c221_Alvaro Socias E

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transferencia de calor

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Estudio trmico de un intercambiador de calor

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Universidad de Santiago de ChileFacultad de IngenieraDepartamento de Ingeniera Mecnica

Estudio trmico de un intercambiador de calorExperiencia C-221

Alumno: lvaro J. Socas Esquivel.Profesor: Manuel Pedraza.Asignatura: Laboratorio general II.Fecha experiencia: 14 de junio de 2011Fecha entrega: 21 de junio de 2011

NDICE

1.NDICE22.RESUMEN33.OBJETIVOS33.1Objetivo General33.2Objetivo Especfico34.CARACTERSTICAS TCNICAS DE LOS EQUIPOS E INSTRUMENTOS EMPLEADOS44.1Intercambiador de calor de tubos y coraza44.2Intercambiador de calor de placas44.3Instrumentos:55.DESCRIPCIN DEL MTODO SEGUIDO66.PRESENTACIN DE LOS RESULTADOS76.1Intercambiador de tubos y coraza76.1.1Rendimiento76.1.2Coeficiente global de transferencia de calor76.1.3Grfica coef. global de transferencia de calor vs velocidad del agua al interior de los tubos76.1.4Evaluacin del coeficiente pelicular al interior de los tubos86.1.5Grfica coeficiente pelicular vs nmero de Reynolds86.1.6Evaluacin de prdidas de calor por la coraza96.2Intercambiador de placas paralelas96.2.1Rendimiento96.2.2Coeficiente global de transferencia de calor96.2.3Evaluacin del coeficiente pelicular al interior de la placa con agua96.2.4Evaluacin de prdidas de calor en las placas106.2.5Desarrollo de modelo analtico para coeficiente global de transferencia de calor107.DISCUSIN DE LOS RESULTADOS, CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES PERSONALES138.APENDICE A168.1Valores registrados168.2Desarrollo de los clculos188.2.1Rendimiento de un intercambiador de calor188.2.2Determinacin del coeficiente global de transferencia de calor198.2.3Evaluacin del coeficiente pelicular al interior de los tubos208.2.4Evaluacin de las prdidas de calor229.APENDICE B2710.BIBLIOGRAFA EMPLEADA29

RESUMEN

En el presente informe se analiza el funcionamiento de dos tipos de intercambiadores de calor a contracorriente: Intercambiador de tubo y coraza e intercambiador de placas paralelas.Se realizara el estudio del rendimiento y las prdidas para ambos intercambiadores, y se determinar adems el coeficiente global de transferencia de calor.Para el caso del intercambiador de tubos, el anlisis se realizara para distintos niveles de caudal msico de agua, estudiando tambin la importancia y el efecto que presenta este valor en los parmetros operacionales estudiados.

OBJETIVOS

Objetivo GeneralConocer y operar un Intercambiador de Calor de coraza y tubos (vapor/agua) y de placas paralelas.

Objetivo EspecficoEstudiar y evaluar el efecto del flujo msico de agua, en los siguientes parmetros operacionales:

Coeficiente global de transferencia de calor U.

Rendimiento del intercambiador calor.

Prdidas de calor estructural.

CARACTERSTICAS TCNICAS DE LOS EQUIPOS E INSTRUMENTOS EMPLEADOS

Intercambiador de calor de tubos y corazaN tubos3

Largo tubo, Ltubo (m)2,54

Dimtro interior tubos, Dinterior (m)0,01944

Dimetro exterior tubos, Dexterior (m)0,02222

Nmero horquillas3

Tipo flujocontracorriente

Dimetro coraza, Dcoraza (m)0,17

Largo coraza, Lcoraza (m)1,37

Tabla 1.

Intercambiador de calor de placasMarcaALFA LAVAL

Modelo CB-27-24H

N Placas24

Area transf de calor (m2)0,6

Alto de palca (m)0,3

Ancho de placa (m)0,102

Espesor de placas (m)0,0005

Separacin entre placas (m)0,0019

Volumen p/canal (L)0,05

MaterialAcero Inox. 316L

Tabla 2.Ambos equipos con un barmetro instalado en la lnea de entrada del vapor, el cual proviene de la caldera ubicada en una sala al interior del laboratorio (cuarto de caldera).

Instrumentos: Termmetro digital con termocuplas de inmersin y de contactoMarca: Fluke Modelo: 51 IITipo de salida: DigitalDivisin mnima de escala: 0.1CNmero de termmetros utilizados: 4Nmero de termocuplas de inmersin utilizadas: 3Nmero de termocuplas de contacto utilizadas: 3

Cronmetro digitalMarca: CasioResolucin: 0.001 s Balanza digital Marca: SnowrexModelo: NV 30Resolucin: 0.002kg.Rango de operacin: 0 a 30k

