Informe Transferencia de Calor Intercambiador de Doble Tubo

INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBOUniversidad del Atlántico

Facultad de IngenieríaIngeniería Mecánica

Transferencia de CalorBorrero Gabriel, Castilla Roberto, Manjarres Roy, Ochoa

Hernán, Pertuz Osneider

Barranquilla, 03 de junio de 2015

RESUMEN

En esta experiencia tuvimos la oportunidad de conocer y manejar un intercambiador de calor de doble tubo, en donde se tuvieron en cuenta varios aspectos como que el equipo estuviera calibrado, es decir que los termopares se estabilizaran al marcar la temperatura para permitir el paso de agua fría en el primer tramo, después de permitir el paso del agua se le dieron dos vueltas a la llave del vapor para darle comienzo a la etapa a realizar. Después de esperar unos segundos para su estabilidad, se tomaron las temperaturas respectivas en la entrada y salida de cada tubo. Se hizo lo mismo para flujos tanto en paralelo como en contracorriente. Este proceso se repitió en los siguientes arreglos. Con los datos obtenidos, se procedió a la elaboración del presente informe.

INTRODUCCIÓN

Existen muchos procesos de ingeniería que requieren de la transferencia de calor. Para este proceso se necesitan los intercambiadores de calor, los cuales se utilizan para enfriar o calentar fluidos. 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 fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

Un intercambiador de calor es un dispositivo que cambia calor entre fluidos de diferentes temperaturas que estén separados por una pared o en contacto entre ellos. El gradiente de temperatura entre los fluidos facilita la transferencia de calor. La transferencia es posible porque ocurren tres principios: radiación, conducción y la

convección. Sin embargo, la radiación no desempeña un papel importante; la conducción se produce a partir del paso de un fluido con temperatura muy elevada a través de una pared sólida; y la convección es el paso del calor de la superficie a un medio externo. Por lo cual, a partir de estos principios y el contacto que se producen entre los fluidos, la clasificación más general que puede realizarse de los cambiadores de calor, se efectúa atendiendo al grado de contacto entre los fluidos. Según este criterio, los cambiadores de calor se dividen en dos grandes grupos: Intercambiadores de contacto directo e Intercambiadores de contacto indirecto. Estos últimos pueden a su vez dividirse en alternativos y de superficie. En el caso de esta experiencia, se empleó un intercambiador de contacto indirecto o intercambiador de calor de doble tubo.

El intercambiador de doble tubo es uno de los tipos más simples de intercambiadores de calor y es llamado así porque circula un fluido dentro de un tubo y el otro fluido circula entre el tubo y otro tubo que rodea al primero. Los tubos son concéntricos. El flujo de un intercambiador de calor de doble tubo puede ser paralelo o contra corriente. En este tipo de intercambiadores, el fluido caliente fluye a través del tubo interior, transfiriendo su calor al agua refrigerante que fluye en el tubo exterior. El sistema se encuentra en estado estable hasta que las condiciones cambian. Por lo cual, comprobar cómo sufren estos cambios es el objetivo de esta experiencia:

Efectuar el balance de energía para el intercambiador de doble tubo. Calcular la media logarítmica de la diferencia de temperatura. Estimar el coeficiente total de transferencia de calor. Determinar los coeficientes individuales de transferencia de calor.

MARCO TEÓRICO

El intercambiador de calor de doble tubo es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido 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: contraflujo 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 contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos.

En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frío puede

ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frío es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente. En la figura siguiente se muestran esquemas de las dos configuraciones así como la evolución de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas:

Flujo Paralelo

Flujo en contracorriente

Por la anterior grafica podemos observar que en un intercambiador de calor de doble tubo, el fluido caliente circula por un tubo, descendiendo su temperatura desde un valor de entrada, Te, hasta uno de salida, Ts, mientras que el fluido frío lo hace por el segundo tubo, bien en el mismo sentido (corriente directa), bien en

sentido contrario (contracorriente), desde un valor de entrada, te, hasta otro de salida, Ts.

Una parte esencial, y a menudo la más incierta, en el análisis de intercambiadores de calor es la determinación del coeficiente total de transferencia de calor. Este coeficiente es determinado al tener en cuenta las resistencias térmicas de conducción y convección entre fluidos separados por una pared plana compuesta y paredes cilíndricas, respectivamente. Es sin embargo reconocer que tales resultados únicamente aplican a superficies limpias y sin aletas.

