Ingeniería térmica: documentación de Práctica 1

2014 Escuela de Ingenieros

Industriales de Albacete, UCLM

CRISTBAL JESS VALDEPEAS OCTAVIO

NGEL FAJARDO TRTOLA

[PRCTICA 1: BANCO DE ENSAYOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR] En esta prctica desarrollada en el laboratorio de Ingeniera trmica vamos a realizar una serie de ensayos en el banco de intercambiadores de calor, donde veremos los resultados obtenidos con una hoja de clculo y comprobaremos experimentalmente el funcionamiento terico de los elementos a usar.

Escuela de Ingenieros Industriales de Albacete, UCLM

PRCTICA 1: BANCO DE ENSAYOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

1

NDICE DE CONTENIDOS 1 INTRODUCCIN .............................................................................................................. 3

2 DESCRIPCIN EXPERIMENTAL ........................................................................................ 4

3 FUNDAMENTOS TERICOS ............................................................................................. 6

4 EQUIPOS UTILIZADOS ..................................................................................................... 8

4.1 DESCRIPCIN DE VLVULAS .................................................................................... 8

4.1.1 Vlvula de Mariposa ......................................................................................... 8

4.1.1.1 Definicin y caractersticas ........................................................................ 8

4.1.1.2 Imgenes ................................................................................................... 8

4.1.1.3 Dibujo representativo ............................................................................... 9

4.1.2 Vlvula de Compuerta .................................................................................... 10

4.1.2.1 Definicin y caractersticas ...................................................................... 10

4.1.2.2 Imgenes ................................................................................................. 10

4.1.2.3 Dibujo representativo ............................................................................. 11

4.1.3 Vlvula de Bola ............................................................................................... 12

4.1.3.1 Definicin y caractersticas ...................................................................... 12

4.1.3.2 Imgenes ................................................................................................. 13

4.1.3.3 Dibujo representativo ............................................................................. 14

5 DATOS TOMADOS ......................................................................................................... 15

6 RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................................................. 17

6.1 PRIMER PUNTO ...................................................................................................... 17

6.1.1 Introduccin de datos ..................................................................................... 17

6.1.2 Resultados 1 ................................................................................................... 18

6.2 SEGUNDO PUNTO .................................................................................................. 18

6.2.1 Introduccin de datos ..................................................................................... 18

6.2.2 Resultados 2 ................................................................................................... 23

7 CONCLUSIONES ............................................................................................................. 27

7.1 CUESTIN 4 ............................................................................................................ 27

7.1.1 Curvas temperatura-posicin en el intercambiador de calor ........................ 27

7.1.1.1 Intercambiador a contracorriente: ......................................................... 27



2

7.1.1.2 Evaporador o condensador: .................................................................... 27

7.2 CONCLUSIONES FINALES ........................................................................................ 28



3

1 En esta primera sesin de prcticas de la asignatura de Ingeniera Trmica hemos puesto en prctica los contenidos tericos vistos en clase en el tema 1: Intercambiadores de calor.

Nos ha servido para poder ver fsicamente los componentes de un intercambiador de placas imaginndonos como seria su uso en una instalacin industrial y ver el funcionamiento de una instalacin que utiliza dos tipos de intercambiadores como son uno de doble tubo y otro de tubo y carcasa as como la toma de datos por medio de sensores de estos intercambiadores para un posterior clculo de los parmetros solicitados.



4

2 Esta sesin de prcticas se ha dividido a su vez en dos partes:

En la primera parte de la sesin de prcticas el trabajo consista en desmontar el intercambiador de placas del taller con el fin de observar la forma de intercambio que representa este tipo de intercambiadores trmicos.

Como se muestra en esta imagen, y como vimos en prcticas, cada placa es recorrida por un flujo, las flechas azules indican el recorrido del flujo frio por su parte las flechas rojas nos indican el recorrido del flujo caliente, consiguiendo una disminucin de la temperatura del flujo caliente hasta la deseada pero en cambio se calienta el flujo frio pudiendo conocer la temperatura que alcanza.

En la segunda parte de la sesin de prcticas nos hemos centrado en la transferencia de calor entre dos fluidos que se encuentran a diferentes temperaturas en la instalacin experimental (antigua mquina de fabricacin de gominolas) cuyo esquema es:



5

De toda la instalacin experimental nos hemos centrado nicamente en el intercambiador de doble tubo en contracorriente, en el cual se han colocado dos sensores de temperatura y caudalimetros en la seccin de entrada y salida de cada intercambiador. Los datos obtenidos se recogen a tiempo real mediante un sistema de adquisicin de datos.



6

3 En primer lugar, consideramos un balance de energa global en un intercambiador bien aislado en estado estacionario, obteniendo:

Dnde:

- es la potencia trmica intercambiada. - es el caudal msico. - es el calor especfico.

- es el incremento de temperatura.

