Lab. Transferencia de CalorIngeniera Mecnica-ESPOCH TEMA: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS LISOS Y ALETADOS

OBJETIVOS GENERAL: Conocer el coeficiente global de Transferencia de Calor experimentalmente y compararlo con el coeficiente global de transferencia de calor terico. OBJETIVO ESPECFICO: Aplicar los conocimientos adquiridos el curso de transferencia de calor para realizar los clculos y obtener los resultados correspondientes. Conocer el funcionamiento de un intercambiador de calor as como tambin cada una de las partes que lo componen y entender el mecanismo de transferencia de calor en el mismo.

MATERIALES Y EQUIPO:El banco de prueba requieren de: Un generador de vapor Sistema de distribucin de vapor y agua Reductores de presin Sistema de retorno de condensadoAdems de una instrumentacin especfica compuesta de: Intercambiador de calor Termmetro digital y termocuplas Manmetros Cinta Graduada Cronmetro Cubeta graduada Calibrador

ESQUEMA:BANCO DE REFRIGERACIN DE CALOR

UNIDAD CONDENSADORA

MARCO TERICO:INTERCAMBIADORES DE CALORINTRODUCCINEn la industria nos encontramos que la transferencia de calor esta presente en todos los procesos, y es tal su importancia, que en ocasiones, la operacin de una planta de manera econmica depende directamente del uso adecuado de la energa trmica disponible en el proceso, o bien del diseo adecuado del equipo involucrado. Los servicios auxiliares ms comunes en la industria, tales como el agua de enfriamiento, vapor, refrigeracin, entre otros, implican necesariamente el uso de intercambiadores de calor, que manejados eficientemente permiten ahorrar energa.Enfriar y calentar son operaciones vitales en la industria. Es necesario que los ingenieros mecnicos adviertan que los principios de la transferencia de calor son importantes para disear, seleccionar o mantener equipos de intercambio de calor. Los intercambiadores de calor son equipos que transfieren calor entre dos corrientes de un proceso. Por ejemplo, la generacin de vapor se basa en el proceso de transporte de energa entre dos fluidos, los calentadores e enfriadores de gases y lquidos. Los I.C. son equipos importantes en instalaciones de procesos, centrales termoelctricas, refineras, etc.

CONDENSADORESEl condensador es bsicamente un intercambiador de calor cuya funcin es disipar el calor extrado por el refrigerante en el evaporador hacia un medio condensante. Como resultado de la prdida de calor del refrigerante hacia el medio condensante, este primero es enfriado hasta su temperatura de saturacin y despus condensado hasta su fase de estado lquido.El medio condensante es utilizado en su gran mayora es agua, aire o una combinacin de ambos.Los condensadores se clasifican generalmente en tres tipos, los cuales son enfriados por: Agua, aire y evaporativos.

CONDENSADORES ENFRIADOS POR AIRE

Estos condensadores pueden ser enfriados por conveccin natural o por la accin de un ventilador o soplador.Los condensadores de conveccin forzada estn equipados con ventiladores mltiples, los mismos que pueden ser de bastidor o remotos.Un condensador enfriado por aire instalado en el mismos bastidor del compresor y motor, de tal manera que se constituye en un conjunto que se denomina: UNIDAD CONDENSADORA, enfriada por aire; mientras que un condensador remoto generalmente se encuentra instalado remotamente del compresor.CONDENSAORES ENFRIADOS POR AGUALos condensadores enfriados por agua admiten temperaturas y presiones de condensacin bajas. Existen varios tipos: DE DOBLE TUBOEn los condensadores de doble tubo, el agua circula a travs del tubo interno mientras que el refrigerante fluye en direccin opuesta entre el espacio anular de los tubos.

Condensador enfriado por agua de doble tubo DE CILINDRO Y SERPENTNLos condensadores de cilindro y serpentn como se ilustra en la siguiente figura son fabricados de uno o ms tubos aleteados encerrados en un cilindro de acero soldado, formando una unidad compacta que usualmente sirve como una combinacin de condensador y recipiente dentro del circuito. El agua condensante fluye por el serpentn mientras que el refrigerante est contenido en el cilindro rodeando los serpentines.

Condensador enfriado por agua de cilindro y serpentin ACORAZADOSLos condensadores acorazados, estn formados por un depsito cilndrico de acero y un nmero determinado de tubos colocados paralelamente, los mismos que estn unidos en sus extremos a un cabezal de tubos. El agua fluye a travs de los tubos los cuales pueden ser de acero para el amoniaco y de cobre para otros refrigerantes; el refrigerante est contenido en el cilindro entre los cabezales del tubo.

Condensador acorazadoLos condensadores anteriormente descritos vienen instalados generalmente con una torre de enfriamiento con el propsito de recuperar el agua de condensacin, regenerando su temperatura.Las torres de enfriamiento se clasifican segn el mtodo de empleado para producir la circulacin de aire entre las cuales tenemos: atmosfricas, conveccin natural y forzadas, siendo estas ltimas las ms utilizadas por su tamao y alto rendimiento.

