intercambiador de doble tubo

RESUMEN

Se realiz esta experiencia con el fin de conocer detalladamente el funcionamiento de un intercambiador de calor de doble tubo, el ms sencillo en la clasificacin de los intercambiadores de calor. Como primera medida se esper a que el banco estuviese calibrado, es decir, que el termmetro elctrico se estableciera. Segundo, se inici a abrir la llave de agua fra en el primer tramo y luego se le dieron dos vueltas a la llave del vapor. Despus de esperar unos segundos para su estabilidad, se tomaron las temperaturas respectivas en la entrada y salida de cada tubo. Este proceso se repiti en los siguientes arreglos, teniendo en cuenta que se aplic para flujos en paralelo y en contra corriente. Con los datos obtenidos, se procedi a la elaboracin del presente informe.

INTRODUCCIN

En la actualidad es importante la refrigeracin de los alimentos, el confort que se tiene en un espacio de trabajo o estudio, el de realizar procesos de generacin de energa y el procesamiento de qumicos. Por lo cual, el ingeniero debe ser capaz de disear una herramienta til que permita desarrollar lo antes mencionado, y esta herramienta son los intercambiadores de calor.

Un intercambiador de calor es un dispositivo que cambia calor entre fluidos de diferentes temperaturas que estn separados por una pared o en contacto entre ellos. El gradiente de temperatura entre los fluidos facilita la transferencia de calor. La transferencia es posible porque ocurren tres principios: radiacin, conduccin y la conveccin. Sin embargo, la radiacin no desempea un papel importante; la conduccin se produce a partir del paso de un fluido con temperatura muy elevada a travs de una pared slida; y la conveccin es el paso del calor de la superficie a un medio externo. Por lo cual, a partir de estos principios y el contacto que se producen entre los fluidos, la clasificacin ms general que puede realizarse de los cambiadores de calor, se efecta atendiendo al grado de contacto entre los fluidos. Segn este criterio, los cambiadores de calor se dividen en dos grandes grupos: Intercambiadores de contacto directo e Intercambiadores 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 ms simples de intercambiadores de calor y es llamado as porque circula un fluido dentro de un tubo y el otro fluido circula entre el tubo y otro tubo que rodea al primero. Los tubos son concntricos. 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 travs del tubo interior, transfiriendo su calor al agua refrigerante que fluye en el tubo exterior. El sistema se encuentra en estado estable hasta que las condiciones cambian. Por lo cual, comprobar cmo sufren estos cambios es el objetivo de esta experiencia.

OBJETIVOS

Calcular el balance de energa para el intercambiador de doble tubo. Calcular la media logartmica de la diferencia de temperatura. Calcular el coeficiente total de transferencia de calor. Determinar los coeficientes individuales de transferencia de calor

MARCO TERICO

El intercambiador de calor de doble tubo es el tipo ms sencillo de intercambiador de calor. Est constituido por dos tubos concntricos de dimetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor dimetro 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 direccin del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuracin en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuracin 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 fro 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 fro puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso lmite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido fro es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido fro nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente. En la figura siguiente se muestran esquemas de las dos configuraciones as como la evolucin de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas:

Figura 1. Configuraciones del fluido

Por 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, Te, hasta uno de salida, Ts, mientras que el fluido fro lo hace por el segundo tubo, bien en el mismo sentido (corriente directa), bien en sentido contrario (contracorriente), desde un valor de entrada, te, hasta otro de salida, Ts.

Una parte esencial, y a menudo la ms incierta, en el anlisis de intercambiadores de calor es la determinacin del coeficiente total de transferencia de calor. Este coeficiente es determinado al tener en cuenta las resistencias trmicas de conduccin y conveccin entre fluidos separados por una pared plana compuesta y paredes cilndricas, respectivamente. Es sin embargo reconocer que tales resultados nicamente aplican a superficies limpias y sin aletas.