Durante una operación normal de un intercambiador de calor, las superficies frecuentemente están sujetas a impurezas de los fluidos, formación de óxido y otras reacciones entre el fluido y la pared del tubo. La subsecuente deposición de una película en la superficie, puede incrementar significativamente la resistencia de los fluidos para transferir calor. Este efecto puede ser tratado al introducir una resistencia adicional llamada factor de impureza Rf. al incluir el factor de falla y los efectos de las aletas, el coeficiente total de transferencia de calor se puede expresar como:

1UA

= 1U c Ac

= 1Uh Ah

= 1(η0hA)c

+R f , c

}} over {{( {η} rsub {0} A )} rsub {c}} + {R} rsub {w} + {{R} rsub {f , h} rsup {

(η0 A)h+ 1

(η0hA)h

Donde h y c se refieren a los fluidos caliente (hot) y frio (cool) respectivamente.

Para diseñar o predecir el desempeño de un intercambiador de calor, es esencial relacionar las tasas totales de transferencia de calor con cantidades tales como las temperaturas a la entrada y a la salida, el coeficiente total d transferencia de calor, y el área superficial total de transferencia de calor. Dos de tales relaciones se pueden obtener al aplicar un balance total de energía en el fluido caliente y en el frio, se suponen despreciables la transferencia de calor entre el intercambiador y sus alrededores y la energía cinética y potencial. Al aplicar el balance de energía se obtiene:

q=mh c p ,h(T h ,i−T h , 0)q=mh c p ,c (T c ,0−T c ,i)

Si se desea determinar una relación de la razón de transferencia de calor q con la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frio, se obtendría una ecuación de la forma:

q=UA∆T m

En donde ∆T m es la diferencia de temperatura entre los fluidos, pero ya que este

valor varía con la posición en el intercambiador, es necesario trabajar con un valor de diferencia de temperatura significativo.

Al analizar un segmento diferencial en el intercambiador de calor, se puede

demostrar que el valor apropiado para ∆T m sería:

MLDT=∆T2−∆T1

ln(∆T2

∆T1)

En donde para el flujo paralelo:

∆T 1=T h ,1−T c ,1=T h ,i−Tc , i∆T 2=T h ,2−T c ,2=T h , 0−T c, 0

Y para contra flujo:∆T 1=T h ,1−T c ,1=T h ,i−Tc , 0∆T 2=T h ,2−T c ,2=T h , 0−T c, i

ANÁLISIS EXPERIMENTAL

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

Intercambiador de doble tubo conformado por cinco tubos de cobre y el sexto es de cobre corrugado, enfriado por aire, todos sin aislar. Con este intercambiador se pueden experimentar 6 casos diferentes de transferencia de calor donde se puede variar el régimen del tubo respecto a la tubería donde pasan los fluidos:

Tubo 1 y 2: Intercambiador de calor estándar horizontal Tubo 3: Tubo interno de acero Tubo 4: Alta turbulencia; flujo cruzado y paralelo Tubo 5: Flujo cruzado, laminar y turbulento. Tubo 6: Provee enfriamiento por convección libre con aire; flujo tipo remolino

y pulsaciones dentro del tubo.

PROCEDIMIENTO

Antes de pasar vapor por el lado del tubo, previamente pasa el agua fría por el lado de la carcasa, e igualmente se cierra el paso del agua caliente (V0 V1 V2 W00).

Abrir la válvula de entrada a la trampa D3, D7 y la válvula del tubo refrigerante W1 que permite el paso del agua fría.

Las válvulas D4, D5, D6 y V0 deben estar bien cerradas. Abrir las válvulas V3, V4, V5, V6, V7 y V8 dejando correr el vapor por

los tubos. Abrir la válvula V00 que permite el paso del vapor desde la tubería

principal. Cuando todo el condensado de los tubos haya sido eliminado se

cierran las válvulas V3, V4, V5, V6, V7 y V8 mientras permanece abierta la válvula V00 dejando para luego cerrarse y evitar el paso del vapor.

El recorrido del vapor desde sus pasos por la válvula V3 hasta la trampa de vapor debe observarse cuidadosamente.

La válvula direccional N2 se opera efectivamente para que el agua pase por el rotámetro y el vapor por el drenaje D1, es decir por la trampa de vapor.

Se instala el termopar y se procede a la lectura de las temperaturas.

