PRACTICA DE LABORATORIO 1

U.P.T.C. Formacin bsica profesional. rea complementaria tcnica Facultad Seccional Duitama Trmicas II Escuela de Ingeniera Electromecnica 54020909-05

PRACTICA DE LABORATORIO 5INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS

INTRODUCCIONLos intercambiadores de calor de coraza y tubos son muy utilizados en los procesos industriales, ya que son muy eficientes y compactos. Estn conformados principalmente por un haz de tubos de seccin circular montados dentro de una carcasa o coraza cilndrica. Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribucin de configuracin de flujo y de los aspectos especficos de construccin. En estas prcticas se estudiaran los procesos de transferencia de calor bajo diferentes condiciones de trabajo.

1. OBJETIVOS

-Realizar un balance de energa y encontrar el calor disipado Q (w) para el intercambiador.-Determinar la diferencia media logartmica de temperaturas (MLDT).-Determinar experimentalmente el coeficiente total de transferencia de calor.-Realizar un balance de energa y encontrar el calor disipado Q (W) para el intercambiador, variando la cantidad de caudal en los dos flujos.-Determinar el coeficiente total de transferencia de calor.

2. GENERALIDADES2.1 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBO

Los intercambiadores de coraza y tubos son muy comunes, en estos fluyen dos fluidos a diferentes temperaturas espaciados por una pared e intercambian calor por convencin en la pared y por conduccin a travs de ella. Encuentran su mayor aplicabilidad en regeneradores de turbinas para recuperar la energa de los gases de escape; en los cuales generalmente los fluidos que recorren la superficie que transfiere calor se mueven en ngulo recto entre s, a este tipo de intercambiador se le conoce como intercambiador de flujo cruzado transversal

La forma ms simple de intercambiador de coraza y tubos es la llamada de dos corrientes de flujo paralelo, donde los fluidos fluyen en el mismo sentido y en direcciones paralelas. La configuracin ms sencilla se compone de dos tubos concntricos, por donde los fluidos sin mezclarse.

2.2 ECUACIONES NECESARIAS PARA LA REALIZACION DE LOS CALCULOS2.2.1 Balance de energa. El balance de energa para cada intercambiador se determina mediante las siguientes ecuaciones:=**T (Ec.1)Dnde:= (-) Flujo de calor entregado por el agua caliente (W)= (-) Flujo de calor tomado por el agua fra (W), Temperaturas de salida (K), Temperatura de entrada (K) = Flujo de calor perdido (W)= Flujo de masa de agua caliente = Flujo de masa de agua fra 2.2.2 Diferencia media logartmica de temperatura. La diferencia media logartmica de temperatura se calcula as:MLDT= (Ec. 2)=-=-= Temperatura de entrada del fluido caliente (K)= Temperatura de salida del fluido caliente (K)= Temperatura de entrada del fluido frio (K)= Temperatura de salida del fluido frio (K)2.2.3 Coeficiente de diseo = (Ec.3)t= Diferencia media logartmica de temperatura (K)A= rea total de transferencia de calor ()= Flujo de calor transferido en el intercambiador (W)

2.3 PRECAUCIONES

Utilice ropas adecuadas para el laboratorio. Identifique el equipo, las partes sobre las cuales van a realizar las mediciones, al igual que las superficies que puedan calentarse. Evite tocar las superficies calientes, si lo piensa hacer utilice guantes de carnaza o amianto, solictelos al dependiente del laboratorio. Cualquier irregularidad comunquela al profesor encargado de la asignatura o al encargado del laboratorio.

2.4 AUTOEXAMEN

Qu significa estado estacionario? Qu cantidades relaciona la eficiencia trmica de los intercambiadores de coraza y tubos? A qu se deben las prdidas de calor en el intercambiador de coraza y tubos?

3. MATERIALES Y EQUIPOS

Para realizar la prctica correspondiente a este tema se utiliza un equipo conocido como intercambiador de coraza y tubo.1. El intercambiador de calor de coraza y tubos consta de las siguientes especificaciones:Dimetro interno de la coraza = 4 pulgadasNumero de tubos por paso = 16Arreglo: trianguloPaso entre los tubos = 5/8 pulgadaPaso por los tubos = 2Longitud de cada tubo = 24.2 pulgadasDimetro interno del tubo = 0,43 pulgadasDimetro externo del tubo = pulgadaEl nmero de deflectores = 9

4. PROCEDIMIENTOComo procedimiento principal para cualquier practica con este equipo se debe asegurar que la vlvula V5 se encuentra cerrada junto con las vlvulas de control de entrada de vapor a los diferentes equipos a los que est conectado el ducto de vapor de agua. Enciende la caldera de vapor para obtener el vapor necesario para calentar el agua. (Este procedimiento se debe realizar aproximadamente dos horas antes de realizar el trabajo con el intercambiador de coraza y tubos).A continuacin se presentan los pasos necesarios que se deben seguir para cada una de la realizacin de las practicas. Lea cuidadosamente el procedimiento antes de realizar cualquier prctica y siga as recomendaciones dadas por el tutor o el encargado del taller. La figura 1 le ayudara para identificar cada uno de los elementos del equipo.4.1 OBTENCION DE LA MLDT, EL CALOR DISIPADO Y DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA.

