INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOS EN FLUJO

PARALELO Y CONTRAFLUIDO

Objetivo:

1. Calcular el coeficiente de transferencia de calor total U del intercambiador de

calor.

2. Este cálculo se realizará de una manera práctica y teórica.

3. Comparar los resultados obtenidos del coeficiente de transferencia de calor

teórico y práctico.

4. Investigar y establecer las diferencias entre flujo paralelo y contraflujo,

incluyendo las ventajas que un sistema tiene sobre el otro.

Fundamentos teóricos:

A continuación se presenta un análisis completo de los intercambiadores de calor por

los dos métodos de la diferencia de temperaturas media logarítmica (DTML) y el

método eficiencia – NUT

Descripción detallada de la practica

Para el caso del grupo número 1 la práctica consistió en realizar la configuración en

paralelo, para lo cual se configura el sistema como lo indica la placa.

La misma que presentaba lo siguiente.

For 8 pass hot water heating, open valves C D F & L, close vlave A B & E

For parallel flow of cooling medium open valve J & G close valve H & K.

Una vez realizada esta combinación de abiertas y cerradas de válvulas se prende el

sistema y se deja que se estabilice la temperatura y luego para diversas combinaciones

de flujos másicos de agua caliente y fría se tomaba las lecturas de los 18 termómetros

que indican las temperaturas en los diferentes puntos.

El procedimiento para la toma de lecturas de los manómetros consiste en realizar una

tabla para las diferentes temperaturas que inicia con T1 y termina con T18. Las lecturas

se toman para combinaciones de masa fría de 500, 1000, 1500 litros por hora mientras

que la masa caliente es constante en 500 litros por hora, luego para las mismas

combinaciones de masa fría y con la masa caliente en 1000, finalmente para las mismas

combinaciones de masa fría pero ahora con una masa caliente de 1500 litros por hora.

En total es un grupo de 9 filas de temperaturas.

DESCRIPCION DE LOS PASOS REALIZADOS EN LA PRACTICA

PRIMERA PARTE

Calculo de U práctico

Para flujo paralelo:

Para cada una de las 9 lecturas se calcula:

1. T18T10iYc,oTc,TcyT9T1oTh,iTh,Th ΔΔ

2. Th = (Th,i + Th,o)/2 para obtener ρh y Cp,h y Tc = (Tc,I + Tc,o)/2 para obtener

cρ y Cp,c.

3. La conversión de Qh y Qc de Lt/h a 3m /s.

4. Flujo másico caliente y frío, (dm/dt)h = ρh x Qh y (dm/dt)c = cρ x Qc

5. qh = (dm/dt)h x Cp,h x ThΔ y qc = (dm/dt)c x Cp,c x TcΔ

6. q = (qh + qc)/2

7. Ai = DiL y Ao = DoL

8. A = (Ai + Ao)/2

9. i)Tc,io)/(Th,Tc,o(Th,/Lni)Tc,i(Th,o)Tc,o(Th,ΔTml(FP)

10. De la ecuación )(FPTmlUAq se despeja U práctico.

Para contraflujo:

Para cada una de las 9 lecturas se calcula:

1. T18T10iYc,oTc,TcyT9T1oTh,iTh,Th ΔΔ

2. Th = (Th,i + Th,o)/2 para obtener ρh y Cp,h y Tc = (Tc,I + Tc,o)/2 para obtener

cρ y Cp,c .

3. La conversión de Qh y Qc de Lt/h a 3m /s.

4. Flujo másico caliente y frío, (dm/dt)h = ρh x Qh y (dm/dt)c = cρ x Qc

5. qh = (dm/dt)h x Cp,h x ThΔ y qc = (dm/dt)c x Cp,c x TcΔ

6. q = (qh + qc)/2

7. Ai = DiL y Ao = DoL

8. A = (Ai + Ao)/2

9. i)Tc,io)/(Th,Tc,o(Th,/Lni)Tc,i(Th,o)Tc,o(Th,ΔTml(FP)

10. De la ecuación )(FPTmlUAq se despeja U práctico.

Se obtendrán 9 valores de U práctico en flujo paralelo y 9 valores de U práctico en

contraflujo.

