Tubos Aletados 1

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Academia de Operaciones Unitarias

Laboratorio de Transferencia de Calor

2IM60

Intercambiador de Calor de Tubos Aletados

Ing. José Luis Phillipe de la Vega

Equipo: 4

Integrantes

Lara Zaravia PoncianoLópez Hermenegildo Araceli

Núñez García Natalia GabrielaRodríguez Ruíz Ofelia

Villavicencio Muñoz OctavioZamora Guerrero Edgar Benedicto

Fecha de Entrega: 29/10/2013

Transferencia de Calor


ObjetivosConceptuales.

Conocer los principios que rigen el intercambio de calor en superficies extendidas. Evaluar el coeficiente global de transferencia de calor en un intercambiador de calor de tubos

aletados, con aletas de tipo longitudinal, a partil de los coeficientes individuales y compararlo con el teórico.

Evaluar la eficiencia de las aletas mediante datos experimentales. Evaluar el factor de incrustación real del equipo.

Procedimentales. Realizar el diagrama de flujo del equipo de intercambio térmico de aletas extendidas. Llevar a cabo el intercambio de calor entre flujo de agua y el flujo de aire por medio del

intercambiador de calor a condiciones constantes.

Actitudinales. Fomentar la participación activa del alumno en forma colaborativa del trabajo en quipo. Potenciar las habilidades de recopilación de información bibliográfica y el análisis de la misma.

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Introducción

Intercambiador de calor: El intercambiador de calor es un dispositivo empleado para transferir energía térmica entre dos o más fluidos, entre una superficie sólida y un fluido o entre partículas sólidas y un fluido, a diferentes temperaturas.

Estos dispositivos pueden tener diferentes aplicaciones entre las que se encuentran: Evaporadores. Condensadores. Enfriadores. Recuperadores de calor. Radiadores de automóvil.

En la mayoría de estos dispositivos la transferencia de calor entre los fluidos se lleva a cabo a través de una superficie de intercambio y estos fluidos no se mezclan, sin embargo, existen algunos intercambiadores en los cuales la trasferencia de calor se lleva a cabo mediante la mezcla de dichos fluidos. Entre mayor sea la superficie de intercambio, mejor será la transferencia de calor, por ello, usualmente se utilizan “aletas” para incrementar esta superficie y reducir la resistencia a la transferencia de calor.

El intercambiador de calor compacto más empleado es el de tubos aletados. La configuración de la aleta puede ser rectangular o circular, continua o individual; a su vez la geometría para los tubos puede ser circular, plana u oval. En operación, parte o toda la superficie de la aleta puede ser cubierta por una película de agua producida por la condensación del vapor de agua en la corriente de aire entrante.

Intercambiadores de haz de tubos aletados: El tipo de aleta más comúnmente usado en este intercambiador es la transversal. Los intercambiadores con aletas transversales se usan principalmente para enfriamiento o calentamiento de gases en flujo cruzado. Su fabricación consiste en la aplicación de corriente eléctrica a alta frecuencia mediante un circuito formado entre el tubo y la aleta, donde se efectúa la fusión de los dos metales, no interviene un tercer elemento de soldadura, todo esto a una velocidad controlada logrando así una unión limpia y continua de la aleta con el tubo.

La aleta transversal mas común es la tipo disco, es decir de forma continua. Contribuyen a ello razones de robustez estructural y bajo costo, mas que la eficiencia de la aleta, que es menor para el tipo disco que para otras formas mas complejas.

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Las aplicaciones actuales más comunes son en los siguientes servicios: enfriamiento de agua con aire, condensación de vapor, economizadores y recalentadores de vapor en hornos de calderas y serpentines de enfriamiento de aire en acondicionadores, calderas de recuperación y de ciclo combinado, secciones de convección de calentadores de proceso y enfriadores de aceite servicios que involucran calentamiento o enfriamiento de gases. Estas aplicaciones en general no requieren coraza, ya que el haz de tubos no se encuentra confinado sino más bien interpuesto en el canal conductor de gases.

Superficies extendidas: El término de superficie extendida se usa normalmente con referencia a un sólido que experimenta transferencia de calor por conducción dentro de sus límites, así como transferencia de calor por convección y/o radiación entre sus límites y alrededores La aplicación más frecuente es el uso de las superficies extendidas de manera específica para aumentar la rapidez de transferencia de calor entre un sólido y un fluido contiguo. Esta superficie extendida se denomina “aleta”.Dentro de sus usos comunes tenemos los radiadores (enfriadores de agua de enfriamiento de los sistemas de combustión interna) la estructura externa de la cámara (cilindro) de los motores de motocicletas, etc.

Considérese la pared plana de la figura si T es fija hay dos formas en la que es posible aumentar la transferencia de calor. El coeficiente de convección (h) podría aumentarse incrementando la velocidad del fluido y podría reducirse la temperatura del fluido.

La eficiencia de calor más efectiva se logra aumentando el Área de la superficie a través de la cual ocurre convección, esto se logra a través del uso de aletas que se extienden desde la pared al fluido circundante la conductividad térmica del material de la aleta tiene fuerte afecto sobre la distribución de temperaturas a lo largo de la aleta y por lo tanto influye en el grado al que la transferencia de calor aumenta, se tiene distintas configuraciones de aletas.

Las Aletas se montan en un aparato térmico, tubería u otro sistema con la finalidad de aumentar el producto del Coeficiente de Transferencia de Calor convectivo con el Área (hA) y así disminuir la resistencia térmica (1/hA). Sin embargo el Área adicional no es tan eficiente como la superficie original, la temperatura superficial media del conjunto resulta ser menor, por lo que al reducir la diferencia media de temperatura entre la superficie y el fluido, puede ocurrir que el aumento de superficie no produzca un incremento notable en el flujo de calor disipado o incluso que éste disminuya,

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es decir, que las aletas aíslen térmicamente la superficie. Resulta importante pues, determinar el campo de temperaturas resultante al instalar las aletas.

Clasificación de las superficies extendidas.Una aleta recta es cualquier superficie prolongada que se une a una pared plana. Puede ser de área transversal uniforme o no uniforme, una aleta anular es aquella que se une de forma circunferencial a un cilindro y su sección transversal varia con el radio desde la línea central del cilindro. Una aleta de aguja, es una superficie prolongada de sección transversal circular uniforme o no uniforme. Pero es común en cualquier sección de una configuración de aletas depende del espacio, peso, fabricación y costos, así como del punto al que las aletas reducen el coeficiente de convección de la superficie y aumentan la caída de presión asociada con un flujo sobre las aletas.

Se puede realizar la siguiente clasificación:Aletas de sección transversal constante:

Aleta rectangular. Aleta aguja. Aleta anular o circunferencial.

Aletas de sección transversal variable: Aleta triangular. Aleta circunferencial variable. Aleta de aguja parabólica

TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES:

T entrada del aire

T salida del aire

T entrada del agua

T salida del agua

LPM V del aire

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20°C 35°C 45 °C 45°C 10 6 m/s

DATOS DEL EQUIPO:

Tubo interior

Tubo exterior

Aleta Tubo

di=0.03591m

de=0.04114m

Di=0.072m

L=1.436m

No=24

h=0.01231m

e=0.00139m

k=38.69 kcal/hm°C

L=1.856m

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS:

AIRE AGUA

Dsalida del aire=0.0525m

ρ = 0.9929 Kg/m3

Cp=0.240086 kcal/Kg°C

μ=0.06156 kg/mh

K=0.0205 kcal/hm°C

Gv=0.6m3/h

ρ = 1000 Kg/m3

Cp=1 kcal/Kg°C

μ=1.73 kg/mh

K=0.4987 kcal/hm°C

CALCULOS

1. Cálculo de gasto masa del aire

Gm= ρa∗(V a∗di2∗π4 )

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Gm=(0 . 9929Kg

m3)∗

(6ms∗3600 s

1 h)∗(0. 0525 m)2∗π

4=46 . 4267

Kgh

Gm=46 . 4267Kgh

2. Cálculo del calor transferido

Q=Gm∗Cp∗ΔT

Q=(46 . 4267Kgh

)∗(0 .240086Kcal

Kg° C∗(35−20)°C=167 . 196

Kcalh

Q=167 .196Kcal

h

3. Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental referido al área interna

ΔT ML= ΔT a1−ΔT a 2

ln( ΔT a 1

ΔT a 2 )ΔT a 1=45 °C−20 ° C=25 °CΔT a 2=45 °C−35 ° C=10 °C

ΔT ML=25 °C−10 ° C

ln(25° C10° C )

=16 .3703 ° C

∆ T ML=16 . 3703

A T . C .=di∗π∗2∗L

A T . C .=(0 .03591 m)∗π∗2∗(1 . 856m)=0. 4187 m2

AT .C .=0 . 4187 m2

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U exp=Q

A T . C .∗ΔT ML

U exp=167 . 196

Kcalh

0 . 4187m 2∗16 .3703° C=24 .3931

Kcal

hm2° C

U exp=24 . 3931Kcal

h m2

4. Cálculo del diámetro equivalente

aa=π∗( Di2−d

E2)

4−Nb∗b∗eb

aa=π∗(( 0. 072 m)2−(0 . 04114 m)2)

4−24∗(0 . 01231m )∗(0 .00139 m)=0. 0023 m2

aa=0 . 0023 m2

Ph=π∗dE+Nb∗(2∗b−eb )

Ph=π∗.04114 m+24∗(2∗.01231 m−0.00139 m )=0.6868 m

Ph=0 .6868 m

De=4∗aa

Ph

De= 4∗0 .0023 m2

0 .6868 m=0. 0134 m

De=0 . 0134 m

5. Cálculo del número de Reynolds

Re=Gm∗Deμa∗aa

7



Re=46 . 4267

Kgh

∗0 .0134 m

0 .06156Kgh

∗0 .0023 m2=4393 .86

2100>ℜ≤ 10,000 → transitorio

ℜ=4393 . 86

6. Cálculo del coeficiente de película del aire referido al área del anulo

*Leer de la gráfica 1 el valor de jf entrando con el número de Reynolds.

j f=16

h f= j fk

De(

Cp∗μa

k)1/3

h f=16∗( 0 .0205kcal

hm °C0 . 0134 )∗( 0. 240086

kcalKg ° C

∗0.06156Kgmh

0 . 0205kcal

hm °C)

13

=21. 9486Kcal

hm2° C

h f=21 . 9486Kcal

h m2

*Con el valor obtenido de hf entrar a la gráfica 2 y obtener el valor de hfi

h fi=98Kcal

h m2

7. Cálculo del Coeficiente de película interno referido al área interna

8



v= Gvπ4∗d i

2

Gv= 10

Lmin

∗0 .001 m3

1 L60 min

1h =0.6

m3

h

v=0 .6

m3

hπ4∗( 0. 03591 m)2

=592 . 4212mh

Re=v∗ρ∗d i

μ

Re=(592.4212

mh

)∗(1000Kg

m3)∗( 0.03591 m)

1 .73Kg

m−h

=12297 .02

ℜ>10,000→ turbulento

ℜ=12297 .02

a) Flujo Turbulento

NPr=Cp∗μ

k

Nnu=hi∗¿

Di

k=0 . 027*Re0 .8∗N

Pr1/3∗Φ−1

¿

NPr=1

kcalKg ° C

∗1 .73Kgmh

0. 4987kcal

hm °C

=3 . 4690

N pr=3 .4690

Nnu=0.027∗(12297 . 02 )0. 8∗(3 . 4690 )1/3∗(1)−1=76 . 4314

Nnu=76 . 4314

*Despejar hi

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hi=N nu∗k

Di

hi=76 . 4314∗0 . 4987

kcalhm° C

0 . 072m=529 . 3936

Kcal

hm2 ° C

hi=529 .3936Kcal

h m2

8. Cálculo del coeficiente de transferencia de calor teórico

1U teo

= 1hi

+ 1h fi

1U teo

= 1

529 .3936kcal

hm2°C

+ 1

98kcal

hm2° C

=. 012093hm2 ºCKcal

U teo=1

0.012093hm2Kcal

=82.6922Kcal

h m2

U teo=82.6922Kcal

h m2

9. Cálculo de la eficiencia térmica de la aleta

a x =l b∗eb

a x =(1 .436 m)∗(0 . 00139 m)=0 .0020 m2

m=(h f∗Pb

k∗ax

)1/2

m=(21. 9486

kcal

hm2° C∗1. 436 m

38. 69kcal

hm° C∗0 . 0020m2

)1/2=20 . 1821

Ω=tanh( m∗b )

m∗b

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Ω=tanh(20 .1821∗0. 01231 m)20 .1821∗0 .01231 m

=0. 9799

10.- Cálculo del % de desviación

TABLA DE RESULTADOS

hfi

(Kcal/hm2°C)

hi

(Kcal/hm2°C)

Uteórica

(Kcal/hm2°C)

Uexp.

(Kcal/hm2°C)

Ω %D

98 529.3936 82.6922 24.3931 0.9799 70.50%

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%D=U teo−U exp

U teo

∗100

%D=82 .6922

kcal

hm2 ° C−24 .3931

kcal

hm2 ° C

82 .6922kcal

hm2 ° C

∗100=70 .50 %



Conclusiones

Con respecto a la práctica de tubos aletados se puede decir que este acoplamiento de piezas aumenta el área disponible que existe para la transferencia de calor, esto por consiguiente va a representar un incremento en la cantidad de calor transferido que se tiene con respecto al de un intercambiador normal.

Se puede concluir que la cantidad de calor que se transfiere por las aletas es menor a diferencia de la transferencia que existe en la pared del tubo, porque la diferencia de temperatura que hay entre el fluido y la pared del tubo es mayor que la diferencia que hay entre aleta y fluido.

Por ultimo como punto importante es necesario mencionar que las aletas pueden disminuir la turbulencia del fluido y por lo tanto reduce la convección de calor en el fluido y también reduce la cantidad de calor transmitida.

López Hermenegildo Araceli

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Por medio de los textos, nos dimos cuenta de que un equipo de transferencia de calor de

superficie extendida sirve para aumentar la rapidez de transferencia de calor entre un sólido y un

fluido contiguo, es decir el uso de las aletas se tiene cuando se tienen coeficientes de

transferencia de calor bajos.

En la experimentación se calentó agua a 45 ºC, la temperatura de entrada y salida del agua

permaneció constante, en cambio la temperatura de salida aumentó 15 ºC en muy poco tiempo de

haber operado el equipo.

Se trabajo con dos fluidos distintos: aire y agua, dichos fluidos estaban colocados a

contracorriente, las temperaturas de entrada y salida del agua con respecto a las del aire son más

grandes, al colocar los flujos en esta posición, la diferencia media logarítmica de la temperatura

es mayor que si se colocaran en paralelo, lo que es favorecedor porque aumenta la velocidad con

la que se transfiere el calor del fluido frío al fluido caliente.

Comparando los coeficientes de transferencia de calor, se obtuvo de manera experimental un

valor muy bajo, que fue de 20 aproximadamente, un valor que no ayuda mucho a la transferencia

de calor, y es debido a las resistencias de valor numérico bajo; al realizar el cálculo de manera

teórica, es decir el coeficiente con las aletas incluidas, el valor aumentó en un 70%, lo que

confirma la teoría y se observa de manera numérica la influencia que tienen las aletas sobre la

velocidad con la que se transfiere el calor, además de que con este valor el equipo es

termodinámicamente más eficiente.

Para finalizar, el uso de tubos aletados se tiene para aumentar la eficiencia del equipo, las

desviaciones en los cálculos se tienen por las incrustaciones en el equipo.

Núñez García Natalia Gabriela

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En el intercambiador de tubos aletados resulta ser un intercambiador de calor muy útil al momento de querer ahorrar espacio ya que sus extensiones metálicas fundidas alrededor del tubo fungen como casi 7 tubos de un serpentín lo cual conlleva a un ahorro de espacio muy significativo aun que claro el intercambiador cuenta con sus respectivas desventajas, en las cuales las condiciones de operación son muy características.

Como se observa en la tabla de resultados el coeficiente que nos va a restringir el flujo de la energía calorífica será el calculado para el aire que es de 98 Kcal/hm2°C , ya que comparado al otro coeficiente que es de 529.3936 Kcal/hm2°C, se ve una clara diferencia, lo cual lógicamente nos dice que el valor limitante será el menor, el valor de hfi .

Observando y analizando el procedimiento experimental, los valoras de U teórica , U práctica y el porciento de la desviación se puede decir que existieron errores en la toma de datos experimentales (se observo que el tiempo en la toma de la velocidad de salida del aire fue excesivo ya que el compresor que alimentaba al equipo comenzaba a perder presión lo cual causo que tanto como la velocidad y la presión misma se vieran afectadas , además de la forma en que se calculo la desviación reprecenta cierto aumento cuando se manejan valores relativamente pequeños como es el caso de esta experimentación.

Villavicencio Muñoz Carlos Octavio

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Cuando a una superficie de transferencia de calor se le agregan pedazos de metal sobre ella, estos aumentan la superficie disponible para la transmisión con el consiguiente aumento del intercambio de calor. A estos pedazos metálicos se les conoce con el nombre de aletas. Un requisito fundamental que debe cumplir un intercambiador de calor es que tenga una máxima economía en construcción, operación y mantenimiento. Como se ha mencionado en otras prácticas, las operaciones unitarias por sí mismas resultan en ocasiones poco ilustrativas, no obstante es necesario estudiarlas y comprenderlas para poder analizar procesos más complejos. Los objetivos de la práctica fueron satisfechos, pues se comprendió el funcionamiento y la utilidad de las aletas en un sistema de intercambio de calor. Como se observó en el reporte las aletas se utilizan para aumentar la superficie de transferencia y permitir una mayor eficiencia. Con base en los resultados y una experimentación cuidadosa se puede considerar como exitosa esta práctica. Si bien los resultados son perfectibles, los errores intrínsecos a una experimentación de laboratorio son los esperados. Los fundamentos teóricos se comprendieron adecuadamente y se aplicaron a un equipo similar a los que se utilizan en la industria.La transferencia de calor es buena debido a que el fluido presentó un Reynolds turbulento, se obtuvo una gran diferencia entre Uteo y Uexp ya que en la teórica se consideró un régimen permanente donde la Temperatura es constante y la pérdida del calor también y por lo cual el porciento de desviación fue algo elevado, la eficiencia térmica que se obtuvo fue bastante baja debido al que se tienen pérdidas considerables de calor en el intercambiador, ya que en la experimentación solo disminuía muy poco la temperatura.

Rodríguez Ruiz Ofelia

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Con base en los resultados obtenidos experimentalmente y en los objetivos de la práctica, se pueden establecer las siguientes conclusiones:

Los intercambiadores de calor de tubos aletados poseen un tubo interno con aletas que permiten este intercambio de calor entre los fluidos que fluyen por el tubo interno y el área del ánulo.

El intercambio de calor es más notable en el fluido externo, en este caso, ya que el cambio de temperatura del aire (fluido externo) fue mayor que el del agua (fluido interno).

Los tubos aletados no poseen, en la totalidad de su longitud, aletas, por lo que también interviene un coeficiente de película del área interna del fluido externo.

Son de gran importancia industrial este tipo de intercambiadores de calor debido a que emplean fluidos de intercambio de calor de bajo costo, indicando una ganancia económica a nivel industrial.

Muchos procesos industriales hacen uso de equipos de transferencia de calor de tubos aletados, ya sean longitudinales o helicoidales, por lo que es de gran importancia el conocimiento de este tipo de equipos para el ingeniero químico.

Zamora Guerrero Edgar Benedicto

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Diagrama de Flujo de Equipo Intercambiador de Calor de Tubos Aletados

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T

E

4

T

E

3

T

E

2

T

E

1 LG

FI

LG

LG

WS SS

T-1T-2

T-3

VC1

VC2 VC3

VC4VC5

VB2

VB1

VB3

VB4

VG1

Tubos Aletados 1

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