UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERADepartamento de Ingeniera MecnicaSANTIAGO

INTERCAMBIADOR DE CALORTITULO DE LA EXPERIENCIA

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17-09-201210-09-20122E942EXPERIENCIA N __________Grupo N_______Fecha de la Exp_________________ Fecha de Entrega _________________

15066TRANSFERENCIA DE CALORNOMBRE ASIGNATURA_________________________________________________________CODIGO___________

DIURNAING EJECUCION MECANICA

BUSTOSBUSTOSCLAUDIO ANDRESCARRERA__________ ____________________________________Modalidad (Diurna o Vespertina)___________________________

NOMBRE DEL ALUMNO___________________________________________________________________________Apellido PaternoApellido MaternoNombre

________________________ Firma del alumno

Fecha de Recepcin

MANUEL PEDRAZA G.

Nota de Interrogacin ________________Nombre del Profesor ________________________________________

Nota de Participacin ________________

Nota de Informe ____________________ _________________________________Nota Final __________________ ______ ________________Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X

________Presentacin________Clculos, resultados, grficos________Caractersticas Tcnicas________Discusin, conclusiones________Descripcin del Mtodo seguido_______ApndiceOBSERVACIONES

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1. ndice

Pg.1. Resumen del Contenido32. Objetivos de la Experiencia33. Caractersticas Tcnica de los Equipos e Instrumentos34. Descripcin del Mtodo Seguido45. Presentacin de los Resultados56. Discusin de los Resultados, Comentarios y Conclusiones Personales87. Apndice9a) Desarrollo de Clculos9b) Tabla de Datos Obtenidos y Calculados15 Tabla de Datos Obtenidos Experimentalmente Tabla de Datos Calculadosc) Bibliografa Empleada20

Intercambiador de Calor1. Resumen del ContenidoEl presente informe trata sobre el anlisis de dos tipos de intercambiadores de calor a contraflujo, estos son de coraza y tubos y de placas soldadas. Se explica el proceder experimental con el cual se obtuvieron los resultados para el anlisis de los objetivos propuestos para la conclusin y discusin de los mismos, adems se detalla claramente el desarrollo de los clculos. Lo fundamental de esta experiencia es demostrar como varan los coeficientes globales de transferencia de calor al modificar los parmetros operacionales de flujo en los intercambiadores de calor.2. Objetivos de la ExperienciaObjetivo GeneralConocer y operar un Intercambiador de Calor de coraza y tubos (vapor/agua) y un Intercambiador de Calor de placas soldadas.Objetivos EspecficosEstudiar y evaluar el efecto del en los siguientes parmetros operacionales en ambos I. de Calor. Coeficiente global de transferencia de calor U. Rendimiento del intercambiador de calor. Perdidas de calor estructural.

3. Caractersticas Tcnicas de los Equipos e InstrumentosIntercambiador de Calor de Coraza y Tubos Material tubos: Cobre tipo L Dimetro interior: Dimetro exterior: N Horquillas: Largo tubo: Tipo de flujo: ContracorrienteIntercambiador de Calor de Placas Soldadas Marca: Alfa-Laval Modelo: CB-27-24H N Placas: 24 Material placas: Acero Inoxidable 306 L rea transferencia de calor: Dimensiones de las placas:-Alto -Ancho -Espesor -Separacin 6 Termmetros Digitales Marca: Fluke Modelo: Fluke 52 II (doble entrada) Escala de temperatura: ITS-90 Unidades de medicin: Rango de escala: a Divisin de escala: Accesorios: 3 Termocuplas de Inmersin 3 Termocuplas de Contacto Termopar: Tipo K (Cr/Al)Barmetro de Torricelli (de Mercurio) Marca: E. Schiltknecht, Ing S.I.A. Zrich Procedencia: Suiza Unidad de medicin: Rango de escala: Divisin de escala: Error instrumental:

Huincha de Medir Marca: Stanley Rango: Resolucin:

