtenidos en la tabla. Dichos datos se obtuvieron con la ayuda de un software

Ensayo ST16 (°C) ST1 (°C) ST2 (°C) ST3 (°C) ST4 (°C) ST5 (°C) ST6 (°C) ST7 (°C) ST8 (°C) ST9 (°C) ST10 (°C) SC1 (L/min) SC2 (L/min) SC1 (m3/s) SC2 (m3/s) ṁṁ SC1 ṁṁ SC2

Contracorriente 1 54,7 50,1 50,5 48,8 47,5 48,6 43,7 47 41,1 32,2 3,2 0,6 5.33x10-5 1x10-5 0,05333 0,01000

2 54,4 48,6 46,1 43,9 42,3 41 36,9 37,7 37,5 32,8 3 3 5x10-5 5x10-5 0,05000 0,05000

especializado que hacía parte del intercambiador de calor de tubos concéntricos, con la intención de realizar una comparación de la transferencia de calor para una configuración de flujo a contracorriente y una configuración en flujo paralelo, además de hallar los coeficientes individuales convectivos de los fluidos, el coeficiente global de transferencia y la resistencia total del sistema.

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III.

RESULTADOS

Diámetro interno Diámetro externo Diámetro interno Diámetro exterior o anulo

Tubo exterior o ánulo

Tubo interior

Intercambiador de calor

Longitud total

0.026m 0.028m 0.016m 0.018m 4m (dividido en 4 secciones de 1m cada una)

Tabla 1. Datos del intercambiador Tabla 2, Datos experimentales, en flujo contracorriente.

Ensayo ST16 (°C) ST1 (°C) ST2 (°C) ST3 (°C) ST4 (°C) ST5 (°C) ST6 (°C) ST7 (°C) ST8 (°C) ST9 (°C) ST10 (°C) SC1 (L/min) SC2 (L/min) SC1 (m3/s) Ingeniería SC2 (m3/s)Mecánica ṁṁ SC1

Paralelo 3 4 54,6 54,6 49,2 48,7 48,8 45,5 47,4 43,8 47,3 43,2 39,1 34,8 39,5 34,7 46,3 38,5 42,8 37,9 42,4 38,4 3,4 3 0,5 3 -5 5.67x10 5x10-5 -6 Universidad del Atlántico 8.33x10 5x10-5 2019-I 0,05667 0,05000

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Se determina la resistencia total del sistema y coeficiente global de transferencia de calor a partir de los coeficientes individuales convectivos para cada ensayo. Tabla 3 Datos experimentales, en flujo paralelo.

Tprom [K] ρ [kg/m3] ṁ [kg/s] μ [Ns/m2] De [m] Re Cp [J/kgK] Kf[W/mK] Pr ε [m] f Nud h[W/m2K]

Contracorriente Ensayo Ensayo 1 2 385 385

Paralelo Ensayo Ensayo 3 4 385 385

Kcobre [W/mK] Contracorriente Rt [K/W] 0,038624 0,015302 0,012803 0,044036 Ensayo 1 Ensayo 2 2 1685,720 4254,899 5085,474 1478,528 Caliente Frio Caliente Frio U [W/m K] Tabla 6. Resistencia total y coeficiente de transferencia de calor 322,4 315,7 318,4 310,3 991,1 991,5 990,2 993,4 A continuación en las figuras 2 y 3 se puede apreciar el 0,0533 0,0100 0,0500 0,0500 comportamiento de temperaturas a lo largo del 0,000528 0,000631 0,000577 0,000695 intercambiador de calor en la configuración contracorriente: 0,016 0,0196 0,016 0,0196 8038,1 1031,8 6895,8 4684,1 4180,0 4179,06 4179,5 4178,0 0,6340 0,6344 0,6370 0,6280 3,4811 4,1569 3,7858 4,6237 1.5*10-6 1.5*10-6 1.5*10-6 1.5*10-6 0,03291 N/A 0,03438 0,03854 29,00 3,66 23,14 12,82 1149,07 118,73 921,30 411,75

Tabla 4. Resultados de parámetros adimensional y propiedades del fluido para contracorriente.

Tprom [K] ρ [kg/m3] ṁ [kg/s] μ [Ns/m2] De [m] Re Cp [J/kgK] Kf[W/mK] Pr ε [m] f Nud h[W/m2K]

Paralelo Ensayo 1 Ensayo 2 Caliente Frio Caliente Frio 320,1 315,2 318,5 310,0 991,5 991,5 990,2 993,4 0,0567 0,0500 0,0083 0,0500 0,000577 0,000631 0,000577 0,000695 0,016 0,019556 0,016 0,019556 7815,2 5159,2 1149,3 4684,1 4180,0 4179,06 4179,50 4178,0 0,6340 0,6344 0,6370 0,6280 3,8042 4,1569 3,7858 4,6237 1.5*10-6 1.5*10-6 1.5*10-6 1.5*10-6 0,03317 0,03743 N/A 0,03854 26,05 15,75 3,66 12,82 1032,17 510,99 145,71 411,75

Figura 2. Temperatura Vs recorrido para la configuración en contracorriente ensayo 1.

Tabla 5. Resultados de parámetros adimensional y propiedades del fluido para paralelo.

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Figura 3. Temperatura Vs recorrido para la configuración en contracorriente ensayo 2.

En las figuras 4 y 5 se puede apreciar el comportamiento de temperaturas a lo largo del intercambiador de calor en la configuración paralelo:

Figura 5. Temperatura Vs recorrido configuración en paralelo ensayo 4.

IV.

Figura 4. Temperatura Vs recorrido configuración en paralelo ensayo 3.

V. C ONCLUSIONES.

para

la

para

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Por medio de las gráficas se determinó la relación entre el caudal, régimen de flujo y la transferencia de calor que existe para dos configuraciones de flujo distintas (paralelo y contracorriente), también se hizo un análisis y se corroboró en ambas configuraciones un comportamiento de acuerdo a la base teórica con cierto error posiblemente por falta de calibración en el sensor de temperatura ST8, ya que la configuración en paralelo la temperatura, En la experiencia se obtuvo un aumento tanto en la temperatura de equilibrio del sistema como en el coeficiente global de transferencia de calor al aumentar la temperatura del depósito. En el experimento se halló que uno de los sensores de temperatura marcaba temperaturas variantes y no se estabilizaba, debido a un daño en el mismo ST2. Se realizaron los cálculos sin tener en cuenta esta temperatura. Se obtuvo un mayor coeficiente global de transferencia de calor es mayor cuando ambos caudales son Mecánica Universidad del Atlántico tiendenIngeniería a tener la misma magnitud, ya que hay una menor resistencia en el sistema

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