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ANALISIS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR MEDIANTE EL EQUIPO HT31 (INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO) Sergio Arcila Delgado, Adrian Camilo Gil Franco [email protected], [email protected] RESUMEN En este informe se hablara sobre el intercambiador de calor de doble tubo que funciona en contraflujo, explicaremos las ventajas de este tipo intercambiador, sus aplicaciones en las distintas industrias. Analizaremos la eficiencia de este, las corrientes en base a los datos obtenidos, el comportamiento de los fluidos agua de llave y agua ionizada la cual tenía una temperatura mayor. Se determinó el comportamiento de cada corriente en diferentes puntos por medio de un registro de temperatura tomado cada determinado tiempo y los posibles errores en los que se puede incurrir. Palabras claves: Intercambiador de calor de doble tubo, transferencia de calor, agua, temperatura ABSTRACT This report talks about the double tube calorie exchanger that works in counterflow, explaining the advantages of this type of exchanger, its applications in different industries. The analysis of the efficiency of this, the currents in the base of the data, the behavior of the water fluids of the tap and the ionized water which has a higher temperature. The behavior of each stream was determined at the different points in the middle of a record of the temperature, time and possible errors that may be incurred. Keywords: Double tube heat exchanger, heat transfer, water, temperatura INTRODUCCION Los intercambiadores de calor de doble tubo están diseñados para colocar un tubo concéntricamente dentro de un tubo más grande. La composición de doble tubo permite un flujo de producto sin restricciones, lo que lo convierte en el intercambiador de calor ideal para productos viscosos. El producto fluye a través del tubo interno y el fluido de servicio fluye a través de la carcasa circundante.

OBJETIVOS 



Demostrar el calentamiento o enfriamiento indirecto mediante la transferencia de calor de una corriente de fluido a otra cuando están separadas por una pared sólida (transferencia de calor de fluido a fluido). Realizar un balance de energía a través de un intercambiador de calor tubular y calcular la Eficiencia global.

MARCO TEORICO Los intercambiadores de calor de doble tubo son los más sencillos que hay, consisten en dos tubos concéntricos de diferentes diámetros en el cual un fluido pasar por el tubo con diámetro más pequeño, y el otro fluido pasa por el espacio anular entre estos dos tubos. Estas corrientes pueden ir en paralelo o pueden ir en contraflujo, el cual tiene mayor eficiencia.

Figura 1: Esquema intercambiador en serie y en paralelo. Estos intercambiadores se pueden conectar en serie o en paralelo con el fin de aumentar el área de transferencia, aunque en ciertos casos se le puede poner unas aletas al tubo interior para que pueda cumplir con el mismo fin. Son usualmente utilizados para transferir bajas cargas térmicas del orden de 250 mil kilocalorías por hora. Estos intercambiadores de calor se ven generalmente en industrias como la petroquímica o la farmacéutica en donde se usan para calentar o enfriar fluidos sin que se llegue a presentar un cambio de estado. El flujo de calor desde un fluido caliente a través de una pared sólida hasta un fluido frío es una situación que se presenta en la mayoría de los casos prácticos industriales. Como los fluidos que se manejan por lo general son sucios o producen ataque químico sobre las superficies, generalmente provocan un depósito de suciedad o sarro a ambos lados de las paredes del tubo.

Figura 2: Resistencia al paso del calor. Para diseñar un intercambiador de calor se utiliza una ecuación en la cual el área depende de la trasferencia de calor y del cambio de temperatura. En el caso de del intercambiador de doble tubo, el área de transferencia de calor es el área del tubo interno ya que el área del tubo externo solo funciona como envolvente. . El área del tubo interno no es constante, ya que al tener el tubo un espesor x, hay una diferencia entre el diámetro interno Di y el diámetro externo Do, por lo que también serán diferentes las áreas internas Ai y la externa Ao del tubo interno.

Para poder controlar todas las temperaturas, se utiliza “The Armfield Software” el cual es un software que está conectado a 6 termopares que nos miden la temperatura del fluido caliente y la temperatura del fluido frio. El sistema también permite la manipulación de las rpm´s de la bomba la cual hace que cambie el caudal. Al final el software realiza un Excel en el cual muestra la temperatura registrada de

cada uno de los termopares en intervalos de 5 segundos. En el caso del laboratorio se calentó el agua por medio de una resistencia eléctrica y se des ionizó de tal forma que se pudiera proteger el intercambiado HT30XC evitando que ocurrieran algunas incrustaciones y también previniendo de cualquier tipo de oxidación.

Figura 3: The Armfield Software.

