• Author / Uploaded
• Joseph Lovera Fernandez

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

“Año de la Diversificación Productiva y el Fortalecimiento de la Educación”

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

PROFESORA:

Ing. Elizabeth Villanueva

CURSO:

Fenómenos de Transporte

TEMA:

ALUMNOS:

Intercambiador de calor doble tubo de cuatro pasos Francia Arzapalo, Daniela Lovera Fernández, Joseph Ronceros Narrea, Jorge

2015 – II

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

I.

Introducción

Los intercambiadores de calor son dispositivos empleados para la transferencia de energía de un medio a otro. De hecho, resulta importante el estudio de los intercambiadores de calor porque su comprensión es fundamental para entender la transferencia de calor por conducción y convección entre fluidos. En cuanto a los objetivos de la presente práctica, lo que se busca principalmente es estar en la capacidad de reconocer las partes y funcionamiento del intercambiador de calor empleado, determinar el coeficiente global de transmisión de calor y calcular la eficiencia del intercambiador, además de entender la importancia de estos dispositivos para la industria de alimentos. Ya en el interior de un intercambiador de calor, existen dos tipos de flujo para los fluidos según el sentido que tomen entre sí. Por un lado, está el flujo en paralelo, el cual se caracteriza porque ambos fluidos comparten el mismo sentido de flujo, siendo su forma más simple la de dos tubos concéntricos. Mientras que el flujo a contracorriente presenta sentidos opuestos para los fluidos y lo que se emplea comúnmente para este caso es uno simple de tubos coaxiales. En la presente práctica se empleó un intercambiador de calor de doble tubo, lo que permite realizar un trabajo a altas presiones, implica un mantenimiento fácil y sencillo, y una rápida construcción. Además, en este tipo de diseño, un fluido fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluye por el espacio anular entre ambos tubos. Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo pueden ser lisos o aleteados. Se utilizan tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. Como resultado el área exterior se amplia, siendo ésta más grande que el área interior. Sin duda, es importante también mencionar el área de intercambio de calor, ya que es la superficie que permite la expansión de la energía. El área de transferencia de calor variará con la geometría y las dimensiones del propio intercambiador. Finalmente, es preciso resaltar que existen diversos métodos de análisis para el intercambio de calor, con los que se pueden determinar factores de corrección en las temperaturas medias logarítmicas, en la eficiencia del intercambiador, en el conjunto de resistencias que se oponen al flujo de calor, entre otros aspectos.

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

II.

Objetivos 

Reconocer las partes y el funcionamiento del intercambiador de calor.



Determinar el coeficiente global de transferencia de calor referido a la superficie externa.



III.

Calcular la eficiencia del intercambiador de calor.

Resultados y Discusiones 3.1.-Resultados Cuadro 1. Datos de la práctica de intercambiadores de calor

Agua caliente Agua fría Agua caliente Agua fría Agua caliente Agua fría Agua caliente Agua fría

CONTRACORRIENTE Flujo Te (°C) Ts (°C) (lpm) 5 32.8 53.1

PARALELO Te (°C)

Flujo (lpm) 5

Ts (°C)

51.9

32.8

10.74 10

20.5 35.1

27.2 53.9

12.58 10

19.8 45

24.8 35.5

16.92 15

21.1 39.3

27.7 32

9.94 15

21.3 42

29.3 37.7

18.96 20

24 39.9

31.9 35.8

20.91 20

23.6 37

24.8 32.7

10.48

20.1

30.2

19.63

21.8

26.2

Cuadro 2. Dimensiones del intercambiador de calor Dimensiones de la tubería interna Diámetro interno (cm.)

1.265

Diámetro externo (cm.)

1.56

Longitud de un tramo (cm.)

130.1

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

Flujo en contracorriente: Cuadro 3. Determinación de la carga térmica para los fluidos en contracorriente

Flujo (lpm)

CONTACORRIENTE Calor Cedido (KJ /s)

5 10 15 20 Promedio Desv. Est Coef.Var

-0.0071 -0.0131 0.0076 0.0057 -0.0017 0.0100 -5.8658

Flujo (lpm)

10.74 16.92 18.96 10.48 Promedio Desv. Est Coef.Var

Calor Ganado (KJ /s ) 0.0050 0.0078 0.0104 0.0074 0.0076 0.0022 0.29035

Esta determinación, se muestra variable y toma valores negativos con respecto al calor cedido, pues el calentamiento previo por el cual tiene que pasar el agua, es paulatino y mayor en el tiempo, por ende para un ensayo de mayor tiempo se encontraría valores más concretos y acordes con la determinación.

Se hizo uso de correcciones para la densidad propuestas por Jaramillo (2007), así como también se obtuvieron los calores específicos del agua a diferentes temperaturas propuestas por el mismo autor.

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

Grafico 1. Temperatura en Función de la Longitud del Intercambiador de Calor

Temperatura en Funcion de la Longitud del Intercambiador de calor 60

Temperatura (°C)

50 40 30

Agua Caliente

20

Agua Fria

10 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Longitud (m)

Como se ilustra en la Grafica (1), se presenta el sistema a contracorriente cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada.

Se observa un descenso en línea que representa al agua caliente, cuando oscila a temperaturas de 50 ° C a 40 ° C, esto puede ser explicado tal y como describe Costa et al (2004), por el proceso de calentamiento que recibe el agua que se va a calentar y que podría no haber sido regulado de forma correcta o por deficiencias en el sistema de recirculación de calor, pero como bien manifiesta esto no sería un limitante mayor para obtener resultados adecuados, los cuales podrían ser obtenidos a tiempos mayores.

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

Cuadro 3. Calculo del Coeficiente Global de Transferencia de Calor

Parámetros

Valores

Unidades

Calor ganado Ao ΔT1 ΔT2 ΔTml Uo

0.0076 0.0638 7.525 22.275 13.592 0.0088

KJ /s m^2 K K K W/m^2

El cálculo del coeficiente global de transferencia de calor, como se aprecia en el Cuadro (3), fue realizado con referencia al radio externo del material, además se consideró, los valores de temperatura desde el inicio del proceso hasta el término, para lo cual se tuvo en cuenta los promedios a los cuales se encontraban a la entrada y a la salida tanto el agua caliente como el agua fría.

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

3.2.-Discusiones

Como en base a toda a la referencia obtenida mediante los cálculos y la aplicación directa que se dio en la práctica, se entiende entonces que los intercambiadores de calor tienen como objetivo llevar una corriente de fluido a una temperatura determinada, calentándola o enfriándola, estos fluidos necesarios para la acción circulan separados, y es la superficie como lo detalla Cengel (2007), la mediadora en el intercambio de calor. La integración de las distintas corrientes de fluido garantiza obtener un nivel térmico adecuado y además conseguir el máximo ahorro de energía posible. Para Incropera y Dewitt (1999), existen muchos factores que pueden generar la elección de un adecuado intercambiador de calor dependiendo de las exigencias y parámetros que se desee evaluar, así como también del proceso productivo que se quiera llevar. La temperatura de trabajo, las presiones, caudales, la posibilidad de formación de incrustaciones o la generación de problemas referente a la resistencias al paso de calor, así como también la acción corrosiva de fluidos son en general las limitaciones más frecuentes que se tiene al respecto. En la práctica se obtuvieron valores negativos de calor cedido, y esto debido a la temperatura a la cual entraba el fluido al sistema, y que pudo ser asociado como lo discute Jaramillo (2007), en fallas propias del sistema o inclusive en la toma de datos en tiempos menores. Esto como bien lo recalca el autor no tendría mayor limitación en cuanto a la obtención de datos que puedan servir como base a la justificación de una determinación.

