LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR 24 de octubre del 2015

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INTERCAMBIADOR DE CALOR DOBLE TUBO

Altamar Carlos, Molina Angélica, Ibáñez Eder, García Camilo, Rodríguez Wilman

Programa de Ingeniería Mecánica - Facultad de ingenieríaUniversidad Del Atlántico - km7 Antigua vía Puerto Colombia

Barranquilla, Atlántico - Colombia

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.

Termocuplas Cubetas y probetas graduadas Cronómetro Fluido caliente: Vapor de agua tomado de la

caldera (o agua caliente ) Fluido frio: Agua a temperatura ambiente tomada

de la torre de enfriamiento

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PROCEDIMIENTO

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DATOS EXPERIMENTALES

En la siguiente tabla se ilustran los datos obtenidos en el laboratorio para las dos corridas (flojo en paralelo, y flujo contracorriente)

Condensado Temp. Agua (ºC) Temp. Vapor (ºC)

Tramo No Tipo t (seg)V

(ml)Q

w(m3/s)̇ Te Tprom Ts Te2 Tprom2 Ts21-2 Paralelo 20 115 0.000321 31 40 49 120 117.5 1151-2 Contracorriente 20 100 0.000321 28 42 56 118 116.5 1151-3 Paralelo 20 115 0.000321 35 42 49 117 115.5 1141-3 Contracorriente 20 100 0.000321 35 45.5 56 115 114 1131-4 Paralelo 20 95 0.000321 35 42.5 50 114 108.5 1031-4 Contracorriente 20 90 0.000321 35 43.5 52 113 115 1171-5 Paralelo 20 105 0.000321 36 40 44 117 115 1131-5 Contracorriente 20 115 0.000321 37 45 53 117 115.5 114

Cabe notar que las temperaturas intermedias, son promedios entre las temperaturas de entrada y salida, para poder determinar las propiedades.

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

Inicialmente Teniendo en cuenta los obtenidos, calculamos el caudal de condensado, implementando una hoja de Excel para facilitar la determinación de los resultados.

Tramo Tipo

t (seg) V (ml)

Q cond(m3/s)̇

1-2 Paralelo 20 115 5.75E-061-2 Contracorriente 20 100 5.00E-061-3 Paralelo 20 115 5.75E-061-3 Contracorriente 20 100 5.00E-061-4 Paralelo 20 95 4.75E-061-4 Contracorriente 20 90 4.50E-061-5 Paralelo 20 105 5.25E-061-5 Contracorriente 20 115 5.75E-06

Ahora determinamos de las tablas, las propiedades de densidad y calor especifico a las temperaturas intermedias como mencionamos inicialmente.

Temp. Agua (ºC)Tram

o Tipo entradaintermedi

a salida ρ (Kg/m3 ) Cp (KJ/Kg.K)1-2 Paralelo 31 40 49 992.1 4.240251-2 Contracorriente 28 42 56 991.3 4.238751-3 Paralelo 35 42 49 991.3 4.237251-3 Contracorriente 35 45.5 56 989.9 4.2351-4 Paralelo 35 42.5 50 991.1 4.22721-4 Contracorriente 35 43.5 52 990.7 4.2365

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1-5 Paralelo 36 40 44 992.1 4.23651-5 Contracorriente 37 45 53 990.1 4.23725

Ahora, El balance de energía del lado de los tubos corresponde al calor sensible que absorbe el agua lo que se traduce en un aumento de su temperatura.

Qw= ρV.

C p(T sal−T ent )Este calor corresponde al calor cedido por el vapor si el equipo estuviese correctamente aislado. El caudal de agua tomada de la torre de enfriamiento entregado al intercambiador de calor fue de 0,68 pies3/min.

Por otra parte La media logarítmica de la diferencia de temperatura para cada arreglo está dada por:

MLDT=[ (T entv − T salw ) − (T salv − T entw) ]

LN [ (T entv− T salw )(T salv − T entw) ]

El coeficiente global de transferencia de calor está dado por:Q=U 0 A0 ¿ MLDT

Despejando el valor de Uo de la ecuación anterior, tenemos:

U0=Q

A0 ∗MLDTDonde Ao es el área exterior de la tubería A0 (m2) = 7,12E-05.Implementando una de hoja en Excel calculamos los resultados, introduciendo las formulas anteriores, mostrando a continuación los resultados obtenidos:

Tramo Tipo ρ (Kg/m3 ) Cp (KJ/Kg.K)

Qw (KW) MLDT (°C) Uo (KW /m2 °C)

1-2 Paralelo 992.1 4.2403 24.3066 77.3179 4415.34051-2 Contracorriente 991.3 4.2388 37.7664 73.7956 7187.79531-3 Paralelo 991.3 4.2373 18.8765 73.3626 3613.82831-3 Contracorriente 989.9 4.2350 28.2598 68.0586 5831.85031-4 Paralelo 991.1 4.2272 20.1728 65.9798 4294.13431-4 Contracorriente 990.7 4.2365 22.9036 70.9830 4531.78021-5 Paralelo 992.1 4.2365 10.7934 74.9822 2021.71251-5 Contracorriente 990.1 4.2373 21.5471 70.2998 4304.8121

A continuación se muestra el grafico que relaciona el calor cedido por el vapor al flujo de agua vs el coeficiente de transferencia de calor Uo, para los dos tipos de corridas llevadas a cabo.

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Se puede notar que para flujos contracorriente, la trasferencia de calor es mayor debido a la variación en los gradientes de temperatura, por lo que los coeficientes de transferencia determinados experimentalmente aumentan también en este tipo de condiciones de flujo.

CONCLUSIONES

Con el desarrollo del laboratorio de intercambiadores de calor, se pudo aplicar los conocimientos adquiridos en la asignatura, llevándolos a la práctica con un equipo existente en el laboratorio de operaciones unitarias. La utilización y evaluación del equipo, nos familiariza con el ámbito industrial, ya que, como ingenieros, se debe estar en capacidad de estimar su desempeño, de forma que se hagan sugerencias para su mejoramiento o se indique la necesitad de reemplazar el equipo por uno nuevo, si no existe otra alternativa. En tal sentido, se han demostrado los cálculos de carga de calor, diferencia media logarítmica de temperaturas, requerimiento de flujo de vapor, coeficientes individuales y globales de transferencia de masa, para un intercambiador de doble tubo empleado en el calentamiento de cierto flujo de agua con agua caliente o con vapor.Teniendo en cuenta el caudal de condensado de vapor, podemos observar que al condensarse mayor cantidad de vapor en el flujo contracorriente para cada una de los tramos, por lo tanto se obtendrá una mayor transferencia de calor. La MLDT para los mismos tramos de proceso son mayores en flujo paralelo que en flujo a contracorriente. Los coeficientes globales de transferencia de calor son mucho mayores en contracorriente que en paralelos debido a que las diferencias terminales de temperaturas son más grandes.Se sugiere una revisión y un mantenimiento completo del equipo y su adecuación urgente para la obtención de mejores resultados experimentales en futuras oportunidades.

RECOMENDACIONES

Es necesario mejorar las condiciones del laboratorio para mejorar la calidad de las medidas tomadas, a la vez que se recomienda tener un panorama de lo que serían buenas medidas, para así rechazar datos atípicos inmediatamente.

La teoría y la práctica se están manejando desconectadas, y consecuencia de ello no se le puede extraer toda la sustancia posible a las experiencias de laboratorio y la teoría no se visualiza y aterriza en la realidad como es debido. Se recomienda reestructurar la dinámica teórico-práctica de la materia.

BIBLIOGRAFÍA

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