1. Asegrese que la vlvula V9 se encuentre cerrada.2. Abra las vlvulas V3 y V7 para verificar que la vlvula V1 que es la encargada de suministro total de agua se encuentre abierta. Si no hay flujo de agua, proceda a abrir dicha vlvula y verifique el flujo de agua. Si hay flujo, cierre la vlvula V7 y deja abierta la V3 para permitir el cebado de la bomba.3. Abra las vlvulas V4, V6 y V8, y a continuacin encienda la electrobomba.5. Con las vlvulas V6 y V8 gradu los dos caudales de los fluidos. El caudal del fluido frio debe ser de 40 litros por minuto (aproximadamente), mientras el caudal caliente debe ser de 15 litros por minuto (aproximadamente). Si no se logra obtener dichos caudales, cierre paulatinamente la vlvula V10N hasta obtener los caudales indicados.6. Encienda el sensor de temperatura. Gradu la temperatura abriendo lentamente la vlvula V5 y midiendo esta temperatura a la entrada del intercambiador hasta obtener una temperatura aproximada de 40C (Evite que la temperatura en el fluido caliente supere los 65C).7. Inmediatamente despus que se haya obtenido la temperatura indicada, proceda con la ayuda de un cronometro, a la toma de datos indicados en la tabla 5.1, los cuales se deben obtener cada 60 segundos.8. Transcurridos los 260 segundos, permita que el equipo se estabilice.9. Una vez el equipo se encuentre en estado estacionario, tome los datos de las temperaturas de entrada y de salida tanto en el fluido caliente como en el fluido frio, as como de sus respectivos caudales, y consgnelos en la tabla 5.310. Una vez finalizada la prctica proceda a suspender el flujo de los fluidos de la siguiente manera: primero cierre la vlvula V5, luego apague la electrobomba, y posteriormente cierre las vlvulas V4,V6,V8, V3, y V1 en ese orden. Si fue necesario cerrar la vlvula V10 proceda a abrirla. Por ltimo apague el sensor de temperatura.11. Abra la vlvula V9 para permitir el drenaje del agua.

4.2 CARACTERISTICAS VARIANDO EL CAUDALES.

1. Asegrese que la vlvula V9 se encuentre cerrada.2. Abra las vlvulas V3 y V7 para verificar que la vlvula V1 que es la encargada de suministro total de agua se encuentra abierta. Si no hay flujo de agua, proceda a abrir dicha vlvula y verifique el flujo de agua. Si hay flujo, cierre la vlvula V7 y deja abierta la V3 para permitir el cebado de la bomba.3. Abra las vlvulas V4, V6 y V8, y a continuacin encienda la electrobomba.5. Con las vlvulas V6 y V8 gradu los caudales de los dos fluidos. El caudal del fluido frio debe ser de 40 litros por minuto, mientras el caudal caliente debe ser de 15 litros por minuto. Si no lo logra obtener dichos caudales, cierre paulatinamente la vlvula V10 hasta obtener los caudales indicados.6. Encienda el sensor de temperatura. Gradu la temperatura abriendo lentamente la vlvula V5 y midiendo esta temperatura a la entrada del intercambiador hasta obtener una temperatura aproximada de 40C (evite que la temperatura en el fluido caliente supere los 65C).7. Permita que el equipo se estabilice.10. Una vez tomados los datos proceda a suspender el flujo de los fluidos de la siguiente manera: Primero cierre la vlvula V5, luego apague la electrobomba, y posteriormente cierre las vlvulas V4,V6, V8, V3 y V1 en ese orden. Espere 20 minutos aproximadamente o hasta que la caldera se apague automticamente.11. Repita los pasos del 1 al 4. Gradu los caudales de los dos fluidos mediante las vlvulas V6 y V8. El caudal de ambos fluidos debe ser de 20m litros por minuto (aproximadamente).12. Gradu la temperatura abriendo lentamente la vlvula V5 y midiendo esta temperatura a la entrada del intercambiador hasta obtener una temperatura aproximada de 40C (Evite que la temperatura en el fluido caliente supere los 65C).13. Permita que el equipo se estabilice.14. Una vez el equipo se encuentre en estado estacionario, consigne los datos indicados el tabla 5.5.15. Repita el paso 10 y luego los pasos del 1 al 4 nuevamente.16. Gradu los caudales de los fluidos mediante las vlvulas V6 y V8. El caudal del fluido caliente debe ser de 20 litros por minuto (Aproximadamente) y el caudal del fluido frio debe ser de 15 litros por minuto (Aproximadamente). Si no logra obtener dichos caudales, cierre paulatinamente la vlvula V10 hasta obtener los caudales indicados.17. Gradu la temperatura abriendo lentamente la vlvula V5 midiendo esta temperatura a la entrada del intercambiador hasta obtener una temperatura aproximada de 40C (Evite que la temperatura en el fluido caliente supere los 65C).18. Permita que el equipo se estabilice.19. Una vez el equipo se encuentre en estado estacionario, consigne los datos indicados en la tabla 5.6.20. Una vez finalizada la prctica proceda a suspender el flujo de los fluidos de la siguiente manera: primero cierre la vlvula V5, luego apague la electrobomba, y posteriormente cierre las vlvulas V4,V6,V8,V3 y V1 en ese orden. Si fue necesario cerrar la vlvula V10 proceda a abrirla. Por ltimo apague el sensor de temperatura.21. Abra la vlvula V9 para permitir el drenaje del agua.