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

Otro factor que se tuvo en cuenta para no afectar la determinación y así como también la obtención de resultados coherentes fue la corrección que se realizó con respecto al calor especifico, según Giancoli (2006), los calores específicos pueden cambiar como resultado de variaciones de temperatura, y así también el coeficiente de transferencia de calor podría modificarse debido a variaciones en las propiedades del fluido y condiciones de flujo. Sin embargo para el caso del coeficiente de transferencia de calor, y según lo reporta Alvis et al (2010), tales variaciones o correcciones no son significativas, y es razonable trabajar con valores promedio, pues el cálculo y diseño en ingeniería lo admite. Los calores específicos para la determinación del calor cedido y ganado en el sistema de flujo a contracorriente tomados a la temperaturas promedio de 43.7°C temperatura del fluido caliente y 29.25°C temperatura del fluido frio, fueron respectivamente 4.179 KJ/kg k y 4.177 KJ/ kg k.

La densidad también tuvo que ser calcula mediante tablas propuestas por Jaramillo (2007), pues esta propiedad se ve a afectada por la temperatura, debido a la estructura molecular del agua, es decir a los mecanismos de unión de las moléculas.

En el análisis del coeficiente de transferencia de calor, no se obtuvieron inconvenientes con respecto a la obtención de este valor el cual fue 0.0088

W/m^2, el cual valor admisible dentro de lo admisible según lo

manifiesta Incropera y DeWitt (1999). Este coeficiente se define en términos de la resistencia térmica total para la transferencia de calor entre dos fluidos, este coeficiente se determinó al tener en cuenta las resistencias de conducción y convección entre fluidos. Es importante reconocer sin embargo que este coeficiente admite la idealización de un sistema limpio y totalmente libre de partículas que pudiesen interferir.

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS En lo operación normal de un intercambiador de calor, a menudo estas superficies como lo destaca Cengel (2007), están sujetas a la obstrucción por impurezas, formación de moho, entre otros factores. El cálculo de la eficiencia entonces podría verse limitado y por ende suscitar errores, la eficiencia para el sistema a contracorriente pudo ser mayor, y quizás factores propios del diseño así como la temperatura también pudieron ser limitantes durante la determinación.

IV.

Conclusiones 

La eficiencia para el sistema a contracorriente pudo ser mayor, por lo que se asume que la temperatura inicial o a la entrada del fluido caliente debió ser tomada a tiempos mayores para así obtener un mejor resultados, equilibrado con los parámetros que se tienen en cuenta.



UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

v. Anexos Cuadro 1. Calores específicos del agua a diferentes temperaturas

Fuente: Intercambiadores de Calor. Jaramillo (2007).

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

Cuadro 2. Densidad del agua a diferentes temperaturas

Fuente: Intercambiadores de Calor. Jaramillo (2007).

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

VI.-Bibliografía



ALVIS, A, CACIEDO, I, PEÑA, P. (2010). Determinación del Coeficiente de Transferencia de Calor a Través de una Aplicación de Computadoras. Información Tecnológica Vol. 21(5), 1320(2010) doi:10.1612/¡nf.tecnol.4367it.09.



CENGEL, Y. (2007). Transferencia de Calor y Masa. Tercera Edición. Mexico.Mc GRAW HILL/ INTERAMERICANA EDITORES, S.A. Páginas 630-635.



COSTA,J, CERVERA, S, CUNILL,F, ESPLUGAS, S, MANS,C. (2004). Introduccion a los procesos, operaciones unitarias y fenómenos de transporte.Primera Edicion. España. Editorial REVERTE. Paginas 57-60.



GIANCOLI,D. ( 2006). Física, Principios y Aplicaciones. Sexta Edicion.Mexico. Editorial PEARSON EDUCACION. Páginas 388390.



INCROPERA, F, DeWitt, D. (1999).Fundamentos de Transferencia de Calor. Cuarta Edición. México. Editorial PRENTICE HALL. Páginas 582-585.



JARAMILLO, O. (2007). Intercambiadores de Calor. (Serie Online). Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México. Consultado el 3 de Diciembre del 2015. Disponible

en

http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiador es.pdf.

:

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS