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Intercambio de calor en Tubo Concntricos en Flujo

Paralelo y Contracorriente

INTRODUCCIN

Los intercambiadores de calor de tubos concntricos, son los intercambiadores de calor

ms sencillos. Estn constituidos por dos tubos concntricos de dimetros diferentes. Uno

de los fluidos fluye por el tubo de menor dimetro y el otro fluido fluye por el espacio

anular entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos

configuraciones en cuanto a la direccin del flujo de los fluidos: contra flujo y flujo

paralelo. En la configuracin en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo

extremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuracin encontrar flujo los fluidos

entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos.

En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio

nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un

intercambiador de calor en contracorriente la temperatura de salida del fluido frio puede

ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso lmite se tiene cuando la

temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido

caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la

temperatura de entrada del fluido caliente.

En un intercambiador de calor participan dos o ms corrientes de proceso, unas actan

como fuentes de calor y las otras actan como receptores del calor, el cual se transfiere a

travs de las paredes metlicas de los tubos que conforman el equipo (contacto indirecto).

Los equipos utilizados para calentar fluidos emplean generalmente vapor como fuente de

calentamiento, los equipos utilizados para enfriar fluidos emplean usualmente agua como

fluido de enfriamiento.

Cuando existe una diferencia de temperatura entre un tubo y el fluido que circula por l,

se transfiere calor entre la pared del tubo y el fluido. El flujo de calor intercambiado por

unidad de tiempo, puede expresarse en funcin de un rea de intercambio (A), una

diferencia de temperatura caracterstica (T), siendo la constante de proporcionalidad el

coeficiente de transferencia de calor

(h).

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1 . OBJETIVOS

1.1 Objetivo General:

Comprobar que la temperatura del fluido caliente disminuye a la vez que se

desplaza por el tubo, por lo tanto la temperatura del fluido fro aumenta al

desplazarse, siempre y cuando la temperatura del fluido fro es menor que la del

fluido caliente en cualquier punto de la longitud.

1.2 Objetivo Especfico:

Determinar cmo varia el valor de U con la temperatura en el transcurso del

intercambiador.

Estimar el calor transferido, y el calor perdido al ambiente en el intercambiador

de tubos concntricos.

Determinar todos los coeficientes de conveccin para cada fluido, como el

coeficiente global de transferencia de calor U en el intercambiador de tubos

concntricos.

3

FUNDAMENTO TERICO

Intercambiador de Calor de Tubo Concntricos

El Intercambiador de Calor de Tubos Concntricos nos permite el estudio de la

transferencia de calor entre el agua caliente que circula por un tubo interior y el agua fra

que circula por la zona anular entre el tubo interior y el tubo exterior.

Revisin del equipo. Ver si las vlvulas correspondientes estn cerradas o estn abiertas.

Poner el agua de refrigeracin en circulacin abriendo la vlvula correspondiente y

mantener un valor constante indicado por el rotmetro. Este valor ser dado a conocer

por el profesor al comienzo de la prctica.

Prender la bomba.

Abrir la vlvula que controla el flujo de aceite lentamente hasta obtener un valor

necesario. Este valor tambin ser indicado por el profesor al comienzo de la prctica.

Abrir la vlvula que da paso al vapor hasta un valor de presin que ser fijado al iniciar

la prctica y se mantendr constante.

Permitir la estabilizacin del equipo.

Tomar los datos indicados.

