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• Jhon Choquehuanca Benegas

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Máquinas Térmicas Laboratorio N°8

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS Integrantes:

Especialidad: Mantenimiento de Maquinaria de Planta Arequipa-Perú 2013

ATS DEL LABORATORIO Objetivos del ATS:  Evitar riesgos en la ejecución del laboratorio  Preparar un análisis de trabajo seguro  Identificar situaciones de peligro y aplicar las medidas de control correspondientes Partes:  Pasos básicos  Peligros potenciales (riesgo)  Medidas de control

Intercambiador de calor de tubos concéntricos ATS del laboratorio N° 2: Dilatación de tuberías Pasos básicos del Daño (riesgo) presente Control del riesgo trabajo realizado en cada paso Calentamiento de Quemaduras en las manos Utilizar guantes para la tuberías y brazos. manipulación de las válvulas y llaves que se encuentren en contacto con el vapor Expulsión de vapor Quemaduras en las Utilizar guantes, lentes, manos, daño a los ojos, orejeras mantenerse sordera. alejados del extremo de la tuberías que se encuentra con salida libre de vapor Ajuste de pernos para la Pequeñas lesiones. Utilizar guantes fijación de termómetros Toma de Datos Imprecisión, malos Utilizar implementos resultados exactos y aparatos de medición.

1. OBJETIVOS DEL LABORATORIO  Evaluar el LMTD para una disposición en paralelo y en contracorriente.  Determinar el coeficiente global de transferencia de calor.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO CALCULO DE LMTD Diferencia de temperaturas (∆t) En los intercambiadores la diferencia de las temperaturas existentes entre los dos fluidos permite que una de ellos se haya calentado, al mismo tiempo que el otro se vaya enfriando. Esta variación de la temperatura dependerá del tipo de disposición de flujo. Disposición de flujo paralelo

Intercambiador de calor de tubos concéntricos

∆ t 0=T 1−t 1

∆ t L =T 2−t 2

Como se observa en el tráfico de variación de la temperatura, esta diferencia es variable a lo largo del intercambiador; y por lo tanto es necesario escoger una diferencia media de temperatura, a esta la llamamos “LMTD”, su valor viene dado por:

LMTD=

∆ t 0−∆ t L ln

∆ t0 ∆ tL

( )

Intercambiador de calor de tubos concéntricos Disposición de flujo encontrado

∆ t 0=T 2−t 1 ∆ t L =T 1−t 2

LMTD=

∆ t L −∆t 0 ln

Para ambas disposiciones de flujo:

∆ tL ∆ to

( )

Intercambiador de calor de tubos concéntricos

T 1 =temperatura de entrada del fluido caliente . T 2 =temperatura de salida del fluido caliente . t 1 =temperatura de entrada de fluido frio . t 2 =temperatura de salida de fluido frio .

∆ t 0=diferencia de temperaturas entre el fluido caliente y frio al comienzo delintercambiador . ∆ t L =diferencia de temperaturas entre el fluido caliente y frio al final del intercambiador .

CALCULO DEL CALOR INTERCAMBIADO Calor intercambiado Asumiendo que no hay pérdidas al exterior: El calor ganado por el agua se halla por:

´ agua∗cpagua∗(∆ t) Q agua =m Aquí el

cp agua

es igual ha

4.2 kJ /kg ° C , t es la temperatura de salida del agua en 2

disposición de flujo encontrado, t1 es la temperatura de ingreso del agua en disposición de flujo encontrado y magua es el flujo másico del agua y este se halla:

´ agua= m

V agua∗ρ agua tiempo

Donde:

V agua : Es el volumen del agua medido en el medidor . ρagua : Es la densidad a latemperatura de ingreso t 1. tiempo: Es la dur acionde la esperienciaen segundos

CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR El calor intercambiado referido al área externa del tubo interior (q2)

Intercambiador de calor de tubos concéntricos

q 2=K 2∗∆ t

( mw ) 2

K 2=

KL D2

K L=

1 1 = Req R1 + R2 + R3

Donde:

R1 : Es la diferencia termica por conveccionlado del vapor . R2 : Es la resistenciatermica por conduccion en el tubointerno . R3 : Es la resistencia termica por conveccion ladodel agua . K L : Es elcoeficiente lineal de transferenciade calor . K 2 : Es elcoeficiente global de tran sferencia de calor referido al area esterna del tubo interior . El calor transferido del vapor al agua será:

Qagua =K 2∗∆T Qagua =A 2 ¿ K 2∗∆ T El área externa del tubo interior es

A 2=π∗D2∗L ( m2 ) Para el intercambiador L = 3 m y D2 = 33.4 mm El coeficiente global de transferencia de calor referida al área externa del tubo interior será:

K 2=

Q agua A 2∗∆ T

El ∆T es igual al LMTD para flujo encontrado 3. MATERIAL Y EQUIPOS A UTILIZAR

   

Intercambiador de calor de tubos concéntricos Modulo de intercambiador de calor de tubos concéntricos. Medidor de agua. Termómetros. Cronometro.

4. PROCEDIMIENTO  Encienda el caldero.  Calibre el presostato de tal manera que el caldero pare en 25 PSI y arranque en 17 PSI.  Abra o cierre las válvulas de agua para que la disposición sea de flujo paralelo.  Abra parcialmente la válvula de vapor de ingreso al intercambiador.  Espere que se estabilice las temperaturas de los fluidos de ingreso y salida, luego de esto tome lectura de las temperaturas t1, t2, T1, T2 y calcule el LMTD para la disposición en paralelo.  Abra o cierre las válvulas de agua para que la disposición sea en contraflujo.  Espera a que se estabilice las temperaturas de los fluidos de ingreso y salida, luego de esto tome lectura de las temperaturas t 1, t2, T1, T2 y calcule el LMTD para la disposición en contraflujo. Realice los cálculos respectivos Teniendo en cuenta que el flujo de agua hallado es 0.55 L/s Paralelo

T 1 :113 ° C

∆ t 0=T 1−t 1 ∆ t 0=113−16=97 ° C

T 2 :76 °C

∆ t L =T 2−t 2

t 1 :16 ° C

∆ t L =76−22=54 ° C

t 2 :22° C

Hallamos el LMTD

LMTD=

∆ t L −∆t 0 ln

∆ tL ∆ to

( )

Intercambiador de calor de tubos concéntricos

LMTD=

54−97 =73.41 ° C 54 ln 97

( )

Hallando el flujo másico de agua

´ agua= m

V agua∗ρ agua tiempo

m ´ agua=

0.007∗1000 10 m ´ agua=0.7

Hallamos el flujo de calor

Qagua =m ´ agua∗cpagua∗( t 2−t 1 ) Qagua =0.7∗4200∗( 22−16 ) Qagua =17.640 kW

Ahora hallamos el coeficiente global de trasferencia de calor

K 2=

K 2=

Q agua ∆ T∗A2

17640 W 73.41° C∗π∗0.0334∗3 m K 2=763.35 W /m2 ° C

Contraflujo

T 1 :114 ° C

T 2 :74 ° C

Intercambiador de calor de tubos concéntricos

t 1 :14 ° C

∆ t 0=74−14=60 ° C

t 2 :25 ° C

∆ t L =T 1−t 2 ∆ t 0=T 2−t 1

∆ t L =114−25=89 ° C

Hallamos el LMTD

LMTD=

∆ t L −∆t 0 ln

LMTD=

∆ tL ∆ to

( )

89−60 =73.54 ° C 89 ln 60

( )

Hallando el flujo másico de agua

´ agua= m

V agua∗ρ agua tiempo

m ´ agua=

0.007∗1000 10 m ´ agua=0.7

Hallamos el flujo de Calor

Qagua =m ´ agua∗cpagua∗( t 2−t 1 ) Qagua =0.7∗4.2∗( 25−14 ) Qagua =32.34 kW Ahora hallamos el coeficiente global de trasferencia de calor

K 2=

K 2=

Qagua ∆ T∗A2

32340 W 73.54 ° C∗π∗0.0334 m∗3 m

2

K 2=1397 W /m ° C

CUESTIONARIO 

¿En que tipo de flujo el ∆T en el flujo a calentar es de mayor magnitud? La mayor magnitud de diferencia de temperaturas se produce cuando se trabaja con contraflujo, esto queda expresado en que se obtiene un mayor LMTD y un mayor flujo calorífico en el intercambiador de tubos concéntricos.



¿De que depende el coeficiente de transferencia global de calor? El coeficiente global depende de tantas variables como sea preciso descomponerlo en sus partes. Consideremos el coeficiente global local para un punto específico de un intercambiador de doble tubo como el realizado en laboratorio. Uno de los puntos importantes es la velocidad a la que se traslada el flujo.



¿Cómo se evaluá la diferencia de temperatura para otro tipo de disposiciones por ejemplo tubo y coraza?

De una forma similar a la que utilizamos ahora, teniendo en cuenta los flujos de entrada y de salida de los fluidos fríos y calientes. Haga un croquis de la instalación empleada.

Vista de Sección del Intercambiador

5. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES  La disposición de la dirección del flujo en un intercambiador hará que exista una diferencia de temperaturas en el flujo.

     

No existía un grade de precisión perfecto en los termómetros de la entrada y salida de fluido. Se trabajo a una presión máximo de 25 PSI y una mínima de 17 PSI. El modulo de trabajo esta normalizado según colores de tubería para los fluidos que pasan por ellas. En la configuración en paralelo la temperatura de los fluidos se aproximan la una a la otra, el fluido de menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente. En una configuración en contraflujo se tiene más eficiencia que el de configuración en paralelo ya que puede representar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente. La velocidad y turbulencia del líquido del lado de la carcasa son tan importantes como las del líquido del lado de los tubos.

