Intercambiadores De Calor De Camisa Y Serpentín.
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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
PRACTICA # 5
“INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CAMISA E INTERCAMBIADOR DE CALOR DE SERPENTIN”
ALUMNOS:
MÉXICO D.F. MAYO 2010
OBJETIVOS
-Determinar la eficiencia térmica de los equipos
-Determinar el comportamiento del equipo tomando en cuenta las condiciones de operación
-Analizar que intercambiador de calor es más eficiente trabajando en las mismas condiciones de operación
-Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental y teórico
INTRODUCCION.
Intercambiador de calor
Sección de un intercambiador de calor de tipo haz tubular.
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 refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.
Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.
-Tipos de transferencia de calor
Existen tres métodos para la transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Conocer cada tipo y saber cómo funciona le permite entender mejor cómo los sistemas de aislamiento y burletes protegen el espacio acondicionado.
-Conducción. En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
-Convección. Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
-Intercambiadores de tipo cerrado o recuperador.
Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre sí.
Las corrientes de fluido que están involucradas en esa forma están separadas entre sí por una pared de tubo, o por cualquier otra superficie que por estar involucrada en el camino de la transferencia de calor.
En consecuencia, la transferencia de calor ocurre por la convección desde el fluido más cliente a la superficie sólida, por conducción a través del sólido y de ahí por convección desde la superficie sólida al fluido más frío.
DATOS EXPERIMENTALES
Intercambiador de calor de camisa
CorridaPV
Kg
cm2
TV °C TH20 FRIA °C TH2O CAL °C
1 0.5 103 24 692 0.5 102 24 713 0.5 103 25 71PROM 103 24 70
Tiepo (ɵ) 7 min 38 seg = 0.1272 hV cond 3.7 l LM H2O CAL 44.9 kg
Intercambiador de calor de serpentín.
CorridaPV
Kg
cm2
TV °C TH20 FRIA °C TH2O CAL °C
1 0.5 103 23 582 0.5 104 24 593 0.5 104 24 60PROM 104 24 59
Tiempo (ɵ) 6 min 52 seg = 0.1144 hV cond 3.32 LM H2O CAL 40.1 kg
CALCULOS.
Secuencia de cálculos para el intercambiador de camisa.
1.- Calculo del gato masa del agua.
W=44.9 Kg
ɵ=7min38 seg .=.1272h
Gma=wɵ
= 44.9kg0.1272h
=352.925 Kgh
2.- Calculo del gasto masa del condensado.
V= 3.7 L= 0.0037 m3
ɵ=7min38 seg .=.1272h
Gmvc=0.0037m3
0.1272hx1000
Kgm3=29.088
kgh
3.- Calculo del gasto volumétrico del condensado.
Gv vc=0.0037m3
0.1272h=0.0291m3
h
4.- Calculo del calor ganado o absorbido por el agua.
T 2prom=69+71+713
=70.33 º C
T 1prom=24+25+253
=24.66 º C
Cp=0.9981 KcalKgº C
Qa=352.925kgh
x 0.9981KcalKgº C
x (70.33−24.66 ) ºC=16088.634 Kcalh
5.- Calculo del calor cedido.
λ=583.2 KcalKg
Qv=29.08 kgh
x 583.2Kcalkg
=16959.456 kcalh
6.- Calculo de la eficiencia térmica del equipo.
ŋ=16088.63416959.456
x100=94.86%
7.- Calculo de la diferencia de temperatura.
T m=69+71+71
3=70.33 ºC
T v=103+102+103
3=102.666 º C
∆ T=102.666−70.33=32.336 ºC
8.- Calculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental.
U exp=16088.634
kcalh r
0.67m2 x32.336 ° C=742.605
Kcal
h r m2 °C
9.- Calculo del coeficiente de película interior.
Cp a 45° C = .999Kcal
Kg º C
K = 0.5498Kcal
hmº C
Dc = 0.375m
hi=0.360.5498
Kcalhmº C
0.375mx [ 28200 rev
h∗(0.14m)2∗997
Kg
m3
2.1528Kgmh
]0.52
X [ .999 KcalKg ºC
∗2.1528 Kgmh
0.5498Kgmh
]0.33
x 1
h i=539.75 Kcal
hm2℃
10.- Calculo de temperatura de superficie.
T ¿=102.666+70.3
2 = 86.48 ℃
11.- Calculo de la temperatura de superficie.
T ¿=¿ 86.48 ℃
∆T = 102.666 – 86.48 = 16.18 ℃
T f =¿102.66 – 0.75(16.18) = 90.525 ℃
12.- Calculo del coeficiente de película exterior.
