INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR PRÁCTICA: “INTERCAMBIADOR DE CALOR DEL TIPO TUBO SERPENTIN”
PROF: JOSÉ OSCAR GERMÁN IBARRA
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INTEGRANTES: GARCIA ESPINOZA ARIANA GONZÁLEZ ROMERO MARÍA JOSÉ LLANOS GUERRERO AXEL ANTONIO RODRIGUEZ SOLIS JAIR IVAN --------- EMMANUEL
GRUPO: 2IM87
EQUIPO: 6
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE SERPENTIN S !"#$%"& '()"*+" # '()"*%"& & ," *,# ! .#($& .(/,"*$"* ')%(&01 ,*%0%&!# /#$3"$"* )&(& ".(%&( 4&)#(' )(#4"%"*' ! 0& !'*%0&/%5" " ," /&0!(+" &'+ /#"!"'&(0#' " .#($& 0+,%!& E'* &)&(& &)&(&*# *# ' ,*%0 ,*%0% %& & ! !%4 !%4('& ('&'' .#($& .#($&'' )(# )(# $9 $9'' /# /#$3 $3"$ "$" "* * " 0 0&#(&*#(%# ! ,+$%/& L#' ' '() ()" "*% *%" "'' ' ,'&" ,'&" !'! !'! 0& &"*% &"*%; ;! !&! &! " 0& !'* !'*%0 %0&/ &/%5 %5" " ! % %!& !&'' &0/# &0/#<50 <50%/ %/&'1 &'1 &," &,", , " 0& &/ &/*, *,&0 &0%! %!&! &! /,&0 /,&0, ,% %(( )(#/ )(#/' '# # ! (="&!# ! /(,!#' , #*"/%5" ! ," )(#!,/*# ,+$%/# ),! ,*%0%&( ," '()"*+"1 %" )&(& ".(%&(1 %" )&(& /&0"*&( 0+,%!#' # &'' L#' /&0"*&!#(' ! &,& )&(& 0 <#&( , .,"/%#"&" /#" &' ,*&"# 004&" ," '()"*+"1 , ' >),'*# & 0&' 00&$&' !"*(# !0 /,&0 /%(/,0& 0 &,& & /&0"*&( T&$%?" ' ,*%0%& ," &)&(&*# $, )&(/%!# )&(& '*(%0%&( 0& 0/<1 0 /,&0 0& '#$* & ," /&$%# (,'/# ! *$ *$)( )(&*,( &*,(& & <&/ &/%%?"!# ?"!#00& )&'& )&'&(( ! ," ' '() () "*+ "*+" /& /&0% 0%" "** & #*( #*(# (.(%(&!# " ," 0&)'# (4 E0 '()"*+" *&$%?" .#($& )&(* ! 0#' ,%)#' ! &%( &/#"!%/%#"&!# @# (.(%(&/%5" E0 '()"*+" ' ," ,%)# %"*(/&$%&!#( ! /&0#( , &0 '*&( " /#"*&/*# /#" 0 &%( ! (*#("# 0 /,&0 (('& /&0%"*1 ".(+& 0 &%( (&/%&' &0 (.(%(&"* & && *$)(&*,(& , /%(/,0& )#( ', %"*(%#(1 0# "4+& ! ",4# $!%&"* 0#' !,/*#' *(&"')#(*&!#(' & 0&' %"'*&0&/%#"' $!%&"* '* )(#/'# 0& *$)(&*,(& !0 &%( )('"* " 0&' %"'*&0&/%#"' ' $&"*%" &# /#"!%/%#"' ! /#".#(*
VENTAJAS
L#' %"*(/&$%&!#(' %"*(/&$%&!#(' ! '()"*+" ' ,'&" " /&'#' " , "# <& *%$)# # !%"(# )&(& &!,%(%( ," ,%)# /#$(/%&01 & , '#" .9/%0' ! /#"'*(,%( " ," *&00( S#" .9/%0$"* ($#4%0' *(&"')#(*&0' ' ,'&" $,/<# )&(& %"'*&0&/%#"' )(#4%'#(%&' E0 ("!%$%"*# !0 %"*(/&$%# ' ,"# '#" .9/%0' ! 0%$)%&( >*(%#($"* L& 0%$)%& %"*(%#( "(&0$"* "# ' )(#0$&1 & , , 0& &)0% &)0%/& /&/% /%5" 5" $9' .(/ .(/, ,"* "* ' )&(& )&(& /& /&0 0"* "*&$ &$% %"* "*#1 #1 "(&0$"* /#" 4&)#(
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DESVENTAJAS
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TIPOS DE SERPENTIN S()"*%"' /#"!"'&!#(': E'*9" )&(& *(&&&( ! &/,(!# & 0&' "/'%!&!' ')/+=/&' ! ', '%'* '%'* $& & '& &%( &/#"!%/%#"&! &/#"!%/%#"&!#1 #1 (.(%(& (.(%(&/%5" /%5" /#"0&/%5 /#"0&/%5" " &3" " /#"!%/%#"' &$%"*&0' &!4('&'
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POR DENTRO
POR FUERA
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN S,0 S,0 ' '(( ! 4%!( 4%!(%# %#11 /# /#( ( , #*(# #*(# $&*( &*(%& %&00 , , /# /#"! "!, ,/& /& 0 /& /&0# 0#(( .9/%0$"*
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• •
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DATOS EXPERIMENTALES. T($#)&( T($#)&( &,& /&0%"*
T($#)&( T($#)&( &,& .(+&
T($#)&( T($#)&( 4&)#( ! &,&
T($#)&( T($#)&(
59 61 61 61 61 62
26 2 2 2 2 2
H HK HK HK HK HK
6H 6 62 62 62 62
R#*9$*( P4 T4 T/ T/ # L@$%" C Kg C
Tc frí o
θ
T aguafria
=!" =C #
=C
2
T($#)&( &,& !0 /#"!"'&!# .(+# 26 26 26 26 26 26
T aguacaliente
=C
∆ z condensado
=!
cm
1$
H
HK
26
26
2
6
H
TABLA DE DATOS ADICIONALES. ρ@ 25°
ρ@ 25°
di
ʎ @ 104° Kcal Kg
¿
=!
% = !
∆
θ=
A m
K @ 82 ° 2
=
ρ@ 61°
L $
μ@ 82°
=
D' $
μ@ 104° C
=
L $
Kcal
Kg hm
2
hm °
99&. &'
6 6
H2 8
6K
H
H6 H H7K 726 6 7
K 104 ° C
$
ρ@ 104° C
= 2
h m ° C
826H
2KK6 −3
10
C)*+,*-: 1. C90/,0# !0 &'*# $&'& ! &,& &,&
Gv =10
min∗0.01 m 1 L 1h
3
∗60 min
3
m =0.6 h
Kg Gma=G v∗ ρ@ 25 ° C = h 3
m Kg Kg Gma= 0.6 ∗997.73 3 =598.237 h h m
2. C90/,0# !0 &'*# $&'& !0 /#"!"'&!# /#"!"'&!# Gmvc =G v∗ ρ@ 26 ° C =
Kg h
K lat lat ón
= Kcal hm°C
Kcal
$.5((2
H
26
Kg hm
H 7
28K 8
H K
3
m Kg Kg Gmvc =0.03695 ∗996.86 3 = 36.8398 h h m
'. C90/,0# !0 &'*# 4#0,$?*(%/# !0 /#"!"'&!# 2
∗ ! ∗∆ z 3 4 m Gv vc= = θ h ∗0.28 m 4
Gv vc=
2
∗0.13 m
13 min 1h
∗ 60 min
3
m = 0.03695 h
(. C90/,0# !0 /&0#( /&0#( &"&!# # &'#(%!# &'#(%!# )#( 0 &,& ( "a ) 1
T 2−T ¿ ¿
"a=Gm a∗C#∗¿
"a=598.237
Kg Kcal Kcal ∗1 ∗( 65 ° C − 25 ° C )= )=21538.008 h Kg h
5. C90/,0# !0 /&0#( /!%!# ( "v ) : "v =Gm vc∗ ʎ @ 104 ° C =
"v =36.8398
Kcal h
Kg Kcal Kcal ∗536.4 =19757.7453 h Kg h
6. C90/,0# ! 0& =/%"/%& *?($%/& !0 ,%)#: ,%)#: ɳ =
"a "v
∗100 =
Kcal h ɳ = ∗100 =109.01 Kcal 19757.7453 h 21538.008
&. C90/,0# !0 /#=/%"* /#=/%"* 0#&0 ! *(&"'.("/%& ! /&0#( >)(%$"*&0: $ exp=
"a
=
%∗∆ T
Kcal 2 m h ° C
21538.008
$ exp=
2
0.516 m
Kcal h
∗43 ° C
= 970.7053 Kcal 2
m h ° C
/. C90/,0# ! 0& !%.("/%& ! T$)(&*,(&': ∆ T =T v −T m=° C ∆ T = ( 104 −61 ) ° C = 43 ° C
9. C90/,0# !0 /#=/%"* /#=/%"* ! P0+/,0& I"*(%#(: 4∗Gmv 0.5∗ L s∗ μ 3
¿ ¿
2
& ∗ ρ ∗g 2 μ
¿ ¿
hi=1.51∗¿
&g h &g 0.5∗10 m∗1.26 hm 4∗36.8340
¿ ¿ 3
&cal &g ∗972.61 3 0.5747 hm°C m &g 1.26 hm
2
∗9.81∗3600
2
2
¿ ¿ hi=1.51∗¿
di= de−2 ede = m −3
di=0.016 m − 2∗1.2446∗10 m=0.01352 m
C90/,0# ! 0& *$)(&*,(& ! P0+/,0& T f ¿ :
1$.
T f =T v − 0.75∗∆ T =° C ∆ T =T v −T #=° C
T # =
T # =
T v + T 2 2
104 ° C + 61 ° C = 82.5 ° C 2
∆ T = 104 ° C −82.5 ° C =21.5 ° C
T f =104 ° C −0.75∗21.5 ° C =87.88 ° C
11.
C90/,0# !0 /#=/%"* ! P0+/,0& E>*(%#(: C#∗ μ & ¿ ¿
μ μs ¿ ¿
(
0.87∗& he = ∗
!s
2
L ∗ ρ∗ ' μ
)
0.478
∗¿
Kg hm Kcal 0.5442 hm°C 1∗2.5848
¿ ¿
Kg hm Kg 1.2676 hm 2.5848
¿ ¿
(
Kcal 0.87∗0.5442 hm°C ∗ he = 0.375 m
2
0.14 m ∗982.60
&g 3
∗28200 ()*
m Kg 2.5848 hm
NK7HRPM6H$%"@< 2/2$$RP0
12. T # =
T # =
C90/,0# ! 0& *$)(&*,(& ! )&(! T) T v + T 2 2
104 ° C + 61 ° C = 82.5 ° C 2
)
0.478
∗¿
1'.
$ Teo Teo =
C90/,0# !0 /#=/%"* 0#&0 ! *(&"'.("/%& *(&"'.("/%& ! /&0#( *5(%/#: 1
de ede 1 + + hidi Kdm he
Kcal
=
2
m h° C
1
$ Teo Teo =
−3
0.016
Kcal ∗0.01352 m 19349.9010 2 h m ° C
d m=
+
1.2446∗10
= 772.9979
m∗0.016 m
Kcal ∗0.01462 m 95 mh°C
+
Kcal 2 h m ° C
0.01352 m+ 0.016 m = 0.01476 m 2
1(. C90/,0# ! 0& !'4%&/%5" )#(/"*,&0 D ! 0#' /#=/%"*' /#=/%"* ' >)(%$"*&0':
+!=
$ Teo Teo −$ exp $ Teo
772.9979
+!=
∗100=
Kcal 2
−970.7053
m h ° C Kcal 772.9979 2 m h ° C
Kcal 2
m h ° C
∗100 =−25.58
2
m h ° C
1 820.8397
Kcal
TABLA DE RESUL RESU LTADOS
P Kg 2
cm
$.5
G!
G!
