Laborlatorio Intercambiadores de Calor
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Descripción: experiencia sobre el intercambio de calir...
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Universidad Católica del Norte. Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas. Departamento de Ingeniería en Sistemas y Computación. Ingeniería Civil Industrial.
Laboratorio: Intercambiadores de Calor.
A l u m n o s : Pía Pía Alfaro Fredes, Claudio Cortés
Henríquez, Felipe Garrido Toro, Yerko Lucas Lucas, José Silva Furniel, Patricio Zamorano Zamorano Cabello. Operaciones Unitarias II. Operaciones Asignatura: Janira Soria. P r o f e s o r : Janira A y u d a n t e : Verónica Castillo.
Índice Resumen. ................................................ .......................................................................... .................................................... ...................................... ............ 3 Equipos..................................................................... .............................................................................................. ........................................... .................. 3 Objetivos. Objetivos. ................................................ .......................................................................... .................................................... ...................................... ............ 4 Marco Teórico. ................................................ .......................................................................... .................................................... .............................. .... 5 Experiencia. Experiencia.................................................. ........................................................................... .................................................... .................................. ........ 7 Cálculos..................... Cálculos............................................... ................................................... ................................................... ........................................... ................. 8 Experiencia Experiencia 1: .................................................................... ............................................................................................. .................................. ......... 8 Calculo de Transferencia de Calor con Alto flujo: f lujo: ............................................ ............................................ 8 Calculo de Transferencia de Calor con Bajo flujo: ......................................... ......................................... 13 Experiencia Experiencia 2 ................................................................. .......................................................................................... .................................... ........... 17 Calculo de Transferencia de Calor con Alto flujo: f lujo: .......................................... .......................................... 17 Calculo de Transferencia de Calor con Bajo flujo: ......................................... ......................................... 21 Conclusiones. Conclusiones................................................... ............................................................................ .................................................... ............................ .. 26 Bibliografía. Bibliografía. ................................................. ........................................................................... .................................................... ................................ ...... 27
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Resumen. Este informe de laboratorio presentará los resultados de la experiencia práctica realizada para poder comprender de mejor forma los conceptos y fenómenos detrás de la acción de los intercambiadores de calor, que no es más que entender de manera práctica los conceptos asociados al intercambio de calor. Para esta experiencia en particular el intercambio de calor se produce en un intercambiador multitubular. Haciendo variar las combinaciones de la configuración del intercambiador de calor, así como también variando el flujo que se entrega al equipo se podrán recoger importantes conclusiones que harán que los conceptos detrás del intercambio de calor sean aplicados e interiorizados gracias a la experiencia de laboratorio. La transmisión de calor se da en todos los procesos industriales, en donde se mantiene una temperatura constante en la corriente de alimentación de un reactor, en donde se calienta la corriente de alimentación a una torre de destilación, y luego de enfría una corriente antes de introducirla a un equipo de separación y condensar este para que se convierta en vapor La transferencia de calor se hace a través de los intercambiadores de calor de forma indirecta.
Equipos Intercambiadores de calor multitubular Termocuplas Equipo de calefacción de agua Probeta y cronometro
Equipo de calefacción.
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Intercambiador de calor
Salida del agua
Regulador de flujo
Termocupla
Objetivos. Los objetivos que se buscan en la experiencia son: 1. Obtener y comparar el calor transferido [Q] para dos configuraciones de operación del intercambiador de calor. 2. Calcular el coeficiente global de transmisión de calor para cada una de las cuatro disposiciones de flujo y comparar con las ecuaciones disponibles en la literatura. 3. Calcular los coeficientes globales de transferencia de calor obtenidos para cuatro flujos y entre las dos disposiciones.
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Marco Teórico. Para obtener los flujos de calor (objetivo de primordial de la experiencia) se utilizan las diferentes ecuaciones entregadas por la literatura. Los pasos para obtener los cálculos deseados son: 1) Lo primero es obtener el promedio flujo másico de agua con la siguiente ecuación:
̅ ̇ ∑ ̇ ̅ ̇ ∑ ̇ 2) Luego se calcula el temperatura promedio correspondiente, con la cual se obtienen las propiedades termo físicas correspondientes:
̅ 3) Una vez obtenidas las propiedades respectivas podemos aplicar los métodos para determinar los flujos de calor, que son: Método de diferencia media logarítmica:
Donde:
( ) ⁄ (( ) )
F(R,P), donde se obtiene F de gráficos: 5
Además utilizaremos el método de Nusselt para obtener el coeficiente convectivo (i:frio ; o:caliente):
̇
} {
Método de obtención en base al flujo másico:
̇ ̇ 4) Una vez obtenidos los flujos de calor se puede hacer una comparación de los diferentes métodos.
