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ANALISIS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Santiago Escobar O. [email protected] Alejandro Cárdenas M. [email protected] RESUMEN En el presente informe se pretende analizar un intercambiador de calor a contraflujo el cual está presente en el laboratorio de operaciones unitarias de la universidad EAFIT, en el cual se tomaron algunos datos de importancia para describir el comportamiento de dicho intercambiador para diferentes flujos de agua, finalmente se graficara el comportamiento que presentan algunas variables. PALABRAS CLAVE: Intercambiador de calor a contraflujo, flujo másico, vapor, agua, entalpía de vaporización, flujo volumétrico, temperatura. 1. INTRODUCCIÓN Un intercambiador de calor es un aparato que transfiere energía térmica desde un fluido a alta temperatura hacia un fluido a baja temperatura con ambos fluidos moviéndose a través del aparato. Es el caso del radiador de un automóvil, el calentador de agua doméstico etc. En las industrias químicas y plantas de energía se utilizan ampliamente los intercambiadores de calor. El rango de temperatura, las bases de los fluidos ( líquidos o gaseosos ), la cantidad de energía térmica que se deberá transmitir y la caída de presión permitida para los fluidos caliente y frío, determinan la configuración del intercambiador de calor para una aplicación dada. En la práctica, el proceso de diseño y selección involucran con frecuencia un procedimiento de ensayo y error. 1.1 OBJETIVOS  

Hallar la diferencia de temperatura media logarítmica LMTD en un intercambiador de calor de contraflujo. Hallar el coeficiente total de transferencia de calor en un intercambiador de calor de contracorriente.

2. MATERIALES Y MÉTODOS El experimento consistió en hallar los coeficientes totales de transferencia de calor basándose en el área interna de los tubos, a su vez conocer el valor de la tasa de transferencia de calor que se presenta en este intercambiador.

Se realizaron en total 4 mediciones, en los cuales el vapor se proveía de la caldera, y el agua fría se proveía de la torre de enfriamiento que se encuentra en el exterior del laboratorio, los datos que se tomaron fueron:     

Temperatura de entrada y salida del agua. Temperatura de entrada del vapor(al estar en cambio de fase la temperatura de entrada y salida son iguales). Presión de bombeo. Longitud total de los tubos. Diámetro interno de los tubos (3 tubos en total).

Una vez realizados los estudios, se procedió a hallar cada una de las variables pertinentes para así poder determinar lo planteado anteriormente. 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS A continuación se presentan los datos necesarios, y los resultados obtenidos, cabe aclarar que algunos datos fueron encontrados con EES, y las tablas termodinámicas. También todos los cálculos se realizaron con Excel.

( 1 2 3 4

)

0.00037 0.00030 0.00023 0.00013

101 101 101 101

101 101 101 101

20 20 20 20

31 36 34 40

Tabla.1. Datos de temperaturas y flujos volumétricos.

La tasa de transferencia de calor para cada una de las mediciones puede encontrarse con la siguiente relación: ̇ ̇

(

)

El se encontro mediante el uso de EES, el cual se utilizó para cada una de las mediciones, y arrojo como resultado:

De igual manera se hallaron las densidades del agua, del cual se tomo la temperatura de entrada del agua, y la presión a la cual era bombeada. Teniendo la densidad del agua, y el flujo volumétrico de esta, se obtuvo el flujo másico:

( 1 2 3 4

)

(

997 996.3 996.3 995.7

)

0.3689 0.2989 0.2291 0.1294

Tabla.2. Datos de densidades y flujos másicos.

Teniendo estos valores, es posible hallar la tasa de transferencia de calor para cada una de las mediciones.

1 2 3 4

16.973 17.503 13.419 10.829

Tabla.3. Tasa de transferencia de calor

Ahora para determinar el coeficiente total de transferencia de calor, necesitamos saber cuál es la temperatura promedio en el intercambio, así que usamos la LMTD para un intercambiador en contraflujo, el cual se expresa en la siguiente ecuación:

(

)

Donde:

Y para hallar el coeficiente total de transferencia de calor ( siguiente expresión:

usamos la

̇

Debido a que el vapor se encuentra en cambio de fase, su entalpia de vaporización para esta temperatura es igual, y teniendo esta entalpia y la transferencia de calor, podemos hallar el flujo másico de vapor.

En la siguiente tabla se presentan los valores de la LMTD, la entalpia de vaporización y el flujo másico de vapor para cada una de las mediciones:

( 1 2 3 4

75.366 73.778 72.706 70.526

)

(

1.493 1.573 1.398 1.018

)

(

2257 2257 2257 2257

)

0.00752 0.00886 0.00594 0.00479

Tabla.4.Datos finales

Q vs LMTD 20 y = 1.3433x - 83.414 R² = 0.8409

Q [kW]

15 10 5 0 70

72

74

76

LMTD[°C] Fig.1. Tasa de transferencia de calor Vs LMTD



La relación R2 es relativamente cercana a 1, por lo tanto algunos datos se adhieren correctamente a la pendiente. Ocasionando que los datos no sean directamente proporcionales. Hubo error al medir las temperaturas frías de salida, ya que estas fueron registradas por medio del ojo humano desde una amplia lejanía, lo que ocasionó seguidamente un cálculo no deseado para las LMTD.

Ui vs Flujo Masico (agua)

Ui [kW/m²ºC]



1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

y = 2.1191x + 0.8268 R² = 0.7773

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Flujo masico[kg/s] Fig.2.Coeficiente total de transferencia de calor (Ui) vs Flujo másico (agua)

 

La relación R2 no es tan cercana a 1, por lo tanto ninguno de los datos se adhieren correctamente a la pendiente. Ocasionando que los datos no sean directamente proporcionales. Hubo error al medir las temperaturas frías de salida, ya que estas fueron registradas por medio del ojo humano desde una amplia lejanía, lo que ocasionó seguidamente un cálculo no deseado para las LMTD, por la tanto se calculo las Ui con algún porcentaje de error.

3. CONCLUSIONES 

 

En el análisis de estos intercambiadores de calor, hay que tener en cuenta que no se consideran factores de incrustamiento y otros efectos, así que el valor que se presenta en los cálculos es aproximado al valor real. Se puede evidenciar la importancia de los intercambiadores de calor en la industria, ya que estos son muy usados en procesos industriales. Se puede dar fe de que los intercambiadores de calor a contraflujo son más eficientes que los intercambiadores de calor paralelos, ya que la salida de temperatura del fluido frio puede ser mayor que la temperatura de salida del fluido caliente, sin violar ninguna de las leyes de termodinámica.

4. REFERENCIAS 

Cengel, Yunus A, Transferencia de calor, McGraw-Hill, México, 2011.