4

Datos tcnicos del intercambiador de tubos concntricos

Datos del tubo de acero (Tubo interior)

Longitud de cada tubo = 0.50m

Dimetro interior = 16x10-3m

Dimetro exterior = 18x10-3m

Espesor o grosor = 10- 3 m

rea interna de transferencia de calor: Ah = 0,0503 m2

rea externa de transferencia de calor: Ac = 0,0565 m2

Datos del tubo de cobre (Tubo exterior)

Dimetro interno: Dint. = 26*10-3 m

Dimetro externo: Dext. = 28*10-3 m

Espesor o grosor = 10- 3 m

rea interna de transferencia de calor: Ah = 0,0817 m2

rea externa de transferencia de calor: Ac = 0,0880 m2

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DESCRIPCIN DE ABREVIATURAS:

Ah: rea de la superficie del tubo en contacto con el fluido caliente (m2)

Ac: rea de la superficie del tubo en contacto con el fluido fro (m2)

Th : temperatura media del fluido caliente (k)

Tc: temperatura media del fluido fro (k)

hh: coeficiente de conveccin del fluido caliente (w/m2 k)

hc: coeficiente de conveccin del fluido fro (w/m2 k)

K: conductividad trmica del cobre (w/m k)=398.79w/m k

A: rea media del tubo de cobre (m2)=0.0848m2

X espesor de la pared del tubo de cobre (m)=1x10-3m2

T2= Temperatura de agua caliente al ingreso del intercambiador.

T4= Temperatura de agua fra al ingreso del intercambiador.

T3= Temperatura de agua caliente enfriada a la salida del intercambiador.

T8= Temperatura de agua fra calentada a la salida del intercambiador.

mh: Flujo msico de agua caliente (SC-1)

mc: Flujo msico de agua fra (SC-2)

Am: rea media de acero (por cada tubo)=0.0534m2

U: Coeficiente global de transferencia del calor.

Tlm: Diferencia media logartmica de temperatura.

Cph: Calor especifico del fluido caliente.

Cpc: Calor especifico del fluido fro.

E:Efectivid

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Intercambiador de calor:

Un intercambiador de calor es un aparato que transfiere energa trmica desde un fluido a

alta temperatura hacia un fluido a baja temperatura, con ambos fluidos movindose a

travs del aparato.

Los intercambiadores de calor tienen diferentes nombres segn el uso, como por

ejemplo:

Los calentadores: Se usan primariamente para calentar fluidos de proceso y

generalmente es utilizado vapor como fluido de calentamiento, para este fin.

Los enfriadores: se emplean para enfriar fluidos de proceso; el agua es utilizada como el

medio enfriador principal.

Los condensadores: Son enfriadores cuyo principal propsito es eliminar calor latente

para lograr la condensacin de un gas.

Los hervidores: Tienen el propsito de suplir los requerimientos de calor en los procesos

de destilacin como calor latente.

Los evaporadores: Se emplean para la concentracin de soluciones por evaporacin de

agua, si se evapora otro fluido adems del agua, la unidad se llama vaporizado

Ecuaciones que se usaron para la resolucin del informe:

Balance de energa global

perdidoQ q Q

Calor cedido por el fluido caliente

1 2. ( )pQ wC T T

Calor absorbido por el fluido fro

7

2 1* ( )pq w C T T

Y considerando que las prdidas de calor son despreciables, se tiene que

Debido a que existen diferentes errores en las mediciones as como variaciones en los flujos

de alimentacin al equipo, los valores de Q y q son diferentes por lo cual se calcula el calor

promedio para los clculos posteriores:

Calor:

Coeficiencia global de transferencia de calor

Variacin de temperatura logartmica

Calor perdido de agua Caliente

q Q

( )

2

Q qQ

1 1

. . .

h c

h h c c

T Tq

x

h A k A h A

.( )h cA T TUq

3 2* ( )h h phq m C T T

1 2

1

2

( )LM

n

T TT

TL

T

8

Calor perdido de agua frio

Efectividad

Equipos y materiales

1. Intercambiador de calor: El intercambiador de calor est formado por dos tubos concntricos. El agua caliente circula

por el tubo interior y el agua de enfriamiento circula por el espacio entre el tubo interior y el

tubo exterior.

El intercambiador tiene 7 termopares distribuidos estratgicamente: 5 para medir la

temperatura del agua fra (ST-2, ST-4 y ST-6, ST-8 y ST-10) y 2 para medir la temperatura

del agua caliente (ST-3 y ST-5). Adems incorpora 1 sumidero para liberar e aire acumulado

dentro del tubo exterior (AP-1).Formado por tubos de acero inoxidable con agua caliente

7 4

2 4

T T

T T

7 4* ( )c c pcq m C T T

9

circulando por el interior de 4 deflectores segmentados situados de forma transversal en el

tubo.

2. Consola Electrnica Sistema SCADA

Este equipo es comn para los Intercambiadores

de Calor, una de sus ventajas es que permite

trabajar con uno o varios intercambiadores.

Sirve como interface entre los equipos fsicos

como sensores, bomba, intercambiador y el

programa que permite monitorear y ejecutar los

procesos mediante una PC.

Sistema de Entrenamiento de Intercambiadores de Calor, Controlado desde Computador

3. Sistema de control

La temperatura del agua del tanque se controla mediante la potencia de la resistencia y limita

la temperatura a 70C.

El caudal de agua fra se regula mediante la vlvula de control (AVR-2).

El caudal de agua caliente se regula con el sistema de variacin de la velocidad de la bomba y

la vlvula de regulacin situada en la derivacin (AVR-1).

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Identificacin Descripcin

ST-1 Sensor de temperatura del agua del depsito

ST-2 Sensor de temperatura del agua fra a la entrada o salida del intercambiador

ST-3 Sensor de temperatura del agua caliente a la entrada del intercambiador

ST-4 Sensor de temperatura del agua fra entre el primero y el segundo intercambiador

ST-5 Sensor de temperatura del agua caliente a la salida del intercambiador

ST-6 Intercambiador de temperatura del agua fra en el punto intermedio del segundo

intercambiador.

ST-8 Sensor de temperatura del agua fra en el tercer punto medio del intercambiador

SC-1 Sensor de caudal del agua caliente

SC-2 Sensor de caudal del agua fra

AVR-1 Vlvula de regulacin del caudal de agua caliente

AVR-2 Vlvula de regulacin del caudal de agua fra

AN-1 Interruptor de nivel del agua del depsito

AR-1 Resistencia elctrica

AB-1 Bomba centrfuga de circulacin del agua caliente

AP-1 Purgador del circuito de agua fra

AP-2 Purgador del circuito de agua caliente

AV-2, AV-3, AV-4 y AV-5 Vlvulas de bola del circuito de agua fra para fijar flujoparalelo

o flujo contracorriente

AV-1, AV-6, AV-7 Y AV-8 Vlvulas de bola para vaciado de las tuberas.

ST-10 Sensor de temperatura de agua fra a la salida y entrada del intercambiador

AVS-1 Vlvula de seguridad

AVS-2 Vlvula de seguridad

4. Depsito de calentamiento

Depsito de acero inoxidable equipado con:

- Resistencia elctrica (AR-1) (3000W) con termostato (70C). - Termopar tipo J para medir la temperatura del agua (ST-1). - Interruptor de nivel para controlar el nivel de agua del depsito (AN-1). - Tapa de acero inoxidable para evitar el contacto con el agua caliente.

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- Vlvula de vaciado del agua del depsito.

5. Bomba (AB-1) Bomba centrfuga con adaptador de velocidad variable.Rango: 0-3 l. /min.

6. Sensores 6.1. Sensor de caudal: Rango: 0,2 a 2 l./min

- Transductor electrnico de caudal con cuerpo de copo limero de acetaldehdo y juntas de compresin de latn en ambos extremos..

- 2 unidades: una de agua caliente (SC-1) y otra de agua fra (SC-2). 6.2. Sensor de temperatura:

- Termopar tipo J de 100 mm de longitud y 4 mm de dimetro. - 8 unidades: una para el depsito de agua (ST-1) y siete distribuidas en el

intercambiador (ST2, ST-3, ST-4, ST5, ST-6, ST-8 y ST-10).