Cronmetro Marca: Casio Rango: Resolucin:

Balanza Digital Marca: Snowrex NV-30 Escala: Rango: Resolucin: Implementos Balde grande Probeta graduada Guantes

4. Descripcin del Mtodo SeguidoEl laboratorio trata sobre el anlisis de dos intercambiadores de calor a contraflujo, uno de tubos y coraza y otro de placas soldadas. Los fluidos de trabajo que intercambian calor son agua suministrada desde la red y vapor de agua en estado de saturacin proveniente del Generador de Vapor (Caldera) con un titulo del 97% aproximadamente. La experiencia comienza con una introduccin terica y la explicacin de la metodologa e instrumentos a emplear para el anlisis de los intercambiadores de calor. El procedimiento aplicado se basa en la evaluacin del caudal msico de agua que fluye dentro de los intercambiadores de calor y como afecta los parmetros operacionales como el coeficiente global de transferencia de calor, el rendimiento y las prdidas de calor estructurales.Para llevar a cabo los objetivos se procede a realizar mediciones de las variables involucradas, haciendo variar el caudal msico del agua desde la mxima capacidad, para cinco mediciones. En ambos intercambiadores de calor se sigue el siguiente procedimiento:1. Primero se purga el sistema para librarlo del lquido estancado contenido y de las impurezas. Luego a una presin de trabajo de 2 psi se mantiene en funcionamiento el intercambiador hasta llegar a un rgimen permanente. La presin se conserva durante toda la experiencia y para lograrlo una persona regula la vlvula que limita el flujo de vapor usando guantes.

2. Para cada variacin de caudal msico del agua se posicionan dos termocuplas de inmersin a la salida de las tuberas de flujo caliente y frio para registrar las temperaturas finales: - temperatura de salida del condensado (proveniente desde la lnea de vapor).- temperatura final del agua calentada.La temperatura de entrada para el flujo caliente , se obtiene a partir de la presin absoluta para lo cual se mide la presin atmosfrica en el barmetro de mercurio y sabiendo que el vapor se encuentra en estado de vapor hmedo con una tabla termodinmica. Y para el caso de la temperatura de entrada del agua se mide se mide con una termocupla de inmersin desde la red.

3. De forma paralela, en cada variacin se establece una temperatura constante alcanzado el transiente para medir los caudales msicos a la salida de los flujos caliente y frio. Esto se consigue al masar el agua calentada (con el balde) y el condensado desde la trampa de vapor (con la probeta) en la balanza digital para un cierto instante de tiempo medido con el cronmetro. Cabe destacar que la precisin a la hora de realizar la medicin es fundamental. Adems se masan la probeta y balde vacios, y as por diferencia entre las masas obtener el caudal msico real.

4. Finalizadas las mediciones, se determina la temperatura media superficial del intercambiador. Para el cado del IC de coraza, se mide en 3 puntos equidistantes por las superficies superior, inferior, lateral derecho e izquierdo. En el IC de placas se toman 3 mediciones ambas caras principales.

Finalmente, obtenidas todas las mediciones experimentales se tabulan en las tablas de datos respectivas, para efectuar los clculos segn las leyes y correlaciones matemticas correspondientes para cada intercambiador de calor.

5. Presentacin de los ResultadosA continuacin se presentan los resultados y grficos obtenidos del anlisis de cada intercambiador de calor, segn los objetivos propuestos.Intercambiador de Calor de Coraza y TubosTabla 1 Rendimiento, Coeficiente Global de Transferencia de Calor y Perdidas de Calor (*)

Grafico 1 Coeficiente Global de Transferencia v/s Velocidad del agua por los tubos

Grafico 2 Coeficiente Pelicular (interior de los tubos) v/s N Reynolds

Intercambiador de Calor de Placas SoldadasTabla 2 Rendimiento, Coeficiente Global de Transferencia de Calor y Perdidas de Calor (*)

Grafico 3 Coeficiente Global de Transferencia v/s Velocidad del agua por los tubos

Grafico 4 Coeficiente Pelicular (interior de los tubos) v/s N Reynolds

(*) En las tablas sealadas se presenta los valores para los coeficientes globales de transferencia de calor y las prdidas de calor estructurales mediante dos mtodos: En el caso de los coeficientes globales se determinaron por el mtodo analtico indicado en la introduccin terica y de forma experimental, ms bien, calculado por medio del calor cedido, el rea de transferencia y la temperatura media logartmica. Por otra parte, las prdidas de calor estructurales se determinaron por medio de balance de energa y tambin a partir del clculo de los coeficientes peliculares de conveccin natural y radiacin.

6. Discusin de los Resultados, Conclusiones y Observaciones PersonalesEl anlisis de los intercambiadores de calor proporciona las herramientas para evaluar la transferencia de calor entre dos flujos de corrientes, siendo stas en paralelo, a contraflujo o cruzado. En el caso del laboratorio, se analizaron dos tipos de intercambiadores de calor a contraflujo uno de estos es de coraza y tubos utilizados ampliamente en la industria y el otro tipo es de placas soldadas. Principalmente se diferencian por el tipo de configuracin en el rea de la transferencia de calor y el tamao propio de la instalacin.Analizando los resultados, se observan que los rendimientos para la relacin entre el calor absorbido y cedido es cercano al 100%, para el caso del IC de coraza tiene un rendimiento promedio del 94% el cual es bastante aceptable considerando que las prdidas de calor para este intercambiador son de 2200 Btu/hr. Para el intercambiador de placas el rendimiento es superior al 100%, que no puede ser posible ya que el agua absorbera ms calor que el cedido por el flujo caliente de vapor. Para explica este fenmeno se deben evaluar todos los parmetros involucrados como las perdidas estructurales de calor y principalmente los errores experimentales.Al determinar la perdidas de calor para el intercambiador de placas por medio del clculo del coeficiente combinando de conveccin natural y radiacin, mas el rea de transferencia evaluado a la temperatura superficial promedio en la zona del intercambiador de mayor temperatura (1/3 del rea), se concluye que las prdidas son poco significativas o prcticamente nulas. Adems, para el 2/3 del rea existe un gradiente de temperatura prcticamente nulo, lo que indica que la adicin de calor del ambiente no es factible. Por lo tanto, la configuracin del rea de transferencia para un intercambiador de calor de placas soldadas aprovecha eficientemente el calor proporcionado por el caudal msico del vapor. Cabe mencionar que las prdidas calculadas por balance de energa no son cuantitativas puesto que poseen un error elevado y que queda en evidencia al comparar estos valores con las prdidas de calor mediante el coeficiente combinado, este error es a causa de descoordinaciones en la mediacin del caudal msico.Al observar los resultados, se concluye que a medida que disminuye el flujo msico del agua a calentar aumenta la temperatura ganada a salida de ste (), y como consecuencia al estar relacionada la variable del caudal msico con el coeficiente pelicular de conveccin al interior de los tubos, al aumentar tambin lo har el coeficiente global de transferencia de calor. Por lo tanto, mientras ms rpido es el flujo se favorece a la transferencia de calor absorbida por el agua, pero decrece la temperatura ganada por el calentador, lo que condicionar la temperatura de diseo del intercambiador de calor (para ambos tipos de IC). Esto queda mejor explicado con la siguiente expresin:

Entonces, para tener una temperatura de salida mayor necesariamente se debe disminuir para mantener la proporcionalidad y para el otro lado de la ecuacin el coeficiente global debe decrecer. En los grficos queda en evidencia una relacin lineal entre la velocidad del agua por los tubos y el coeficiente global de transferencia, que contrastado con las temperaturas de salida del agua la tendencia indica que sta es mayor hacia valores menores. La misma situacin ocurre para el grafico Reynolds v/s coeficiente pelicular.Al comparar los valores de los coeficientes globales de transferencia de calor con los tabulados, se confirma que son aceptables y estn dentro del rango estipulado para un Calentador de agua de Alimentacin 176 - 1496 en ambos tipos de intercambiadores de calor.

