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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.