Lab 1 Intercambiadores DE Calor DE Doble TUBO PDF

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INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBO Juan S. Quiroga Mendoza, Yuleisy Pardo Vanegas, Daniel Garcia Hernandez, Profesor: Angie Ortega Laboratorio de Termofluidos Universidad del Norte 2018 1. Objetivos General: Demostrar el calentamiento o enfriamiento indirecto por transferencia de calor desde un...

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INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBO Juan S. Quiroga Mendoza, Código: 200074834 Yuleisy Pardo Vanegas, Código: 200076237 Daniel Garcia Hernandez, Código: 200073911 Profesor: Angie Ortega Rincón Laboratorio de Termofluidos Universidad del Norte 2018 Barranquilla-Colombia

_________________________________________________________________________ 1. Objetivos General: ❖ Demostrar el calentamiento o enfriamiento indirecto por transferencia de calor desde una corriente de fluido a otra, separadas por una pared sólida. Específicos: ❖ Medir los cambios de temperatura de dos corrientes separadas de agua que pasan por los tubos internos y los anillos exteriores de un intercambiador de calor tubular. ❖ Realizar un balance de energia atraves de un intercambiador de calor tubular y calcular la eficiencia general a diferentes tasas de flujo. ❖ Demostrar las diferencias entre el flujo concurrente y el flujo contracorriente en un intercambiador de calor tubular. ❖ Determinar el coeficiente de transferencia de calor general en un intercambiador de doble tubo

2. Introducción Un intercambiador de calor de doble tubo está formado por dos tubos concéntricos, cuya función es transmitir calor desde un fluido caliente a uno frío haciendo pasar un flujo en el tubo interno y otro por el tubo externo, este es considerado intercambiador de calor indirecto. En esta experiencia se busca comprobar el calentamiento y enfriamiento indirecto que ocurre debido a la transferencia de calor del fluido a temperatura ambiente al fluido frío, a su vez estudiar qué implicaciones tiene que los flujos sean paralelos o cruzados, obteniendo la eficiencia del intercambiador para ambos casos. En el siguiente informe se presenta el procedimiento que se llevó a cabo para realizar la práctica, al igual que los materiales y equipos utilizados, también se muestran los datos obtenidos en la experiencia y con base a estos, se realizan cálculos como el calor emitido y el absorbido y las eficiencias del intercambiador, además se presenta un

breve marco teórico acerca de el intercambiador de calor de doble tubo, y por último se muestran las conclusiones y se explican las diferencias y similitudes que hay al utilizar el intercambiador de calor bajo un flujo contracorriente y un flujo concurrente.

3. Marco

Teórico

Intercambiador de Calor El intercambiador de calor es un dispositivos diseñado para transferir calor entre dos fluidos, encontrándose éstos en contacto o separados por una barrera sólida. Se trata de componentes esenciales en los sistemas de climatización o refrigeración, acondicionamiento de aire, producción energética y procesamiento químico. Intercambiadores de Doble Tubo Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Están constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. Mecanismos de Transferencia de Calor Conducción Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio material por

contacto directo entre sus partículas, cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micropartículas. El medio puede ser sólido, líquido o gaseoso, aunque en líquidos y gases sólo se da la conducción pura si se excluye la posibilidad de convección. La cantidad de calor que se transfiere por conducción, viene dada por la ley de Fourier. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal, es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo. Convección La transmisión de calor por convección se compone de dos mecanismos simultáneos. El primero, es la transferencia de calor por conducción, debido al movimiento molecular, a la que se superpone la transferencia de energía por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa, que puede ser un gradiente de densidad (convección natural), o una diferencia de presión producida mecánicamente (convección forzada) o una combinación de ambas. La cantidad de calor transferido por convección, se rige por la ley de enfriamiento de Newton. Radiación Se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas.2 El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo, viene dado por la ley de StefanBoltzmann. Tipos

de

Flujo

Flujo Paralelo Como se ilustra en la figura (1), existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.

transferencia de masa de una cierta cantidad de soluto por una cantidad determinada (en volumen o masa) de solvente, la velocidad de la disolución debe ser la misma en las dos corrientes. En el caso de transferencia de calor, el producto del calor específico (el promedio en el rango de temperatura involucrado) y el flujo de masa, también deben ser iguales.

Fig 2. Intercambiador Contracorriente

Flujo

4. Montaje Experimental Primero se verifican las disposiciones de las termocuplas en el intercambiador. Luego se miden tanto el flujo volumétrico del banco (flujo caliente) como el flujo volumétrico de la bomba (flujo frío). Fig 1. Paralelo

Intercambiador

Flujo

Flujo Contracorriente A diferencia de equicorriente, aquí los dos fluidos se mueven en sentidos opuestos, lo que permite que el sistema pueda mantener un gradiente casi constante entre ellos a lo largo de la ruta de movimiento. A medida que la ruta de flujo sea más larga y que la velocidad del movimiento de los fluidos sea más lenta, la tasa de transferencia será menor, sin embargo esto se debe a que los dos fluidos son "iguales" en algún sentido. Por ejemplo, si tenemos en cuenta la

En el intercambiador de calor de tubos concéntricos se conectan de forma paralela dos suministros de fluidos a distinta temperatura, agua a temperatura ambiente y agua fría. Una vez que los flujos ingresan al intercambiador se registran por unos minutos las temperaturas de entrada y salida, de los fluidos caliente y frío. Luego se conectan los suministros en contraflujo colocando la entrada del flujo caliente donde antes era la salida y se realizan las nuevas mediciones. En el IC de tubos concéntricos el flujo frío pasa por el tubo interno mientras el flujo

caliente pasa por el tubo externo.

ΔTlog = 20,64°C

Contracorriente ΔThot = T4 - T6 = 25,3°C - 24°C ΔThot = 1,3°C 5. Datos Experimentales Tabla 1. datos de la experiencia.

ΔTcold = T3 - T1 = 7,4°C - 4,8°C ΔTcold = 2,6°C

ΔTinicial = T4 - T1 = 25,3°C 4,8°C ΔTinicial = 20,5°C ΔTfinal = T6 - T3 = 24°C - 7,4°C ΔTfinal = 16,6°C

6. Resultados I PARTE 1. Las diferencias de temperatura en las corrientes frías y calientes usando la diferencia de temperatura simple y la media logarítmica. Concurrente ΔThot = T4 - T6 = 28,1°C - 26,4°C ΔThot = 1,7°C ΔTcold = T3 - T1 = 8,3°C - 4,7°C ΔTcold = 3,6°C

ΔTinicial = T4 - T1 = 28,1°C 4,7°C ΔTinicial = 23,4°C

ΔTlog = (20,5 - 16,6) / Ln(20,516,6) ΔTlog = 18,48°C

2. El calor emitido, el calor absorbido y la eficiencia general del intercambiador. Concurrente Qemitido = Flujomasico*ΔThot*Cp Qemitido = (0,00012*996,4)*1,7*4,179 Qemitido = 30,12W Qabs = Flujomasico*ΔTcold*Cp Qabs (999,2*0,0000765)*3,6*4,1866 Qabs =1,15W

=

n general = Qabs/Qemitido*100 n general = 1,15/30,12*100 n general = 14,5%

ΔTfinal = T6 - T3 = 26,4°C - 8,3°C ΔTfinal = 18,1°C Contracorriente ΔTlog = (23,4 - 18,1) / Ln(23,418,1)

Qemitido = Flujomasico*ΔThot*Cp

Qemitido (0,00012*996,4)*1,3*4,179 Qemitido = 30,12W Qabs = Flujomasico*ΔTcold*Cp Qabs (999,2*0,0000765)*2,6*4,1866 Qabs =0,832W

= n media = (n hot - n cold) / 2 n media = (13,54 - 6,77) / 2 n media = 3,38% =

4. El coeficiente de transferencia general del intercambiador. dm = (do - di) / 2 = (0,0095 0,0083)/2 dm = 0,0006 m

n general = Qabs/Qemitido*100 n general = 0,832/30,12*100 n general = 7,5% Nota: El calor específico y la densidad fueron tomados de la figura 3, por medio de interpolación.

A = � * dm * L = � * 0,0006 * 0,66 A = 0,00124 m2 Concurrente

3. Las eficiencias de temperatura para la corriente fría y caliente y la eficiencia de temperatura media del intercambiador.

U = Qe / (A*ΔTlog) U = 30,12 / (0,00124*20,64) U = 1176 W/m2K

Contracorriente Concurrente n cold = (T4 - T6) / (T1 - T6)*100 n cold = (28,1 - 26,4)/(4,726,4)*100 n cold = 7,83% n hot = (T1 - T3) / (T1 - T6)*100 n hot = (4,7 - 8,3)/(4,7-26,4)*100 n hot = 16,58% n media = (n hot - n cold) / 2 n media = (16,58 - 7,83) / 2 n media = 4,37%

U = Qe / (A*ΔTlog) U = 30,12 / (0,00124*18,48) U = 1314 W/m2K II PARTE Con sus palabras, explique las similitudes y/o diferencias que existen al usar el intercambiador bajo un flujo contracorriente y concurrente. R/: ●

Contracorriente n cold = (T4 - T6) / (T1 - T6)*100 n cold = (25,3 - 24)/(4,8-24)*100 n cold = 6,77% ● n hot = (T1 - T3) / (T1 - T6)*100 n hot = (4,8 - 7,4)/(4,8-24)*100 n hot = 13,54%

El intercambiador de calor contracorriente puede transferir más energía que el intercambiador bajo flujo concurrente, esto se debe a que la temperatura de salida de agua fría puede acercarse a la temperatura mayor del vapor, por lo que es una ventaja de este tipo de flujo. Una desventaja del intercambiador trabajando bajo flujo paralelo es que este sufre más estrés térmico debido a las diferencias de

●

temperatura extremas en la entrada del intercambiador. Una ventaja del flujo concurrente es que con este es más fácil llevar a los dos fluidos a la misma temperatura.

7. Conclusiones Se pudo comprobar la transferencia de calor que se da en un intercambiador de doble tubo, en dos tipos de flujo, concurrente y contraflujo. Esto se evidenciò en el cambio de temperatura que experimentaron los flujos caliente y frìo, los cuales tendieron a una temperatura media. Segùn los càlculos realizados, se pudo observar que en el flujo concurrente hubo un mayor aprovechamiento del intercambio de calor entre los flujos, dado que estos cambiaron màs su temperatura, y asì el sistema tuvo mayor eficiencia que el sistema contracorriente. Estos càlculos pueden variar de los valores reales durante la experiencia debido a los factores externos que pudieron intervenir negativamente en el intercambio de calor. Por ejemplo, no hay forma de calcular la cantidad de hielo introducido para enfriar el agua, lo que causa errores en la mediciòn de la temperatura, tambièn el intercambio de calor del tubo externo con el ambiente el cual no es tenido en cuenta. Estos factores pudieron causar errores en las mediciones, pero aùn sì consideramos con los càlculos son bastante acertados.

8. Referencias [1] Hell, P. (2018). Intercambiadores de calor de flujo paralelo y en contracorriente.. [online] Geniolandia. Available at:

https://www.geniolandia.com/13104314/diferen cia-entre-intercambiadores-de-calor-de-flujoparalelo-y-en-contracorriente [Accessed 13 Aug. 2018].

9. Anexos

Fig 3. Calor específico y densidad....