7. Interruptor de nivel - Interruptor de lminas e imn actuador con pivotamiento, encapsulado en molduras de

polmero impermeable.

- 1 unidad para controlar el nivel de agua del depsito (AN-1) 8. Control del flujo

- 2 vlvulas de control con cuerpo de latn: una para controlar el agua fra (AVR-2) y otra para controlar el agua caliente (AVR-1).

- 4 vlvulas de bola que segn se manipulen nos proporcionan flujo paralelo o contracorriente en el intercambiador (AV-2, AV-3, AV-4 y AV-5).

9. Sistema de eliminacin del aire - 2 tapones purgadores, uno en el circuito de agua caliente (AP-2) y otro en el circuito

de agua fra (AP-1).

10. Vlvulas de vaciado - 4 vlvulas de bola (AV-1, AV-6, AV-7 y AV-8).

11. Accesorios - 4 tubos flexibles para conectar el intercambiador con la unidad base, incluidos junto

con el equipo TICT de EDIBON

Descripcin y Funcionamiento del Intercambiador de Calor de Tubo Concntricos

Revisin del equipo: Ver si las vlvulas correspondientes estn cerradas o estn abiertas.

Poner el agua de refrigeracin en circulacin abriendo la vlvula correspondiente y

mantener un valor constante indicado por el rotmetro. Este valor ser dado a conocer por

el profesor al comienzo de la prctica.

Prender la bomba.

Abrir la vlvula que controla el flujo de aceite lentamente hasta obtener un valor

necesario. Este valor tambin ser indicado por el profesor al comienzo de la prctica.

Abrir la vlvula que da paso al vapor hasta un valor de presin que ser fijado al iniciar la

prctica y se mantendr constante.

Intercambiador de Calor tubo Concntricos

Es importante decir que para este tipo de intercambiadores, la temperatura de salida del

fluido fro nunca excede a la temperatura de salida del fluido caliente.

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En el de flujo contracorriente, la zona ms caliente del fluido caliente intercambia calor

con la zona ms caliente del fluido fro y la zona ms fra del fluido caliente con la zona

ms fra del fluido fro. Esta configuracin proporciona una transferencia de calor tan

buena, entre las partes calientes de ambos fluidos en un extremo, como entre las partes

fras en el otro extremo. Adems la temperatura de salida del fluido fro puede exceder a

la temperatura de salida del fluido caliente.

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TRANSFERENCIA DEL CALOR DE TUBO CONCNTRICOS EN MODO

PARALELO

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Clculo de Datos de Tubo Concntricos en Flujo

Paralelo

Nota:

Para calcular la masa de agua en cada prueba usamos el caudal. Tomando como tiempo

usado para cada prueba 1min, tenemos que el valor de caudal que aparece en la tabla es

precisamente la cantidad de litros de agua que se utilizan en cada prueba.

Adems: 1 lt. H2O = 1 Kg. H2O

Para hallar el clculo aproximado del calor ganado o perdido, utilizaremos la siguiente

ecuacin.

= calor especfico del agua a 300 K

Recordando:

Como las temperaturas oscilan entre 314.8K y

298.1 K tomamos la temperatura promedio 306.45 K. En este caso trabajaremos con el

calor especfico Cp=1.8723KJ/Kg*K correspondiente a una temperatura de 300 K que

sacamos de la tabla A-2 del apndice 1 del libro Cengel. Con este Cp calcularemos

aproximadamente el calor perdido y ganado del agua caliente y fra respectivamente.

