INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Escuela Superior De Ingeniería Química E Industrias Extractivas
Operaciones Unitarias
Laboratorio de Transferencia de Calor
Práctica “Tubos Concéntricos”
Alumno: Nieva Hernández Jaime Yair
Grupo: 2IV53
Equipo: 1
Fecha de entrega: 5-Junio-2015
TUBOS CONCÉNTRICOS OBJETIVOS
Determinar la eficiencia térmica del equipo. Analizar el comportamiento del intercambiador de calor a diferentes condiciones de operación. Aprender a operar el equipo de tubos concéntricos. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental, teórico y realizar análisis comparativo
INTRODUCCIÓN Los intercambiadores de calor son equipos que permiten el calentamiento, cambio de fase o enfriamiento de un fluido (liquido o gas) por medio de otro fluido a diferente temperatura y separado por una pared generalmente metálica. Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.
Clasificación
Los intercambiadores de calor pueden clasificarse según como sea:
Intercambiadores de contacto directo: Son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa. Intercambiadores de contacto indirecto: Alternativos: Ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable. De superficie: Son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.
Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto.
Los cambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido) Los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas)
Clasificación de los intercambiadores de calor de superficie
Los intercambiadores de flujos paralelos, se utilizan generalmente para el intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio líquido-gas.
Intercambiadores de calor tubulares
El cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricos; consta de dos tuberías concéntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubería interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente).
Transmisión de calor por conducción
La conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel de energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que tenga lugar movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor por conducción no hay movimiento de materia. La conducción es el método más habitual de transmisión de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales sólidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendrá lugar una transmisión de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que está a temperatura más baja. El flujo de calor será proporcional al gradiente de temperatura.
Transmisión de calor por convección
Cuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el interior de una tubería, si existe una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de calor se debe al mecanismo de convección. El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos son los ejemplos más habituales de transmisión de calor por convección. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (también llamada natural ). La convección forzada implica el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.
En la industria química la transmisión de calor se efectúa por medio de intercambiadores de calor y el más sencillo está formado por 2 tubos de diferentes diámetros de tal manera que uno está dentro del otro, el espacio entre ambos se le denomina anulo o sección anular por donde uno de los fluidos circula, el otro fluido circula dentro del tubo interior. Este intercambiador se conoce como intercambiador de tubos concéntricos.
Diagrama de Flujo
Tabla de Datos Experimentales
Lectura de Termopares Termopar Termopar Termopar Termopar Termopar 1 2 3 4 5 25 °C 60 °C 110 °C 111°C 28 °C Lectura del Rotámetro % 30
/ ° ° ° Ѳ ° ° 0.8
111
110
28
8
Secuencia de Cálculos
1. Cálculo del gasto volumétrico del agua
10.8 →100% →30% =3.24 /
6 0 1 =3.24 [ 1ℎ ]1000 =0.1944 ℎ 2. Cálculo del gasto masa del agua
= @° =997.13 =0.1944 ℎ (997.13 )=193.842 ℎ
3. Cálculo del gasto volumétrico del condensado
. . 0. 0 0188 = Ѳ = 0.1333 ℎ =0.0141 ℎ
25
61
4. Cálculo del gasto masa del condensado
= =0.0141 ℎ (997.13 )=14.063 ℎ
5. Cálculo del calor ganado o absorbido por el agua (Qa)
= −=193.842 ℎ (0.999 °)61−25 °=6971.333 ℎ
6. Cálculo del calor cedido por el vapor (Qv)
= =14.063 ℎ (533.25 )=7499.1207 ℎ
7. Cálculo de la eficiencia térmica del equipo
= =∗100= 6971.7499.31332 ∗100=92.96 %
8. Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental
6971. 3 33 = ∆ = 0.265.7ℎ7° =529.9781 ℎ °
9. Cálculo de la media logarítmica de la diferencia de temperatura
∆ = ∆ln−∆∆∆ = 86−49 86ln 49 =65.77 °
10. Cálculo del área de transferencia de calor
= =0.02133=0.2
11. Coeficiente de película interior
De tablas a 43 °C
. . ℎ=0.0225 ( ) ( ) = +2 = 25+612 =43 °
=0.000618 − =991.05 =0.534 ℎ ° =0.999 ° . 499 ℎ991.05 ∗… ℎ=0.0225 0.0.5340157ℎ °0.0157991. 0.000618 − . 0. 0 00618 0. 0 00618 …∗ −0.534 ℎ ° − =42351.5 ℎ °
12. Cálculo de la velocidad de flujo del agua
= = 4 = 4 0.01.0944158 ℎ =991.499 ℎ
13. Coeficiente de película exterior
ℎ =0.725 ∆ 991. 0 5 0. 5 34 5 33. 2 59. 8 1 ℎ ° 34.25° =832.117 ℎ° ℎ =0.725 0.0213 0.000618 −
14. Cálculo de la
=111−0.75∆ =111−0.7534.25 °=85.3125 ° ∆ =−=111−76.75=34.25 ° = 111+110+25+61 4 =76.75 °
15. Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico
Uteo = ℎ + 1 + ℎ1 = 0.0213 + 0.010280.0213 + 1 =122.668 ℎ ° 1485.47 ℎ °0.0157 0.534 ℎ °0.0185 832.117 ℎ ° = +2 = 0.0213+0.2 0157 =0.0185 9 781 %= − ∗100= 122.668−529. 122.668 ∗100=332.04 %
16. Cálculo de la desviación porcentual %D de los coeficientes
Tabla de resultados
/ℎ /ℎ /ℎ ∆° ℎ /ℎ ℎ° 0.1944
65.77
193.842
0.2
1485.47
0.0141
991.499
/ℎ ℎ ℎ°
/ℎ °
14.063
6971.333
832.117
85.3125
/ℎ ∆° ° 7499.1207
34.25
76.75
/ℎ % ℎ°
92.96
122.668
529.9781
332.04
Nieva Hernández Jaime Yair
Observaciones Al poner las condiciones de operación tanto presión en kg/cm 2 medida por el manómetro como el gasto volumétrico del agua en el rotámetro se tenía que regular ya que al principio variaban y no se mantenían constantes una vez que se mantuvo a régimen permanente comenzamos a experimentar, hay que poner mucha atención a las válvulas ya que algunas deben de estar cerradas y otras abiertas (línea de vapor y agua). En el rotámetro se estableció que el gasto volumétrico al que trabajaríamos seria al 30% de
10.8 /
Ya que nuestro equipo trabajó a régimen permanente las temperaturas y gasto volumétrico no varió; manteniéndose estas constantes.
Conclusiones Como observamos en la tabla de resultados el cálculo de la desviación porcentual varía mucho esto es d ebido a que el equipo al ser utilizado constantemente y al no darle el mantenimiento correspondiente nos arroja valores fuera de lo esperado, también nos arrojó valores extraños y esto también puede ser a la falta de experiencia al operar el equipo o al mal manejo del mismo. El volumen obtenido del condensado nos dio de forma correcta ya que se obtuvieron 1880 ml en un tiempo de 8 minutos.
