INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS
María Claudia Romero, Natalia Ballesteros, Julián Vargas Echeverry
Resumen
En un intercambiador de calor participan dos o más corrientes de proceso,
unas actúan como fuentes de calor y las otras actúan como receptores del
calor, el cual se transfiere a través de las paredes metálicas de los tubos que
conforman el equipo (contacto indirecto). Los equipos utilizados para calentar
fluidos emplean vapor como fuente de calentamiento, los equipos utilizados
para enfriar fluidos emplean agua como fluido de enfriamiento. Cuando existe
una diferencia de temperatura entre un tubo y el fluido que circula por él, se
transfiere calor entre la pared del tubo y el fluido.
Palabras claves: intercambiador de calor de tubos concéntricos, coeficiente
de transferencia de calor, transferencia de calor, balance de energía.
Abstract:
In a heat exchanger involves there are two or more process flows, acting as a
heat source and the others act as receivers of heat which is transferred
through the walls of metal tubes that make up the equipment (indirect
contact). The equipment used to heat fluids used as a source of steam heating
equipment ¿? used to cool fluids
employ water as cooling fluid.
When a temperature difference between a tube and the fluid flowing through
it, heat is transferred between the tube wall and fluid.
Key words:
Concentric tube heat exchanger, heat transfer coefficient, heat transfer,
energy balance.
Objetivos
Estimar
el
calor
transferido, y el calor
perdido al ambiente en el
intercambiador de tubos
concéntricos.
Determinar
todos
los
coeficientes de convección
para cada fluido, como el
coeficiente
global
de
transferencia de calor U en
el intercambiador de tubos
concéntricos.
Introducción
Los intercambiadores de calor de
tubos
concéntricos,
son
los
intercambiadores de calor más
sencillos. Están
constituidos por
dos tubos concéntricos de diámetros
diferentes. Uno de los fluidos fluye
por el tubo de menor diámetro 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
dirección del flujo de los fluidos:
contra flujo y flujo paralelo. En la
configuración en flujo paralelo los
dos fluidos entran por el mismo
extremo y fluyen en el mismo
sentido. En la configuración en
contra 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 límite 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.
¿Bibliografía usada?
Datos Experimentales
Temperatura ambiente: 26°C
Presión del laboratorio: 86 KPa
Tubo interiorexterior:
ID= O.1254ft (0.0382 m)
OD=0.1354 ft (0.0413 m)
Tubo exteriorinterior:
ID= 0.0854 ft (0.0260 m)
OD= 0.0938 ft (0.0286 m)
L= 9.39ft (2.86 m)
Sección de calentamiento: 3 tubos
Sección de enfriamiento: 5 tubos
☺Densidad prom del agua entre 26
y 28ºC: 996.59 kg/m3= 62.22 lb/ft3
☺Densidad del condensado a 67ºC:
979.34 kg/m3= 61.14 lb/ft3
☺Densidad del condensado a 68ºC:
978.78 kg/m3= 61.10 lb/ft3
☺Densidad del condensado a 57ºC:
984.66 kg/m3= 61.47 lb/ft3 [1]
¿A qué temperatura? Densidad del
aceite: 55.839 lb/ft3
☺ =0.9cP=6.048x10-4Lb/ft s
T14=27
T15=28
T16=28
T14=80.6
T15=82.4
T16=82.4
☺κ =0.356 Btu/(h ft ºF) [2]
a40°C:
3.24cP=2.177x10-3Lb/ft s
a29°C:
5.548cP=3.728x10-3Lb/ft s
κ a40°C=0.0764 Btu/(h ft ºF)
κ a29°C=0.076 Btu/(h ft ºF)
Cpaceitea40°C=0.463 Btu/(lb ºF)
Cpaceitea29°C=0.44 Btu/(lb ºF)
☺ Cp prom del agua=1.008 Btu/Lb
ºF
☺ ∆H = 967.65 Btu/lb a P de
vapor
CASO 1
Presión de vapor: 7 psi
Flujo de aceite:
6.4 gpm=0.0143 ft3/s
Flujo de agua:
448 cm3/s=0.0158 ft3/s
Flujo de condensado:
4.388 mL/s=1.55x10-4 ft3/s
Temperatura del condensado: 67°C
Temperatura
(°C)
T1=54
T2=55
T3=56
T4=58
T5=57
T6=56
T7=56
T8=55
T9=54
T10=101
T11=26
T12=27
T13=27
Temperatura
(°F)
T1=129.2
T2=131
T3=132.8
T4=136.4
T5=134.6
T6=132.8
T7=132.8
T8=131
T9=129.2
T10=213.8
T11=78.8
T12=80.6
T13=80.6
CASO 2: DATOS VARIANDO EL
CAUDAL DE ACEITE
Flujo de aceite:
10 gpm=0.0223 ft3/s
Flujo de agua:
448 cm3/s=0.0158 ft3/s
Flujo de condensado:
6.035 mL/s=2.13x10-4 ft3/s
Temperatura del condensado: 68°C
Temperatura
(°C)
T1=56
T2=57
T3=58
T4=60
T5=59
T6=57
T7=57
T8=55
T9=56
T10=98
T11=28
T12=27
T13=28
T14=29
T15=30
T16=30
Temperatura
(°F)
T1=132.8
T2=134.6
T3=136.4
T4=140
T5=138.2
T6=134.6
T7=134.6
T8=131
T9=132.8
T10=208.4
T11=82.4
T12=80.6
T13=82.4
T14=84.2
T15=86
T16=86
CASO 3: DATOS VARIANDO EL
CAUDAL DE AGUA
Flujo de aceite:
6.4 gpm=0.0143 ft3/s
Flujo de agua:
2.68 cm3/s=9.46x10-5 ft3/s
Flujo de condensado:
5.806mL/s=2.05x10-4 ft3/s
Temperatura del condensado: 57°C
Temperatura
(°C)
T1=55
T2=56
T3=56
T4=56
T5=56
T6=55
T7=54
T8=53
T9=55
T10=107
T11=28
T12=27
T13=28
T14=28
T15=30
T16=30
Temperatura
(°F)
T1=131
T2=132.8
T3=132.8
T4=132.8
T5=132.8
T6=131
T7=129.2
T8=127.4
T9=131
T10=224.6
T11=82.4
T12=80.6
T13=82.4
T14=82.4
T15=86
T16=86
Donde A = 8DO 3L= 11.98ft2 Están
usando el diámetro equivocado. Es
el área de transferencia de calor, así
que el área es la de contacto entre
los dos fluidos (diámetro del tubo
interior)
Cálculo de coeficientes de
convección específicos y peliculares:
Con
9
:
';.(=
>.('?@
=
=224.6 Diámetro
equivocado
Y Reaceite=.A ∗
BCDEF
HG
ICDEF
Donde +$= 8Do2/4=0.0144ft2
Diámetro equivocado
Leo JK [2]
ℎ = JK
MCDEF
:
%N)%
Donde N es aproximadamente 1
ℎ = ℎ
Cálculo modelo
Sección de calentamiento:
= ∆ − !"
= ∆ − #$
%&' − &( )
,-&. =
%1 41 )
/0 %123 415 )
23
6
Donde TVS: Temperatura de vapor
saturado a la p de vapor (176.4ºF
Esta no es la T)
#$
%&' − &( )
*=
+ ∗ ,-&.
.A
.P
Cálculo del coeficiente total de
transferencia de calor para el
intercambiador limpio:
*O =
!"
= *+ ,-&.
%&' − &( )
OCDEF µCDEF 1/3
)
MCDEF
ℎ ∗ ℎ
ℎ + ℎ
Donde ℎ = 1500 Btu / (h ft2 ºF)
Cálculo de factor de obstrucción
para la sección de calentamiento:
R =
*O − *
*O ∗ *
Sección de enfriamiento:
Se considera que no hay pérdidas
de calor hacia el ambiente
#$
%&' − &S ) = *´ ∗ +´ ∗ ,-&.´
*
" =
%&' − &(T ) − %&S – &(( )
,-&.´ =
%1 41 )
/0 %16 –15V )
W
55
Cálculo del factor de obstrucción
para la sección de enfriamiento:
#$
%&' − &S )
+´ ∗ ,-&.´
*´ =
ℎ´ ∗ ℎ´
ℎ´ + ℎ´
R´ =
*
" − *´
*
" ∗ *´
Donde A´= 8DO 5L= 19.97ft2
Diámetro equivocado
Con
9´
:
@T.Y?
>.('?@
=
= 374.4 Diámetro
equivocado
Y R´eaceite=.A ∗
BCDEF
HG
ICDEF
Leo J´K [2]
MCDEF
ℎ´ = J´K
:
OCDEF µCDEF 1/3
)
MCDEF
%N)%
ℎ´ = ℎ´
.A
.P
El número de Reynolds para el agua
de enfriamiento:
Con
9´
:
=
@T.Y?
>.>@(T
=1128.6 ¿De dónde
salió este diámetro?
Y R´eagua=.Z ∗
BC[\C
HG
IC[\C
Donde Aa= 8De2/4=1.36x10-3 ft2
Resultados tabulados
T ºF
CASO1
CASO CASO
2
3
T1
129.2
132.8 131
T2
131
134.6 132.8
T3
132.8
136.4 132.8
T11
78.8
82.4
82.4
T16
82.4
86
86
CASO1
CASO CASO3
2
☺
O.796
1.245 0.798
lb/s
lb/s
lb/s
☺
0.983
0.983 5.886x1
lb/s
lb/s
0-3 lb/s
☺
9.47x1
0.013 0.0126
0-3 lb/s
lb/s
lb/s
Las temperaturas tomadas para
el aceite no son las correctas
,-&.(ºF)
Reaceite
R´eaceite
R´eagua
CASO1
46.29
3184
1859
49716
10
3
130
36.21
CASO2
42.69
4980
2908
49716
16
6.5
130
57.92
CASO3
44.49
3192
1864
298
11
3.2
1.6
39.82
33.53
53.63
36.87
7.758
16.809 8.275
ft ºF)
ℎ´ (Btu/h
ft2 ºF)
7.184
15.565 7.663
ℎ´ (Btu/h
2040
2040
Leo J´´K [2]
ℎ´ = J´´K
MC[\C
:
%N)%
OC[\C µC[\C 1/3
)
MC[\C
Donde N es aproximadamente 1
Cálculo del coeficiente global de
transferencia de calor para el
intercambiador limpio:
JK
J´K
J´´K
ℎ (Btu/h
ft2 ºF)
ℎ (Btu/h
ft2 ºF)
ℎ´ (Btu/h
2
25.10
ft2 ºF)
,-&.´ ºF 51.25
*´(Btu/s
-6.16
ft2 ºF)
x10-4
Qperd(Btu/s
Qtransferid
(Btu/s)
U(Btu/s ft2
ºF)
UC(Btu/h ft2
51.25
-9.63
x10-4
48.58
0
CASO
1
8.593
0.571
CASO
2
11.54
1.038
CASO
3
11.53
0.665
1.029
x10-3
32.8
2.029
x10-3
51.8
1.248
x10-3
36.0
0.239
0.118
0.195
7.159
15.44
7
-1038
5.871
ºF)
Rd(Btu/h ft2
ºF)-1 Las
unidades
están mal
Uenfria(Btu/
h ft2 ºF)
R´d(Btu/h
-1623
error
ft2 ºF)-1
Discusión y análisis
Analizando los resultados obtenidos
en los cálculos donde se mantuvo el
flujo de agua constante, pero el
flujo de aceite variovarió, se analizó
que a mayor flujo de aceite las
pérdidas de calor son mayores, por
lo tanto el flujo de aceite es
directamente proporcional a las
pérdidas de calor, debido a que el
aceite es el medio calefactor en la
zona de enfriamiento.
Cuando variamos el flujo de agua se
analiza que el porcentaje de calor
perdido aumenta a la vez que el
flujo de agua disminuye, esto se
debe a que al aumentar el flujo del
agua, la diferencia de temperaturas
generada por el calor es menor, y
por lo tanto la diferencia de
temperaturas con el ambiente va a
ser menor también, y se va a
transmitir menor cantidad de calor
con el ambiente.
Al analizar las secciones se nota que
el gradiente de temperaturas a la
salida
de
la
sección
de
calentamiento es mayor que a la
salida de la sección de enfriamiento
para el aceite.¿?
No se realizó el análisis del factor de
obstrucción para la sección de
enfriamiento ya que el coeficiente
de transferencia de calor daba cero,
puesto
que
el
cambio
de
temperaturas era cero.
Podemos decir que el calor cedido
por el vapor puede ser menor que el
calor recibido por el aceite, esto se
puede deber a que los métodos que
utilizamos para tomar el caudal de
condensado, permitían un margen
de error muy grande, ya que se
tuvieron muchas pérdidas.
Se puede determinar por medio de
un análisis, que la media logarítmica
de temperaturas disminuye de
acuerdo aumenten los flujos para el
agua y para el aceite, este cambio
se puede notar mas al variar el flujo
de agua.
Al trabajar en estado de sistema
estable
puede
influir
en
los
resultados, por eso es necesario
dejar estabilizar el sistema bien
(igualando T1 y T9) para la toma
de datos y garantizar esta situación.
Podemos analizar que una causa de
error en la sección de calentamiento
es que no se haya realizado
eficientemente el sistema de purga
del condensado, ya que debido a su
gran longitud, se puede perder
condensado en él.
Otra posible causa de error pudo
haber tenido origen en la estabilidad
del equipo, ya que para la toma de
los primeros datos la estabilidad
tarda un poco, pero en los demás
ensayos la estabilidad fue un poco
más rápida.
A medida que aumenta el flujo del
aceite, aumenta el coeficiente de
transferencia general, también se
pudo concluir que a medida que se
aumentaban los flujos la media
logarítmica disminuye.
El coeficiente convectivo individual
para cada tubo, tiene un aumento
directamente proporcional al flujo.
Conclusiones
El intercambiador de calor de tubos
concéntricos es uno de los menos
eficientes puesto que el área de
contacto entre los fluidos es menor
que
en
otro
tipo
de
intercambiadores,
esto hace que
las pérdidas de calor
sean
significativas, además si los flujos
másicos son muy grandes se
necesitarían áreas de contacto
mayor implicando tal vez más
costos.
Los intercambiadores de calor
deben estar aislados para garantizar
una buena eficiencia del proceso,
los aislantes necesariamente deben
tener
una
baja
conductividad
térmica.
En la sección de calentamiento, se
dificulta la medición de los caudales
del vapor condensado, porque
existen varias posibilidades de fugas
en el sistema.
Bibliografía
[1]http://www.vaxasoftware.com/d
oc_edu/qui/denh2o.pdf
[2]DONALD Q. KERN, process heat
transfer, compañía editorial
continental, s.a. de c.v. México,
grafica #24, página 939
INCROPERA, F.P y D, P Hewitt,
Fundamentos de transferencia de
calor. Cuarta edición. Prentice Hall,
México, 1999.
TUBOS CONCÉNTRICOS
Ítem evaluado
Observaciones
%
Nota informe
Objetivos e introducción
Objetivos bien. La introducción está prácticamente igual a lo descrito en
la guía.
3,8
10
Abstract y palabras clave
En el abstract están mencionando sólo teoría. No están mencionando lo
que se mostrará en el informe. Palabras claves bien.
4,0
7
5,0
7
1,5
12
1,5
17
3,8
3,5
4,0
22
12
7
5,0
6
Datos obtenidos
tabulados y
correspondencia con el
preinforme
Cálculo Modelo
Resultados Tabulados
Discusión y análisis
Conclusiones
Bibliografía
Presentación del informe
NOTA FINAL
Bien
Básicamente no hay cálculo modelo. Se muestran las ecuaciones y sólo
se muestra cálculo modelo para el L/D
Hay mucha confusión con los diámetros. Al tomarlos de forma errónea
se dañan la mayoría de los cálculos posteriores. Además, las
temperaturas que usaron para el aceite no son las adecuadas.
Lo mencioado está bien. No se analizan los resultados de los h, los U
Hay aspectos teóricos que no son conclusiones del informe.
Hay bibliografía que no se indica en el informe.
Bien
3,3