Doble Tubo 2011-IIdocx

7/25/2019 Doble Tubo 2011-IIdocx

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RESUMEN

En esta prctica titulada Intercambiador de calor de doble tubo, que secomporta como un condensador se determinan los coefcientes globales de

transerencia de calor libre y en presencia de incrustaciones. Los uidos detrabajo son el apor saturado de agua y agua r!a que circulan en contracorriente.

En la e"periencia se trabajo a cuatro caudales distintos de ujo de liquido rio#agua$ y la presi%n de apor se regula manualmente a &&psig. En cadae"perimento se registran las temperaturas de entrada y salida tanto , del l!quidocomo del apor, asi como los respectios caudales , afn de otener laspropiedades !sicas necesarias para reali'ar todos los clculos

Los resultados de coefcientes de transerencia de calor limpio #(c$ y sucio #(d$ y

actor de obstrucci%n para las corridas empleadas se muestran en el siguientecuadro)

Caudal(LP

M)

UD(J/sm2K) UC(J/sm2K) RD(sm2K/J)

30 &*+& &.- *.***/0/

40 &/&.1 01&* *.***

50 &/0/.&2 0-+.+1 *.***2

65 &/&. 01.2- *.***-

Pg!a"


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#N$R%DUCC#&N

La aplicaci%n de los principios de la transerencia de calor al dise3o de un equipodestinado a cubrir un objetio determinado en ingenier!a, es de capital importancia,. 4 lapostre, la econom!a juega un papel clae en el dise3o y selecci%n de equipos detranserencia de calor, y el ingeniero deber!a tener esto en cuenta al abordar cualquierproblema nueo de dise3o de transerencia de calor.

5ada aplicaci%n en particular dictar las reglas a seguir para obtener el mejor dise3o enrelaci%n a consideraciones econ%micas, de tama3o, de peso, etc

6e utili'an intercambiadores de calor para reali'ar numerosas aplicaciones , como )dispositios de rerigeraci%n, acondicionamiento de aire, producci%n de potencia,recuperaci%n de calor de desec7o y algunos procesamientos qu!micos

5uando los intercambiadores de calor 7an estado en sericio por alg8n tiempo, se les

deposita incustraciones y basura en la parte interior y e"terior de las tuber!as a3adiendo

resistencias al coefciente de transerencia de calor de dise3o y 7aciendo a su e' que

este disminuya su alor debido a que la temperatura del uido ariara a partir de cuando

la superfcie est reci9n instalada y limpia 7asta que se obstruya.

Esta e"periencia tiene por objetio determinar el coefciente total de transerencia de

calor en un intercambiador de doble tubo y el actor de incrustamiento .

Pg!a2
http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n


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PR#NC#P#%S $E&R#C%S

E'U#P%S DE $RNSERENC# DE CL%R

Los equipos de transerencia de calor se defnen por las unciones que desempe3an decalentamientos o enriamientos de corrientes de procesos.

4s! por ejemplo, los Intercambiadoresrecuperan calor entre dos corrientes en unidadesde sericio

Los calentadoresse usan para calentar uidos de procesos, y generalmente se usa

apor para este fn.

los enfriadoresse emplean para enriar uidos de un proceso, el agua es el medioenriador principal

Los condensadoresson enriadores cuyo prop%sito principal es eliminar el calor latenteen lugar de calor sensible.

Los hervidoresproporcionan calor latente a los procesos de destilaci%n.

INTERCAMBIDORES DE DOBLE TUBO

Es el intercambiador ms sencillo, que consiste en dos tubos conc9ntricos conun uido uyendo a tra9s del tubo interno y el otro se muee a contracorrienteo en paralelo dentro del nulo, en el ujo a contracorriente los uidos caliente yr!o entran por e"tremos opuestos del intercambiador y uyen en direccionesopuestas, mientras que en el ujo paralelo los uidos caliente y r!o entran por elmismo e"tremo del intercambiador, uyen a tra9s de 9l en la misma direcci%n ysalen por el otro e"tremo. Los sistemas que se pueden trabajar en estos equipospueden ser) l!quido:l!quido, gas:l!quido o gas:gas. Los materiales de construcci%nar!an dependiendo de las propiedades !sicas de los uidos que se ayan a

utili'ar.6on equipos simples que consta de dos tubos conc9ntricos, tees conectados, cabe'al deretorno y codo de &*;.

La tuber!a interior est sostenida en la superfcie e"terior en una prensa estopa, como semuestra en la fg. adjunta

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5uando se arregla en dos pasos como en la fgura, la unidad de llama hor!illa*

Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes eectiasde &0, &+ o 0* pies.

La longitud eectia es la distancia en cada rama donde 7ay transerencia de calor.

La principal desentaja en el uso de intercambiadores de doble tubo es la peque3a reade transerencia de calor que contiene una 7orquilla simple.

CLCUL% DE UN #N$ERCM+#D%R DE D%+LE $U+%

Los equipos de transerencia de calor se pueden calcular mediante una ecuaci%n generalcomo sigue)

( )1q UA T =

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donde ( es el coefciente global de transerencia de calor, 4 es el rea de transerencia

de calor y < la dierencia promedio en el intercambiador.

C,-.-!- gl,1al d- a!s--!a d- al, (U)

En el caso de los tubos conc9ntricos, siendo el interior muy delgado, lasresistencias encontradas son la resistencia de la pel!cula del uido en el tubo, laresistencia de la pared del tubo, Lm=>m, y la resistencia de la pel!cula del uido en

el anulo. ?uesto que @ es igual a t/R como antes)

R=1

hi+Lm

km+1

ho

Aonde R es la resistencia total. Es costumbre sustituir &=( por R , donde( se llama coefciente global de transmisin de calor.Ba que un tubo real tienedierentes reas por pie lineal tanto en su interior como en su e"terior, hi y hodeben reerirse a la misma rea de ujo de calor o en otra orma no coincidir por

unidad de longitud. 6i se usa el rea e"terior 4 del tubo interno entonces hi

debe multiplicarse por A i/A o para dar el alor de hi si se calculara

originalmente en base al rea mayorAoen lugar deAo. Entonces, el coefcienteglobal de transerencia de calor se defne como la suma de las resistenciast9rmicas conecci%n y conducci%n como sigue)

1

U=

1

h i( d1L doL )+

do

2kmln[ dodi]+

1

ho

Esta ecuaci%n se simplifca despreciando la resistencia de la pared del tubo, dado

que el espesor es peque3o y es construido de un material que tiene unaconductiidad t9rmica alta y por tanto es un buen conductor de calor)

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1

U=

1

h i(dido )+ 1

ho=

1

hio+ 1

ho

Aonde (, de esta nuea ecuaci%n, se conoce como coefciente global de

transmisin de calor limpio #(c$.

1

Uc=

1

hio+1

ho

Los coefcientes totales de transerencia de calor requeridos para cumplir con lascondiciones de proceso, deben ser determinadas de la ecuaci%n de Couriercuando la supericie 4 es conocida y @ y Dt son calculados a partir de las

condiciones de proceso. Entonces U=Q /A t . 6i la superfcie no se conoce, la (

puede obtenerse independientemente de la ecuaci%n de Courier mediante los doscoefcientes de pel!cula y despreciando la resistencia de la pared del tubo comose 7iso anteriormente. 5uando el equipo de transerencia de calor a7 estado ensericio por alg8n tiempo, como consecuencia del enriamiento y calentamientode los uidos se depositan part!culas solidas en la superfcie. Estos incrementan laresistencia t9rmica por conducci%n, por ello, en la 8ltima ecuaci%n se agrega unt9rmino para preenir la resistencia, se introduce el actor de basura, incrustacino de obstruccinA.

El coefciente que incluye la resistencia de estas obstrucciones se llama

coefciente total de obstruccin (A. La correlaci%n entre los dos coefcientestotales (5y (Aes)

1

UD=

1

UC+RD

"i#!ra N$%& Locali'aci(n de los factores de obstr!cci(n ) coe*cientes de

transferencia de calor%

Pg!a6


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0E"tra!do del te"to de Aonald @. Fern,Procesos de traserencia de calor#pg&2$.

C,-.-!- d- -lula,!,la!-

5uando la resistencia del tubometlico es peque3a encomparaci%n con la suma de las

resistencias de ambos coefcientes de pel!cula, como usualmente sucede, puededespreciarse. 6i un coefciente de pel!cula es peque3o y otro muy grande, elcoefciente menor proporciona la mayor resistencia y el coefciente total de

transerencia de calor para el aparato es muy cercanamente el reciproco de laresistencia mayor.

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D--!a m-da l,gama d- -m-aua (MLD$)

En general ambos uidos e"perimentan ariaciones de temperatura, a medidaque se despla'a en el equipo, que no son l!neas rectas cuando estas ariacionesde temperatura se grafcan contra la longitud o rea de transerencia de calor.

4un cuando dos uidos pueden transerir calor en un aparato de tubosconc9ntricos, ya sea en contracorriente o en ujo paralelo, la direcci%n relatia delos dos uidos inuye en el alor de la dierencia de temperatura.

5ualquier trayectoria de ujos ormados por dos uidos deben identifcarse consus dierencias de temperatura. ?ara la deriaci%n de la dierencia de temperaturaentre dos uidos en contracorriente se deben 7acer las siguientes suposiciones)

&.: El coefciente de transerencia de calor ( es constante en toda la trayectoria.0.: Los ujos de los uidos son constantes..: El calor espec!fco de los uidos son constantes./.: Go 7ay cambios parciales de ase en el sistema.+.: Las p9rdidas de calor son despreciables.

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E! -l :u;, -! ,!a,-!-)

4plicando la orma dierencial de la ecuaci%n de balance de calor, con sistema enestado estable)

dQ=U(Tt) dA #&$

Aonde)4) Hrea de transmisi%n de calor.


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UA

wc=

1

( wcWC1)ln [T2

wc

WCt1+( wcWC1) t2

T2wc

WCt1+( wcWC1) t1](5)

6e sabe)

T2=T1wc

WC(t2t1 )(6)

eempla'ando #2$ en el numerador de #+$

UA

wc

= 1

( wcWC

1)ln

[

T1

wc

WC(t2t1)

wc

WCt

1+( wcWC1)t2

T2t1

]UA

wc=

1

( wcWC1)ln [ T1

wc

WC(t2t1 )

wc

WCt

1+( wcWC1) t2

T2t

1

]UA

wc= 1

( wcWC1)ln

T1t

2

T2t1 (7)

Ae)

WC(T1T2 )=wc (t2t1 )wc

WC=

T1T

2

t2t1(8)

eempla'ando #$ en #1$)

UA

wc=

1

(T1T2t2t

1

1)ln [ T1t2T

2t

1]

Pg!a""


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T

(1t2)(T2t1)

UA

wc=

t2t

1

T

(1t2)(T2t1)t

(2t1)(9)UA

?uesto que)t

(2t1) ,Q=wc

y sustituyendo en la ecuaci%n #-$ D


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Pg!a"3


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DE$LLES E Ma-al-s

& 6istema de Intercambiador de Aoble


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16/32

50 0& && &*+.2

65 0&. & && &*+


17/32

20 * 21+ 2&1 **

40 0 21+ ++11 **

50 1 21+ 1&- **

65 2 21+ 22+ **


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40 /&.1 1./+ :/. :&&.+2

50 /&.0 /.-2 1.&/ &/.+

65 /+.0 /+.+ *.0+ *.++


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D#SCUS#&N DE RESUL$D%S

&. Las p9rdidas de calor mas bajas *.+ por ciento se registraron al m"imocaudal de trabajo #2+ L?N$ este porcentaje es una parte que el aporsaturado de agua libera durante su condensaci%n

0. 6i el actor de obstrucci%n d es mayor a un mil9simo, se recomienda unmantenimiento al intercambiador

. El alor negatio obtenido :&&.+2 por ciento se puede justifcar asumiendo

que las condiciones de entrada para esta corrida # /* L?N $corresponder!ana una posible me'cla liquido apor que ingresa al intercambiador de calor

/. Los alores de los coefcientes globales de


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C%NCLUS#%NES

&. El calor de condensaci%n desprendido #ganado por el uido rio$ esproporcional al ujo de agua que circula en el interior.

0. El coefciente de transerencia de calor controlante es del uido rio quecircula a tra9s del interior.

. 6eg8n los resultados obtenidos 7ay una mayor p9rdida de energ!a calor!fcamientras se incrementa el ujo olum9trico de agua.

Pg!a2"


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REC%MENDC#%NES

&. 4ntes de iniciar la prctica y 7acer ingresar apor abrir la llae de agua ydejar circular el agua , para eliminar burbujas .

0. 5alibrar los term%metros de mercurio 7aciendo circular agua r!a por lastuber!as

. Es altamente recomendable y necesario la instalaci%n de termocuplas en elequipo , controladas por un ordenador ,para registrar mediciones realmenteconfables

/. 5ontrolar manualmente la lula de entrada de apor a fn de mantener lapresi%n constante

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+#+L#%RF

&. Fern A., Procesos de Transerencia de calor, Editorial NcRraK Oill, trig9simaprimera impresi%n &---, pg. &&:&++, &/-, -/-:-+*.

0. Incropera, C., Fundamentos de transerencia de calor, cuarta edici%n &---,pg. ///://+, +20:+2+, +0:+2.

. Van Gess, Introduccin a la termodinmica en ingeniera qumica, editorialNc RraK Oill &--2, quinta edici%n, pg 12*:*.

/. Wimmerman Pperaciones (nitarias pag. &/*:&+0

+. +.S.? Oolman , Transerencia de calor , a edici%n #&era en espa3ol$ , Edit.NcRraK:Oill ?ags. &1- , 0*/

2. . .O ?erry y 5.O 57ilton, hemical !ngineers "s #andboo$, 2X.ed., GueaBor> ) NcRraK:Oill 5ompany,

Pg!a23


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PGND#CE

E;-ml, d- Clul,s

CHLCUL% DE L%S LUJ%S MHS#C%S aa 20 LPM"* PR EL LU#D% RF%

Clujo msico 5audal " densidad del uido

m(Ig/s) 'l(m3/s) ? (Ig/m3)

mc#>g=s$ @m=s$"Y0&Qc#>g=m$

mc#>g=s$ @*"&*:

m

=min " &min=2*s $ #--1./+ >g=m

$

mc#>g=s$ *.0>g=s

2* PR EL LU#D% CL#EN$E

2*"* D--m!a@! d-l :u;, -! -l ,!d-!sad,

m(Ig/s) +agua al-!-(Kg) / -m,(s)

m7 #>g=s$+.+*Fg = **s *.*&>g=s

Pg!a24


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"*"* D--m!a@! d-l :u;, ms, ,al d- Ba,

Malance de materia en la trampa de apor. #6uposici%n) estadoestacionario$

Oaciendo un balance de materia) m5 m0Z m

Oaciendo un balance de materia y energ!a en la trampa)

mChC=m2h2+m2h3 ;Q=0,W=0

eordenando y eempla'ando)

mChC=(mcm3)h2+m3h3

mc (hch2 )=m3(h3h2)

mc=m3(419.12676)(497.72676)

kj/Kg

La masa del apor de salida se desprecio)

mc m3

5alor perdido por el uido 5aliente) Entalp!as de apor y liqu!do saturado a 0+.1

psia

Q=0.0183Kg

s (2701.5KJKg 409.KJKg )

Pg!a25


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Q=41.94KJ

Kg

5alor ganado por el uido rio)Qf=mfC(t2t1)

Pg!a26


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eempla'ando)

Qc=0.332Kg

s 4.186

KJ

Kg K (4321 )K

Qc=30.5 KJs

?orcentaje de energia calor!fca perdida)

!"!#gia ca$o#%fica !#dida=41.94

KJ

Kg30.5

KJ

Kg

41.94KJ

Kg

100=27.3

* DE$ERM#NC#&N DEL C%E#C#EN$E DE PELFCUL PR EL $U+% #N$ER#%R (#) E


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a < &&.+ Q5 ?romedio temperaturas salida y entrada ujo caliente.

*.*& " &* :Fg=ms

[[ Tomado de Fern A., Procesos de Transerencia de calor, Editorial NcRraK Oill,

trig9sima primera impresi%n &--- , pag -* iscosidades de gases

GDe*Re =

. e /0/1.+

. S7 &0* #fg 0/ ap9ndice Fern$

a &&,+ Q5 5p &-0/.*- S=FgQF

F *.*0/ S=#s m 0 $#F=m$

. #5p[ u=F$&= &.*&1

. 7o S7# F=Ae$#5p[u=F$&= #u=uK$*.&/ &0+. S=s m0 F

[[ 6e considera #u=uK$*.&/ & para uidos poco iscosos # no mayor a & cp$

Pg!a28


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Aeterminaci%n del numero de eynolds tubo interior # uido r!o $

A *.*+*+ m

4rea de ujo ) ap -.2/ " &* :/ m0

xD

ap4

)2^(=

Velocidad de masa Rp J =ap *.0 =-.2/ " &* :/ //./ Fg=s m0

a 0 Q 5 u *. " &* : Fg=ms 5p /&0.0 S=FgF F *.202 S=#s m 0 $

#F=m$

e ARp=u &+*-.*

S7 +

. 7i S7# F=Ae$#5p[u=F$&= #u=uK$*.&/ &2+/.&1S=sm0 F

7io &2+/ " Ai=Ae &2+/.&1 " *. &1+.0 S =m0 s F

Pg!a29


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7*Clul, d- M-da L,gama d-l d--!a d- $-m-auas (MLD$)

&LDT=(T1t2 )(T2t1)

ln(T

1t

2

T2t

1

)

&LDT=(11243 )(10521)

ln(11243)(10521)

=75.76

8*D--m!a@! d-l ,-.-!- l,1al d- $a!s--!a ds-O,

UD= Q'

A tota$ &LDT

Aonde)

A tota$= doL

eempla'ando)

UD=30.5

KJ

s

(0.383 ) m2(75.76K)=1051

W

m2K

, DE$ERM#NC#&N DE UC (C%E#C#EN$E DE $RNSERENC# DE CL%R

L#MP#%)

& & Z &

(c 7i 7o

Pg!a30


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?ara)

7io &1+.0 J=m0

F

7o &0+. J=m0F

eempla'ando datos en la ecuacion obtenemos)

(c &&+./ S=s.m0.QF

###* CHLCUL% DEL C$%R DE #NCRUS$C#&N (RD)

A & : & .

(A (c

6e tiene )

(A &*+&. S=s.m0.QF

(c &&+./ S=s.m0

.QF

eempla'ado en la ecuaci%n se obtiene

Pg!a3"


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A *.****0/ m0.s.F=S #(nidades 6.I.$

Pg!a32

Doble Tubo 2011-IIdocx

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