Durante una operacin normal de un intercambiador de calor, las superficies frecuentemente estn sujetas a impurezas de los fluidos, formacin de oxido y otras reacciones entre el fluido y la pared del tubo. La subsecuente deposicin de una pelcula 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 Rf. al incluir el factor de falla y los efectos de las aletas, el coeficiente total de transferencia de calor se puede expresar como:

Donde c y h se refieren a los fluidos caliente y frio respectivamente.Para disear o predecir el desempeo 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 energa en el fluido caliente y en el frio, se suponen despreciables la transferencia de calor entre el intercambiador y sus alrededores y la energa cintica y potencial. Al aplicar el balance de energa se obtiene:

Si se desea determinar una relacin de la razn de transferencia de calor q con la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frio, se obtendra una ecuacin de la forma:

En donde es la diferencia de temperatura entre los fluidos, pero ya que este valor vara con la posicin en el intercambiador, es necesario trabajar con un valor de diferencia de temperatura significativo.

Al analizar un segmento diferencial en el intercambiador de calor, se puede demostrar que el valor apropiado seria

En donde para el flujo paralelo

Y para contra flujo

EQUIPO E INSTRUMENTACIN

Intercambiador de doble tubo conformado por cinco tubos de cobre y el sexto es de cobre corrugado, enfriado por aire, todos sin aislar. Con este intercambiador se pueden experimentar 6 casos diferentes de transferencia de calor donde se puede variar el rgimen del tubo respecto a la tubera donde pasan los fluidos:

Tubo 1 y 2: Intercambiador de calor estndar horizontal Tubo 3: Tubo interno de acero Tubo 4: Alta turbulencia; flujo cruzado y paralelo Tubo 5: Flujo cruzado, laminar y turbulento. Tubo 6: Provee enfriamiento por conveccin libre con aire; flujo tipo remolino y pulsaciones dentro del tubo.

Termocuplas. Cubetas y probetas graduadas. Cronmetro. Fluido caliente: Vapor de agua tomado de la caldera (o agua caliente). Fluido fro: Agua a temperatura ambiente tomada de la torre de enfriamiento.

PROCEDIMIENTO

Antes de pasar vapor por el lado del tubo, previamente pasa el agua fra por el lado de la carcasa, e igualmente se cierra el paso del agua caliente (V0 V1 V2 W00). Abrir la vlvula de entrada a la trampa D3, D7 y la vlvula del tubo refrigerante W1 que permite el paso del agua fra. Las vlvulas D4, D5, D6 y V0 deben estar bien cerradas. Abrir las vlvulas V3, V4, V5, V6, V7 y V8 dejando correr el vapor por los tubos. Abrir la vlvula V00 que permite el paso del vapor desde la tubera principal. Cuando todo el condensado de los tubos haya sido eliminado se cierran las vlvulas V3, V4, V5, V6, V7 y V8 mientras permanece abierta la vlvula V00 dejando para luego cerrarse y evitar el paso del vapor. El recorrido del vapor desde sus pasos por la vlvula V3 hasta la trampa de vapor debe observarse cuidadosamente. La vlvula direccional N2 se opera efectivamente para que el agua pase por el rotmetro y el vapor por el drenaje D1, es decir por la trampa de vapor. Se instala la termocupla y se procede a la lectura de las temperaturas.

Nota: Para toma de flujos de condensado abrir la vlvula D6 y cierra la vlvula D7.RESULTADOS EXPERIMENTALES

Para la toma de los datos, se sigui el siguiente esquema:TUBERAARREGLO

A4 Y 11

B9 Y 10

C7 Y 8

D5 Y 6

E3 Y 4

F1 Y 2

Tabla 1. Denominacin de los arreglos de tuberas.

T.AT.BT.CT.DT.E

T ENTRADA AGUA FRIA-1111

T SALIDA AGUA FRIA-6666

T ENTRADA VAPOR-9753

T SALIDA DEL TUBO-10864

T SALIDA DEL TUBO A-11111111

Tabla 2. Designacin de entrada y salida de los arreglos.

Por lo tanto, los datos obtenidos fueron los siguientes (C.CO es contra corriente):

TUBO B

ARREGLOT.1(C)T.6(C)FLUJO AGUA FRA(gpm)T.9T.10T.11VOLUMEN CONDENSADO(ml)TIEMPO(s)CAUDAL (ml/s)

PARALELO33390,59864398020,63,88349515

C.CO43340,59860358020,83,84615385

Tabla 3. Datos obtenidos Tubo B.

TUBO C

ARREGLOT.1 (C)T.6 (C)FLUJO AGUA FRA (gpm)T.7T.8T.11VOLUMEN CONDENSADO (ml)TIEMPO (s)CAUDAL (ml/s)

PARALELO34390,59777406020,42,94117647

C.CO42340,591874410020,44,90196078

Tabla 4. Datos obtenidos Tubo C.

TUBO D


PARALELO34400,596974010020,094,9776008

C.CO42340,59355448020,293,94282898

Tabla 5. Datos obtenidos Tubo D.

TUBO E


PARALELO35410,59795403020,41,47058824

C.CO42340,59347408020,83,84615385

Tabla 6. Datos obtenidos Tubo E.

CLCULOS Y RESULTADOSA continuacin se presentan los clculos pertinentes a partir de los resultados experimentales obtenidos, que indican las condiciones de operacin de los intercambiadores ensayados. Para realizar los clculos el intercambiador de calor se estima como adiabtico, y por lo tanto, las prdidas al exterior son despreciables. Los clculos se centran en:

Balance de calor. Comparacin de los flujos de vapor y agua en el intercambiador, con los idealmente necesarios para una misma carga de calor. Diferencia media logartmica de temperaturas. MLDT. Coeficientes individuales de transferencia de calor. Coeficiente global de transferencia de calor, U. Se obtendrn los coeficientes U para los ocho intercambiadores ensayados.

Para poder realizar los clculos, se implementaron los siguientes datos:

D ext tubo (m)0,009525

D int tubo (m)0,0070358

D ext anulo (m)0,0254

D int anulo (m)0,02206779

Longitud (m)3,7

Tabla 7. Datos suministrados.

TUBO B

ARREGLOPARALELOCONTRA. CORR

PRESIN ENTRADA DEL VAPOR. (PSI)1515

T.1 (C)3343

T.6 (C)3934

FLUJO AGUA FRA (gpm)0,50,5

CAUDAL AGUA (m/s)0,0000315450,000031545

T.99898

T.106460

T.114035

VOLUMEN CON (ml)8080

TIEMPO (s)20,620,8

CAUDAL CONDENSADO. (ml/s)3,883495153,846153846

CAUDAL CONDENSADO. (m/s)3,8835*10-063,84615*10-06

(Kg/m)993,62992,1

Cp (KJ/ Kg K)4,17824,1787

Q agua (KW)0,785762561,176981628

MLDT15,331591413,47529579

U0,462900350,788886994

h agua (KW/m2k)1,18283321,1811651

h vapor (KW/m2k)0,16565260,2284357

Tabla 8. Resultados obtenidos Tubo B.

TUBO C



T.1 (C)3442

T.6 (C)3934


CAUDAL AGUA (m/s)0,0000315450,000031545

T.79791

T.87787

T.114044

VOLUMEN CON (ml)60100

TIEMPO (s)20,420,4



(Kg/m)993,43992,86

Cp (KJ/ Kg K)4,17834,1786

Q agua (KW)0,65469261,0469823

MLDT14,96451524,540106

U0,39514660,385342

h agua (KW/m2k)1,18263531,1820416

h vapor (KW/m2k)0,14044220,2723807

Tabla 9. Resultados obtenidos Tubo C.

TUBO D



T.1 (C)3442

T.6 (C)3934


CAUDAL AGUA (m/s)0,0000315450,000031545

T.59693

T.69755

T.114044

VOLUMEN CONDENSADO. (ml)10080

TIEMPO (s)20,0920,29



(Kg/m)993,43992,86

Cp (KJ/ Kg K)4,17834,1786

Q agua (KW)0,65469261,0469823

MLDT14,78023125,165099

U0,40007333,757717

h agua (KW/m2k)1,18263531,1820416

h vapor (KW/m2k)0,14295010,2612632

Tabla 10. Resultados obtenidos Tubo D.

TUBO E



T.1 (C)3542

T.6 (C)4034


CAUDAL AGUA (m/s)0,0000315450,000031545

T.39793

T.49547

T.114140

VOLUMEN CONDENSADO. (ml)3080

TIEMPO (s)20,420,8



(Kg/m)993,05992,86

Cp (KJ/ Kg K)4,17854,1786

Q agua (KW)0,65447351,0469823

MLDT14,78023121,027387

U0,39993950,4497151

h agua (KW/m2k)1,18223951,1820416

h vapor (KW/m2k)0,142920220,2415452

Tabla 11. Resultados obtenidos Tubo E.

Los flujos msicos fueron:TUBO B

ARREGLOT.9T.11Cp (KJ/ Kg K)Q agua (KW)FLUJO DE VAPOR (kg/s)

PARALELO98404,17820,785762560,00324246

CONTRA. CORR98354,17871,176981630,00447083

TUBO C


PARALELO97404,17830,654692590,00274893

CONTRA. CORR91444,17861,046982280,00533102

TUBO D


PARALELO96404,17830,654692590,00279801

CONTRA. CORR93444,17861,046982280,00511343

TUBO E


PARALELO97414,17850,654473490,00279694

CONTRA. CORR93404,17861,046982280,00472751

Tabla 12. Resultados obtenidos para flujos msicos del agua.

TUBO B

ARREGLOT.1T.6Cp (KJ/ Kg K)Q agua (KW)FLUJO DE AGUA (kg/s)

PARALELO33394,17820,785762560,03134374

CONTRA. CORR43344,17871,176981630,03129579

TUBO C


PARALELO34394,17830,654692590,03133775

CONTRA. CORR42344,17861,046982280,03131977

TUBO D


PARALELO34394,17830,654692590,03133775

CONTRA. CORR42344,17861,046982280,03131977

TUBO E


PARALELO35404,17850,654473490,03132576

CONTRA. CORR42344,17861,046982280,03131977

Tabla 13. Resultados obtenidos para flujos msicos de vapor.

Los resultados obtenidos se realizaron en una hoja de Excel, y a partir de las siguientes ecuaciones propias de los intercambiadores de calor:INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBOLaboratorio de Transferencia de Calor15

CONCLUSIONES

La primera conclusin que se observ fue que el flujo de calor fue mayor en todos los tramos evaluados cuando su configuracin fue de contra corriente, debido a que las tomas de las temperaturas fueron mayores la del fluido caliente con respecto al fluido fro, comprobando que el diagrama se cumple a cabalidad.

La MLDT se observ un notable cambio respecto a la configuracin de los fluidos, en el primer arreglo de tubos, que denominamos Tubo B, la MLDT fue mayor en el paralelo con respecto al contracorriente, pero en los siguientes arreglos de tubos se invirti la situacin, debido a que hubo una amplitud de diferencias de temperaturas.

El caso que se present con el MLDT ocurri con los coeficientes globales de transferencia de calor. Se le atribuye a que los coeficientes globales dependen del MLDT para su clculo, por lo cual afect en los resultados. Se cre un efecto en cadena. Lo cual tambin afect a los coeficientes de transmisin de calor individual.

Debido a que en la toma del caudal de condensado fue menor en una dcima con respecto al volumen de agua suministrado, el flujo msico del vapor fue menor calculado con respecto a las diferencias de temperaturas y el rea.

Se recomienda que se arregle o al menos se estabilice el banco, puesto que dificulta en la toma de datos.

BIBLIOGRAFA

FUNDAMENTALS OF HEAT TRANSFER, Frank P. Incropera, David P. DeWitt, 4ta edision, Jhon Wiley & Sons, 1996YUNUS CENGEL, Transferencia de Calor y Masa. Mxico, McGraw-Hill. 2006. Tercera Edicin.

Karlekar, B.V. y Desmond, R.M., Transferencia de Calor, 2. Edicion, McGraw Hill, Mxico, 1994.

intercambiador de doble tubo

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