Q
Q
Kg h
Kg h
Kcal h
Kcal h
5 98 98.237
36.8398
U7 Kcal 2
m h ° C 970.7053
8" Kcal 2
m h ° C 19349.9010
21538.008
8 Kcal 2
m h ° C 8 20 20.8397
19 1 9757.7453
U-
34
C 109.01
3D
Kcal 2
m h ° C 772.9979
∆ Tm
−25.58
K
Observaciones
Al comenzar a operar el intercambiador intercambiador de calor de serpentín serpentín se tuvo que esperar a tener un régimen permanente y para esto se contó con la ayuda de un agitador eléctrico que homog homogen eneiz eizó ó la tempe tempera ratur tura a dent dentro ro del del sistem sistema a para para que que no hubie hubiera ra medic medicion iones es incorrectas. Otro aspecto que debimos cuidar fue regular el nivel del agua, para que se mantuviera fijo y el rea de transferencia de calor fuera constante! para esto se ocuparon las vlvulas de recirculación del flujo que saca la bomba y la salida del intercambiador de calor. "#istiero "#istieron n varios varios factore factores s que pudieron pudieron afectar afectar el resultad resultado o obtenido obtenido,, tales tales como las incrus incrustac tacio ione nes s y el deter deterior ioro o del del equip equipo. o. $ princi principal palme mente nte que que no siempr siempre e se logró logró mantener en todo momento las mismas condiciones de operación por ejemplo de repente bajaba o subia el rotmetro.
Conclusiones
"l calor de vapor vapor fue mayor mayor al calor calor del agua, esto gracias gracias a que el agua agua no recibió todo el calor que el vapor le pudo haber dado, esto se debe a la resistencia que dan las incrustaciones en el equipo, la resistencia de película del agua y la resistencia del metal, la cual es mínima porque es buen conductor. "l
$ teórico
es mayor al % e#perimental porque e el e#perimental porqu
$ teórico
considera solo tres resistencias, es
decir, como si el equipo estuviera limpio! mientras que el % e#perimental e#perimental incluye incrustaciones, o cualquier otro tipo de resistencias que pueda tener el equipo que no permita una óptima transferencia de calor. &ambién es importante mencionar que influye mucho la ecuación del clculo del coeficiente teórico puesto que son valores que se tomaron en determinadas condiciones condiciones cuando el equipo era nuevo a diferencia del e#perimental donde se trabaja en otras condiciones y sobre todo el equipo ya est muy usado. %n factor determinante, es saber calcular o buscar en la bibliografía correspondiente los datos de propiedades físicas del agua, ya que es muy importante que sean determinados a las temperaturas leídas durante la e#perimentación y así se tenga un menor porcentaje de error. 'omo ingenieros buscamos la mejor opción para operar, lo que podría hacerse para mejorar el intercambio de calor sería aumentar el n(mero de )eynolds, o sea, aumentar la velocidad,
aunque esto tiene cierto límite porque la caída de presión siempre debe ser menor a *+
l, #ulg
2
.
GARCIA ESPINOZA ARIANA
Observaciones:
"l intercambiador de camisa no se logró operar. -a medida del gasto volumétrico no siempre se mantuvo en *+ -/ -a temperatura de agua fría se tomó con termómetro 0e debe tener mucho cuidado con mantener la presión de vapor ya q vario entre +.1 y +.2 -as condiciones del equipo pudieron no haber sido las óptimas -
"l régimen permanente se consiguió después de 3+ min
Conclusiones:
-a eficiencia de este intercambiador tuvo un valor disparado ya que seg(n los valores calculados e#istía una gran diferencia entre el valor de calor cedido con el de calor ganado arrojndonos una eficiencia del *+45. -as condiciones del equipo y las de operación del mismo no fueron adecuadas, ya que nuestros coeficientes globales de transferencia de calor dieron muy distintos a los de referencia comentados por el profesor. "s por eso que al sacar el clculo de la desviación porcentual de estos nos dio un valor negativo principalmente porque el e#perimental era mayor al teórico cosa que no es posible. "n la discu discusió sión n de clculo clculos s vimos vimos q esto esto tambi también én depe depend nde e de la mane manera ra en que que obtuvieron la ecuación del coeficiente teórico ya q eran otras las condiciones del equipo entonces. "n general nos dimos cuenta 6a pesar de nuestros clculos7, que los intercambiadores de serpentín son baratos, fciles de adaptar y sus coeficientes de transferencia de calor son muy buenos por ello es que son muy utilizados a nivel industrial.
LLANOS GUERRERO AXEL ANTONIO