• Author / Uploaded
• Anthony Carrasco

Citation preview

PRACTICA Nº 5 INTERCAMBIO DE CALOR

I.

INTRODUCCION

Todas las industrias de procesos químicos, cuando desean condensar, vaporizar, enfriar o simplemente calentar una solución o una sustancia pura utilizan ampliamente del fenómeno de transmisión de calor. La observación de que la temperatura de un cuerpo puede ser cambiada por contacto con otro cuerpo más caliente, cambiando la temperatura del cuerpo, llevó a los científicos a deducir que algo había sido ganado, llamado “calor”. El calor es el flujo de energía en virtud de una diferencia de temperatura, es decir que siempre fluye de una temperatura superior a otra inferior, por lo tanto la velocidad de transferencia de calor de un cuerpo a otro es proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos cuerpos. La transferencia de calor es un proceso irreversible, pues el calor transferido no puede ser recuperado cuando se invierte la dirección del proceso, pues no es posible transferir la cantidad original de calor. Existen tres métodos o mecanismos de transmisión de calor de un cuerpo a otro o de éste a su medio: conducción, convección y radiación.

II.

OBJETIVOS 

Evaluar los coeficientes individuales de transmisión de calor h i

  

y ho Encontrar el coeficiente global de transmisión de calor U Calcular el factor de obstrucción total Rd Graficar: hi y ho con la velocidad del agua y evaluar las constantes a y b de la relación: hx = a vb

III.

FUNDAMENTO TEORICO

En general un intercambiador de calor es cualquier dispositivo que efectúa una transmisión de calor. La característica en común de la mayoría de intercambiadores es que la transferencia se hace de una fase caliente a una fase fría y estas están separadas mediante una frontera sólida. Dentro de los tipos de intercambiadores de calor, se encuentran los de doble tubo y los de casco y tubo, siendo los primeros los usados en la presente práctica. Un IC simple o de DOBLE TUBO, es el tipo más sencillo de cambiador de calor. La tubería doble consiste esencialmente en dos tubos concéntricos con los fluidos desplazándose ya sea en contracorriente o en corriente directa, siendo los primeros los que generan mayor transferencia de calor y por lo tanto mayor eficiencia del cambiador. El área de transmisión de calor, o sea la longitud de cada sección, está limitada por las longitudes estándar

de los tubos. Si el área

requerida fuera demasiado grande, entonces este tipo de cambiador no es recomendable.

IV.

METODO

La ecuación general que gobierna la transferencia de calor entre el fluido de mayor temperatura y el de menor temperatura es la siguiente: Q = U A ΔTLM Por conveniencia, el método para calcular

la diferencia de

temperaturas entre dos fluidos, deberá emplear únicamente

las

temperaturas de proceso, ya que en general son las únicas que se conoce. La diferencia de temperaturas que se utiliza para los tubos concéntricos

es

la

ΔTLM

temperaturas que es igual a:

llamada

la

media

logarítmica

de

Δt = ΔTML = (Δt2 - Δt1) / ln (Δt2 /Δt1) Donde Δt2, Δt1 son las diferencia de temperatura de cada terminal Si además mediante el uso de termómetros determinamos las temperaturas de los dos fluidos al comienzo y al final de la longitud de recorrido en estudio y medimos el área total de transferencia de calor correspondiente a dicha longitud, podemos calcular el valor del coeficiente total de transferencia de calor, que será la única incógnita de la ecuación de transferencia de calor. Esto podemos repetir para diversas situaciones experimentales y tendremos oportunidad de obtener las variaciones del coeficiente total de transferencia de calor en relación con las variables que deseamos estudiar. Para calcular los coeficientes individuales nos ayudamos de los siguientes módulos adimensionales: Cuando el fluido circula por el interior del tubo en régimen turbulento:

N Nu

hD 0.8 1/ 3       i i  0.027 N Re N Pr k   w

0.14

Cuando el fluido circula por la zona anular del tubo en régimen turbulento:

N Nu

hD 0.8 1/ 3       i e  0.027 N Re N Pr k  w 

Coeficiente global de diseño 1 1   Rdi  Rdo UD U0

0.14

Q Caliente ti

Frio tf

Q=

t i −t f R

Donde la resistencia R es: R=

1 ∆t 1 + + hi∗A i K A lm h0∗A 0

Pero como la conductividad térmica del metal es alta, entonces: R=

1 1 + hi∗A i h0∗A 0

Fluido caliente (interior del tubo) n Nu i=0.023 NRe 0.5 i Pr i

, donde, n=0.3 (fluido se está enfriando)

Y también: NR ei=

v i D i ρc μc

, donde:

v i = velocidad del flujo caliente. Di = diámetro para ½ pulg de Cu tipo L. ρc = densidad del flujo caliente. μc = viscosidad dinámica del flujo caliente. Pr=

C p c μc Kc

, donde:

C pc = capacidad calorífica a presión constante del flujo caliente. K c = conductividad térmica del flujo caliente. Nu=

Por otro lado:

hi D c Kc

Flujo frio (por la coraza) NR ef =

v f D n ρf μf

, donde:

v f = velocidad del flujo frio Dn = diámetro hidráulico. ρf = densidad del flujo frio. μf = viscosidad dinámica del flujo frio. P rf =

C pf μf Kf

, donde:

C pf = capacidad calorífica a presión constante del flujo frio. K f = conductividad térmica del flujo frio. Por otro lado:

V.

Nu=

h0 D n Kf

DESCRIPCION DEL MODULO o 1 intercambiador de calor en contracorriente de tipo tubo doble de cobre L de ½” y ¾” dispuestos en forma de U con una longitud de 10 pies. o 1 calentador de agua con calefacción eléctrica triple o 2 rotámetros R8M-25-2

o 1 bomba de agua de ½ HP monofásico centrífuga o 4 termómetros

VI.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

o Llenar el tanque de calentamiento hasta un nivel mayor de la posición de la calefacción eléctrica. o Conectar los interruptores de la calefacción eléctrica (aproximadamente 1 hora antes de la ejecución de la práctica). o Las válvulas 2, 5, 6 y 8 deben estar cerradas, las demás abiertas. o Arrancar la bomba, dar paso a los dos fluidos mediante las válvulas 2 y 6 o Establecer las condiciones indicadas en la tabla de datos medidos o Esperar unos minutos para hacer la medición de la temperatura o Se toman los datos experimentales de 4 temperaturas y dos caudales cumpliendo con las mediciones solicitadas

VII. RESULTADOS Tabla Nº 1. Datos experimentales LR

T1, entrada frio

T2,salida frio

t1 ,entrada caliente

t2,salida caliente

60

24

40

44

32

90

25

41

45.5

33

120

25

41.5

47

33

150

25

41.5

46.5

32

180

25

41.5

46

32

Tabla

Nº

2.

Cálculo

de

temperaturas

promedio

(datos

experimentales) LR

Temp. Prom. Frio(°C)

Temp. Prom. caliente(°C)

60

32

36.5

90

33

38.5

120

33.25

39.75

150

33.25

39.5

180

33.25

39.25

A partir de la ecuación del rotámetro de la primera práctica de laboratorio calculamos el caudal y la velocidad LR=3.0047 v+ 51.992

Tabla Nº 3. Datos teóricos del agua para el enfriamiento. Tprom(°C)

ρ H 2 O (Kg/

μH 2 O (Kg/

Cp(J/Kg.K)

K(W/mK)

m3)

m.s)

32

995.09

0.000765

4178

0.628

33

994.76

0.000749

4178

0.628

33.25

994.76

0.000749

4178

0.628

33.25

994.76

0.000749

4178

0.628

33.25

994.76

0.000749

4178

0.628

Tabla Nº 4. Datos teóricos del agua para el calentamiento. Tprom(°C) 36.5

ρ H 2 O (Kg/

μH 2 O (Kg/

m3)

m.s)

993.23

0.000705

Cp(J/Kg.K)

K(W/mK)

4178

0.628

38.5

993

0.000678

4178

0.628

39.75

989.5

0.000666

4179

0.628

39.5

992.63

0.000666

4179

0.628

LR 39.25

60

992.63 Q(m3/s) enfriamient o

0.00023

0.000666 Q(m3/s) 4179 V(m/s) enfriamient calentamien o to

0.744

0.628 V(m/s) calentamien to

0.00023

1.542

90

0.00032

1.032

0.00032

2.140

120

0.00041

1.321

0.00041

2.738

150

0.00050

1.009

0.00050

3.337

180

0.00059

1.848

0.00059

3.935

Tabla Nº 5. Velocidad y caudal para enfriamiento y calentamiento

Tabla Nº 6. Numero de Reynolds y numero de Pran para enfriamiento y calentamiento.

LR

NRe enfriamiento

NPr enfriamiento

NRe enfriamiento

NPr enfriamiento

60

3.937

5.0894

30098.109

4.69

90

5580.909

4.983

43410.434

4.51

120

7141.22

4.983

56348.688

4.431

150

8701.54

4.983

68877.724

4.432

180

10261.85

4.983

81228.518

4.432

Tabla Nº 7. Hi y h0 LR 60

H0(w/m2K) 5104.27

Hi(W/m2K) 8693.29

90

6704.09

11472.14

120

8165.72

14035.10

150

9564.29

16480.54

180

10913.32

18805.08

Tabla Nº 8. Coeficiente global de transferencia de calor. LR

U

60

551.81

90

575.50

120

584.97

150

600.05

180

610.31

Tabla Nº 9. Log de v y hi, v y h0 LR

Log (v)i

Log (hi)

Log (v)0

Log (h0)

60

0.188

3.939

-0.1285

3.7079

90

0.330

4.060

0.0139

3.8263

120

0.437

4.147

0.1209

3.9120

150

0.523

4.217

0.2068

3.9807

180

0.595

4.274

0.2784

4.380

Aplicamos la ecuación h= avu , tanto como para hi y para ho y obtenemos la graficas siguientes

grafi ca log v VS log h0 4.6

4.38

4.4 4.2

f(x) = 1.41x + 3.82 R² = 0.78 4 3.83 3.71 3.8

LOG H0

3.98

3.91

Lineal(Log10(h0))

3.6 3.4 -0 . 1 5

-0 . 1

-0 . 0 5

3.2

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

lOG V0

log(hi) VS log(vi) 4.4 4.3 4.2 4.1

log(hi)

4

f(x) = 0.82x + 3.79 4.15 R² = 1 4.06

4.22

4.27

ln(hi)

3.94

Linear (ln(hi))

3.9 3.8 3.7 0.1

0.2

0.3

0.4

log(vi)

0.5

0.6

0.7

hi(W/m2K) VS v(m/s) 20000 f(x) = 4217.26x + 2348.69 R² = 1

15000

hi(W/m2K)

10000

hi(W/m2K Linear (hi(W/m2K)

5000 0

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

v(m/s)

h0 vs v 12000 10000 8000

h0

f(x) = 5196.73x + 1278.46 R² = 1 h0

6000

Linear (h0)

4000 2000 0 0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

v(m/s) enfriamiento

VIII. Recomendaciones  Al comenza el laboratorio tuvimos que subir por una silla para poder observar las medidas del intercambiador.  El error al cual estamos promedio es de 0.0001 lo cual indica que nuestros cálculos han sido satisfactorios

IX. CONCLUSIONES  Teniendo en cuanta el tubo de Cu tipo L del intercambiador el valor verdadero es 2.100 mm según tabla 5 – Fractional copper tubing.

X.

BIBLIOGRAFIA  http://webs.uvigo.es/prosepav/practicas/p6_intercambdecalor.pdf  http://www.slideshare.net/andresitoito/intercambiadores-de-calor13031365  Cengel, Yunus A. and Turner, Robert. Fundamentals of Thermal Fluid Sciences. McGraw Hill. 2001. Pág. 229 – 233.