Cálculos de las propiedades a la temperatura de 90.525 ℃
he=1.13 x [ (.5826 Kcalhmº C )
3
x545.2KcalKg
x (965 kgm3 )
2
x 127137600mh2
16.18℃ x0.97Kgmh
x0.34m ]1/4
he=7902.66 Kcal
hm2℃
13.- Calculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico.
UTeorico=1
0.384m
539.75Kcal
hm2℃x 0.375m
+0.00476m x 0.385m
40Kcal
hm2℃x 0.0159m
+1
7902.66Kcal
hm2℃
UTeorico=7902.66Kcal
hr m2° C
14.- Calculo de la desviación porcentual.
%D=7902.66−742.6057902.66
=90.503%
Secuencia de cálculos para el intercambiador de serpentín.
1.- Gasto masa del agua.
Gma=40.1kg0.1144 h
=350.52 kgh
2.- Cálculo del gasto masa condensado.
Se utilizo la densidad del agua a 240 C
ρa=983.72Kg
m3
Gmvc=29.02m3
hr .x983.72
Kgm3=28547.55
Kgh
3.- Cálculo del gasto volumétrico del condensado.
Gv vc=3.32kg0.1144 h
=29.02m3
h
4.- Calor ganado o absorbido por el agua.
Se utilizo el Cp del agua a 240 C
Cp=1 kcalK kg
Qa=350.52kgh
x1kcalK kg
x (59−24 )=12268.2 Kcalh
5.- Cálculo del calor cedido Qv.
La λ al a temperatura de la presion de vapor y la presión absoluta
Pabs=0.5 Kg
cm2+ 585mmHg
760(1.033 )=1.29
λ=536.3
Qv=(29.02m3
h )∗(536.3 )=15563.40 Kcalh
6.-Cálculo de la eficiencia térmica del equipo:
ŋ= 12268.215563.40
x100=78.82%
7.- Calculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental
U exp=12268.2
kcalh
0.516m x 45 °C=528.34
Kcal
hm2 °C
8.- Calculo de la diferencia de temperatura:
T=104−59=45℃
9.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico
UTeorico=1
0.0030271609.17 x 0.0159m
+0.0048x 0.03240x 0.0159
+1
405534.81
=¿
UTeorico=4087.13Kcal
hm2℃
K material 40Kcal
hm2℃
10.- Cálculo del coeficiente de película interior
hi=1.51(4∗28547.55 Kg
h0.5∗10m∗.9720
)
−13
x [ 403 x984.162 x1.27 E8.97202 ]
13
X [1+3.5 0.0134m0.305 ]
hi=271609 .17Kcal
hm2℃
11.- Cálculo de la temperatura de película (Tf)
Tf =104+592
=81.5
12.- Cálculo del coeficiente de película exterior
he=0.87∗40.375 [ 0.142∗984.162∗470.9720 ]
0.478
∗[ 1∗.972040 ]13∗1=¿
he=405534 .81Kcal
hm2℃
1.- Cálculo de la temperatura de pared (Tp)
Tf =104+592
=81.5
16.- Cálculo de la desviación porcentual %D de los coeficientes experimentales
%D=4087.32−552.534087.32
x100=86.42%
Resultados
P Gma Gmv Qa Qv %n T U exp hi he U teo %D
Kg
cm2
Kgh
Kcalh
°C Kcal
hm2℃serpentín
0.5 350.52 28547.55 12268.2 15563.40 78.82 45 528.34 271609.17405534.814087.13 86.42
camisa 0.5 352.92
29088.00
16088.63
16959.45
94.86
32.3
742.6
539.7
7902.66
7902.6
90.50
OBSERVACIONES
Al realizar la experimentación tuvimos unos problemas al operar por cuestiones de malas condiciones del equipo, pero que no afectaron el resultado de nuestras corridas.
CONCLUSIONES
Concluimos en que el intercambiador de camisa es más eficiente que el de serpentín,
debido a que se obtuvo un mayor rendimiento en éste, así como la importancia que tienen
estos equipos en la industria y sus amplias aplicaciones de los principios de la
transferencia de calor al diseño de un equipo destinado a cubrir un objeto determinado en
ingeniería, es de mucha importancia, porque al aplicar los principios al diseño, se debe
trabajar en la consecución del importante logro que supone el desarrollo de un producto
para obtener provecho económico, que es un aspecto fundamental en el desarrollo de las
industrias.