Respecto a los errores experimentales, se encuentra esencialmente la medicin del caudal msico debido a la descoordinacin de tres personas (cronometro, probeta y balde) para medir una variable en un mismo instante de tiempo. Haciendo un pequeo clculo se determina un error aproximado de 10% en las mediciones, que conlleva arrastre a otros datos como el clculo de las transferencias de calor y los coeficientes globales determinados con la temperatura media logartmica. Adems esto se puede complementar al calcular (suponiendo que el calor absorbido es del 100%) el caudal msico de agua necesario en base al calor cedido por el vapor.Finalmente, se puede decir que el intercambiador de placas soldadas es ms eficiente, sin importar los errores experimentales ya que en cierta medida son proporcionales para cada medicin y considerando que ambos funcionan bajos parmetros operacionales similares como los caudales msicos, el intercambiador de calor de placas posee un mayor coeficiente global de transferencia de calor (analtico) que el de coraza y tubos, adems de poseer un rea efectiva de transferencia superior en relacin a las dimensiones de cada uno y que facilita la turbulencia de los fluidos a contracorriente. En cuanto a las prdidas de calor que son despreciables para este tipo de intercambiador se ratifica la importancia del diseo para aprovechar al mximo el calor cedido por el flujo caliente, alcanzado temperaturas de salida para el flujo frio mayores que para el flujo caliente y que se ve reflejado por el alto rendimiento alcanzado.7. Apndice

a) Desarrollo de ClculosEn esta seccin se presentan los clculos desarrollados para la obtencin de los resultados requeridos. En primer lugar se muestran las ecuaciones y principios fsicos utilizados para cada objetivo propuesto, seguido de un ejemplo de clculo (para el primer dato) y posteriormente las tablas con los dems valores calculados en la siguiente seccin. Se debe destacar que en los clculos realizados se hicieron en unidades inglesas.Rendimiento Para ambos intercambiadores de calor se desarrolla el mismo procedimiento, el cual se basa en relacionar el calor aportado por el vapor con el absorbido por el agua calentada. Para realizar esto, se necesita determinar el caudal msico con las masas evaluadas para cada instante, las temperaturas de entrada y salida para ambos flujos y los calores especficos a la temperatura media pelicular.RendimientoEn el calor cedido por el vapor se debe considerar, el calor latente y sensible ya que la temperatura de salida del vapor es inferior a la de saturacin.Primero se deben calcular los caudales msicos con las masas efectivas, es decir, restar la masa del balde y probeta segn sea el caso, y aplicar los factores de conversin a unidades inglesas. El ejemplo considera el caso del intercambiador de coraza y tubos. Entonces:Caudal msico del Agua

Caudal msico del vapor

Luego se procede a obtener las propiedades termodinmicas de los fluidos evaluados a la temperatura pelicular ( ) como los calores especficos y las entalpias de vaporizacin a la presin absoluta (). Luego los calores transferidos son:Calor Absorbido por el agua

Calor Cedido por el vapor

Calculo del Rendimiento

Coeficiente Global de Transferencia de CalorMtodo por Temperatura Media LogartmicaEste mtodo se aplica por igual a los intercambiadores de calor y determina el coeficiente de transferencia global relacionando la temperatura media logartmica y el rea de transferencia de calor . De esta manera se encuentra el coeficiente estando en funcionamiento el intercambiador de calor y sirve como parmetro de comparacin con el valor analtico posteriormente explicado.Coeficiente Global de TransferenciaComo ya se encuentra calculado el calor transferido, solo basta determinar el rea y la temperatura media logartmica. rea de Transferencia