Calculo de U teórico

Se utilizará la siguiente ecuación:

)/()/,"(2/)/()/()/( hoAolAoofRkLDiDoLnhiAilUAI

Donde:

U es el coeficiente global de transferencia de calor

A es el área lateral promedio = (Ai+Ao)/2

Ai es el área lateral interna = Di L

Ao es el área lateral externa = Do L

hi es el coeficiente de convención interno

ho es el coeficiente de convención externo

Di es el diámetro interno = 0.01661 m.

Do es el diámetro externo = 0.01905 m.

L es la longitud de la tubería = 8 m.

K es el coeficiente de conducción de la tubería (aluminio)

R”f,i es el factor de incrustaciones interno = 0.0001 2m °K/W

R”f,o es el factor de incrustaciones externo = 0.0001 2m °K/W

El cálculo de U se tomará de la lectura 5 de flujo paralelo.

Para la lectura 5 en flujo paralelo se calcula:

1. Th = (Th,i + Th,o)/2 y Tc = (Tc,i + Tc,o)

2. T = (Th + Tc)/2

3. K de la tubería de aluminio a la temperatura T

4. hi (para flujo interior caliente)

a. Se calcula h, Kh, Prh, vh, h y Cp,h a la temperatura Th

b. (dm/dt)h = h x Qh

c. Re = 4(dm/dt)h/ Di h

d. NuD = 0.023 3.054

PrRe h

e. hi = NuD x Kh/Di

5. ho (para flujo exterior frio)

a. Se calcula c, Kc, Prc, vc, c y Cp,c a la temperatura Tc

b. (dm/dt)c = c x Qc

c. Re = 4(dm/dt)c/ (Di+Do) c

d. NuD = 0.023 3.054

PrRe c

e. ho = NuD x Kc/(Do-Di)

6. Se despeja U teórico de la ecuación (1)

7. Se compara el U teórico con el U práctico correspondiente a la lectura 5 en flujo

paralelo.

SEGUNDA PARTE

En esta parte se realizará el cálculo del coeficiente local de transferencia de calor U para

las distintas secciones del intercambiador de calor. Se realizará una gráfica de cómo

varía U a través de los 8 tramos del intercambiador de calor. En el cuadro y los gráficos

se deberá incluir para el flujo paralelo, lecturas 4, 5 y 6 los flujos másicos de agua

caliente y fría. Se usará la misma metodología para el cálculo del U práctico. La única

diferencia consiste en que en la primera parte la longitud del tramo es de 8 metros y en

esta segunda parte habrá 8 tramos de 1 metro de longitud cada uno.

Para las lecturas 4, 5 y 6 en flujo paralelo se realizará lo siguiente:

Para la lectura 4, Qh = 1000 Lt/h y Qc = 500 Lt/h

1. Se tendrá 8 tramos de 1 metro de longitud de agua caliente con Th,i y Th,o

2. Se tendrá 8 tramos de 1 metro de longitud de agua fría con Tc,i y Tc,o

3. Para cada tramo de agua fría y caliente se obtendrá un valor U práctico.

4. Se obtendrán 8 valores de U práctico.

5. Se grafican los 8 valores de U práctico vs los 8 tramos de 1 metro de longitud de

tramo de tubería.

Para la lectura 5, Qh = 1000 Lt/h y Qc = 1000 Lt/h y la lectura 6, Qh = 1000 Lt/h y Qc =

1500 Lt/h se repiten los pasos 1 al 5.

Cálculos representativos:

1. Hacer el cálculo del U práctico global con (T1, T9, T10 y T18) para las dos

prácticas tanto flujo paralelo, como contra flujo. Son 18 U prácticos globales.

2. Hacer el cálculo de U teórico que te corresponda (distintas lecturas son

asignadas a estudiantes). Usar (T1, T9, T10, T18)). Sacar un error entre U teórico

global y U práctico global.

3. Hacer el cálculo de U práctico local que te corresponda (de la misma lectura que

es asignada en el Item anterior). Aquí usará las 18 temperaturas para hallar 8 U

locales por ej: para U1 en flujo paralelo usar:

U1 (T1 = Thi, T2 = Tho, T10 = Tci, T11 = Tco)

Tablas de datos:

Gráficos

Gráficos de U práctico

Gráfico de U práctico para paralelo vs contraflujo

Gráfico de U práctico local para su lectura asignada

Conclusiones:

Recomendaciones: