Informe Transferencia de Calor Intercambiador de Doble Tubo

INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO Universidad del Atlántico Facultad de Ingeniería Ingeniería Mecánica Transerencia Transerencia de Calor  Borrero !a"riel# Castilla Ro"erto# Man$arres Ro%# Oc&oa 'ernán# (ertu) Osneider  Barranquilla, 03 de junio de 2015

RE*UMEN 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, calibrado, es decir que los termopares termopares se estabilizaran 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 comie comienzo nzo a la etap etapa a a realiz realizar ar.. Despué Después s de espera esperarr unos unos segu segundo ndos s para para su estabilidad, estabilidad, se tomaron las temperaturas respectivas respectivas en la entrada y salida de cada tubo. Se izo lo mismo para flujos tanto en paralelo como en contracorriente. Este proceso se repiti! en los siguientes siguientes arreglos. "on los datos obtenidos, obtenidos, se procedi! a la elaboraci!n del presente informe.

INTRODUCCI+N Existen mucos procesos de ingeniería que requieren de la transferencia de calor. #ara este proceso se necesitan los intercambiadores de calor, los cuales se utilizan para enfriar o calentar fluidos. $os intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los m%s sencillos que existen. Est%n constituidos por dos tubos concéntricos de di%metros diferentes. &no de los fluidos fluye por  el interior del tubo de menor di%metro y el otro fluye por el espacio anular entre los dos tubos. &n 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. $a transferencia es posible porque ocurren tres principios' radiaci!n, conducci!n y la

convecci!n. Sin embargo, la radiaci!n no desempe(a un papel importante) la conducci!n se produce a partir del paso de un fluido con temperatura muy elevada a través de una pared s!lida) y la convecci!n es el paso del calor de la superficie a un medio externo. #or lo cual, a partir de estos principios y el contacto que se producen entre los fluidos, la clasificaci!n m%s general que puede realizarse de los cambiadores de calor, se efect*a atendiendo al grado de contacto entre los fluidos. Seg*n este criterio, los cambiadores de calor se dividen en dos grandes grupos' +ntercambiadores de contacto directo e +ntercambiadores de contacto indirecto. Estos *ltimos pueden a su vez dividirse en alternativos y de superficie. En el caso de esta experiencia, se emple! un intercambiador de contacto indirecto o intercambiador de calor de doble tubo.

El intercambiador de doble tubo es uno de los tipos m%s 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. $os 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 asta que las condiciones cambian. #or lo cual, comprobar c!mo sufren estos cambios es el objetivo de esta experiencia' • • • •

Efectuar el balance de energía para el intercambiador de doble tubo. "alcular 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 TE+RICO El intercambiador de calor de doble tubo es el tipo m%s sencillo de intercambiador  de calor. Est% constituido por dos tubos concéntricos de di%metros diferentes. &no de los fluidos fluye por el tubo de menor di%metro 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 direcci!n del flujo de los fluidos' contraflujo y flujo paralelo. En la configuraci!n en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuraci!n 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. $a 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 evoluci!n de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas'

Flujo Paralelo

Flujo en contracorriente

#or 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,  e, asta uno de salida,  s, mientras que el fluido frío lo

ace por el segundo tubo, bien en el mismo sentido -corriente directa, bien en sentido contrario -contracorriente, desde un valor de entrada, te, asta otro de salida, s. &na parte esencial, y a menudo la m%s incierta, en el an%lisis de intercambiadores de calor es la determinaci!n del coeficiente total de transferencia de calor. Este coeficiente es determinado al tener en cuenta las resistencias térmicas de conducci!n y convecci!n entre fluidos separados por una pared plana compuesta y paredes cilíndricas, respectivamente. Es sin embargo reconocer que tales resultados *nicamente aplican a superficies limpias y sin aletas. Durante una operaci!n normal de un intercambiador de calor, las superficies frecuentemente est%n sujetas a impurezas de los fluidos, formaci!n de !xido y otras reacciones entre el fluido y la pared del tubo. $a subsecuente deposici!n 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 / f . al incluir el factor de falla y los efectos de las aletas, el coeficiente total de transferencia de calor se puede expresar  como' }} over {{( {η} rsub {0} A )} rsub {c}} + {R} rsub {w} + {{R} rsub {f , h} rsup {

 R 1 = 1 = 1 = 1 + f ,c UA U c A c U h A h ( η0 hA )c

(η0  A )h

Donde  y c se refieren a los fluidos caliente -ot y frio -cool respectivamente. #ara dise(ar o predecir el desempe(o 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 %rea 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. 0l aplicar el balance de energía se obtiene'

 ´ h c p , h (T h ,i −T h , 0 ) q =m  ´ h c p , c (T c , 0−T c, i) q =m Si se desea determinar una relaci!n de la raz!n de transferencia de calor q con la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frio, se obtendría una ecuaci!n de la forma'

+

1 (η 0 hA )h

q =UA∆T m

En donde

∆ T m

 es la diferencia de temperatura entre los fluidos, pero ya que este

valor varía con la posici!n en el intercambiador, es necesario trabajar con un valor  de diferencia de temperatura significativo.  0l analizar un segmento diferencial en el intercambiador de calor, se puede demostrar que el valor apropiado para

 MLDT =

∆ T 2− ∆T 1 ln

( )  ∆ T 2 ∆T 1

En donde para el flujo paralelo'

∆ T 1=T h ,1−T c ,1=T h ,i −T c ,i ∆ T 2=T h ,2−T c ,2=T h ,0 −T c , 0 1 para contra flujo'

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

∆ T m

 sería'

AN,LI*I* E-(ERIMENTAL  DE*CRI(CI+N DEL E.UI(O

+ntercambiador de doble tubo conformado por cinco tubos de cobre y el sexto es de cobre corrugado, enfriado por aire, todos sin aislar. "on este intercambiador se pueden experimentar 2 casos diferentes de transferencia de calor donde se puede variar el régimen del tubo respecto a la tubería donde pasan los fluidos' ubo 3 y 4' +ntercambiador de calor est%ndar orizontal ubo 5' ubo interno de acero ubo 6' 0lta turbulencia) flujo cruzado y paralelo ubo 7' 8lujo cruzado, laminar y turbulento. ubo 2' #rovee enfriamiento por convecci!n libre con aire) flujo tipo remolino y pulsaciones dentro del tubo. • • • • •

(ROCEDIMIENTO  0ntes 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 -9: 93 94 ;::.  0brir la v%lvula de entrada a la trampa D5, D< y la v%lvula del tubo refrigerante ;3 que permite el paso del agua fría. $as v%lvulas D6, D7, D2 y 9: deben estar bien cerradas.  0brir las v%lvulas 95, 96, 97, 92, 9< y 9= dejando correr el vapor por  los tubos.  0brir la v%lvula 9:: que permite el paso del vapor desde la tubería principal. "uando todo el condensado de los tubos aya sido eliminado se cierran las v%lvulas 95, 96, 97, 92, 9< y 9= mientras permanece abierta la v%lvula 9:: dejando para luego cerrarse y evitar el paso del vapor. El recorrido del vapor desde sus pasos por la v%lvula 95 asta la trampa de vapor debe observarse cuidadosamente. $a v%lvula direccional >4 se opera efectivamente para que el agua pase por el rot%metro y el vapor por el drenaje D3, es decir por la trampa de vapor. Se instala el termopar y se procede a la lectura de las temperaturas. •

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>ota' #ara toma de flujos de condensado abrir la v%lvula D2 y cierra la v%lvula D