A su vez, la potencia trmica intercambiada tambin se puede obtener por medio de la diferencia de temperaturas media logartmica (DTML):

Dnde:

- U es el coeficiente global de transferencia de calor. - A es el rea de intercambio. - F es el factor de aproximacin al cambiador contracorriente. - es el incremento de temperaturas logartmico medio, cuyo valor se obtiene

gracias a la siguiente ecuacin:

Para el clculo de la DTML se aplican dos hiptesis: los calores especficos de los fluidos no varan con la temperatura y los coeficientes de transferencia de calor por conveccin se mantienen constantes al atravesar el cambiador. En el caso de que el cambiador est diseado y cambien alguna de sus condiciones iniciales, el mtodo anterior lleva un procedimiento iterativo que lo hace complicado, por lo que se recomienda utilizar el mtodo del NTU-rendimiento. De este mtodo tienen importancia las siguientes ecuaciones:

Eficiencia:

Nmero de unidades de transferencia:



7

Existen relaciones entre el NTU y la eficiencia:



8

4

4.1 DESCRIPCIN DE VLVULAS

4.1.1 Vlvula de Mariposa

4.1.1.1 Definicin y caractersticas

Las vlvulas de mariposa son unas vlvulas muy verstiles. Tiene una gran capacidad de adaptacin a las mltiples solicitaciones de la industria, tamaos, presiones, temperaturas, conexiones, etc. a un coste relativamente bajo.

El funcionamiento bsico de las vlvulas de mariposa es sencillo pues slo requiere una rotacin de 90 del disco para abrirla por completo. La operacin es como en todas las vlvulas rotativas rpida. Poco desgaste del eje, poca friccin y por tanto un menor par, que resulta en un actuador ms barato. El actuador puede ser manual, oleohidrulico o motorizado elctricamente, con posibilidad de automatizacin.

La geometra de la vlvula de mariposa es sencilla, compacta y de revolucin, por lo que es una vlvula barata de fabricar, tanto por el ahorro de material como la mecanizacin.

4.1.1.2 Imgenes

En primer lugar, mostraremos una vista con corte de la vlvula. Podemos ver como el eje de giro se sita en el centro del elemento. Este eje girar 90 permitiendo el paso del fluido y dejando como resultado escasas prdidas de carga. La forma del crculo que tapona la tubera tiene los bordes afilados para este ltimo hecho, las prdidas de carga.

Como se puede ver, no ocupa mucho espacio y el ahorro de material es notable.



9

El actuador puede ser elctrico o manual, y para ello tenemos las siguientes imgenes que nos muestran diferentes configuraciones. A la izquierda podemos ver la vlvula con accionamiento manual, con la rueda que giraramos nosotros mismos para cambiar la posicin de la mariposa. En la derecha tenemos un actuador elctrico, que automatiza el proceso y, adems, nos permite controlar la velocidad de cierre. Este hecho es muy importante en instalaciones de gran tamao por evitar golpes de ariete, efecto muy peligroso.

4.1.1.3 Dibujo representativo

Cuando la vlvula se encuentra abierta, tenemos las siguientes vistas (en la de la derecha, lo que vemos en rojo es el canto que queda visible al fluido y lo que producira las prdidas de carga).

Cuando la vlvula se encuentra cerrada tenemos lo siguiente.



10

4.1.2 Vlvula de Compuerta


La vlvula de compuerta es una vlvula que abre mediante el levantamiento de una compuerta o cuchilla (la cul puede ser redonda o rectangular) permitiendo as el paso del fluido.

Lo que distingue a las vlvulas de este tipo es el sello, el cual se hace mediante el asiento del disco en dos reas distribuidas en los contornos de ambas caras del disco. Las caras del disco pueden ser paralelas o en forma de cua. Las vlvulas de compuerta no son empleadas para regulacin.

4.1.2.1.1 Ventajas

Alta capacidad.

Cierre hermtico.

Bajo costo.

Diseo y funcionamiento sencillos.

Poca resistencia a la circulacin.

4.1.2.1.2 Desventajas

Control deficiente de la circulacin.

Se requiere mucha fuerza para accionarla.

Produce cavitacin con baja cada de presin.

Debe estar abierta o cerrada por completo.

La posicin para estrangulacin producir erosin del asiento y del disco.

4.1.2.2 Imgenes

Podemos ver el tornillo que acta como eje de la vlvula. El mecanismo se accionara girando el volante que vemos en la parte de arriba. Si giramos a derechas, el elemento que interrumpe el flujo baja y se cierra la vlvula. Si por el contrario giramos a izquierdas, el elemento que interrumpe sube y deja que circule el flujo.
http://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1lvula



11

Este ltimo elemento es rectangular, a continuacin mostraremos otro circular.


Para explicar el funcionamiento de esta vlvula con un dibujo realizado por nosotros tomaremos la geometra rectangular.

La vlvula abierta sera la siguiente. El cuadrado representa el elemento que se interpone al paso del flujo, representarlo arriba, a modo de simplificacin significa que mediante el tornillo de accionamiento de la vlvula deberamos ir bajando dicho elemento reduciendo la seccin de la tubera en ese punto hasta hacerla cero.



12

La vlvula cerrada tendra la siguiente representacin:

4.1.3 Vlvula de Bola


Una vlvula de bola, conocida tambin como de "esfera", es un mecanismo de llave de paso que sirve para regular el flujo de un fluido canalizado y se caracteriza porque el mecanismo regulador situado en el interior tiene forma de esfera perforada.