Nota: Para toma de flujos de condensado abrir la válvula D6 y cierra la válvula D7.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Para la toma de los datos, se siguió el siguiente esquema:

Arreglo 1 Tubos 1 y 2Arreglo 2 Tubos 1 y 3Arreglo 3 Tubos 1 y 4Arreglo 4 Tubos 1 y 5

Tabla 1. Denominación de los arreglos de tuberías.

Los datos obtenidos fueron los siguientes:

Arreglo 1Agua Vapor

Ten Tsal Q Tent Tsal1 Tsal2 Vol. Tiempo Q

t(ºC)

(ºC) (gpm) (ºC) (ºC) (ºC) (ml) (s) (ml/s)

Paralelo 33 39 0,5 98 69 39 80 20,6 3,883Contracorriente 43 34 0,5 98 60 35 80 20,6 3,846

Tabla 2. Datos obtenidos en el primer arreglo con tubería interna de cobre de ½’’

Arreglo 2Agua Vapor

Tent

(ºC)

Tsal(ºC)

Q(gpm)

Tent(ºC)

Tsal1(ºC)

Tsal2(ºC)

Vol.(ml)

Tiempo(s)

Q(ml/s)


3. Datos obtenidos en el segundo arreglo con tubería interna de aluminio de ½’’

Arreglo 3Agua Vapor

Tent

(ºC)

Tsal(ºC)

Q(gpm)

Tent(ºC)

Tsal1(ºC)

Tsal2(ºC)

Vol.(ml)

Tiempo(s)

Q(ml/s)


. Datos obtenidos en el tercer arreglo con tubería interna de cobre de 3/4’’

5. Datos obtenidos en el cuarto arreglo

A continuación se presentan los cálculos pertinentes a partir de los resultados experimentales obtenidos, que indican las condiciones de operación de los intercambiadores ensayados.

Para realizar los cálculos el intercambiador de calor se estima como adiabático, y por lo tanto, las pérdidas al exterior son despreciables. Los cálculos se centran en:

o Balance de calor. Comparación de los flujos de vapor y agua en el

intercambiador, con los idealmente necesarios para una misma carga de calor.

Arreglo 2Agua Vapor

Tent

(ºC)

Tsal(ºC)

Q(gpm)

Tent(ºC)

Tsal1(ºC)

Tsal2(ºC)

Vol.(ml)

Tiempo(s)

Q(ml/s)


o Diferencia media logarítmica de temperaturas. MLDT.

o Coeficientes individuales de transferencia de calor.

o Coeficiente global de transferencia de calor, U. Se obtendrán los coeficientes

U para los ocho intercambiadores ensayados.

Los resultados obtenidos se realizarán a partir de las ecuaciones propias de los intercambiadores de calor que en breve se presentarán; y para poder realizar los cálculos, se incorporan los siguientes datos:

Tabla 6. Datos suministrados. q=QρCP∆T

MLDT=∆T2−∆T1

ln(∆T2

∆T1

)

q=UA∆T m

h= qA ∆T

Los cálculos fueron realizados con la ayuda de Microsoft Excel. Los resultados que se obtuvieron se presentan a continuación:

• NOTA (*): Los valores para hvapor marcados en la tabla presentan una

indeterminación en el cálculo debido a que para dichos casos ΔT=0℃. En tal

caso, es más que válido afirmar que hvapor→∞. Sin embargo, para propósitos

académicos y de observación, se decidió hacer la aproximación ΔT=10−9℃ y con

ese valor se calculó hvapor.

D ext tubo (m) 0,009525D int tubo (m) 0,0070358D ext anulo (m) 0,0254D int anulo (m) 0,02206779Longitud (m) 3,7

ARREGO 1

ARREGLO PARALELOCONTRA.

CORRPRESIÓN

ENTRADA DEL VAPOR. (PSI)

15 15

Ten AGUA (°C) 32 33

Tsal AGUA (°C) 42 47CAUDAL AGUA FRÍA (ft3/min)

0,5 0,6

CAUDAL AGUA FRÍA (m³/s)

0,000235974 0,000283168

Ten VAPOR (°C) 98 99

Tsal VAPOR (°C) 97 96

Tcond (°C) 50 39CAUDAL

CONDENSADO. (mL/s)

5,1 4,7

CAUDAL CONDENSADO.

(m³/s)0,0000051 0,0000047

ρ AGUA (kg/m³) 993,54 992,4

C p AGUA (kJ/ kg K)

4,174 4,174

CALOR AGUA (kW)

9,785914195 16,421472

MLDT 60,33296443 57,32420777

U 1,464974812 2,587363467h agua (kW/m2 K) 8,838627321 10,59418293h vapor (kW/m2 K) 119,6565071 66,93075856

Tabla 6. Resultados obtenidos en el Arreglo 1.

ARREGO 2


CORRPRESIÓN


15 15



0,45 0,47


0,000212376 0,000221815




CONDENSADO. (mL/s)

5,51 6,3

CAUDAL CONDENSADO.

(m³/s)0,00000551 0,0000063

ρ AGUA (kg/m³) 992,78 993,54

C p AGUA (kJ/ kg K)

4,174 4,174

CALOR AGUA (kW)

8,800585689 3,679503737

MLDT 57,85603599 59,97777119

U 1,373872151 0,554092592h agua (kW/m2 K) 7,948679659 8,308309682

h vapor (kW/m2 K) 1,0761×1011 (*)

4,49907×1010 (*)


ARREGO 3


CORRPRESIÓN


15 15



0,54 0,56


0,000254852 0,000264291




CONDENSADO. (mL/s)

6,01 6,34

CAUDAL CONDENSADO.

(m³/s)0,00000601 0,00000634

ρ AGUA (kg/m³) 992,78 992,59

C p AGUA (kJ/ kg K)

4,174 4,174

CALOR AGUA (kW)

10,56070283 12,04471838

MLDT 60,86314235 57,85603599

U 1,567190786 1,880318394h agua (kW/m2 K) 9,538415591 9,889797153

h vapor (kW/m2 K) 1,2913×1011 (*)

147,2758601


ARREGO 4


CORRPRESIÓN


15 15



0,51 0,48


0,000240693 0,000226535




CONDENSADO. (mL/s)

5,56 5,4

CAUDAL CONDENSADO.

(m³/s)0,00000556 0,0000054

ρ AGUA (kg/m³) 992,59 992,02

C p AGUA (kJ/ kg K)

4,174 4,174

CALOR AGUA (kW)

10,9692971 11,25612621

MLDT 56,78884799 56,3210807

U 1,744613222 1,805100529h agua (kW/m2 K) 9,00677955 8,472101045

h vapor (kW/m2 K) 134,1262298 137,6334105


CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Tras observar que el flujo de calor fue mayor en todos los tramos evaluados cuando su configuración fue de contra corriente, debido a que las tomas de las temperaturas del fluido caliente fueron mayores con respecto al fluido frío, se concluye que el diagrama se cumple a cabalidad.

Se destaca que el valor de MLDT sufrió un notable cambio respecto a la configuración de los fluidos. En el Arreglo 2, la MLDT fue mayor cuando se hizo en contracorriente con respecto al obtenido en paralelo, pero en los demás arreglos de tubos se invirtió la situación. Se asume que esto se debió a que hubo una amplitud de diferencias de temperaturas, aunque no se descarta que haya sido una variación de carácter aleatorio por la naturaleza del ensayo y del banco mismo.

Se observa que en el Arreglo 1 el coeficiente global de transferencia de calor U hallado en contracorriente está cerca de ser el doble del obtenido en paralelo. Nótese también que el comportamiento de MLDT se replicó en los coeficientes globales de transferencia de calor U, pero de manera inversa. De hecho, sería extraño si así no fuera, pues U es inversamente proporcional a MLDT.

Las fuentes de incertidumbre fueron muy elevadas, brindando datos no muy confiables. Los termopares instalados en las tuberías se hallan en un estado delicado y al mínimo movimiento se tornan disfuncionales. Incluso las tuberías mismas están en un mal estado, teniendo fugas en muchos puntos, lo cual puede haber afectado vastamente los datos tomados, y por tanto, resultados obtenidos.

ANEXOS

BIBLIOGRAFÍA

FUNDAMENTALS OF HEAT TRANSFER, Frank P. Incropera, David P. DeWitt, 4ta Edition, Jhon Wiley & Sons, 1996

YUNUS CENGEL, Transferencia de Calor y Masa. México, McGraw-Hill. 2006. Tercera Edición.

http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/tubs_concentrics.html

http://www.portalhuarpe.com/Medhime20/Talleres/TALLERES%20SECUNDARIOS%20UNSJ/Industrial/08Intercambiadores%20de%20Calor/Navegable/explicaciontuberiadoble.html




http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/tubs_concentrics.html

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