Para el caso del intercambiador de coraza y tubos, siendo el dimetro exterior de los tubos, el largo de los tubos y el nmero de horquillas que posee el intercambiador de calor. El rea para el IC de placas viene determinada por el fabricante y es .Temperatura Media Logartmica

Realmente se debe usar la temperatura media verdadera, la cual es igual a en siendo el factor de temperatura que corrige el valor segn la configuracin de pasos por el intercambiador de calor. Pero para los IC es igual a 1 porque existe cambio de fase.Calculo del Coeficiente Global

Mtodo AnalticoEl mtodo analtico difiere entre los intercambiadores de calor a causa de la configuracin del rea de la transferencia de calor, adems de los distintos tipos de correlaciones utilizados para el clculo de los coeficientes peliculares de conveccin forzada.Intercambiador de Coraza y TubosCoeficiente Global de transferencia de Calor

Siendo y las reas interior y exterior de las tuberas, el largo y la conductividad trmica de stas y los coeficientes peliculares al interior y exterior de los tubos, en donde cada uno tiene diferentes correlaciones para sus clculos.Coeficiente pelcula interior Modelo de Gnielinski

En donde, es el numero de Reynolds para la velocidad del agua por los tubos, el numero de Prandtl, la conductividad trmica del agua a la temperatura pelicular y el dimetro hidrulico equivalente. Siendo el factor de friccin . El modelo es vlido para el siguiente rango y .Numero de Reynolds

La densidad y viscosidad dinmica evaluadas a la temperatura pelicular y el trmino es equivalente a la velocidad del flujo (por ecuacin de continuidad). Se obtiene y Calculo Coeficiente pelicular interior

Coeficiente pelicular con cambio de fase exterior

Este modelo es para flujo de air sobre tubos horizontales con cambio de fase. Donde las propiedades como las densidades (del liquido y vapor, de ah los subndices), la viscosidad dinmica y conductividad trmica del liquido del liquido se obtiene de tablas de propiedades. La entalpia de vaporizacin se obtiene por y que relaciona el calor latente con el sensible en la transferencia de calor. La constante equivale a la aceleracin de gravedad.La temperatura superficial se puede obtener igualando el calor absorbido por el agua en un tubo con el gradiente de temperatura entre la superficie exterior del tubo y del flujo interior del agua entre la resistencia de conveccin interna antes obtenida y la resistencia por conduccin en serie. Lo anterior se entiende como:

Al aplicar esta relacin al primer dato para el IC de coraza se obtiene una temperatura , si se promedia con la temperatura superficial de la coraza para obtener un valor ms representativo de la temperatura que provoca el cambio de fase. Luego, con este valor se obtiene la entalpia de vaporizacin modificada con un valor de .Calculo del coeficiente pelicular exterior

Calculo del Coeficiente Global Mtodo Analtico

Intercambiado de Placas SoldadasCoeficiente Global de Transferencia de Calor

De forma similar al intercambiador de calor de coraza, se deber determinar los coeficientes peliculares y la resistencia trmica por conduccin para el caso de una pared plana vertical.Coeficiente pelicular flujo de agua Modelo de Raju y Chand para IC de Placas

Siendo este modelo especifico para IC de Placas segn recomienda el Manual de IC Clayton.De forma similar se al caso anterior se determinan las variables como el Numero de Reynolds, Prandtl, los coeficientes de conductividad, el dimetro hidrulico equivalente para las dimensiones de los ductos rectangulares de las placas y la velocidad por dichos ductos. Calculo del Coeficiente pelicular de flujo de agua

Coeficiente pelicular cambio de fase flujo vapor

Esta correlacin se aplica tanto para paredes o tuberas verticales. El factor modifica el valor para valores de numero de Reynolds de flujo laminar ondulado (. Las propiedades se determinan de igual forma al mtodo anterior (IC Coraza) al igual que la temperatura superficial () y equivale al ancho de la placa. El nmero de Reynolds se evala como:

Calculo Coeficiente pelicular de cambio de fase

Calculo del Coeficiente Global Mtodo Analtico

Prdidas de Calor EstructuralesLa metodologa para realizar estos clculos es aplicar balance de energa o determinar un coeficiente pelicular combinado que mezcle los efectos de la conveccin natural y la radiacin presentes en el laboratorio. Para ambos IC se aplica el mismo procedimiento.Por Balance de Energa

Para ambos IC basta solo restar los valores calculados de transferencia de calor. Por este mtodo se aprecia el error adjudicado a la medicin de los caudales msicos puesto que ha perdidas que dan negativas, lo que indica que el rendimiento del intercambiador es superior al 100 %.Por determinacin de Coeficiente Pelicular Combinado

Por lo tanto, queda definir como obtener los coeficientes peliculares, es esto dependern de la posicin y forma de la superficie para el caso de la conveccin natural.Coeficientes peliculares por conveccin naturalCilindro HorizontalPlaca Vertical CircularPlaca Vertical Rectangular Numero de GrashofCoeficiente pelicular por radiacin

Cabe destacar que las propiedades del aire se evaluar a la temperatura pelicular (, corresponde la emisividad caracterstica de cada material (de la superficie exterior) y el factor de forma que se considera igual a 1. La constante de Stefan-Boltzman .Al aplicar las correlaciones correspondientes se obtiene para el intercambiador de calor de coraza y tubos: para la parte cilndrica para las tapasEntonces como las prdidas de calor por ocurres de forma paralela por el manto del la coraza del IC y por simplificacin por las caras de los lados del cilindro las prdidas de calor son:

Realizando los clculos anteriores se obtiene Al efectuar los mismos clculos para el intercambiador de calor de placas se obtiene un coeficiente pelicular combinado de:

Pero al existir un gradiente de temperatura tan pequeo las prdidas son prcticamente nulas para 1/3 del rea con mayor temperatura.Calculo error Caudal Msico

b) Tabla de Valores Obtenidos y CalculadosTabla de Datos Obtenidos ExperimentalmenteIntercambiador de Coraza y Tubos

Intercambiador de Placas Soldadas

Adems se encuentras las mediciones de: temperatura superficial de la coraza temperatura del ambiente temperatura del agua desde la red largo del IC de coraza y tubos dimetro del exterior de la corazaTabla de Datos CalculadosIntercambiador de Calor de Coraza y TubosVariables para calcular el Rendimiento

Calores absorbido y cedido Rendimiento

Coeficiente Global de Transferencia de Calor Temperatura Media Logartmica

Propiedades Termodinmicas

Coeficiente pelicular interior

Coeficiente pelicular de cambio de fase

Coeficiente Global de Transferencia de Calor Mtodo Analtico

Intercambiador de Placas Soldadas

Variables para calcular el Rendimiento

Calores absorbido y cedido Rendimiento

Coeficiente Global de Transferencia de Calor Temperatura Media Logartmica

Propiedades Termodinmicas

Coeficiente pelicular interior

Coeficiente pelicular de cambio de fase

Coeficiente Global de Transferencia de Calor Mtodo Analtico

Las tablas de las prdidas de calor no se muestran aqu porque se encuentran en la seccin Presentacin de Resultados

Tabla de Coeficientes Globales de Transferencia de Calor

Calentador de agua de Alimentacin (debido a las temperaturas de salida del agua calentada)

Fuente: Transferencia de Calor, Yunus Cengel, 3ra Edicin.c) Bibliografa Empleada

Transferencia de Calor, Yunus Cengel, 3ra Edicin, McGraw Hill. (Tablas de Propiedades) Transferencia de Calor, A. Mills Fundamentos de la Transferencia de Calor, Incropera Manual de Consulta, Intercambiadores de Calor, Clayton Sistemas Integrales de Vapor Gua Laboratorio E940 Transferencia de Calor por Conveccin, DIMEC Apuntes de Clases, Transferencia de Calor, Profesor Manuel Pedraza G.