Se abre mediante el giro del eje unido a la esfera o bola perforada, de tal forma que permite el paso del fluido cuando est alineada la perforacin con la entrada y la salida de la vlvula. Cuando la vlvula est cerrada, el agujero estar perpendicular a la entrada y a la salida. La posicin de la manilla de actuacin indica el estado de la vlvula (abierta o cerrada).

Este tipo de vlvulas no ofrecen una regulacin precisa al ser de de vuelta. Su ventaja es que la bola perforada permite la circulacin directa en la posicin abierta con una prdida
http://es.wikipedia.org/wiki/Llave_de_pasohttp://es.wikipedia.org/wiki/Llave_de_pasohttp://es.wikipedia.org/wiki/Esferahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluido



13

de carga bastante ms reducida que las de asiento, y corta el paso cuando se gira la maneta 90 y cierra el conducto

4.1.3.2 Imgenes

El mecanismo de funcionamiento, como se ha dicho anteriormente, es muy simple e introduce escasas prdidas de carga, a costa de no permitir una gran precisin en la regulacin de caudal.

En la imagen podemos ver un corte de una vlvula de este tipo, con su esfera o bola permitiendo el paso del fluido que circule por la tubera donde se encuentre instalada.

Podemos mostrar tambin otro modelo o variante de este tipo de vlvula donde se selecciona un conducto impidiendo el paso por el otro. La imagen que define este caso es la siguiente.
http://es.wikipedia.org/wiki/Llave_de_paso#Llave_de_asiento



14


Cuando la vlvula est abierta, tenemos el agujero realizado en la esfera paralelo a la directriz de la tubera, por lo que el flujo es capaz de atravesar la vlvula con escasas o nulas prdidas de carga.

Cuando la vlvula se cierra, se le muestra la esfera al fluido de forma que ste no pueda cruzar la vlvula.



15

5

Para el desarrollo del ensayo hemos elegido dos puntos de funcionamiento, tomados a una distancia temporal suficiente como para que los datos no sean idnticos. Tenemos que decir que, cuando se tomaban los valores en el segundo punto, no se anotaron las presiones y que aunque no varen mucho, este hecho puede originar una cierta incertidumbre en la veracidad de resultados. Aun as, se ha realizado la siguiente tabla con la informacin recaudada en el laboratorio.

DATOS

Pent Psal Qf Qc Tc1 Tc2 Th1 Th2

kg/cm2 kg/cm2 l/h l/h C C C C

1er PUNTO 1,45 1,85

946 1016 26,3 46,65 50,47 33,3

2 PUNTO 946 1044,1 26,4 44,62 48,07 31,87

Como puede verse, son muy pocos datos, ya que, al contar con la hoja de clculo del banco de ensayos, las dimensiones y parmetros del intercambiador de calor ya estn tomadas. Estos valores son los siguientes:

BANCO DE PRUEBAS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR.

DATOS DEL INTERCAMBIADOR DE

CALOR:

* INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO:

Numero de tubos ( N )= 6 tubos

Conductividad acero inoxidable

304 ( k )= 15

W/m

C

Longitud de los tubos (

L )= 2,92 m

Tubo

interior:

Diametro 1 (D1)= 0,026 m

P




16

2.

1

3 4.

Tubo

exterior:


S


Diametro medio para calor del espacio anular:

=

0,008571

429 m

Diametro medio para flujo del espacio anular:

Dm=D3-D2= 0,004 m

Area interior (Ai)= 2 R1 L

N =

1,43105828

6 m2

Area exterior (Ae)= 2 R2 L

N =

1,54113969

2 m2

Area del tubo interior

(Ap)=

0,000530

9 m2

Area del espacio anular

(As)=

0,000188

5 m2



17

6 (Respondemos

de resultados introduciendo los parmetros del apartado anterior. Mostramos en primer lugar a modo de ejemplo, algunos de los datos que se han introducido para el primer punto de clculo.

6.1 PRIMER PUNTO

6.1.1 Introduccin de datos

Para completar todos los datos que nos pide la Hoja Excel, tendremos que echar mano tambin del programa de clculo E.S.S.



18

6.1.2 Resultados 1

De esta forma obtendremos la siguiente lista de resultados.

Como podemos ver, se obtiene una gran cantidad de parmetros y, entre ellos, tendremos que seleccionar en algunos casos los que corresponden a la configuracin de nuestro intercambiador de calor, como por ejemplo en el rendimiento.

6.2 SEGUNDO PUNTO

Para tener ms datos que analizar sobre la misma instalacin de intercambiadores, tomamos otro segundo punto.

6.2.1 Introduccin de datos

De igual forma que en el punto anterior, insertamos los datos que tomamos en las casillas con sombreado amarillo.



19

Tendremos que usar el programa E.S.S. para introducir los valores de las propiedades del fluido en las casillas azules.

IMPORTANTE: En una de las pestaas tenemos que copiar los datos que pone CORRECTO!

Ingeniería térmica: documentación de Práctica 1

Documents

Transcript of Ingeniería térmica: documentación de Práctica 1