EXPERIENCIA Nº2 INTERCAMBIADORES DE CALOR. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor en tubos concéntricos

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1 UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE INSTITUTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS (ICYTAL) / ASIGNATURAS: Ingeniería de Procesos III (ITCL 234) PROFESOR : Elton F. Morales Blancas EXPERIENCIA Nº2 INTERCAMBIADORES DE CALOR 1. OBJETIVO: Determinar el coeficiente global de transferencia de calor en tubos concéntricos 2. LUGAR: Laboratorio de Procesamiento (ICYTAL) 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS En las Industrias de Proceso una de las más importantes aplicaciones de la transferencia de calor entre dos fluidos es el diseño de los intercambiadores de calor. El tipo más común es uno en el cual el fluido caliente y el frío no entran en contacto directo el uno con el otro, sino que están separados por una pared de tubos o una superficie plana o curvada. La transferencia de calor se efectúa por convección desde el fluido caliente a la pared o las superficies de los tubos, a través de la pared de tubos o placa por conducción, y luego por convección al fluido frío. Fig. 1. Esquema general de un intercambiador de calor

2 Numerosos tipos de intercambiadores de calor son usados en las plantas de procesamiento de alimentos incluyendo equipos de transferencia de calor tipo tubulares, platos, superficie barrida, con inyección de vapor entre otros. En general, el diseño de cualquier intercambiador depende sobre la evaluación del coeficiente de transferencia de calor por convección, para el caso del producto y el medio de calentamiento. En muchas situaciones el coeficiente de transferencia de calor para los productos, especialmente si es que tienen un comportamiento de flujo no-newtoniano, puede indicar que el flujo ofrece una considerable mayor resistencia a la transferencia de calor que el medio de calentamiento. Intercambiador de calor de doble tubo. El intercambiador más simple es el intercambiador de doble tubo o tubos concéntricos. Este intercambiador es el que se muestra en la Figura 2, donde uno de los fluidos fluye en el interior de una tubería y el otro lo hace por el espacio anular entre ambas tuberías. Los fluidos pueden circular en paralelo o en contracorriente. El intercambiador puede fabricarse con un simple par de tubos adaptando las conexiones en los extremos o con varios pares interconectados en serie. Este tipo de intercambiador es útil, principalmente para velocidades de flujo bajas. Fig. 2. Flujo en un intercambiador de calor de doble tubo. Media logarítmica de las diferencias de temperaturas para intercambiadores de calor. La ecuación que gobierna la transferencia de calor en un intercambiador de calor es: q = UA ( T ML ) q = U = velocidad de intercambio de calor entre dos fluidos que circulan por el intercambiador de calor. coeficiente de transferencia de calor, referido al área exterior (A).

3 T ML = Diferencia de temperatura media logarítmica. T ML = T M Ln( T T M m / T m ) 4. EQUIPOS Y MATERIALES: - Intercambiador de calor de cilindros concéntricos - Baño de agua con termostato regulable - 4 Termómetros Taylor digitales - Balde plástico 20 lt - Balanza - Cronómetro Perfiles de temperatura en un intercambiador de calor Flujo en paralelo

4 Flujo en contracorriente 5. PROCEDIMIENTO: 5.1 Conexión de la corriente caliente: El baño termostático será utilizado para generar una corriente de agua caliente. Ajuste la temperatura del aparato a 50ºC y, con el baño lleno de agua, conéctelo a un extremo del tubo interno del intercambiador. (Ver Figura 3). La salida del tubo interior de éste ultimo debe estar conectado al otro terminal de la bomba del baño. 5.2 Conexión de la corriente fría Conecte una manguera desde una salida de agua del mesón de laboratorio hasta un terminal del tubo exterior del intercambiador, de forma que se configure un contacto en paralelo o en contracorriente entre el fluido frío y el caliente. Conecte la salida del otro terminal a un desagüe del mesón y mantenga cercano el balde. 5.3 Puesta a régimen: Regulando la llave de paso del agua fría del mesón y la de entrada de agua a la camisa del intercambiador, realice mediciones repetidas del flujo másico de fluido frío cronometrando el tiempo que tarda en acumularse una cantidad pesada de agua en el balde. Si el flujo másico (en kg/s) es repetible, espere unos minutos hasta que todas las lecturas de los 4 termómetros del intercambiador estén estabilizadas.

5 φ i = Diámetro interno (22.5 mm) φ e = Diámetro externo (26.0 mm) φ ec = Diámetro externo de la camisa (70.56 mm) Fig. 3. Esquema del aparato experimental a utilizar 5.4 Medición: Con el sistema en régimen permanente, registre los valores de las temperaturas de entrada y de salida de las corrientes caliente y fría, obtenidas para el flujo másico de agua fría que ajustó en el paso anterior. Repita las mediciones (flujo agua fría y temperaturas). Realice nuevas mediciones después de ajustar a nuevos valores del flujo en agua fría, como se indicó en 5.3 registrando los valores obtenidos para las cuatro temperaturas y el flujo másico de agua fría. 5.5 Cálculos - Determine el valor de la Diferencia Media Logarítmica de temperaturas para cada flujo másico de agua fría. - Calcule las áreas interna y externa del tubo interior del intercambiador.

6 - Calcule el calor transferido desde la corriente caliente hasta la corriente fría en base al fujo másico, el aumento de la temperatura de la corriente fría y al valor de C P del agua evaluado a la temperatura promedio del agua fría. - Calcule los valores de U i y U o para el intercambiador para cada flujo másico de agua fría. 6. INFORME: 6.1 Los valores obtenidos para los coeficientes globales, para cada flujo ensayado. Vea si éstos cambian con el flujo de agua fría. 6.2 Calcule el flujo másico de agua caliente que está pasando por el tubo interior. 6.3 Utilizando correlaciones adecuadas al caso, estime los valores de los coeficientes globales de transferencia de calor, suponiendo que el tubo interior es de acero al carbono. 6.4 Compare los resultados obtenidos con los estimados y determine el error en las estimaciones. Discuta las discrepancias observadas y extraiga conclusiones 6.5 Documente sus cálculos en los anexos de su informe. 7. CONCLUSIONES Puntuales y que correspondan al trabajo experimental realizado.

7 TABLA DE RESULTADOS EFMB/efmb