Figura 1. Diagrama de conexiones del intercambiador.5. Toma de datos

Tabla 5.1Tiempo (s)Th1Th2Tc1Tc2

0

60

120

180

240

Tabla 5.2Tiempo (s)Q (W)U(W/mC)

0

60

120

180

240

Tabla 5.3Variables a medirValor medido

Lectura rotmetro de agua fra

Lectura rotmetro agua caliente

Temperatura Tc1

Temperatura Tc2

Temperatura Th1

Temperatura Th2

Estas lecturas deben tomarse cuando el sistema est totalmente estabilizado

Tabla 5.4 Caudal frio mayorVariables a medir Valor Medido

Lectura rotmetro de agua fra

Lectura rotmetro de agua caliente

Entrada agua fra

Salida agua fra

Entrada agua caliente

Salida de agua caliente

Tabla 5.5 Con caudales iguales (aprox)Variables a medir Valor Medido

Lectura rotmetro de agua fra

Lectura rotmetro de agua caliente

Entrada agua fra

Salida agua fra

Entrada agua caliente

Salida de agua caliente

Tabla 5.6 Caudal MayorVariables a medir Valor Medido

Lectura rotmetro de agua fra

Lectura rotmetro de agua caliente

Entrada agua fra

Salida agua fra

Entrada agua caliente

Salida de agua caliente

6. CARACTERISTICAS A OBTENER Para determinar experimentalmente el coeficiente global de transferencia de calor, calcule potencia disipada para cada uno de los datos, posteriormente calcule la diferencia de temperatura media logartmica para cada dato, y usando el rea de transferencia que para este caso es de 0,38285m2 calcule el valor de U por medio de la ecuacin 3. Realice un grfico con los datos obtenidos de U en funcin del tiempo, que contenga la lnea de tendencia junto con su ecuacin, de la cual se despeja el valor de U. Con los datos obtenidos en la tabla 5.3 y los calores especficos a las temperaturas encontradas en el sitio de trabajo, haga un balance de energa y determine las prdidas de calor o calor disipado. Determine la diferencia media logartmica de temperaturas (MLDT) por medio de la ecuacin 2 y los datos de la tabla 5.3. Con los datos obtenidos en las tablas 5.4, 5.5 y 5.6 y los calores especficos a las temperaturas encontradas en el sitio de trabajo, haga un balance de energa y determine las prdidas de calor o calor disipado, para los tres casos. Determine la diferencia media logartmica de temperaturas (MLDT) por medio de la ecuacin 2 y los datos de las tablas 5.4, 5.5 y 5.6. Para determinar el coeficiente global de transferencia de calor, se debe introducir los valores de las tablas 5.4, 5.5 y 5.6 los cuales se obtendrn de la siguiente manera, con el balance de energa anteriormente calculado, con La diferencia de la temperatura media logartmica y el rea del intercambiador de calor que corresponde a 0,38285329 m2 y ya con esto se calcula el U despejando la ecuacin 3.

7. CUESTIONARIO 1. Qu datos se deben tomar para la realizacin de un balance trmico? 2. Describa las ventajas trmicas que presenta el intercambiador de coraza y tubos frente intercambiador de tubos concntricos. 3. Con cul de los tres ejercicios hay ms disipacin de calor y porque? 4. Cundo los caudales se encuentran iguales, los T tambin se igualan? Justifique su respuesta.

BIBLIOGRAFIA

YunusCengel Transferencia de Calor y Masa 3 edKERN, Donald. Procesos de transferencia de calor 31 Ed. Editorial Continental. 1999. KREITH, Franck. Principios de transferencia de calor.1 ed. Mxico. Herrera hermanos, sucesores S.A, 1970. MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. Mxico: McGraw-Hill/Irwin, 1999.

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