DISEO TERMICOEsta fase se ocupa primordialmente de determinar el rea de la superficie para transferir calor a una velocidad especfica a determinados niveles, incluye la determinacin de temperaturas, flujo msico, nmero de tubos, dimensiones, longitudes, etc.

Existen dos mtodos de clculo: Mtodo de la diferencia de temperatura media logartmica Mtodo del nmero de unidades de transferencia de calor.

MTODO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGARTMICA, LMTD.Este mtodo consiste en determinar una expresin de la rapidez de transferencia de calor en un I. C. relacionando las variaciones de la temperatura con respecto al rea.Para el anlisis, consideremos el intercambiador de calor de doble tubo con flujo contracorriente.

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Donde F, es un factor de correccin de la diferencia de temperatura media logartmica (LMTD); para el I.C. de doble tubo, evaporadores y condensadores F=l; para otros I.C. se encuentra en figuras especficas.

MTODO DEL NMERO DE UNIDADES DE TRANSFERENCIA DE CALOR, NTU.Existen ocasiones en que no se conocen las temperaturas de los fluidos que salen del intercambiador de calor, este tipo de problema suele encontrarse cuando se ha probado e equipo a una determinada velocidad de flujo, pero las condiciones de servicio exigen diferentes velocidades para uno o ambos fluidos. Para obtener una ecuacin de la rapidez de transferencia de calor que no contenga ninguna de las temperaturas de salida se introduce el trmino de la eficiencia del intercambiador de calor ().La eficiencia de un intercambiador de calor es la relacin entre el flujo de calor real y el flujo de calor mximo que pudiera cederse o absorberse.

El flujo de calor real, es la energa prdida o ganada de uno de los fluidos:

El flujo de calor mximo est relacionado con el flujo de fluido mnimo, ya que, ste est ms cerca de alcanzar la temperatura de entrada del otro fluido, en el caso de un flujo en contracorriente.

Donde Cm es el menor valor del producto: mcLa eficiencia de un intercambiador de calor puede determinarse con la ayuda de las figuras especficas. Obsrvese que la relacin:

Se aplica para un evaporador o condensador.

REFRIGERANTESINTRODUCCIONLos refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeracin mecnica. De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o sustancia que acte como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Desde el punto de vista de la refrigeracin mecnica por evaporacin de un lquido y la comprensin de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullicin, a abaja temperatura y presin, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presin.

PROPIEDADES DE LOS REFRIGERANTESPara que un lquido pueda ser utilizado como refrigerante, debe reunir ciertas propiedades, tanto termodinmicas como fsicas. El refrigerante ideal, sera aquel que fuera capaz de descargar en el condensador todo el calor que absorbe del evaporador, la lnea de succin y del compresor.Un refrigerante ideal debe reunir todas las siguientes caractersticas: Calor latente de evaporacin elevado. Punto de ebullicin, a la presin atmosfrica, suficientemente bajo con respecto a las condiciones de funcionamiento deseadas. Relacin de compresin baja. Es decir, la relacin entre las personas de descarga y aspiracin debe ser pequea. Volumen especfico del valor saturado mnimo para utilizar un compresor y tubera con dimensiones reducidas. Temperatura crtica muy elevada. Ser inocuo con el lubricante que se emplea. Composicin qumica estable en las condiciones de funcionamiento de la mquina frigorfica. Sin accin sobre los metales componentes del sistema. Compatible con elastmeros y plsticos utilizados en los equipos frigorficos. No ser peligroso para la salud. No atacar a los alimentos que deben conservarse, etc.

IDENTIFICACIN DE REFRIGERANTESLos refrigerantes se identifican por nmeros despus de la letra R, que significa refrigerante. El sistema de identificacin ha sido estandarizado por la ASHRAE.A los refrigerantes se los nombra de la siguiente manera: A la primera cifra se le suma 1 para obtener el nmero de tomos de carbono que contiene la molcula. A la segunda se le resta 1 para obtener el nmero de tomos de hidrgeno. La tercera se refiere al nmero de tomos de flor. El resto de valencias, salvo que se indique los contrario, quedan cubiertas con cloro.Por ejemplo:R-134ACARBONO: 1+1 =2 tomos.HIDRGENO: 3-1 =2 tomosFLUOR: 4 tomosEl resto de valencias cubiertas con cloro no existen.

CICLO DE REFRIGERACIN IDEAL POR COMPRESION MECNICAEn el siguiente esquema se presenta un sistema de refrigeracin por compresin mecnica de simple etapa.

Sistema de refrigeracin por compresin mecnica de simple etapaEl ciclo de refrigeracin consta de cuatro procesos que son: (1-2) Compresin (2-3) Condensacin (3-4) Expansin (4-1) Evaporacin

Diagrama de presin entalpa del ciclo terico de refrigeracin

1. PROCESO DE COMPRESIN:Corresponde al al proceso de 1-2 que se lleva a cabo en el compresor, desde la presin de evaporacin hasta la presin de condensacin. Se supone que un ciclo terico simple el proceso de compresin es isoentrpico; es decir, una compresin adiabtica-no friccinDurante el proceso de compresin se realiza un trabajo sobre el vapor refrigerante, dado como resultado un aumento en su temperatura provocando un sobrecalentamiento.2. PROCESO DE CONDENSACIN:El proceso de 2-d es isobrico e indica el sobrecalentamiento que debe retirarse del vapor antes de que se comience el proceso de condensacin. Este proceso se efecta en la tubera de descarga y en los primeros tramos del condensador.La lnea de d-3 representa el cambio de estado del refrigerante de vapor a lquido a presin y temperatura constante, el cual se efecta en el condensador.3. PROCESO DE EXPANSIN:Este proceso se encuentra entre los puntos de estado 3-4, el punto de estado 3 se ubicado sobre la lnea de lquido saturado y se halla a la entrada del dispositivo de expansin (vlvula de expansin o tubo capilar). El refrigerante fluye a travs del elemento de expansin, por consiguiente, su presin disminuye inmediatamente llegando a una presin de evaporacin.4. PROCESO DE EVAPORACINCorresponde al proceso de 4-1, el punto 4 se halla ubicado en la zona hmeda, mientras que el punto 1 se encuentra sobre la lnea de saturacin, este proceso se lleva a cabo a presin constante.

CICLO DE REFRIGERACIN REAL POR COMPRESIN MECNICAEn el esquema de la siguiente figura se representa un ciclo de refrigeracin real.

Diagrama presin - entalpa del ciclo real de refrigeracin

PROCEDIMIENTO:Entre los fluidos que circulan en un intercambiador de calor, se cumplir la ley de conservacin de la energa, de tal modo que el calor cedido por uno de ellos al enfriarse, ser tomado por otro al calentarse. Se podr calcular el flujo de transferencia de calor, si se conoce la cantidad de masa de fluido que circula durante un tiempo determinado, su calor especfico promedio y las temperaturas inciales y finales.Si adems, mediante el uso de termocuplas determinamos las temperaturas de los dos fluidos al comienzo y al final de la longitud de recorrido en estudio y medimos el rea total de transferencia de calor correspondiente a dicha longitud, podemos calcular el valor del coeficiente global de transferencia de calor, que ser la nica incgnita de la ecuacin de transferencia de calor.Esto podemos repetir para diversas situaciones experimentales y tendremos oportunidad de obtener las variaciones del coeficiente total de transferencia de calor en relacin con las variables que deseamos estudiar.Para la determinacin del coeficiente total de transferencia de calor (U), se realizarn las mediciones correspondientes: El flujo de masa de fluidos. La temperatura inicial y final del intercambiador de calor, para cada flujo de masa especificado. El rea de transferencia de calor, se medir el dimetro del tubo, dimensiones de la aleta as como tambin el nmero de aletas por pulgada y la carcasa donde se encuentran las aletas junto con los tubos.

CALCULOS:

CONCLUSIONES: Los intercambiadores de calor son una parte esencial en la industria, por ende estn presentes en todos los procesos tales como el enfriamiento del agua, vapor, refrigeracin, etc. Y un manejo, diseo y uso eficiente del mismo nos permitir ahorrar energa lo que implica un costo de la operacin de la planta muy bajo y econmico. Por esta razn es importante para nosotros como futuros ingenieros valorar los conocimientos adquiridos en la materia de transferencia de calor pues estos nos sern de mucha importancia en nuestra vida profesional.

Al realizar el clculo experimental del coeficiente global de transferencia de calor podemos observar que este es muy bajo, en comparacin con grandes sistemas de refrigeracin, esto se debe a que a pesar de que el equipo condensador empleado disipa gran cantidad de calor hacia el ambiente, el mismo que es extrado de los productos sujetos a refrigeracin, es afectado por la diferencia media logartmica la misma que relaciona las diferencias de temperatura a la entrada y salida del refrigerante, esta es relativamente alta por lo que se lo considera como el factor ms influyente en este clculo.

Tambin se pudo observar que este condensador disipa gran cantidad de energa en forma de calor como es de 318.724 W a pesar de que su tamao es muy pequeo, lo que influye mucho en el sistema de refrigeracin ya que esto nos permite extraer completamente el calor existente en el producto que est siendo refrigerado, esto se debe a que el rea de transferencia de calor es muy grande y a la vez que se utiliza un sistema de conveccin forzada la misma que lo realiza un ventilador.

RECOMENDACIONES: Es importante que la prctica sea realizada de acuerdo al avance de la materia, es decir cuando el estudiante haya adquirido los conocimientos bsicos y necesarios para que la misma sea entendida y captada correctamente y de mejor manera pues as se evitar contratiempos en el momento de realizar el informe.

BIBLIOGRAFA: Tesis de un Intercambiador de Calor Daro Ramrez

ANEXOS:PROPIEDADES DEL AIRE A 295.9K Y PRESIN ATMOEFRICA LOCAL DE 10.5 psi

Grupo 68 Semestre