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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

Facultad de Ingeniería Mecánica

Laboratorio Nº 1

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Curso

LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III (MN 464 B)

Profesor Alumnos

ING. AGUILAR VIZCARRA, Duilio

Apellidos y Nombres

Código

HUAROTO SEVILLA Juan

20112073D

QUISPE QUISPE Luis

20101179K

BORJA CORNELIO Alan

20092060J

FLORES SANCHEZ Rick

20101095A

RODAS CERVANTES Raul

20002532D

2015-II

INTERCAMBIADOR DE CALOR

UNI-FIM

INDICE

1.- INTRODUCCION.…………………………………………………… 2.- OBJETIVOS.…………………………………………………………. 3.- FUNDAMENTO TEORICO……………………………………. 4.- MATERIALES UTILIZADOS………….………………………… 5.- PROCEDIMIENTO………………………………………………..

Pág. 3 Pág. 3 Pág. 4 Pág. 13 Pág.13

6.- DATOS DE LA EXPERIENCIA…… ………..…………………

Pág. 14

7.- CALCULOS Y RESULTADOS………………..…………………

Pág. 15

8.- OBSERVACIONES, RECOMENDACIONES …………..... 9.- BIBLIOGRAFIA……………………………………………………..

LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III

Pág. 27 Pág. 29

Pág.2

INTERCAMBIADOR DE CALOR

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INFORME Nº 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR 1.- INTRODUCCION: Los intercambiadores de calor serán siempre uno de los indispensables equipos en la transferencia de calor. Estos han obteniendo usos en los sistemas de refrigeración como condensadores o evaporadores, pero no solo en esta área sino también en las maquinarias pesadas chinas utilizan intercambiadores de calor para enfriar el aceite que circula por el convertidor, caja y sistema hidráulico. Como podemos ver los intercambiadores son indispensables en el área mecánica, es por eso la realización de este laboratorio. En este laboratorio observaremos el comportamiento de los intercambiadores de flujo paralelo y de contra flujo, teniendo presente que hay mas disposiciones de los intercambiadores, realizando un análisis energético , de los coeficientes peliculares , eficiencia, NUT los cuales serán necesarios en la vida practica, sobre todo para distinguir cuál de ellos es el más adecuado para una cierta aplicación. En conclusión, el laboratorio es indispensable para todo Ing. Mecánico, porque siempre encontrara en el área de trabajo uno de estos equipos en diferentes disposiciones. 2.-OBJETIVOS: 

La presente experiencia tiene por objetivo el análisis térmico existente entre fluidos (aire y agua) en un intercambiador de calor de flujo paralelo y contra



flujo. Además, se busca distinguir cuál de ellos es más eficiente. Comprender el principio de funcionamiento básico de un intercambiador de



calor. Elaborar

cálculos

para

luego

hacer

las

curvas

características

del

intercambiador de calor.

3.- FUNDAMENTO TEORICO:

3.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

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Los intercambiadores normalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción. El intercambiador de calor más simple es aquel en que los fluidos caliente y frío se mueven en la misma dirección o en direcciones opuestas en una construcción de tubos concéntricos (o doble tubo). En el arreglo de flujo paralelo de la figura 1a, los fluidos caliente y frío entran por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el mismo extremo. En el arreglo de contraflujo de la figura 1b, los fluidos entran por extremos opuestos, fluyen en direcciones opuestas, y salen por extremos opuestos.

Figura 1 Intercambiadores de calor de tubos concéntricos. (Izq.) Flujo paralelo. (Der.) Contraflujo.

De manera alternativa, los fluidos se pueden mover en flujo cruzado (perpendiculares entre sí), como se muestra mediante los intercambiadores de calor tubulares con aletas y sin aletas de la figura 2. Las dos configuraciones difieren según el fluido que se mueve sobre los tubos esté mezclado o no mezclado. En la figura 2a, se dice que el fluido no está mezclado porque las aletas impiden el movimiento en una dirección (y) que es transversal a la dirección del flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido varía con x y y. Por el contrario, para el conjunto de tubos sin aletas de la figura 2b, es posible el movimiento del fluido en la dirección transversal, que en consecuencia es mezclado, y las variaciones de temperatura se producen, en principio, en la dirección del flujo principal. En el intercambiador con aletas, dado que el flujo del tubo no es mezclado, ambos fluidos están sin mezclar mientras que en el intercambiador sin aletas un fluido está mezclado y el otro sin mezclar. La naturaleza de la condición de mezcla puede influir de manera significativa en el funcionamiento del intercambiador de calor.

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Figura 2 Intercambiadores de calor de flujo cruzado. (Izq.) Sin aletas con un fluido mezclado y el otro sin mezclar (Der.) Con aletas y ambos fluidos sin mezclar.

Otra configuración común es el intercambiador de calor de tubos y coraza. Las formas específicas difieren de acuerdo con el número de pasos de tubos y coraza, y la forma más simple, que implica un solo paso por tubos y coraza, se muestra en la figura 3. Normalmente se instalan deflectores para aumentar el coeficiente de convección del fluido del lado de la coraza al inducir turbulencia y una componente de la velocidad de flujo cruzado. En las figuras 4a y 4b se muestran intercambiadores de calor con deflectores con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos y con dos pasos por la coraza y dos pasos por los tubos y con dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos, respectivamente.

Figura 3 Intercambiador de calor de tubos y coraza con un paso por la coraza y un paso por los tubos (modo de operación de contraflujo cruzado).

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Figura 4 Intercambiadores de calor de tubos y coraza. (a) Un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. (b) Dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos.

Una clase especial e importante de intercambiadores de calor se usa para conseguir un área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen muy grande ( 700 m2/m3). Denominados intercambiadores de calor compactos, estos dispositivos tienen complejos arreglos de tubos con aletas o placas y se usan normalmente cuando al menos uno de los fluidos es un gas, y en consecuencia se caracteriza por un coeficiente de convección pequeño. Los tubos pueden ser planos o circulares, como en las figuras 5a y 5b, c, respectivamente, y las aletas pueden ser de placa o circular, como en las figuras 5a y 5b, c, respectivamente. Los intercambiadores de calor de placas paralelas pueden ser con aletas o corrugadas y se pueden usar en modos de operación de un solo paso (figura 5d) o multipaso (figura 5e). Los pasos de flujo asociados con intercambiadores de calor compactos normalmente son pequeños (Dh 5mm), y el flujo es por lo general laminar.

Figura 5 Cubiertas de intercambiadores de calor compactos. (a) Tubo con aletas (tubos planos, aletas de placa continuas). (b) Tubo con aletas (tubos circulares, aletas de placa continuas). (c) Tubos con aletas (tubos circulares, aletas circulares). (d) Aletas de placa (un solo paso). (e) Aletas de placa (multipaso).

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3.2. ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR: USO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA. Para diseñar o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, es esencial relacionar la transferencia total de calor con cantidades tales como las temperaturas de entrada y salida del fluido, el coeficiente global de transferencia de calor, y el área superficial total para transferencia de calor. Dos de tales relaciones se pueden obtener fácilmente al aplicar balances globales de energía a los fluidos calientes y frío, según se muestra en la figura 6. En particular, si q es la transferencia total de calor entre los fluidos calientes y frío y hay transferencia de calor insignificante entre el intercambiador y sus alrededores, así como cambios de energía potencial y cinética despreciables, la aplicación de un balance de energía, da

q  m h ( ih ,i  ih ,o ) (1a) y

q  m c ( ic ,i  ic ,o ) (2a) donde i es la entalpía del fluido. Los subíndices h y c se refieren a los fluidos caliente y frío, en tanto que i y o designan las condiciones de entrada y salida del fluido. Si los fluidos no experimentan un cambio de fase y se suponen calores específicos constantes, estas expresiones se reducen a

q  m h c p ,h ( Th ,i  Th ,o ) (1b) y

q  m c c p ,c ( Tc ,o  Tc ,i ) (2b) donde las temperaturas que aparecen en las expresiones se refieren a las temperaturas medias del fluido en las posiciones que se señalan. Advierta que las ecuaciones 1 y 2 son independientes del arreglo del flujo y del tipo de intercambiador de calor. Se puede obtener otra expresión útil al relacionar la transferencia total de calor q con la diferencia de temperaturas

T

entre los fluidos caliente y frío, donde

T  Th  Tc (3) Tal expresión sería una extensión de la ley de enfriamiento de Newton, con el uso del coeficiente global de transferencia de calor U en lugar del coeficiente único de convección h.

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Figura 6 Balances globales de energía para los fluidos caliente y frío de un intercambiador de calor de dos fluidos.

T

Sin embargo, como varía con la posición en el intercambiador de calor, es necesario trabajar con una ecuación de flujo de forma

q  UATm (4)

Tm donde es una diferencia de temperaturas media apropiada. La ecuación 4 se puede usar con las ecuaciones 1 y 2 para llevar a cabo un análisis de intercambiador de calor. Antes de que se pueda realizar, sin embargo, se debe establecer la forma

Tm específica de

. Considere primero el intercambiador de calor de flujo paralelo.

Intercambiador de calor de flujo paralelo Las distribuciones de temperaturas caliente y fría asociadas con un intercambiador de calor de flujo paralelo se muestran en la figura 7. La diferencia de

T

temperaturas es grande al principio, pero decae rápidamente al aumentar x, y se aproxima a cero de forma asintótica. Es importante señalar que, para tal intercambiador, la temperatura de salida del fluido frío nunca excede la del fluido caliente. En la figura 7 los subíndices 1 y 2 designan los extremos opuestos del intercambiador de calor. Esta convención se usa para todos los tipos de intercambiadores de calor considerados. Para

Th,i  Th,1 ,Th,o  Th,2 ,Tc,i  Tc,1 ,Tc,o  Tc,2 un flujo paralelo, se sigue que

.

Tm La forma de se puede determinar mediante la aplicación de un balance de energía para elementos diferenciales en los fluidos caliente y frío. Cada elemento es de longitud dx y área superficial de transferencia de calor dA, como se muestra en la figura 7. Los balances de energía y el análisis subsecuente están sujetos a las siguientes suposiciones. 1.

El intercambiador de calor está aislado de sus alrededores, en cuyo caso el único intercambio de calor es entre los fluidos caliente y frío.

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Figura 7 Distribuciones de temperatura para un intercambiador de calor de flujo paralelo.

2. 3. 4. 5.

La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante. Los cambios de energía potencial y cinética son despreciables. Los calores específicos del fluido son constantes. El coeficiente global de transferencia de calor es constante.

Los calores específicos pueden cambiar, por supuesto, como resultado de variaciones de temperatura, y el coeficiente global de transferencia de calor también podría modificarse debido a variaciones en las propiedades del fluido y condiciones de flujo. Sin embargo, en muchas aplicaciones tales variaciones no son significativas, y es razonable trabajar con valores promedio de cp,c, cp,h y U para el intercambiador de calor. Al aplicar un balance de energía a cada uno de los elementos diferenciales de la figura 7, se sigue que

dq   m h c p ,h dTh  Ch dTh (5) y

dq  m c c p ,c dTc  Cc dTc (6) donde Ch y Cc son las capacitancias térmicas de los flujos caliente y frío, respectivamente. Estas expresiones se pueden integrar a lo largo del intercambiador de calor para obtener los balances globales de energía dados por las ecuaciones 1b y 2b. La transferencia de calor a través del área superficial dA también se puede expresar como

dq  UTdA (7)

T  Th  Tc donde

es la diferencia de temperaturas local entre los fluidos caliente y frío.

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Para determinar la forma integrada de la ecuación 7, comenzamos por sustituir las ecuaciones 5 y 6 en la forma diferencial de la ecuación 3

d ( T )  dTh  dTc para obtener

 1 1     C h Cc 

d ( T )   dq

Al sustituir para dq de la ecuación 7 e integrar a lo largo del intercambiador de calor, obtenemos

 1 d ( T ) 1  1 T  U  Ch  Cc  1 dA 2

2

o

 1  T2  1    UA    T1   C h Cc 

ln

(8) Al sustituir para Ch y Cc de las ecuaciones 1b y 2b, respectivamente, se sigue que

T T   T2   T T UA   UA h ,i h ,o  c ,o c ,i    ( Th ,i  Tc ,i )  ( Th ,o  Tc ,o ) q q q    T1 

ln 

Al reconocer que, para el intercambiador de calor de flujo paralelo de la figura 7,

T1  ( Th ,i  Tc ,i )

T2  ( Th ,o  Tc ,o ) y

q  UA

, obtenemos entonces

T2  T1 ln( T2 / T1 )

Al comparar la expresión anterior con la ecuación 4, concluimos que la diferencia de temperaturas promedio apropiada es una diferencia de temperaturas media logarítmica,

Tml . En consecuencia, podemos escribir

q  UATml (9) donde

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INTERCAMBIADOR DE CALOR T2  T1 T1  T2 Tml   ln( T2 / T1 ) ln( T2 T1 )

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(10) Recuerde que, para el intercambiador de flujo paralelo,

 T1  Th ,1  Tc ,1  Th ,i  Tc ,i   T  T  T  T  T  2 h ,2 c ,2 h ,o c ,o  

(11)

Intercambiador de calor de contraflujo Las distribuciones de temperatura de los fluidos caliente y frío asociados con un intercambiador de calor en contraflujo se muestran en la figura 8. En contraste con el intercambiador de flujo paralelo, esta configuración mantiene transferencia de calor entre las partes más calientes de los dos fluidos en un extremo, así como entre las partes más frías en el otro.

Figura 8 Distribuciones de temperatura para un intercambiador de calor en contraflujo.

T  Th  Tc Por esta razón, el cambio en la diferencia de temperaturas, , con respecto a x no es tan grande en ningún lugar como lo es para la región de entrada del intercambiador en flujo paralelo. Tenga presente que la temperatura de salida del fluido frío puede exceder ahora la temperatura de salida del fluido caliente. Las ecuaciones 1b y 2b se aplican a cualquier intercambiador de calor y por tanto se pueden usar para el arreglo en contraflujo. Además, de un análisis como el que se llevó a cavo en para el caso de flujo paralelo, se puede mostrar que las ecuaciones 9 y 10 también se aplican. Sin embargo, para el intercambiador en contraflujo las diferencias de temperaturas en los puntos extremos se deben definir ahora como

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INTERCAMBIADOR DE CALOR  T1  Th ,1  Tc ,1  Th ,i  Tc ,o   T  T  T  T  T  2 h ,2 c ,2 h ,o c ,i  

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(12)

Advierta que, con las mismas temperaturas de entrada y salida, la diferencia de temperaturas media logarítmica para el contraflujo excede la del flujo paralelo,

Tml ,CF  Tml ,FP . Por consiguiente el área superficial que se requiere para efectuar una transferencia de calor establecida q es más pequeña para el contraflujo que para el arreglo en flujo paralelo, suponiendo el mismo valor de U. Nótese también que Tc,o puede exceder Th,o para contraflujo pero no para flujo paralelo.

3.3 ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR: MÉTODO DE EFICIENCIA NUT. Es fácil usar el método de la diferencia de temperaturas media logarítmica (DTML) del análisis del intercambiador de calor cuando se conocen las temperaturas de entrada del fluido y las temperaturas de salida se especifican o determinan con facilidad

Tml a partir de las expresiones de balance de energía, ecuaciones 1b y 2b. El valor de para el intercambiador se puede entonces determinar. Sin embargo, si sólo se conocen las temperaturas de entrada, el uso del método DTML requiere un procedimiento iterativo. En tales casos es preferible utilizar un método alternativo, que se denomina método de eficiencia-NUT.

Relaciones de eficiencia-NUT Para cualquier intercambiador de calor se puede demostrar que

 C    f  NUT , mín  Cmáx   (13) donde Cmín/Cmáx es igual a Cc/Ch o Ch/Cc, dependiendo de las magnitudes relativas de las capacitancias térmicas de flujo del fluido caliente y frío. El número de unidades de transferencia (NUT) es un parámetro adimensional que se usa ampliamente para el análisis del intercambiador de calor y se define como

NUT 

UA Cmín (14)

Para determinar una forma específica de la relación de eficiencia, ecuación 13, considere un intercambiador de calor de flujo paralelo para el que Cmín=Ck. Se puede obtener

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INTERCAMBIADOR DE CALOR T T   h ,i h ,o Th ,i  Tc ,i

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(15) y de las ecuaciones 1b y 2b se sigue que

Cmín m h c p ,h Tc ,o  Tc ,i   Cmáx m c c p ,c Th ,i  Th ,o (16) Considere ahora la ecuación 8, que se puede expresar como

 Th ,o  Tc ,o  UA  C     1  mín   Cmín  Cmáx   Th ,i  Tc ,i 

ln 

o de la ecuación 14

  Th ,o  Tc ,o C    exp  NUT , 1  mín   Th ,i  Tc ,i Cmáx     luego de reacomodar, obtenemos para el intercambiador de calor de flujo paralelo



1  exp  NUT 1   Cmín / Cmáx   1   Cmín / Cmáx  (17)

Dado que se puede obtener precisamente el mismo resultado para Cmín=Cc, la ecuación 17 se aplica para cualquier intercambiado de calor en flujo paralelo, sin importar la capacitancia térmica de flujo mínima se asocia con el fluido caliente o con el frío. Para el caso del arreglo en contraflujo obtendríamos la siguiente ecuación



1  exp  NUT 1  Cmín / Cmáx  1   Cmín / Cmáx  exp  NUT 1  Cmín / Cmáx  (18)

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4.- MATERIALES UTILIZADOS 2 termometros de bulbo 1 cronometro 1 manometro diferencial inclinado

5.- Procedimiento La secuencia a seguir para realizar la experiencia se muestra a continuación: 1) Realizar las conexiones adecuadas, en el intercambiador de calor, para un paso de fluidos en paralelo. 2) Determinar una posición tanto para el calentador de aire y el ventilador. Con esta posición se miden tres volúmenes de agua (con ayuda de una probeta) para un tiempo de 30 segundos cada una. 3) Tomar datos de temperatura con el termómetro bimetálico del tubo y aire (entrada y salida); además con el termómetro de bulbo, temperaturas de agua a la entrada y la salida. 4) Realizar los pasos Nº 2 y 3 para otras posiciones del calentador de aire y el ventilador (cuatro posiciones en total). 5) Repetir todos los pasos anteriores para un arreglo de paso de fluidos a contraflujo en el intercambiador de calor.

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6.- DATOS OBTENIDOS EN LA EXPERIENCIA Flujo Paralelo Temp. Ingreso aire (°C) Temp. Tubo derecho (°C) Temp. Tubo izquierdo (°C) Temp. Salida aire (°C) To (°C) Tf (°C) V1 (ml) (30seg) V2 (ml) (30seg) V3 (ml) (30seg) P (pulg H2O)

Contraflujo

39

46

54

59

42

51

56

63

24

26

27

29

30

33

38

40

30 21 27 245 242 235 0.55

33 22 31 230 235 220 0.7

35 27 34 225 225 220 0.9

27 23 26 250 250 245 0.45

31 23 29 240 237 240 0.55

33 23 33 225 223 220 0.7

35 23 35 220 220 220 0.9

95 26 20 24 260 252 253 0.4

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7.-Calculos y Resultados FLUJO PARALELO Tenemos los siguientes datos obtenidos por la experiencia en el laboratorio:

N

1 2 3 4

Termómetro Bulbo Temperatura agua

Termómetro bimetálico Temp Temp Temp 1 Temp 2 3 4 Entrada entrada Salida salida Entrada Salida Aire Tubo Tubo Aire 39 46 54 59

24 26 27 29

25 28.5 32 34.5

26 30 33 35

20 21 22 27

Diferencia Presión (m Agua)

24 27 31 34

0.01016 0.01397 0.01778 0.02286

Agua depositada (l)

0.26 0.245 0.23 0.225

0.252 0.242 0.235 0.225

Flujo agua (kg/s)

0.253 0.235 0.22 0.22

Con los datos obtenidos, pasamos a realizar los siguientes cálculos

Calor Transferido por el agua 

Q  m ag cpag (Tsal ag  Ten ag )

(kJ/s) cpag = 4.18 KJ/Kg °C

Flujo de aire: Qa=Q ag=Q 

m ag 

Q cpag  (Tent a  Tsal a )

cpa = 1.0035 KJ/Kg °C

Calor transferido (KJ/s) 0.142 0.201 0.286 0.218

Flujo de Aire (Kg/s) 0.011 0.013 0.014 0.009

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0.00850 0.00802 0.00761 0.00744

