Instituto Politécnico NacionalEscuela Superior de Ingeniería Química e Industrias

ExtractivasAcademia de operaciones unitarias

Laboratorio de transferencia de calor

Práctica: Tubos concéntricos

Alumno: Diego Eduardo Jonguitud Bautista

Grupo: 2IV53

Fecha de entrega: miércoles 21 de octubre de 2015

Objetivos1. Determinar la eficiencia térmica del equipo.2. Analizar el comportamiento del intercambiador de calor a diferentes condiciones

de operación.3. Aprender a operar el equipo de tubos concéntricos.4. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental, teórico y

realizar análisis comparativo.

IntroducciónIntercambiadores de calorLos intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre 2 fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. En la práctica los intercambiadores de calor son de uso común en una amplia variedad de aplicaciones desde los sistemas domésticos de calefacción y acondicionamiento de aire hasta los procesos químicos y la producción de energía en plantas de gran tamaño y capacidad.

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar de la siguiente manera:

1. Contacto indirecto o regeneradores: tubos concéntricos o doble tubo, coraza y tubos, evaporadores, placas, compacto, regeneradores

2. Contacto directo: torres de enfriamiento

Tubos concéntricos o doble tuboEs el intercambiador de calor más básico que existe, por lo que su uso ya es poco frecuente para aplicaciones a grande escala, sin embargo, es la base de la construcción de intercambiadores de calor más complejos. Este tipo de intercambiador consiste en 2 tubos de diferente diámetro uno dentro del otro, dentro del tubo con menor diámetro fluye un fluido a una temperatura dada, mientras que en el espacio que existe entre los 2 tubos fluye un fluido a una temperatura diferente, para que se dé el intercambio de calor los 2 fluidos deben estar a diferentes temperaturas, ya que el gradiente de temperaturas es la fuerza impulsora de la transferencia de calor entre los 2 fluidos.

Existen 2 diferentes configuraciones para las direcciones del flujo en este tipo de intercambiadores de calor. Existe el flujo en paralelo, en el cual los 2 fluidos se mueven en la misma dirección y también existe el flujo en contracorriente, en el cual el fluido que se mueve dentro del tubo con menor diámetro se mueve en dirección contraria al fluido que se encuentra entre el espacio que queda entre estos.

Disposición típica de los sistemas en paralelo y contracorriente usados en los intercambiadores de doble tubo

Diagrama de bloques

Cerar todas las valvulas

Abrir las valvulas para el paso del agua

Abrir la valvula general de

alimentacion del agua

Energizar el tablero de control Accionar la bomba

Abrir las valvulas para el paso del vapor

excepto la reguladora

Abrir la valvula de purga de vapor

Abrir la valvula de alimentacion al

rotametro

Abrir la valvula reguladora de presion

hasta la presion requerida

Dejar operar hasta regimen permanente

Tomar los datos experimentales de

presion, temperatura y gastos

Cambiar las condiciones de

operacion (presion o gasto de agua)

Obtener de nuevo los datos experimentales

Cerrar la valvula de alimentacion de

vapor

Dejar funcionando hasta enfriamiento

Apagar la bomba y cerrar la valvula del

rotametro

Cerrar la valvula de alimentacion de agua

Cerrar las valvulas faltantes y

desenergizar el tablero de control

Tabla de datos experimentales

%rotametroPv

(kg/cm^2)Tv

(°C)Tcfrio (°C)

Vagua (L)

ϴagua (s)

Taguafria (°C)

Taguacali (°C)

Δzcond (cm)

ϴcond (s)

100 1 99.1 26.67 1.23 5.83 28 41.17 0.28 60

%rotametroPv

(kg/cm^2)Tv

(°C)Tcfrio (°C)

Vagua (L)

ϴagua (s)

Taguafria (°C)

Taguacali (°C)

Δzcond (cm)

ϴcond (s)

100 0.5 82 26.34 1.01 5.5 29 40 0.167 70

Primer experimentacion

Segunda experimentacion

Cálculos (Primer experimentación)1.- Gasto volumétrico del agua

Gva=1.23 L5.83 s

=0.211 Ls=0.7595m

3

h

2.- Gasto masa del agua

Gma=(0.7595m3h )(991.76 kgm3 )=753.261 kgh3.- Gasto volumétrico del condensado

Gv c=π4

(0.385m )2( 0.0028m60 s ) 3600 s1h=0.0195m

3

h

4.- Gasto masa del condensado

Gmc=(0.0195 m3h )(996.23 kgm3 )=19.484 kgh5.- Calor ganado por el agua

Qa=(753.261 kgh )(4179.08 Jkg°C ) (41.17−28 ° C ) 1kcal

4186.8 J=9902.16 kcal

h

6.- Calor cedido por el vapor

Qv=(19.484 kgh )(539.81 kcalkg )=105.17 kcalh

7.- Eficiencia térmica

η=9902.1610517.7

∗100=94.14%

9.- Media logarítmica de temperatura

ΔT ml=(99.1−28 )−(99.1−41.17 )

ln( 99.1−2899.1−41.17 )

