Practica de tubos concentricos PDF

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tubos concentricos...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Operaciones Unitarias

Laboratorio de Transferencia de Calor

Practica No. 2 TUBOS CONCÉNTRICOS

Moisés Márquez Verónica

Grupo: 2IV52

Fecha de Entrega: 8 de Marzo de 2019 Profesora: Vieyra Eusebio María Teresa

TUBOS CONCÉNTRICOS

OBJETIVOS    

Determinar la eficiencia térmica del equipo. Analizar el comportamiento del intercambiador de calor a diferentes condiciones de operación. Aprender a operar el equipo de tubos concéntricos. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental, teórico y realizar análisis comparativo.

INTRODUCCIÓN Los intercambiadores de calor son equipos que permiten el calentamiento, cambio de fase o enfriamiento de un fluido (liquido o gas) por medio de otro fluido a diferente temperatura y separado por una pared generalmente metálica. Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Clasificación Los intercambiadores de calor pueden clasificarse según como sea: 

Intercambiadores de contacto directo: son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.



Intercambiadores de contacto indirecto: 

Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable.



De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.

Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto  

los cambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido) los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas)

Clasificación de los intercambiadores de calor de superficie Los intercambiadores de flujos paralelos, se utilizan generalmente para el intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio líquido-gas. Intercambiadores de calor tubulares El cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricos; consta de dos tuberías concéntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubería interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente). Transmisión de calor por conducción La conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel de energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que tenga lugar movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor por conducción no hay movimiento de materia. La conducción es el método más habitual de transmisión de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales sólidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendrá lugar una transmisión de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que está a temperatura más baja. El flujo de calor será proporcional al gradiente de temperatura. Transmisión de calor por convección Cuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el interior de una tubería, si existe una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de calor se debe al mecanismo de convección. El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos son los ejemplos más habituales de transmisión de calor por convección. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (también llamada natural). La convección forzada implica el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.

En la industria química la transmisión de calor se efectúa por medio de intercambiadores de calor y el más sencillo está formado por 2 tubos de diferentes diámetros de tal manera que uno esta dentro del otro, el espacio entre ambos se le denomina anulo o sección anular por donde uno de los fluidos circula, el otro fluido circula dentro del tubo interior. Este intercambiador se conoce como intercambiador de tubos concéntricos.

Usos de los intercambiadores de calor Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son prácticamente ilimitadas a nivel industrial y en instalaciones, ya que forman parte de cualquier proceso en el que se quiera transferir calor. De forma general, podemos decir que los principales usos de los sistemas de intercambio de calor son:    

Elevar la temperatura de un fluido, usando otro más caliente. Refrigerar un fluido usando otro que se encuentra a menos temperatura. Condensar gases. Evaporar líquidos.

Diferentes tipos de sistemas de intercambiador de calor Clasificar los sistemas de intercambio de calor puede llevarse a cabo usando muchos criterios diferentes. A la hora de clasificar los distintos tipos de intercambiadores de calor pueden tenerse en cuenta diferentes criterios. Teniendo en cuenta el grado de contacto entre los fluidos, se agrupan en dos tipos diferentes: 

Intercambiador de calor de contacto directo

En los intercambiadores de contacto directo la transferencia de calor se produce por medio de una mezcla física de los fluidos que intervienen en el proceso. Un ejemplo de este tipo de intercambiadores son las torres de refrigeración. En este caso el contacto directo se produce entre una corriente de agua caliente (fluido a enfriar) usando aire seco y más frío.



Intercambiador de calor de contacto indirecto

En un intercambiador de tipo directo no existe contacto directo entre los fluidos y nunca llegan a mezclarse. Los fluidos están separados por una barrera sólida y pueden también no coincidir en el mismo instante de tiempo. Los intercambiadores de calor de contacto indirecto pueden ser de varios tipos, siendo los más usados, según su tipología constructiva:     

De tubos concéntricos o doble tubo De carcasa y tubos De placas Intercambiadores compactos Regeneradores

Los equipos de tubos concéntricos son los más sencillos que existen ya que están compuestos por dos tubos concéntricos de diferente diámetro de modo que uno de los fluidos circula por el interior del más pequeño y el otro lo hace por el espacio anular entre ambos tubos. Los intercambiadores de carcasa y tubos son muy utilizados a nivel industrial y usan una carcasa con multitud de tubos en su interior. Los equipos de placas están formados por una sucesión de láminas de metal, armadas en un bastidor y separadas por juntas, que se fijan con una coraza de acero. El fluido circula entre estas láminas. Uso de intercambiadores de calor para recuperación de energía Los intercambiadores de calor son muy usados en todo tipo de instalaciones de climatización y de ACS, pero, además, pueden ser utilizados para recuperar energía en diferentes procesos, mejorando mucho la eficiencia energética. Las aplicaciones más importantes en este campo son:     

Recuperación de calor para aire: trabajan recuperando energía del aire de extracción, que se usa para precalentar el aire introducido al sistema. Recuperación de calor de purgas: permiten usar la energía térmica del agua caliente que se purga en una caldera, para precalentar el agua del circuito que se repone. Recuperadores para gases o economizadores: una aplicación fundamental es recuperar calor en los productos de combustión en calderas. Recuperadores de calor de condensación: se usan en las calderas de condensación para extraer calor de condensación del vapor de agua contenido en los humos y aprovechar esta energía. Los intercambiadores de calor son por lo tanto equipos básicos para el funcionamiento de cualquier instalación energética, pero también un sistema clave para mejorar la eficiencia energética y disminuir el consumo de energía.

Diagrama de bloques Verificar que todas las válvulas se encuentren cerradas.

Abrir válvula de alimentación general del agua y Alimentar el tanque de agua Abrir las válvulas desde la alimentación del agua a la bomba y la de recirculación de agua al tanque Energetizar el tablero de control y Accionar el botón de la bomba Abrir la válvula de alimentación de agua al intercambiador de calor; Abrir la válvula de descarga de agua caliente al tanque de agua caliente y la valvula de alimentación de agua al rotámetro colocanndolo al 80% de operaci+on y al 100% en la segunda operación Abrir la válvula de alimentación al enfriador del condensado, también abrir línea de vapor desde la descarga a válvula general y la válvula general de vapor al equipo Se abre la válvula de purga de purga del vapor y la válvula de alimentación al intercambiador de calor, consecutivamente se abre la válvula de descarga de vapor al enfriador. Se Ajustó la válvula reductora de presión a las condiciones de operación del equipo la cual se ajustó a (0.8 kg/cm 2) observando la presión del manómetro. Se opera el equipo hasta obtener régimen permanente, registrando las temperaturas de los indicadores ubicados en el tablero de control hasta que permanezcan constantes.

Se Toman los datos experimentales de presión, temperaturas, gastos de agua y vapor en determinado tiempo

Se Cambian las condiciones de operación la cual el rotámetro se cambió al 80% y se opera el equipo y se busca establecer el régimen permanente

Se obtienen los nuevos datos experimentales Finalmente en la operación se cierra la válvula de alimentación de vapor y se deja funcionando el intercambiador de calor hasta que este se enfrié (aprox. 3-5min) Se apaga la bomba y se cierra la válvula del rotámetro, después se cierra la válvula de alimentación del agua y se cierran todas las válvulas que hayan sido ocupadas y se desenergiza el equipo del tablero de control.

Tabla de Datos Experimentales

Lectura del rotámetro %

Pv man Kgf/cm2

Tv °C

TCC °C

Tcf °C

taf °C

tac °C

ΔZa cm

ΔZC cm

Δϴc min

81 96

0.8 0.8

110 110

111 111

25 25

27 27

40 40

SECUENCIA DE CÁLCULOS Primera corrida con el rotámetro al 96% 1. Gasto volumétrico del agua (Gva) Δ Z af m3 [ ¿] ∆ θa h π G va= ¿ 4 m3 2 0 . 365 =0 . 61920 0 . 60¿ 0 .16667 h π G va = ¿ 4 2

D af ¿

2. Gasto masa del agua ( Gma ¿ G ma=G va ρ af [ ¿]

kg h

G ma=0 . 6194∗996 . 59=617 .2878

kg h

3. Gasto volumétrico del condensado (Gv cf ) ∆ Z cf m3 [¿ ] ∆θ h π Gv cf = ¿ 4

D cf ¿

2

3

2

0 . 385

m ¿ ∗0 .0257 =0 . 01802 0. 16667 h π Gv cf = ¿ 4

4. Gasto masa del vapor condensado (Gmvc ) Gmvc =Gvvc ρcf [ ¿]

kg h

Gmvc =0 .01802∗997 . 13=17 . 9682

kg h

30.5 36.5

2.4 2.57

10 10

5. Calor ganado o absorbido por el agua ( Q a ¿ Q a=Gm a Cp ( t ac −taf )[ ¿]

kcal h

Q a=617 . 2875∗0 . 999( 41−27 )=8633 . 3829

kcal h

6. Calor cedido por el vapor ( Qv ¿ Q v =Gm vc λv [¿ ] λ v =543.3

kcal h

kcal kg @ PT =2.78 2 kg cm

Q v =17 . 9682∗543 .3=9762 .1230

kcal h

7. Eficiencia térmica del equipo ( ηt ¿ Qa ηt = X 100 Qv 8633 .3829 X 100=88 . 43 % ηt = 9762. 1230 8633 .3829 kcal Ud= =567 .614 75 . 78∗0 .2007 h m2 ° C

8. Media logarítmica de las diferencias de temperaturas ΔT = ML

Δ T 1− Δ T 2 ΔT 1 ln Δ T2

En donde: ΔT 1=T v −t af ΔT 1=110 −27 =8 3

ΔT 2=T v −t ac

[¿ ]° C

(Δ T ) ML

ΔT 2=110 −41 =6 9

9. Área de transferencia de calor ( ATC ) A TC =π d e L [ ¿] m 2

A TC =π∗0 . 02 13∗3=0 . 2007 m2 1 Ced 40 2

widevec {stack { Di =0.0158 # De =0.0213 }

10. Coeficiente de película interior (hi ) hi=0.0225

kcal k 0.8 0.4 ℜ Pr [ ¿ ] di h m2 °C

hi=0.0225

k di vρ di μ

hi=0 .0225

t m=



t af +t 2

ac

( ) ( Cpμk ) 0.8

0.4

[¿]

kcal hm 2 ° C

kcal 0 . 5362 ∗2624 . 92∗1 . 8911=3790 . 3804 2 0 . 0158 h m °C

[ ¿ ] ° C t m=

27 + 41 =34 ° C 2

Propiedades Físicas

kcal h r m °C kg ρ=994.43 3 m kg μ=2.64 mh kcal Cp=0.999 kg ° C ℜ=2624.92 Pr=1.8911 K=0.5362

La velocidad de flujo del agua se determina mediante: Gv a Gv m [¿ ] v = a= h π 2 Af di 4

v=

0 . 6194 m =3159 .1274 π h 2 0 . 0158 4

11. Coeficiente de película para condensación de vapor por el exterior de un tubo horizontal (he ) ρf 2 K f 3 λ v g de μ f Δ T f ¿ ¿ h e=0.725 ¿ 970 .97 2∗0 . 581463∗543 . 3∗1271 . 37600 0. 0213∗1 .26∗37 . 75 ¿ ¿ he=0 . 725¿ T f =T v −0.75 ΔT f T f =110 −0.75 (37.75 ) =81.6875 ΔT f =T v −T ¿ Δ T f =110−72.25 =37.75 °C T ¿=

T v + T cc +t af +t ac 110 + 111 + 27 + 4 1 T ¿= =72 . 25 4 4

12. Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico (U C ) U C=

U C=

1 kcal [ ¿] e de de 1 h m2 °C + + hi di K dm h e

kcal 1 =344.8321 2 1 0.0213 0.0213∗0.0275 h m °C + + 3790.3804∗0.0158 386.9∗0.0185 406.7683

13. Calculo del porcentaje de diferencia de los coeficientes U c Y U d

% D=

U c −U d ∗100 Uc

% D=

567.64 −344.8321 ∗100= 64.61% 344.8321

14. Cálculo del factor de incrustación (Rd ) con los coeficientes U c Y U d U c −U d ∗100 Uc xU d 567.64−344.8321 Rd = ∗100 =0.1138% 567.64∗344.8321 Rd =

Corrida dos con el Rotámetro al 81%

Lectura del rotámetro % 81

Pv man Kgf/cm2 0.8

Tv °C 110

TCC °C 111

1. Gasto volumétrico del agua (Gva) Δ Z af m3 [ ¿] ∆ θa h π G va= ¿ 4 2

D af ¿

Tcf °C 25

taf °C 27

tac °C 40

ΔZa cm 30.5

ΔZC cm 2.4

Δϴc min 10

0 . 60¿

2

0 . 305 m3 =0 .5174 h 0 .16667 π G va= ¿ 4

2. Gasto masa del agua ( Gma ¿ G ma=G va ρ af [ ¿]

kg h

G ma=0 . 5174∗997 . 38=516 . 0444

kg h

3. Gasto volumétrico del condensado (Gv cf ) ∆ Z cf m3 [¿ ] h ∆θ π Gv cf = ¿ 4

D cf ¿

2

3

2

0 . 385

m ¿ ∗0 .024 =0 . 0167 h 0 .16667 π Gvcf = ¿ 4

4. Gasto masa del vapor condensado (Gmvc ) Gmvc =Gvvc ρcf [ ¿]

kg h

Gmvc =0 .0167∗997 .13=16 .6520

kg h

5. Calor ganado o absorbido por el agua ( Q a ¿ Q a=Gm a Cp ( t ac −taf )[ ¿]

kcal h

Q a=516 . 0444∗0 . 999( 40 −27 ) =6701. 8686

6. Calor cedido por el vapor ( Qv ¿

kcal h

Q v =Gm vc λv [¿ ] λ v =543.3

kcal h

kcal kg @ PT =2.78 2 kg cm

Q v =16 . 6520∗543 .3=9047 . 0316

kcal h

7. Eficiencia térmica del equipo ( ηt ¿ Q ηt = a X 100 Qv 6701. 8686 X 100=74 . 07 % ηt = 9047 . 0316

kcal 6701. 8686 =437 . 5581 Ud= 76 . 3155∗0 . 2007 h m2 ° C 8. Media logarítmica de las diferencias de temperaturas ΔT = ML

(Δ T )

Δ T 1− Δ T 2 [¿ ]° C ΔT 1 ln Δ T2

En donde: ΔT 1=T v −t af ΔT 1=110 −27 =83

ΔT 2=T v −t ac ΔT 2=110 −40 =70

9. Área de transferencia de calor ( ATC ) A TC =π d e L [ ¿] m

2

A TC =π∗0 . 0213∗3=0 . 2007 m

2

1 Ced 40 widevec {stack { Di =0.0158 # De =0.0213 } 2 10. Coeficiente de película interior (hi )

ML

k 0.8 0.4 kcal ℜ Pr [ ¿ ] di h m2 °C 0.8 Cpμ 0.4 [ ] kcal k di vρ ¿ hi=0.0225 di μ k hm 2 ° C kcal 0 . 5362 ∗2236 .7155∗1 . 9072=3257 . 3110 2 hi=0 .0225 0 . 0158 hm °C hi=0.0225

( )( )

t m=



t af +t 2

ac

[ ¿ ] ° C t m=

27 + 40 =33.5° C 2

Propiedades Físicas

kcal h r m °C kg ρ=994.76 3 m kg μ=2.6964 mh kcal Cp=0.999 kg ° C ℜ=2236.7155 Pr=1.9072 K=0.5362

La velocidad de flujo del agua se determina mediante: Gv a Gv m v = a= [¿ ] π 2 Af h di 4 0 . 5174 m v= =2638 .8965 π h 2 0 . 0158 4 11. Coeficiente de película para condensación de vapor por el exterior de un tubo horizontal (he ) ρf 2 K f 3 λ v g de μ f Δ T f ¿ ¿ h e=0.725 ¿

970 .97 2∗0 . 53623∗543 . 3∗1271 .37600 0 . 0213∗1. 26∗38 ¿ ¿ he=0 .725 ¿ T f =T v −0.75 ΔT f T f =110 −0.75 (38 )=81.5 ΔT f =T v −T ¿ Δ T f =110−72 =38 °C T ¿=

T v + T cc +t af +t ac 110 + 111 + 27 + 40 T ¿= =72 4 4

11. Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico (U C ) U C=

U C=

kcal 1 [ ¿] 1 de e de h m2 °C + + hi di K dm h e

1 kcal =338.0483 2 1 0.0213 0.0213∗0.0275 h m °C + + 3257.39∗0.0158 386.9∗0.0185 406.0976

12. Calculo del porcentaje de diferencia de los coeficientes U c Y U d

% D=

U c −U d ∗100 Uc

% D=

437.5581−338.0483 ∗100=29.43 % 338.0483

13. Cálculo del factor de incrustación (Rd ) con los coeficientes U c Y U d U c −U d ∗100 Uc xU d 437.5581−338.0483 ∗100=0.0672 % Rd = 437.5581∗338.0483 Rd =

TABLAS DE RESULTADOS. Lectura

Pvapor

T vapor

T cond

T cond .frio

T agua

T aguaCali

z cond

Θ

Gva

Gma

Gvc f

Gmvc

Qa

Qv

η

del Rotámetro

%

Kg/cm2

˚C

˚C

˚C

˚C

˚C

Cm

Min

m3 h

kg h

m3 h

kg h

kcal h

kcal h

%

96 %

0.8

110

111

25

27

41

2.57

10

0.6192

617.287

0.01802

17.968

8633.38

9762.123

88.43

81 %

0.8

110

111

25

27

40

2.4

10

0.5174

516.044

0.0167

16.652

6701.86

9047.03

74.07

U exp

Δ T ML

A

%

kcal m2 h °C

˚C

m

96 %

567.614

69

81 %

437.558

70

Lectura del

hi

V

Tm

he

Tsup

U teo

%D

kcal m2 h °C

m h

˚C

kcal m2 h °C

°C

kcal m2 h ° C

%

0.2007

3790.3804

3159.1274

34

406.7683

72.25

344.8321

0.2007

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