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Coeficiente Pelicular h Para el Aire:

ha =

Q A 1 × ∆ TA

Tent Tsal Tent ¿ ¿ a−Tent tub ¿ Tsal ¿ ¿ ¿ ln ⁡¿ (¿ ¿ a−Tsal tub ) (¿ ¿ a−Tent tub )− ¿ ¿ ∆T A a=¿

Aire D1 (m) L (m) 0.018 1.829 0.018 1.829 0.018 1.829 0.018 1.829

A1 (m2) 0.105 0.105 0.105 0.105

∆Ta 5.170 7.142 7.889 7.205

ha (KJ/ s °C) 0.262 0.269 0.346 0.289

Para el agua:

hag=

Q A2 × ∆TA

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INTERCAMBIADOR DE CALOR Q hag= A2 × ∆T A g

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Tent Tsal Tent ¿ ¿ tub−Tent ag ¿ Tsal ¿ ¿ ¿ ln ⁡¿ (¿ ¿ tub−Tsal ag ) (¿ ¿ tub−Tent ag )− ¿ ¿ ∆ T Aag =¿

Agua A2 D2 (m) (m2) 0.021 0.118 0.021 0.118 0.021 0.118 0.021 0.118

∆Tag 2.164 2.907 2.485 1.082

hag (KJ/ s °C) 0.554 0.584 0.972 1.699

Coeficiente Global:

U=

1

[

r2 ) r1 1 1 π × D1 × L + + h a× A 1 2 π × KT × L hag × A 2 ln ⁡(

]

Coeficiente Global U

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K cobre (W/m°K ) 330 330 330 330

U 0.184948495 0.191081133 0.263416295 0.250859399

Cálculo de la Eficiencia – Efectividad

E

ma Cpa (Ten  Tsal ) a C min (Ten a  Ten ag )

Eficiencia y Efectividad C1 0.0355 3 0.0335 33 0.0318 14 0.0311 18

c2 (min) 0.0109 32 0.0125 75 0.0136 35 0.0090 76

Eficiencia 68.42% 64.00% 65.63% 75.00%

Cálculo del Número de Unidades Térmicas (NUT) NUT 

UA1 Cmin

Número de Unidades Térmicas 1.77261 1.59217 2.02427 2.89607

Número de Reynolds

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INTERCAMBIADOR DE CALOR V × DH ℜ= ν

UNI-FIM y DH=

D3−D2

Temperatura de película para Aire y Agua

T entrada +T salida 2

Temperatura de película Tf agua

Reynol ds

Tf aire 22

32.5

24

38

26.5

43.5

30.5

47

Re Agua 183.13 44 172.84 05 187.93 57 203.73 6

Re Aire 40838. 85 45832. 56 49804. 84 32303. 85

Con los resultados obtenemos las siguientes gráficas

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Coeficiente pelicular del aire en función del número de Reynolds 0.4 0.35 0.3 0.25

h(KJ/ s °C)

ha (KJ/ s °C)

0.2

Logarithmic (ha (KJ/ s °C))

0.15 0.1 0.05 0 30000 35000 40000 45000 50000 55000

Número de Reynolds

Coeficiente pelicular del agua en función del número de Reynolds 1.8 1.6 1.4 1.2 1

h(KJ/ s °C)

hag (KJ/ s °C) Power (hag (KJ/ s °C))

0.8 0.6 0.4 0.2 0 170 175 180 185 190 195 200 205 210

Re

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Coeficiente Global del agua en función del número de Reynolds 0.3 0.25 0.2

U Exponential (U)

Coeficiente Global (Kj/s °C m2) 0.15 0.1 0.05 0 170 180 190 200 210

Re

Diferencia de Presión en función del Número de Reynolds del agua 0.03 0.02 Diferencia Presión (m Agua)

0.02

Diferencia presión ( m H20)

Exponential (Diferencia Presión (m Agua))

0.01 0.01 0 170 180 190 200 210

Re

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INTERCAMBIADOR DE CALOR

UNI-FIM

CONTRAFLUJO Se obtuvieron los siguientes datos en el laboratorio, concernientes al intercambiador de calor operando con contraflujo.

Posición

Termómetro Bulbo Temperatura agua

Termómetro bimetálico Temp Temp Temp 1 Temp 2 3 4

Diferenci a Presión (m Agua)

Agua depositada (l)

Entrad a Aire

entrada Tubo

Salid a Tubo

salida Aire

Entrad a

Salida

1

42

30

26.5

27

23

26

0.01143

0.25

0.25

0.245

2

51

33

30

31

23

29

0.01397

0.24

0.237

0.24

3

56

38

33.5

34

23

33

0.01778

0.225 0.223

0.22

4

63

40

35.5

36

23

35

0.02286

0.22

0.24

0.22

Flujo agua (kg/s)

0.0082 8 0.0079 7 0.0074 2 0.0075 6

Con los datos obtenidos, pasamos a realizar los siguientes cálculos

Calor Transferido por el agua 

Q  m ag cpag (Tsal ag  Ten ag )

(kJ/s) cpag = 4.18 KJ/Kg °C

Flujo de aire: Qa=Q ag=Q 

m ag 

Q cpag  (Tent a  Tsal a )

cpa = 1.0035 KJ/Kg °C Por lo que resulta: Calor transferi do (KJ/s)

Flujo de Aire (Kg/s)

0.104 0.200 0.310

0.007 0.010 0.014

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INTERCAMBIADOR DE CALOR

UNI-FIM

0.379

0.014

Coeficiente Pelicular h Para el Aire:

ha =

Q A 1 × ∆ TA

Tent Tsal Tent ¿ ¿ a−Tent tub ¿ Tsal ¿ ¿ ¿ ln ⁡¿ (¿ ¿ a−Tsal tub ) (¿ ¿ a−Tent tub )− ¿ ¿ ∆T A a=¿

Aire D1 (m) 0.018 0.018 0.018 0.018

L (m) 1.829 1.829 1.829 1.829

A1 (m2) 0.105 0.105 0.105 0.105

∆Ta 3.619 5.882 4.883 5.877

ha (KJ/ s °C) 0.274 0.324 0.606 0.615

Para el agua:

hag=

Q A2 × ∆T ag

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INTERCAMBIADOR DE CALOR Q hag= A2 × ∆T ag

UNI-FIM

Tent Tsal Tent ¿ ¿ tub−Tent ag ¿ Tsal ¿ ¿ ¿ ln ⁡¿ (¿ ¿ tub−Tsal ag ) (¿ ¿ tub−Tent ag )− ¿ ¿ ∆ T Aag =¿

Agua D2 (m) 0.021 0.021 0.021 0.021

A2 (m2) 0.118 0.118 0.118 0.118

∆Tag 2.463 3.909 4.263 4.679

hag (KJ/ s °C) 0.356 0.431 0.614 0.684

Coeficiente Global:

U=

1

[

r2 ) r1 1 1 π × D1 × L + + h a× A 1 2 π × KT × L hag × A 2 ln ⁡(

]

Coeficiente Global U K cobre (W/m°K) U1 0.162900 330 08

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INTERCAMBIADOR DE CALOR

UNI-FIM

330 330 330

0.194776 25 0.323722 12 0.342655 64

Cálculo de la Eficiencia – Efectividad

E

ma Cpa (Ten  Tsal ) a C min (Ten a  Ten ag )

Eficiencia y Efectividad C1 0.034601 11 0.033300 67 0.031024 89 0.031582 22

c2 0.006920 22 0.009990 2 0.014102 22 0.014036 54

E 78.95% 71.43% 66.67% 67.50%

Cálculo del Número de Unidades Térmicas (NUT) NUT 

UA1 Cmin

Número de Unidades Térmicas 2.46647 2.04285 2.40524 2.55783

Número de Reynolds

ℜ=

V × DH ν

y DH=

D3−D2

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Temperatura de película para Aire y Agua

T entrada +T salida 2 Temperatura de película Tf agua

Reynolds

Tf aire

24.5

34.5

26

41

28

45

29

49.5

Re Agua Re Aire 178.346 25851.2 548 566 171.643 36412.1 591 281 183.271 51512.3 554 68 206.776 49959.6 878 145

Finalmente los gráficos obtenidos con los cálculos realizados se muestran a continuación.

Coeficiente pelicular del aire en función del número de Reynolds 0.700 0.600 0.500 0.400

ha (KJ/ s °C) Logarithmic (ha (KJ/ s °C))

0.300 0.200 0.100 0.000 20000 30000 40000 50000 60000

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Coeficiente pelicular del agua en función del número de Reynolds 0.800 0.700 0.600 hag (KJ/ s °C)

0.500

Power (hag (KJ/ s °C))

0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 165170175180185190195200205210

Coeficiente Global del agua en función del número de Reynolds 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2

U Exponential (U)

0.15 0.1 0.05 0 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210

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Diferencia de Presión en función del Número de Reynolds del agua 0.03 0.02

Diferencia Presión (m Agua)

0.02

Exponential (Diferencia Presión (m Agua))

0.01 0.01 0 160 170 180 190 200 210

Eficiencia en función del Número de unidades Térmicas 80.00% 78.00% 76.00% 74.00%

E

Logarithmic (E )

72.00% 70.00% 68.00% 66.00% 64.00% 62.00% 60.00% 2.00000 2.10000 2.20000 2.30000 2.40000 2.50000 2.60000

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7.- Observaciones, recomendaciones y conclusiones

OBSERVACIONES

-

Las conexiones para conseguir el paso de fluidos en flujo paralelo y contraflujo deben ser identificadas adecuadamente.

-

No es posible medir la temperatura a la salida del tubo (flujo paralelo y contraflujo) por fallas en el armado del equipo.

-

Se realizan tres mediciones de volúmenes de agua para tener mayor precisión a la hora de efectuar los cálculos.

RECOMENDACIONES

-

Antes de empezar con la experiencia tener un buen conocimiento sobre el funcionamiento del intercambiador de calor.

-

Procurar que las medidas de temperatura se registren después de 5min. aproximadamente, una vez que el sistema se halla estabilizado.

-

Asumir la temperatura a la salida del tubo en un rango aceptable de tal forma que los resultados sean aceptables.

-

Considerar las unidades de las medidas recogidas en el intercambiador de calor y tenerlos en cuenta a la hora de hacer los cálculos.

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Conclusiones



Según nuestras gráficas y de acuerdo con la teoría aprendida en el curso de transferencia de calor como en el de mecánica de fluidos, el número de Reynolds que mide la turbulencia de un flujo incide sobre su capacidad para trasmitir calor, por lo cual vemos que tanto para el agua como para el aire cuando el número de Reynolds aumenta, el coeficiente pelicular es mayor en el fluido por lo cual es capaz de trasmitir mayor



cantidad de calor. De la misma manera vemos que el coeficiente global de transmisión de calor crece de forma directamente proporcional al aumento del número de Reynolds, es decir que el intercambiador de calor es capaz de



transmitir mayor cantidad de calor si la “turbulencia” del fluido es mayor. Según nuestras gráficas y de acuerdo con la teoría aprendida de transferencia de calor Notamos que la efectividad del Intercambiador de calor es creciente en la medida que crece al NUT , es decir que la velocidad de trasferencia de calor es mayor para este intercambiador de calor en la medida que se “aumenta” la superficie de transferencia de calor, lo cual es lógico sabiendo que a cada prueba que hemos hecho, las condiciones de los fluidos han cambiado al crecer su caudal y turbulencia, lo cual ha aumentado el U , manteniéndose el área y el CP



constante de los fluidos. Se ha comprobado que la eficiencia en una instalación de intercambio de calor de contraflujo es mayor que en la de un intercambiador operando a flujo paralelo, esto se puede evidenciar por el hecho que la diferencia media logarítmica para el caso de contraflujo es mayor que



para el flujo paralelo. El coeficiente pelicular para los fluidos en el caso del agua es variable con el número de Reynolds sin embargo en el aire (flujo interno) presenta aumento al aumentar el número de Reynolds.

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8.- BIBLIOGRAFIA: 

Manual de Laboratorio de Ingeniería Mecánica III - UNI-FIM

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