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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR II

PRCTICA N 3

TTULO: Intercambiador de calor de tubos concntricos

GRUPO N: 3

INTEGRANTES: NOTA:

- 1 Castro Da Silva Paulo Renato

- 2 Jaramillo Garca Santiago Alejandro

- 3 Mendoza Sarango Christian Santiago

- 4 Proao Snchez Javier Esteban

FECHA DE REALIZACIN: 24- Junio- 2015

FECHA DE ENTREGA: 01- Julio- 2015


2

I. TEMA:

Intercambiador de calor de tubos concntricos

II. OBJETIVOS

Determinacin del coeficiente global de transferencia de calor U

para el intercambiador de tubos concntricos, con flujo paralelo y contra

flujo.

III. MARCO TERICO

Los intercambiadores de calor de tubos concntricos o doble tubo son los ms

comunes y sencillos de fabricar, estn formados por dos tubos concntricos de

dimetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor

dimetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

Existen dos formas de direccionar los fluidos a contracorriente y en paralelo. A

contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos de las tuberas y

fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y

fluyen en el mismo sentido.

Figura 1. Tipos de flujo en el intercambiador de calor de tubos concntricos. (Frederick, 2006)

En flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a

la temperatura de salida del fluido caliente

En el caso de contraflujo la temperatura de fluido frio puede ser superior a la

temperatura de salida del fluido caliente, el caso limite se tiene cuando la


3

temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido

caliente.

Los intercambiadores de calor de tubos concntricos pueden tener aletas las

cuales se utilizan cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los

fluidos es mucho menor que el otro. Obteniendo as que el rea exterior se ampli,

siendo sta ms grande que el rea interior.

El tubo con aletas transversales se utiliza cuando la direccin del fluido es

perpendicular al tubo.

En cambio, cuando la direccin del flujo de los fluidos es paralela al eje de los

tubos, el tubo es con aletas longitudinales:

Figura 2. Posicionamiento de aletas en intercambiador de tubos concntricos. (Frederick, 2006)

Este tipo de intercambiadores de calor se usan generalmente cuando un fluido es

un gas o un lquido viscoso con pequeos caudales, mientras tanto el otro fluido

es un lquido de baja viscosidad.

Son utilizados para el tratamiento de fluidos con slidos en suspensin (partculas

o fibras) y productos particulados.

Por ejemplo en la industria higinica/sanitaria se usa en servicios con corrientes

de alto ensuciamiento, lodos sedimentables, slidos o alquitranes por la facilidad

con la que se limpian.

En la industria alimenticia para la transportacin de bebidas lcteos y fluidos que

pueden contener cierta cantidad de pulpa/fibra.

IV. PREGUNTAS

Cmo se puede aumentar la eficiencia del equipo?


4

Se podra aumentar la eficiencia con un calentador que lleve el agua a la

temperatura deseada ya dentro del tanque, con el tanque lleno y que mantenga

esta temperatura durante toda la prctica.

Otra opcin podra ser recircular el agua que sale de la tubera de agua de agua

caliente para que se vuelva a calentar en el calefn de esta manera el flujo de

agua adquiere una cierta temperatura inicial que no posea aunque esto puede

conllevar el aumento de otra bomba.

Se podra tener una eficiencia trmica ms elevada del sistema si se lo cubre con

aislantes ms robustos y con sellos perfectos en los sitios donde encajan los

termmetros. De manera tal que no tenga fugas y que el sistema sea hermtico.

En qu influye la direccin relativa del fluido?

La velocidad relativa de los fluidos influye directamente en la trasferencia de calor

de un fluido a otro. Mientras mayor sea la velocidad relativa entre los fluidos,

mayor ser la trasferencia de calor.

Si el flujo es paralelo, su velocidad relativa ser menor ya que los dos flujos irn

en la misma direccin y sentido tal que su velocidad relativa ser la resta de sus

dos velocidades.

En cambio cuando se tiene un contraflujo, los dos fluidos el exterior y el interior

fluyen en sentidos contrarios, lo cual aumenta la velocidad relativa.


5

V. ELABORACIN DEL CUADRO DE DATOS

Tabla 1. Datos obtenidos F

lujo

Pa

rale

lo

t [min] Thi [C] Tho [C] Tci [C] Tco[C] Qh [l/min] Qc [l/min]

0 50 40 16 17 4.186 1.637

2 53 46 16 26 4.79 1.637

4 54 46 16 26 3.94 1.637

6 55 47 15 28 3.821 1.759

8 55 48 15 29 3.821 1.759

10 56 48 15 29 3.821 1.759

12 57 49 15 30 3.7 1.759

Flu

jo C

ruza

do

0 53 43 15 15 3.457 1.579

2 55 46 14 18 3.579 1.637

4 56 47 14 21 3.579 1.759

6 56 48 14 23 3.579 1.759

8 58 48 14 24 3.457 1.759

10 58 48 14 25 3.579 1.637

12 58 48 14 25 3.579 1.637

VI. CLCULOS

Ya que se analizar el intercambiador en estado estable se utilizarn los ltimos

valores tomados para cada flujo.

Flujo paralelo

Thi= 57 C; Tho=49 C; Tci= 15 C; Tco= 30 C; Vh=3.7 [l/min]; Vc= 1.759 [l/min]

Tmh=0.5(57+49)= 53 C ; Tmc=0.5(15+30)=22.5 C

Contra flujo

Thi= 58 C; Tho=48 C; Tci= 14 C; Tco= 25 C; Vh=3.579 [l/min]; Vc= 1.637 [l/min]

Tmh=53 C ; Tmc= 19.5 20 C


6

Propiedades del agua (Cengel & Ghajar, 2011)

Tabla 2. Propiedades del agua a las temperaturas medias

Temp [C] Densidad [kg/m3]

Cp [J/kgK]

K [w/mK] [kg/ms] Pr

20 998 4182 0.598 1.00210-3 7.01

22.5 997.5 4181 0.603 0.94710-3 6.575

53 986.36 4182.2 0.647 0.52110-3 3.37

1. Calcular el flujo de calor.

En flujo paralelo

= = 3.7 [

]

986.36

1000

1

60= 0.061 [

]

= = 1.759 [

]

997.5

1000

1

60= 0.029 [

]

= ( )

= 0.061 [

] 4182.2 [

] (57 49)[] = 2.04 []

= ( ) = 1.81 []

En contraflujo

= 0.060 [

]

= ( ) = 2.5 []

= 0.027 [

]

= ( ) = 1.24 []


7

2. Calcular los coeficientes convectivos de trasferencia de calor entre los

fluidos de trabajo con la tubera interna.

Para flujo Paralelo- Tubo interno (caliente)

=

=

0.061 [ ]

986.363

(14 (0.5

0.0254 1 )

2

)

= 0.488

=

/=

0.488 [ ] (0.5

0.0254 1 )

(0.521 103

986.36 ) 2/

= 11733.33

El fluido se encuentra en rgimen turbulento

= 0.023 45 0.3

= 59.64 =

1 =59.64

=

59.64 0.647

0.5[] 0.0254

1

= . [

]

Para flujo Paralelo- Tubo externo (frio)

Se supone un espesor de tubo de 0.2 in Dc=1.5-0-7=0.8 in

=

=

0.029 [ ]

997.5 3

(14 ((1.5 (0.5 + 0.2)

0.0254 1 )

2

)

= 0.09


8

=

/=

0.09 [ ] ((0.8 )

0.0254 1 )

(0.947 103

987.5 ) 2/

= 1907

El fluido es laminar

= 4.36 ;

2 =4.36

=

4.36 0.603

0.8[] 0.0254

1

= . [

]

Para contraflujo - Tubo interno (caliente)

=

= 0.48

=

= 11540.98 ;

= 58.859

= .

Para contraflujo - Tubo externo (frio)

=

= 0.083

=

= 1679.827 ;

= 4.36 ;

= . [

]

3. Calcular el coeficiente global de trasferencia de calor U.


9

Figura 3. Intercambiador de calor de tubos concntricos. (Cengel & Ghajar, 2011)

Ya que se obtuvieron valores parecidos de h en flujo paralelo y en contraflujo

se utilizara el menor valor obtenido para cada h. Entonces h1=2998.565

[W/m^2K], h2= 128.311 [W/m^2K], se supone tubera de acero inoxidable (AISI

304) con k = 9.2 [W/mK].

=1

1+

ln(

)

2+

1

2=

1

2998.565(0.50.0254)2+

(0.7

0.5)

29.22+

1

128.311(0.70.0254)2= 0.077

=1

=

1

0.077 ( 0.5 0.0254)= 325.5

2

=1

=

1

0.077 ( 0.7 0.0254)= 232.5

2


10

4. Deducir las ecuaciones para la diferencia media logartmica de

temperaturas.

Figura 4. Diferencia media logartmica de temperaturas. (Cengel & Ghajar, 2011)

El flujo de calor global del intercambiador es:

=

=

Se sabe que el flujo de calor tambin es:

= =

=

=

( ) = (1

1

) =

() = (1)

= (2)


11

=

(3)

Dividiendo (1) para (3)

()

=

=

()

=

= (

)

= (

)

F en (2):

= (

)

( )

(

)=

Del flujo de calor global, se tiene que la diferencia media logartmica de

temperaturas es:

=( )

(

)

(Frederick, 2006)

VII. TRABAJOS

a. Por qu la forma del intercambiador? (Laboratorio).

La forma en U invertida del intercambiador de calor del laboratorio facilita la lectura de las temperaturas sin la necesidad se recorrer mucho espacio, permitiendo tener


12

2 metros de tuberas en un lugar reducido. Sin embargo presenta el inconveniente de tener un mayor nmero de codos que causan una cada de presin implicando que la bomba solo pueda funcionar durante un tiempo relativamente corto.

Otro factor que le da su diseo caracterstico es que al aislarlo, las superficies estn ms cercanas y se tiene un aislamiento mas general de las dos partes del intercambiador, con lo cual se puede hacer un segundo aislamiento de aire para que no exista movimiento en el exterior del tubo, ayudando con mayor rendimiento trmico del sistema.

b. Cules son las prdidas de calor en el sistema?

El calor se pierde en la conduccin hacia la tubera ya que en la prctica, sta acta como almacenador de calor.

Una vez que el fluido fro aumenta su temperatura, esta es mayor que la del ambiente producindose una prdida de calor a los exteriores. La funcin de la lana de vidrio es disminuir sta prdida.

Se pierde calor al principio de la tubera de fluido caliente hasta llegar a la parte del intercambiador. Prdidas por radiacin de la tubera en general, aun de la parte aislada. As como las fugas de masa que tambin afectan al calor del sistema.

VIII. ELABORACIN DE GRFICOS

1. Generar la curva de variacin de temperatura vs tiempo para el fluido

caliente y el fro en la entrada como en la salida

Figura 5. Variacin de la temperatura con el tiempo en la entrada y la salida para flujo paralelo

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15

Tem

per

atu

ra

C

Tiempo [minutos]

Thot-in

Thot-out

Tcold-in

Tcold-out


13

Figura 6. Variacin de la temperatura con el tiempo en la entrada y la salida para contraflujo

2. En el estado estable graficar la curva de variacin de temperatura vs la

longitud del intercambiador.

Ya que en la prctica no se tomaron medidas de la temperatura en la mitad del

intercambiador no se puede realizar esta curva de forma precisa. Sin embargo

se sabe que la diferencia de temperatura en cada punto deber obedecer la

temperatura media logartmica.

Figura 7. Temperatura vs Posicin en flujo paralelo

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15

Tem

per

atu

ra

C

Tiempo [minutos]

Thot-in

Thot-out

Tcold-in

Tcold-out

0

10

20

30

40

50

60

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Tem

per

atu

ra

C

Longitud [m]

Flujo Caliente

Flujo Frio


14

Figura 8. Temperatura vs Posicin en contraflujo

IX. ANLISIS DE RESULTADOS

Se puede notar que no todo el calor que pierde el fluido caliente es ganado por

el fluido frio, esto se debe a las perdidas en el sistema que representan una

disminucin del 11.3% del calor para el flujo paralelo. Las prdidas son ms

altas en el contraflujo pese a que el fluido caliente pierde ms calor. Se

observa que el flujo en la tubera interna (caliente) es turbulento mientras que

el flujo externo es laminar.

Los coeficientes de conveccin en flujo paralelo son muy semejantes a los

coeficientes para contra flujo por lo que puede asumirse un nico coeficiente

de conveccin. Los valores numricos de los coeficientes poseen sentido fsico

ya que el agua es un fluido con alto cp.

El valor del coeficiente global de transferencia de calor cambia de gran manera

al considerar el espesor de la tubera y la conduccin en la misma. Ya que al

despreciar ste parmetro el U sera 47% menor.

En las grficas de la temperatura vs tiempo se puede ver como el sistema

alcanza el estado estable luego de las fluctuaciones iniciales las curvas

mantienen su tendencia.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Tem

per

atu

ra

C

Longitud [m]

Flujo Caliente

Flujo Frio


15

Pese a que no se dispone de un punto extra para el grfico de la temperatura

vs posicin del intercambiador, la forma del grafico es consistente con la teora.

Dos lneas que se aproximan hacia el final del intercambiador para el flujo

paralelo y dos lneas paralelas para el contraflujo.

X. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Paulo Castro:

Conclusiones:

- Las prdidas de calor del sistema, cuando se trata de calentar un fluido, son

significativas debido a que las tuberas tienen un espesor considerable que

permite almacenar energa. Para aumentar la eficacia y que todo el calor se

transfiera al fluido fro, se debe disminuir el espesor de las tuberas.

- En ambos casos (flujo paralelo y contraflujo), el fluido fro no absorbe todo

el calor del fluido caliente de manera eficaz porque su coeficiente de

conveccin es mucho menor.

- El incremento de apenas 2 litros por minuto en el caudal de agua caliente,

aumenta considerablemente el coeficiente de transferencia de calor del

fluido.

Recomendaciones:

- Se recomienda utilizar una bomba adecuada para el sistema hidrulico del

intercambiador.

- Se recomienda utilizar termocuplas ya que tienen una mayor precisin

Santiago Jaramillo:

Conclusiones:

- De la seccin 1 de Clculos se observa que cuando se tiene contraflujo,

existe una mayor prdida de calor del fluido caliente, sin embargo el fluido

fro absorbe menos calor. Por lo que si el objetivo es enfriar un fluido, el

intercambiador ms eficaz es en contraflujo. Si se trata de calentar un fluido

entonces el ms eficaz es el de flujo paralelo.

- Observando las figuras 7 y 8 se concluye que el calor en contraflujo es

constante y en flujo paralelo disminuye a lo largo de la tubera, lo que

explica la existencia de un mayor nmero de prdidas en el intercambiador

de contraflujo.


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- No se puede despreciar el espesor la tubera ya que ste influye casi un

50% en el valor del coeficiente global de trasferencia de calor U.

Recomendaciones:

- Se recomienda sellar las fugas existentes de fluido, para disminuir las

prdidas de calor ocasionadas por prdida de masa.

- Se recomienda acoplar un desage a la salida del intercambiador.

Christian Mendoza:

Conclusiones:

- Los intercambiadores de calor de tubos concntricos son recomendables

para fluidos con caudales pequeos ya que si se tuviera flujos msicos

mayores se necesitara aumentar el rea de contacto implicando as un

aumento en el costo y espacio.

- Este tipo de intercambiador de calor tiene una muy baja eficiencia ya que

presenta varias perdidas hacia el exterior del sistema ocasionando as que

no todo el calor perdido por el fluido caliente sea ganado por el fluido frio,

para evitar este tipo de prdidas se debe aislar el sistema.

- Es el intercambiador de calor ms utilizado en el mercado ya que su

construccin no presenta mayores complejidades, de la misma forma su

instalacin y control.

Recomendaciones:

- Se recomienda tomar ms temperaturas a lo largo de la tubera.

Javier Proao:

Conclusiones:

- Como se puede observar en el clculo y en las grficas el sistema en

contraflujo genera una mejor trasferencia de calor que el sistema en

paralelo esto es debido a que la velocidad relativa entre los dos fluidos es

mayor que en la de los fluidos en paralelo.

- Se pudo determinar que el coeficiente con el que el agua caliente pierde

calor es mucho ms grande que el coeficiente con el que el agua fra gana

calor de esta, esto nos indica que es ms fcil extraer el calor de un fluido

que darle calor a este.


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- Al analizar los resultados vemos que la temperatura del agua se fue

elevando en funcin del tiempo tanto para el agua fra como para el agua

caliente hasta alcanzar la temperatura de estabilizacin esto debido a las

prdidas que se tiene en el sistema ya el agua caliente solo debera

enfriarse y el agua fra solo debera calentarse.

Recomendaciones:

- Se debe tener en cuenta que se pueden producir errores al momento de las

mediciones debido a la anticuado del sistema con lo cual se recomienda

una actualizacin del sistema con termmetros digitales o haciendo que las

prdidas de volumen y de temperatura sean mucho menores.

- Se debe tener en cuenta que la apreciacin de los termmetros no es muy

buena pero se tiene valores bastante buenos de los fluidos aunque sera

preferible usar un sistema de mayor precisin de la medicin de

temperaturas.

Referencias:

Cengel, Y., & Ghajar, A. (2011). Transferencia de Calor y Masa. Mexico: Mc Graw Hill.

Frederick, R. (2006). Apuntes para el curso. Transferencia de Calor. Chile: Universidad de Chile.

Incropera, F. (2007). Fundamentals of heat and mass transfer. United States of America.


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XI. ANEXOS

(Hoja de Datos)

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