Balde plstico

Pipeta plstica graduada

Guantes de seguridad

Huincha de medir Barmetro de mercurio

DESCRIPCIN DEL MTODO SEGUIDO

Se inicia la experiencia con un repaso terico de los tpicos relacionados con el clculo y diseo de intercambiadores de calor, presentndose algunas frmulas y de paso la interrogacin de evaluacin del profesor hacia el grupo de trabajo.Seguido, se definen las variables a controlar, realizndose una tabla con las variables.Se determinaron los instrumentos a utilizar y la forma de operacin por parte de los alumnos.Se inicia la experiencia con la purga de la lnea de vapor.Por problemas tcnicos, se efectan primero las mediciones para el intercambiado de placas. El procedimiento utilizado es el siguiente: Abrir el paso de vapor y de agua. Mantener presin de entrada de vapor en 2 psi. Controlar la temperatura del agua a la salida hasta su estabilizacin, con termocupla de inmersin. En ese instante registrar el valor de la temperatura del agua a la salida y del vapor condensado. Se da inicio al cronmetro y se registra el tiempo en que se efecta el llenado de la pipeta con el condensado, y el balde con el agua en la lnea de salida. Registrar la masa del balde con agua y de la pipeta con vapor, en la balanza digital. Realizar mediciones de temperatura sobre distintos puntos de la superficie del intercambiador. Registrar la temperatura ambiente.Solucionado luego el inconveniente con el intercambiador de tubo y coraza, se procede a operar de la siguiente manera: Controlar el paso de vapor manteniendo una presin de entrada de 2 psi. Dar el paso de agua con caudal mximo. Controlar la temperatura del agua a la salida hasta su estabilizacin, con termocupla de inmersin. En ese instante registrar el valor de la temperatura del agua a la salida y del vapor condensado. Registrar el tiempo en que se llena la pipeta con vapor condensado y el balde plstico con agua en la salida del intercambiador. Registrar la masa del balde con agua y de la pipeta con vapor, en la balanza digital. Registrar la temperatura ambiente.La experiencia con el intercambiado de tubos se realiza con 5 niveles de caudal de agua distintos.En la medicin nmero 5 se mide la temperatura sobre la coraza en 12 puntos distintos.Finalmente, se registra la presin atmosfrica.

PRESENTACIN DE LOS RESULTADOS

Intercambiador de tubos y corazaRendimiento

N MedicinFlujo de agua (kg/s)Qcedido vapor (kW)Qabsorvido agua (kW)Rendimiento (%)

10,70-83,1781,1597,58

20,58-80,0779,2698,99

30,48-78,4076,1797,16

40,28-57,7256,4997,87

50,23-52,7653,71101,80

Tabla 2. Rendimiento intercambiador de tubo y coraza

Coeficiente global de transferencia de calor

NMedicinTML(C)U(W/m2C)

176,222002

274,182009

371,162012

464,251653

559,321702

Tabla 3. Coef. U intercambiador de tubo y coraza

Grfica coef. global de transferencia de calor vs velocidad del agua al interior de los tubos

El resultado de la velocidad del agua y del coeficiente U para cada medicin se presenta a continuacin:NMedicinVint.tubo (m/s)U(W/m2C)

10,7832002

20,6512009

30,5402012

40,3151653

50,02561702

Tabla 4. Velocidad en tubos y coef. U.Y la grfica de dichos resultados es la siguiente:

Grfica 1.Evaluacin del coeficiente pelicular al interior de los tubos

NMedicinRePrfNusselthint (W/m2K)

1161936,500,0276119,523709,1

2142406,100,0286103,953248,8

3125205,710,029690,282841,7

481405,050,033457,981849,8

571714,590,034649,621599,2

Tabla 5. Coeficiente pelicular al interior de tubos.Grfica coeficiente pelicular vs nmero de Reynolds

Grfica 2.

Evaluacin de prdidas de calor por la coraza

A continuacin se presentan las prdidas de calor por la coraza del intercambiador, a partir de datos registrados en la quinta medicin. Las prdidas por conveccin natural, radiacin y prdidas totales, se muestran en la tabla siguiente:Prdidas de calor

Conveccin Qconv (W)Radiacin Qrad (W)Total Qtotal (W)

-139,14-155,09-294,23

Tabla 6.

Intercambiador de placas paralelasRendimiento

N MedicinQcedido vapor (kW)Qabsorvido agua (kW)Rendimiento (%)

1-83,1781,1597,6

Tabla 7. Rendimiento intercambiador de placas.

Coeficiente global de transferencia de calor

NMedicinTML(C)U(W/m2C)

118,263416

Tabla 8. Coef. U en intercambiador de placas.

Evaluacin del coeficiente pelicular al interior de la placa con agua

NMedicinRePrNusselthint(W/m2K)

188630,798,241304,9

Tabla 9. Coeficiente pelicular al interior de placas.

Evaluacin de prdidas de calor en las placas

Prdidas de calor

Conveccin Qconv (W)Radiacin Qrad (W)TotalQtotal (W)

-5,621-4,186-9,807

Tabla 10.

Desarrollo de modelo analtico para coeficiente global de transferencia de calor

Intercambiador de tubos y corazaRealizando un esquema de un tubo con fluido frio al interior (agua) y caliente al exterior (vapor), podemos definir los siguientes parmetros:

Es posible plantear un sistema de resistencia trmica del sistema como la suma de la resistencia trmica al interior, en la pared y en el exterior:

Lo que puede escribirse como:

Donde el flujo de calor es

Adems, el flujo calrico en funcin del coeficiente global, puede ser escrito como:

As, es posible igualar ambas expresiones:

Dividiendo por y por , se obtiene:

Y reemplazando por los parmetros conocidos, se obtiene finalmente:

Luego, se tiene que todos los valores de la expresin son conocidos