Anlisis de datos

Experimento n 1 para T 25c

=

= 20.6

=

= 20.8

2453.1

2452.7

q=

= 19.7715

U=

= 0.000858

= =0.3

= =0.1

* *( )p f iQ m C T T 1.8723

*p

KjC

Kg

k

18

=

= 0.18

q = U* * =8*

= 1.9

=32* /s

= 4186 J/Kg * C

= * ( ) = 0.0181

= * ( ) = 0.0552

= 2.0

= /s

U =

1.8830

Comparemos y

Tenemos:

=

= 0.09

Experimento n 2 para T 30c

=

= 21.15

=

=21

2450.1

2452.9

q=

= 15.5311

U=

= 0.000819

= =0.1

= = 0.6

=

= 0.27

q = U* * =

= 1.3

=22 /s

= 4186 J/Kg * C

= * ( ) = 0.0644

= * ( ) =0.0640

= 1.3

= /s

U =

4.4666

Comparemos y Tenemos:

19

=

= 0.101

Experimento n 3 para T 35c

=

=

= 21.90

=

=

= 21.4

q=

=32.5225

U=

=1.3037x10

-3

= =0.1

= =1

=

=

=0.3908

q = U* * = 4.3212*

= 1.4

= 23x10

-6 /s

= 4186J/Kg * C

= * ( ) = 0.1540

= * ( )== 0.0418

= 1.0

= 1.6666* /s

U =

Comparemos y

Tenemos:

=

= 0.0966

Experimento n 4 para T 40c

=

= 23.55

=

=22.6

q=

= 61.7116

U=

= 1.3054x10

-3

= = 0.2

= = 1.7

20

=

=

= 0.2336

q = U* * = 2.5863*

= 0.7

= 1.1666* /s

= 4186J/Kg * C

= * ( ) = 0.1513

= * ( ) =0.1004

= 0.9

= 1.5* /s

U =

Comparemos y

Tenemos:

=

= 0.1025

Experimento n 5 para T 45c

=

= 24.15

=

= 22.85

q=

=84.3836

U=

=1.3064x10

-3

= =0.6

= =2

=

=

=1.1628

q = U* * = 1.28820*

= 1.0

= 1.6666x10

-5 /s

= 4186J/Kg * C

= * ( ) = 0.2023

= * ( )== 0.07325

= 0.7

= 1.1666* /s

U =

Comparemos y

Tenemos:

=

= 0.10

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INTERCAMBIO DE CALOR DE TUBO CONCNTRICO EN FLUJO

CONTRACORRIENTE

Transferencia del Calor de Tubo Concntrico en modo Contracorriente

22

23

24

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CONCLUSIONES

El intercambiador de calor de tubos concntricos es uno de los menos eficientes puesto

que el rea de contacto entre los fluidos es menor que en otro tipo de intercambiadores,

esto hace que las prdidas de calor sean significativas, adems si los flujos msicos son

muy grandes se necesitaran reas de contacto mayor implicando tal vez ms costos.

Los intercambiadores de calor deben estar aislados para garantizar una buena eficiencia

del proceso, los aislantes necesariamente deben tener una baja conductividad trmica. En

la seccin de calentamiento, se dificulta la medicin de los caudales del vapor

condensado, porque existen varias posibilidades de fugas en el sistema.

Se puede concluir de las tablas 2.2 y 2.4 que los valores aproximados del intercambio de

calor son muy prximos a los valores exactos. Esto debido a que el calor especfico

aproximado corresponde a la temperatura media de las temperaturas de entrada.

Segn los datos obtenidos hemos llegado a una conclusin en el laboratorio realizado las

pruebas de tubo concntrico en paralelo notas que:

La eficiencia en cada una de las muestras es muy baja , por lo cual podemos concluir que

de los intercambiadores de calor, el de tubo concntrico es aquel q tienes una gran

prdida de energa.

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BIBLIOGRAFA

http:/es.wikipedia.org/wiki/intercambiador_de_calor

Termodinmica, Cengel Boles, Sexta edicin, Ed. Mc Graw Hill, Mxico 2009

Introduccin a la Termodinmica, Jorge A. Rodrguez

Manual del intercambiador de tubos concntricos EDIBON, 2006.

www.edibon.com

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ANEXOS

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