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Experiencia. Consistió básicamente en dos partes En la primera 1 paso por coraza (agua fría), y 2 pasos por tubos (agua caliente), en donde se manejaba la presión en la llave mostrada, en donde una vez hecho esto se procedió a usar la manguera la cual contenía agua fría y se procedía a usar un cronometro, para así poder sacar el flujo que pasaba por esta manguera aproximadamente, el cual se repetía 3 veces , así tener una mayor precisión en el experimento. Una vez hecho esto y cuando la temperatura de la termocupla indicara 55 grados, procedíamos a anotar las 4 temperaturas, entrada de tubos, salida de tubos, salida de coraza y entrada de coraza las cuales nos permitirían hacer nuestros cálculos posteriormente. Se realizó dos veces este procedimiento en agua fría en coraza en donde la segunda vez se disminuyó el flujo. Una vez finalizado esto se hizo el mismo procedimiento pero haciendo un cambio en la configuración de los dispositivos, en donde ahora era agua caliente en coraza y agua fría en tubos Repitiendo el mismo procedimiento con un flujo el cual era calculado a través de un cronometro y y el llenado de la probeta, y cuando la temperatura en la entrada de coraza era 55, se anotaban las demás, para así poder realizar los cálculos y sacar conclusiones adecuadas al experimento
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Cálculos. Experiencia 1: C a lc u l o d e T r a n s f e re n c i a d e C a lo r c o n A l t o f l u j o :
Configuración: 1 paso por coraza (agua fría) y dos pasos por tubos (agua caliente) Flujo: paralelo Datos
Numero de tubos
Diámetro equivalente del tubo Diámetro interno del tubo Coeficiente convectivo coraza Factor de resistencia por incrustación Largo del tubo
1) El primer paso fue tomar las respectivas temperaturas de entrada y salida de la coraza y los tubos, antes de iniciar el paso de los flujos, obteniéndose los siguientes resultados : Temperatura de entrada de los tubos
Temperatura de salida de los tubos Temperatura de entrada de la coraza Temperatura de salida de la coraza
2) Una vez que se dio paso al flujo, se esperó que la Temperatura de entrada de los tubos llegará a los y se tomaron tres muestras de flujos de agua fría y dos muestra de flujos de agua caliente, se tomó nota de los siguientes datos:
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Temperatura de entrada de los tubos
Temperatura de salida de los tubos Temperatura de entrada de la coraza Temperatura de salida de la coraza
Primera muestra de flujo másico de agua fría
( ̇ ) Segunda muestra de flujo másico de agua fría ( ̇ ) Tercera muestra de flujo másico de agua fría ( ̇ )
Primera muestra de flujo másico de agua caliente
( ̇ )
Segunda muestra de flujo másico de agua caliente
( ̇ )
Para ambos flujos frio y caliente se calculó un promedio con el cual se trabajará en los posteriores cálculos:
̅ ̇
̅ ̇ 3) Con los datos obtenidos anteriormente calculamos la Temperatura caliente promedio. Con esta Temperatura obtuvimos las propiedades físicas del agua, estos datos fueron extraídos de la Tabla “Propiedades termofísicas de agua saturada”:
̅
̅ Como este valor no se encuentra directamente en la tabla se hizo necesario interpolar T
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4) Con los datos ya obtenidos procedemos a hacer los respectivos cálculos necesarios para calcular el flujo de calor (Q) a través del METODO :
Como es un Intercambiador de Calor de Flujo Paralelo el cálculo de
:
Conocemos todos los datos para poder calcular el área de los tubos:
Para calcular el coeficiente global de calor : En necesario conocer , por lo tanto solo nos falta conocer
:
} { 10
̇ Finalmente:
Posteriormente se calculó el Factor de Corrección , para esto se calculo y con estos valores se entró al grafico correspondiente y se obtuvo :
Y por último obtenidos ya todos los datos necesarios procedemos a calcular el Flujo de Calor :
5)
Calculo de Flujo de Calor en base al Flujo másico de agua caliente: ̇ 11
T
6) Calculo de Flujo de Calor
en base al Flujo másico de agua Fría:
̇ ̅ T
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C a lc u l o d e T r a n s f e re n c i a d e C a lo r c o n B a j o f l u j o :
1) Se utilizan los mismos datos de la experiencia anterior. 2) Una vez que se dio paso al flujo, se esperó que la Temperatura de entrada de los tubos llegará a los y se tomaron tres muestras de flujos de agua fría y dos muestra de flujos de agua caliente, se tomó nota de los siguientes datos:
Temperatura de entrada de los tubos
Temperatura de salida de los tubos Temperatura de entrada de la coraza Temperatura de salida de la coraza
Primera muestra de flujo másico de agua fría
( ̇ ) Segunda muestra de flujo másico de agua fría ( ̇ ) Tercera muestra de flujo másico de agua fría ( ̇ ) Primera muestra de flujo másico de agua caliente
( ̇ )
Segunda muestra de flujo másico de agua caliente
( ̇ )
Para ambos flujos frio y caliente se calculó un promedio con el cual se trabajará en los posteriores cálculos:
̅ ̇
̅ ̇ 3) Con los datos obtenidos anteriormente calculamos la Temperatura caliente promedio. Con esta Temperatura obtuvimos las propiedades físicas del agua, estos datos fueron extraídos de la Tabla “Propiedades termofísi cas de agua saturada”:
̅
13
̅ Como este valor no se encuentra directamente en la tabla se hizo necesario interpolar
T
4) Con los datos ya obtenidos procedemos a hacer los respectivos cálculos necesarios para calcular el flujo de calor (Q) a través del METODO :
Como es un Intercambiador de Calor de Flujo Paralelo el cálculo de
:
Conocemos todos los datos para poder calcular el área de los tubos:
Para calcular el coeficiente global de calor
: 14
, por lo tanto solo nos falta conocer : } { ̇ En necesario conocer
Finalmente:
Posteriormente se calculó el Factor de Corrección , para esto se calculo y con estos valores se entró al grafico correspondiente y se obtuvo :
Y por último obtenidos ya todos los datos necesarios procedemos a calcular el Flujo de Calor :
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5) Calculo de Flujo de Calor
en base al Flujo másico de agua caliente:
̇ T
6) Calculo de Flujo de Calor
en base al Flujo másico de agua Fría:
̇ ̅ T
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Experiencia 2 C a lc u l o d e T r a n s f e re n c i a d e C a lo r c o n A l t o f l u j o :
Configuración:1 paso por coraza (agua caliente) y dos pasos por tubos (agua fría) Flujo: paralelo Datos
Numero de tubos
Diámetro equivalente del tubo Diámetro interno del tubo Coeficiente convectivo coraza Factor de resistencia por incrustación Largo del tubo
Primera medición 1) El primer paso fue tomar las respectivas temperaturas de entrada y salida de la coraza y los tubos, antes de iniciar el paso de los flujos, obteniéndose los siguientes resultados : Temperatura de entrada de coraza
Temperatura de salida de coraza Temperatura de entrada de los tubos Temperatura de salida de la coraza
Tabla de flujos respecto al tiempo Primera muestra de flujo másico de agua fría
( ̇ ) Segunda muestra de flujo másico de agua fría ( ̇ ) Tercera muestra de flujo másico de agua fría ( ̇ )
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Primera muestra de flujo másico de agua caliente
( ̇ )
Segunda muestra de flujo másico de agua caliente
( ̇ )
Se trabajara con el mismo flujo caliente obtenido en la primera etapa Para ambos flujos frio y caliente se calculó un promedio con el cual se trabajará en los posteriores cálculos:
̅ ̇
̅ ̇
2) Con esta Temperatura obtuvimos las propiedades físicas del agua, estos datos fueron extraídos de la Tabla “Propiedades termofísicas de agua saturada”:
Como este valor se encuentra directamente en la tabla no necesario interpolar T
300
se hizo
3) Con los datos ya obtenidos procedemos a hacer los respectivos cálculos necesarios para calcular el flujo de calor (Q) a través del METODO :
Como es un Intercambiador de Calor de Flujo Paralelo el cálculo de
:
Conocemos todos los datos para poder calcular el área de los tubos:
18
Para calcular el coeficiente global de calor
:
, solo nos falta conocer : } {
Como ya conocemos los valores de
̇ Finalmente:
Posteriormente se calculó el Factor de Corrección , para esto se calculo y con estos valores se entró al grafico correspondiente y se obtuvo :
19
Y por último obtenidos ya todos los datos necesarios procedemos a calcular el Flujo de Calor :
4)
Calculo de Flujo de Calor en base al Flujo másico de agua fria: ̇ T
5) Calculo de Flujo de Calor
en base al Flujo másico de agua caliente:
̇ ̅ T
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Al comparar los tres Q obtenidos por los diferentes métodos:
C a lc u l o d e T r a n s f e re n c i a d e C a lo r c o n B a j o f l u j o :
1) Se utilizan los mismos datos de la experiencia anterior. 2) Una vez que se dio paso al flujo, se esperó que la Temperatura de entrada de la coraza llegará a los y se tomaron tres muestras de flujos de agua fría y dos muestra de flujos de agua caliente, se tomó nota de los siguientes datos:
