Lab 2 Intercambiadores DE Calor DE TUBO Y Coraza PDF

Preview

Summary

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBO Y CORAZA 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...

Description

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBO Y CORAZA 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 de tubo y coraza. ❖ Realizar un balance de energía a través del intercambiador y calcular la eficiencia general. ❖ Demostrar las diferencias entre el flujo concurrente y el flujo contracorriente en un intercambiador de calor de tubo y coraza. ❖ Determinar el coeficiente de transferencia de calor general en el intercambiador

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 Tubo y Coraza Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos están compuestos por tubos cilíndricos, montados dentro de una carcasa también cilíndrica, con el eje de los tubos paralelos al eje de la carcasa. Un fluido circula por dentro de los tubos, y el otro por el exterior (fluido del lado de la carcasa). Son el tipo de intercambiadores de calor más usado en la industria. . 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.

fluidos son "iguales" en algún sentido. Por ejemplo, si tenemos en cuenta la 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

En el intercambiador de calor de tubo y coraza 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.

Y en el IC de tubo y coraza el flujo frío pasa por los tubos mientras el flujo caliente por la coraza.

Concurrente ΔThot = T4 - T6 = 26.3°C - 24.1°C ΔThot = 2.2°C ΔTcold = T3 - T1 = 11.2°C - 11.1°C ΔTcold = 0.1°C

ΔTinicial = T4 - T1 = 26.3°C 11.1°C ΔTinicial = 15.2°C ΔTfinal = T6 - T3 = 24.1°C - 11.2°C ΔTfinal = 12.9°C

Figura 3. Montaje experimental

ΔTlog = (15.2-12.9) / Ln(15.2/11.9) ΔTlog = 14.02°C 5. Datos Experimentales Tabla 1. Datos de la experiencia. DATOS

Concurrente

Contracorriente

T1 (°C)

11,1

14,8

T2 (°C)

11,15

15,1

T3 (°C)

11,2

15,3

T4 (°C)

26,3

25,6

T5 (°C)

25,2

25,1

T6 (°C)

24,1

24,6

Qcold (m3/s)

1,48E-04

1,48E-04

Qhot (m3/s)

7,39E-05

7,39E-05

Nota: Las temperaturas T2 Y T5 no fueron medidas (son un promedio de las temperatura de entrada y salida que se utilizó para elegir de la figura 4 las densidades y los calores específicos). 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.

Contracorriente ΔThot = T4 - T6 = 25.6°C - 24.6°C ΔThot = 1°C ΔTcold = T3 - T1 = 15.3°C - 14,8°C ΔTcold = 0.5°C

ΔTinicial = T4 - T1 = 25.6°C 14.8°C ΔTinicial = 10.8°C ΔTfinal = T6 - T3 = 24.6°C - 15.3°C ΔTfinal = 9.3°C ΔTlog = (10.8-9.3 ) / Ln(10.8/9.3) ΔTlog = 10.03°C

2. El calor emitido, el calor absorbido y la eficiencia general del intercambiador. Concurrente

Qemitido = Flujomasico*ΔThot*Cp Qemitido = (30.12)*2.2*4.1791 Qemitido = 31.12 kW Qabs = Flujomasico*ΔTcold*Cp Qabs = 7.39E-02*4,1906*0.1 Qabs =3.09E-02 kW

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

n general = Qabs/Qemitido*100 n general = 3.09E-02/30.12*100 n general = 1.1%

n cold = (T3 - T1) / (T4 - T1)*100 n cold = (11.2-11.1)/(26.311.1)*100 n cold =0,657%

Contracorriente

n hot = (T4 - T6) / (T4 - T1)*100 n hot = (26.3- 24.1)/(26.311.1)*100 n hot = 14.47%

Qemitido = Flujomasico*ΔThot*Cp Qemitido = 30.12*1*4.1857 Qemitido = 30,12 KW Qabs = Flujomasico*ΔTcold*Cp Qabs = 7,39E-02 *0,5*4.1797 Qabs =1,54E-01 KW n general = Qabs/Qemitido*100 n general =1,54E-01/30,12*100 n general = 23.1% Tabla 2. Valores de densidad y calor específico.

n media = (n hot - n cold) / 2 n media = (14.47 - 0,657 / 2 n media = 6,9%

Contracorriente n cold = (T3 - T1) / (T4 - T1)*100 n cold = (15.3-14.18)/(25.614.18)*100 n cold =4.62%

CONCURRENTE densidad h (kg/m3)

996,24

densidad c (kg/m3)

999,5

cp h (KJ/kg°C)

4,1791

cp c (KJ/kg°C)

4,1906

CONTRA CORRIENTE densidad h (kg/m3)

998.8

densidad c (kg/m3)

996.81

cp h (KJ/kg°C)

4.1857

cp c (KJ/kg°C)

4.1797

Nota: El calor específico y la densidad fueron tomados de la figura 3, por medio de interpolación.

n hot = (T4 - T6) / (T4 - T1)*100 n hot = (25.6-24.6)/(25.6-14.8)*100 n hot = 9.25% n media = (n hot - n cold) / 2 n media = (9.25- 4.62) / 2 n media =2.31% 4. El coeficiente de transferencia general del intercambiador. dm = (do - di) / 2 =(0.00635 -0,00515)/2 dm = 0.0012 m A = � * dm * L = � * 0.0012* 0,144 A = 0.000542 m2

Concurrente U = Qe / (A*ΔTlog) U = 31.12 / (0.000542*14.02) U = 26.6 kW/m2K

U = Qe / (A*ΔTlog) U = 30,12 / (0.000542*10.03) U = 22.4 kW/m2K Tabla 3. Resumen de resultados flujo paralelo Concurrente DeltaThot (°C)

2,2

DeltaTcold (°C)

0,1

dt1 (°C)

15,2

dt2 (°C)

12,9

deltaTlm (°C)

14,02

flujo masico h (kg/s)

30.12

flujo masico c (kg/s)

7,39E-02

Qe (KW)

31.12

Qa (KW)

3,09E-02 1.1

efi h (%)

14,47368421

efi c (%)

0,6578947368

efi lm (%)

6,907894737

U (kW/m2*°C)

30.12

Qa (KW)

1,54E-01

efi general (%)

23.1

efi h (%)

9,259259259

efi c (%)

4,62962963

efi lm (%)

2,314814815

U (kW/m2*°C)

Contracorriente

efi general (%)

Qe (KW)

22.4

7. Conclusiones Se pudo comprobar la transferencia de calor que se da en un intercambiador de tubo y coraza, 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. En un intercambiador de calor que trabaje con flujo cruzado la diferencia de temperatura media logarítmica será mayor que si el flujo fuera paralelo. Esto se debe a que en flujo cruzado la temperatura de salida del flujo frío puede llegar a ser superior a la temperatura de salida del flujo caliente, mientras que en flujo paralelo la temperatura de salida del flujo frío suele acercarse pero no igualar la temperatura de salida del flujo caliente a no ser que la longitud del intercambiador sea infinita.

26.6

Tabla 4. Resumen de resultados flujo paralelo Contracorriente DeltaThot (°C)

1,0

DeltaTcold (°C)

0,5

dt1 (°C)

10,8

dt2 (°C)

9,3

deltaTlm (°C)

10,03

flujo masico h (kg/s)

30.12

flujo masico c (kg/s)

7,37E-02

Sin embargo esto no se logró completamente en la experiencia debido a muchos factor que incidieron en los datos arrojados, causando que las diferencias de temperaturas en el flujo cruzado fuesen menores, obteniendo así mayor calor emitido en flujo paralelo, pero mayor calor absorbido en flujo contracorriente, y lo que se esperaba era mayor transferencia de calor en el flujo cruzado; de igual manera en las eficiencias se pueden notar errores en los datos porque se esperaría mayor eficiencia en flujo

cruzado y esto no se da en los resultados. Algunos de los factores que causaron dichos errores son por ejemplo que la cantidad de hielo que se agregaba para el fluido frío no se medía, era la cantidad que algún miembro del equipo de laboratorio consideraba necesaria por lo cual no era confiable, además a la hora de tomar el dato de las temperaturas no se esperaba que se llegase a la estabilidad completamente ya que la temperatura de flujo frío que entraba al intercambiador de calor no era constante (dado que el hielo se iba derritiendo) por lo que el proceso se hacía muy rápido. Otro error lo pudo haber causado los sensores de temperatura, o incluso las condiciones ambientales del lugar (laboratorio) también pudieron afectar los datos de la experiencia.

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 4. Calor específico y densidad....