PROCEDIMIENTO Ejercicio A Antes de continuar con el ejercicio, asegúrese que el equipo haya sido instalado y Los accesorios instalados como se describe en este manual, con un suministro de agua fría Conectado y el regulador de presión ajustado. El aparato debe estar encendido, y si usa el HT30XC, la unidad de servicio debe conectarse a la PC en la que se ha instalado el software. El uso de una computadora es opcional con el HT30X. Probar los circuitos de agua fría y caliente utilizando el suministro de agua fría (consulte la Sección de operación si necesita detalles sobre cómo preparar (probar) el equipo). El método que se tendrá en cuenta midiendo los cambios de temperatura de dos corrientes separadas de agua que fluyen a través del tubo interno y el tubo externo de un intercambiador de calor tubular (doble tubo concéntrico). A través de la medición de los cambios de temperatura de las dos corrientes de fluido separadas en un intercambiador de calor tubular y calcular la energía térmica transferida a o desde cada una de las corrientes para determinar la eficiencia global. Para esto: Ajuste el controlador de temperatura a un punto de ajuste de aproximadamente 45°C sobre el agua fría. Temperatura de entrada T4 (por ejemplo, si T4 = 15°C luego ajuste el controlador a 60°C) si usa el HT30X. A continuación, encienda el circulador de agua caliente. Ajuste la configuración de la válvula de control de agua fría para obtener un caudal de agua fría de 1,34 litro / min. Si usa HT30X, ajuste la válvula de control de agua caliente configurando 𝑉ℎ𝑜𝑡 para que fluya agua caliente a una tasa determinada según el montaje que se va a estudiar. Configure el controlador en Automático.

Cualquier diferencia de temperatura a través de la pared del tubo de metal dará lugar a la transferencia de Calor entre las dos corrientes de fluido. El agua caliente que fluye a través del tubo interno se enfriará y se calentará el agua fría que fluye a través del tubo externo. Equipo necesario / requerido HT30X/HT30XC Unidad de Servicio de Intercambiador de Calor. HT31 Intercambiador de calor tubular. Para calcular ΔTteorico es necesario usar la siguiente ecuación 𝑄𝑏 Δ𝑇𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 = ̇𝑉 ∗ 𝜌 ∗ 𝐶𝑝 𝑄𝑐 𝜂= ∗ 100% 𝑄ℎ Para los 3 procedimientos se toma un caudal del fluido frio=1,34 l/min

Tbin (°C) Tbout (°C) Tb (°C) Qb (W)  (Kg/m3) Cp (J/Kg K) ΔTreal (°C) ΔTteorico (°C) Error relativo (%) Eficiencia (%)

Tbin (°C) Tbout (°C) Tb (°C) Qb (W)  (Kg/m3) Cp (J/Kg K) ΔTreal (°C) ΔTteorico (°C) Error relativo (%) Eficiencia (%)

Para caudal del fluido caliente = 3,1 l/min Frio 17,1 27,1 22,1 823 997,58 4179,16 10 8,83 11,7

Caliente 49,2 45,7 47,4 721,9 989,14 4180,48 3,44 3,37 2

114

Para caudal del fluido caliente = 2,6 l/min Frio 17 24,2 20,6 747,4 997,88 4181,76 7,2 8 11 111,5

Caliente 45,9 41,9 43,9 669,8 990,54 4179,78 3,9 3,73 4,3

Tbin (°C) Tbout (°C) Tb (°C) Qb (W)  (Kg/m3) Cp (J/Kg K) ΔTreal (°C) ΔTteorico (°C) Error relativo (%) Eficiencia (%)

Para caudal del fluido caliente = 2 l/min Frio 17 24,1 20,6 715,1 997,88 4181,76 7,1 7,673 8 107,2

Caliente 47,3 42,5 44,9 667,1 990,14 4179,98 4,8 4,835 0,72

Eficiencia global=110,9% ANÁLISIS DE DATOS Según la teoría el calor ganado por la corriente fría es el mismo calor que pierde la corriente caliente cuando el intercambiador de calor se encuentra totalmente aislado. En la práctica se evidencia que el equipo no se encuentra aislado en la zona anular, por lo cual este presenta un flujo de calor proveniente de la temperatura ambiente. Con los valores obtenidos se evidencia que la corriente fría genera una mayor tasa de transferencia de calor que la corriente caliente por ir en el anulo. Esto causa que se presente una eficiencia mayor al 100%.

CONCLUSIONES 

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Se demostró el calentamiento o enfriamiento indirecto mediante la transferencia de calor de una corriente de fluido a otra cuando están separadas por una pared sólida (transferencia de calor de fluido a fluido). Se realizó un balance de energía a través de un intercambiador de calor tubular y se calculó la eficiencia global.

BIBLIOGRAFIA Computer Compatible Tubular Heat Exchanger Instruction Manual HT31 www.hrs-heatexchangers.com