6. ANEXOS APLICACIONES Precalentador En sistemas de vapor de gran escala, o en sistemas donde se requieren grandes temperaturas, el fluido de entrada es comúnmente precalentado en etapas, en lugar de tratar de calentar dicho fluido en una sola etapa desde el ambiente hasta la temperatura final. El precalentamiento en etapas incrementa la eficiencia de la planta y minimiza el choque térmico de los componentes, que es el caso de inyectar fluido a temperatura ambiente en una caldera u otro dispositivo operando a alta temperatura. En el caso de sistemas de generación de vapor, una porción del vapor generado es sustraído y utilizado como fuente de calor para recalentar el agua de alimentación en etapas. Al entrar el vapor al intercambiador de calor y fluir alrededor de los tubos, éste transfiere su energía térmica y se condensa. Radiador Comúnmente, los intercambiadores de calor están pensados como dispositivos líquido-a-líquido solamente. Pero un intercambiador de calor es cualquier dispositivo que transfiere calor a partir de un fluido a otro fluido. Algunas plantas dependen de intercambiadores de calor aire/liquido. El ejemplo más familiar de un intercambiador de calor aire-líquido es un radiador de automóvil. El líquido refrigerante fluye por el motor y toma el calor expelido y lo lleva hasta el radiador. El líquido refrigerante fluye entonces por tubos que utilizan aire fresco del ambiente para reducir la temperatura del líquido refrigerante. Ya que el aire es un mal conductor del calor, el área de contacto térmico entre el metal del radiador y el aire se debe maximizar. Esto se hace usando aletas en el exterior de los tubos. Las aletas mejoran la eficacia de un intercambiador de calor y se encuentran comúnmente en la mayoría de los intercambiadores de calor del aire/líquido y en algunos intercambiadores de calor líquido/líquido de alta eficacia. Aire acondicionado, evaporador y condensador Todos los sistemas de aire acondicionado contienen por lo menos dos intercambiadores de calor, generalmente llamados evaporador y condensador. En cualquier caso, el evaporador o el condensador, el refrigerante fluye en el intercambiador de calor y transfiere el calor, ya sea ganándolo o expeliendolo al medio frío. Comúnmente, el medio frío es aire o agua.

En el caso del condensador, el gas refrigerante caliente de alta presión se debe condensar a en un líquido subefriado. El condensador logra esto enfriando el gas al transferir su calor al aire o al agua. El gas enfriado es entonces condensado en líquido. En el evaporador, el refrigerante subenfriado fluye en el intercambiador de calor, y el flujo del calor se invierte, con el refrigerante relativamente frío se absorbe calor absorbido del aire más caliente que fluye por el exterior de los tubos. Esto enfría el aire y hace hervir al refrigerante. Condensadores de vapor El condensador del vapor, mostrado en la figura (18), es un componente importante del ciclo del vapor en instalaciones de generación de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para ceder su calor latente de la vaporización. Es un componente necesario del ciclo del vapor por dos razones. La primera, convierte el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua de alimentación. Esto baja el costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentación, y resulta más fácil bombear un líquido que el vapor. La segunda razón, aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que el ciclo funcione opere con los gradientes más grandes posibles de temperatura y presión entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de calor (condensador). Condensando el vapor del extractor de la turbina, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina, por conversión de poder mecánico. Ya que ocurre condensación, el calor latente de condensación se usa en lugar del calor latente de vaporización. El calor latente del vapor de la condensación se pasa al agua que atraviesa los tubos del condensador. Después de que el vapor condensa, el líquido saturado continúa transfiriendo calor al agua que se enfría al ir bajando hasta el fondo del condensador. Algunos grados de subenfríado previenen la cavitación de la bomba Este diseño de condensador proporciona agua fría que pasa por a través de los tubos rectos de una cavidad llena de agua en un extremo hacia otra cavidad llena de agua en el otro extremo. Ya que el agua fluye una sola vez a través del condensador se le denomina de un solo paso. La separación entre las áreas de las cavidades con agua y el área donde condensa del vapor se hace mediante una tapa donde se colocan los tubos. Los condensadores tienen normalmente una serie de bafles que vuelven a dirigir el vapor para reducir al mínimo el choque directo en los tubos con el agua de enfriamiento. El área inferior del condensador se localiza pozo de condensado (hotwell), como se o en figura (18). Aquí es donde el condensado se recoge mediante una bomba de succión. Si se acumula gases sin condensar en el condensador, el vacío disminuirá y la temperatura de la saturación con la cual el vapor condensar se incrementará. Los gases no condensables también cubren los tubos del condensador, así reduciendo el área superficial para la transferencia térmica del condensador. Esta área superficial puede también ser reducida si el nivel condensado aumenta sobre los tubos inferiores del condensador. Una reducción en la superficie en el intercambio térmico tiene el mismo efecto que una reducción en flujo del agua de enfriamiento. Si el condensador está funcionando muy cerca de su capacidad de diseño, una reducción en el área superficial efectiva resulta en la dificultad de mantener el vacío del condensador. La temperatura y el caudal del agua de enfriamiento que pasa por el condensador controlan la temperatura del condensado. Esto alternadamente controla la presión de la saturación (vacío) del condensador.