Temperatura de entrada de los coraza Temperatura de salida de los coraza
Temperatura de entrada de la tubos Temperatura de salida de la tubos
Primera muestra de flujo másico de agua fría
( ̇ ) Segunda muestra de flujo másico de agua fría ( ̇ ) Tercera muestra de flujo másico de agua fría ( ̇ ) Primera muestra de flujo másico de agua caliente
( ̇ )
Segunda muestra de flujo másico de agua caliente
( ̇ )
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Para ambos flujos frio y caliente se calculó un promedio con el cual se trabajará en los posteriores cálculos:
̅ ̇
̅ ̇ 3) Con los datos obtenidos anteriormente calculamos la Temperatura fria promedio:
Con esta Temperatura obtuvimos las propiedades físicas del agua, estos datos fueron extraídos de la Tabla “Propiedades termofísicas de agua saturada”:
̅ Como este valor no se encuentra directamente en la tabla se hizo necesario interpolar
T
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4) Con los datos ya obtenidos procedemos a hacer los respectivos cálculos necesarios para calcular el flujo de calor (Q) a través del METODO :
Como es un Intercambiador de Calor de Flujo Paralelo el cálculo de
:
Conocemos todos los datos para poder calcular el área de los tubos:
Para calcular el coeficiente global de calor
:
, por lo tanto solo nos falta conocer : } { En necesario conocer
Finalmente:
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Posteriormente se calculó el Factor de Corrección , para esto se calculo y con estos valores se entró al grafico correspondiente y se obtuvo :
Y por último obtenidos ya todos los datos necesarios procedemos a calcular el Flujo de Calor :
5)
Calculo de Flujo de Calor en base al Flujo másico de agua caliente: ̇ T
6) Calculo de Flujo de Calor
en base al Flujo másico de agua Fría:
̇ 24
̅ T
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Conclusiones. 1) El experimento realizado nos permite observar el cambio de temperatura que ocurre entre entrada de tubos y salida de tubos, y entrada de coraza y salida de coraza, en donde en la primera configuración los pasos por los tubos eran caliente, por lo cual la entrada a los tubos tendría la temperatura más alta 55 grados Celsius y está en salida de este debería evidentemente ser disminuida como nos mostraba la termocupla, por otra a diferencia de la coraza, como en esta tenia agua fría de forma indirecta por el intercambiador de calor, se iba a ver aumenta en donde la entrada por coraza tendría menor temperatura que su salida. En la segunda configuración se logra apreciar lo contrario, como se invierte las mangueras, ahora la de agua caliente pasa por coraza, esta tendrá la mayor temperatura de entrada y la salida de esta se verá disminuida, la cual de forma indirecta por la configuración de los intercambiadores de calor hará que la temperatura de salida de los tubos sea más alta de la que entro en el con el agua fría, ya que la calentó de forma indirecta. 2) Para el caso de la experiencia 1 podemos notar que los flujos de calor si bien no son iguales, concluimos que estas diferencias son producidas o se deben netamente a las imprecisiones del método de cálculo del flujo y por las pérdidas no consideradas en el intercambio de calor. El
es menor al resto debido a que en su fórmula ocupa datos de
mayor impresión como lo son el área, ya que el instrumento con el que medimos el diámetro presenta errores de precisión, también como lo es el coeficiente global de transferencia de calor el cual esta directamente relacionado con el flujo. A pesar de las diferencia hay cierta concordancia en los resultados obtenidos ya que lo cual tiene bastante sentido y es lo que esperábamos como resultado.
3) Como se puede observar en los resultados obtenidos de la experiencia 2, los valores no son iguales. Podemos decir que es debido a las imprecisiones en nuestro laboratorio o algunos perdidas que no fueron tomadas en cuenta debido al mecanismo del cual trabajamos. Cabe señalar como trabajamos caliente por coraza este fue menos que frio por tubo.
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Bibliografía. A. Holman, J. P. (Jack Philip) Transferencia de calor / J. P. Holman ; traducción Pablo Pérez del Notario Martínez de Marañón, Antonio Sánchez Sánchez. Madrid .
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