=64.29° C

10.- Área de transferencia

A=π (0.01376m ) (3m )=0.1296m2

11.- Coeficiente global de transferencia de calor

U exp=9902.16 kcal

h(0.1296m2 ) (64.29 °C )

=1188.45 kcalhm2 °C

12.- Película interior

hi=0.0225(566.6380.0158 )( (0.0158 ) (980.725 ) (1.07602 )0.000437 )

0.8

( (0.999 ) (0.000437 )566.638 )

0.4

hi=13389.4 kcalhm°C

13.- Velocidad de flujo del agua

V=0.7593m

3

hπ4

(0.0158m )2=3873.68 m

h

14.- Temperatura de película

Tf=99.1−0.75(99.1−( 99.1+99.1+28+41.174 ))=66.8525 °C15.- Película exterior

he=0.725( (974.703 )2 (576.385 )3 (555.5 ) (1.2713∗108 )(0.01376 ) (1.3799 ) (32.2575 ) )

14=1.5515∗106 kcal

hm °C

16.- Coeficiente global de transferencia de calor teórico

U teo=1

0.01376(13389.4 ) (0.0158 )

+(0.055 ) (0.01376 )(38.69 ) (0.01855 )

+ 11.5515∗106

=892.723 kcalhm2 °C

17.- Desviación porcentual

%D=892.723−1188.45892.723

∗100=−33.12%

Cálculos (segunda experimentación)1.- Gasto volumétrico del agua

Gv a=1.01 L5.5 s

=0.1836 Ls=0.661m

3

h

2.- Gasto masa del agua

Gma=(0.661m3h )(992.3 kgm3 )=655.91 kgh3.- Gasto volumétrico del condensado

Gv c=π4

(0.385m )2( 0.00167m60 s ) 3600 s1h=0.0099 m

3

h

4.- Gasto masa del condensado

Gmc=(0.0099 m3h )(996.33 kgm3 )=9.86 kgh5.- Calor ganado por el agua

Qa=(655.91 kgh )(4179.1 Jkg° C ) (40−29 °C ) 1kcal

4186.8 J=7201.74 kcal

h

6.- Calor cedido por el vapor

Qv=(9.86 kgh )(550.1 kcalkg )=5424 kcalh7.- Eficiencia térmica

η=7201.245424

∗100=132.7%

9.- Media logarítmica de temperatura

ΔTml=(82−29 )−(82−40 )

ln( 82−2982−40 )=47.28°C

10.- Área de transferencia

A=π (0.01376m ) (3m )=0.1296m2

11.- Coeficiente global de transferencia de calor

U exp=7201.74 kcal

h(0.1296m2 ) (47.28 ° C )

=1175.32 kcalhm2°C

12.- Película interior

hi=0.0225(519.1320.0158 )( (0.0158 ) (997.094 ) (0.9364 )0.000938 )

0.8

( (0.999 ) ( 0.000938 )519.132 )

0.4

hi=8486.35 kcalhm°C

13.- Velocidad de flujo del agua

V=0.661m

3

hπ4

(0.0158m )2=3371.3 m

h

14.- Temperatura de película

Tf=82−0.75(82−( 82+82+29+404 ))=64.1875° C15.- Película exterior

he=0.725( (980.13 )2 (568.478 )3 (560.11) (1.2713∗108 )(0.01376 ) (1.6056 ) (23.75 ) )

14=1.6044∗106 kcal

hm°C

16.- Coeficiente global de transferencia de calor teórico

U teo=1

0.01376(8486.35 ) (0.0158 )

+(0.055 ) (0.01376 )(38.69 ) (0.01855 )

+ 11.6044∗106

=863.763 kcalhm2 °C

17.- Desviación porcentual

%D=863.763−1175.32863.763

∗100=−36.06%

Cuadro de resultados

P kg/cm^2

Gma kg/h

Gmc kg/h

Qa kcal/h

Qv kcal/h %η

Uexp kcal/hm°C

Uteo Kcal/hm°C %D

1 753.261 19.484 9902.16 10517.7 94.14 1188.45 892.723 -33.12

0.5 655.91 9.86 7201.74 5424 123.7 1175.32 863.763 -36.06