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• Miguel Flores

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laboratorio Nº10: intercambiadores de calor I). INTRODUCCIÓN: La transferencia de calor, es un proceso en el que se intercambia energía calórica entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. La transferencia de calor abarca fenómenos físicos como la conducción y convección, que se deben de comprender antes de proceder a desarrollar metodologías que conduzcan al diseño térmico de los sistemas correspondientes como por ejemplo los que implican procesos de transferencia de calor de un fluido a otro (1). Un intercambiador de calor es un dispositivo usado para transferir energía térmica (entalpia) entre dos o más fluidos, entre una superficie sólida y un fluido, o entre partículas sólidas y un fluido a diferentes temperaturas y en contacto térmico. Las aplicaciones típicas involucran calentamiento o enfriamiento de una corriente de fluido que puede involucrar evaporación o condensación de corrientes de fluidos simples o multicomponente. En otras aplicaciones, el objetivo podría ser recuperar o rechazar calor, pasteurizar, destilar, concentrar, cristalizar o controlar un fluido de proceso. (2) Los intercambiadores de calor se pueden clasificar de acuerdo a su construcción, el proceso de transferencia, el grado de compacidad de la superficie, la disposición de los flujos, disposición de los pasos, la fase de los fluidos involucrados en el proceso y el mecanismo de transferencia de calor (3). De los diferentes tipos de intercambiadores de calor que hay, el más simple es uno en el cual los fluidos caliente y frio se mueven en la misma u opuesta dirección en una construcción de tubo concéntrico o doble tubo (4). Un esquema de este intercambiador se muestra en la figura 1.

Figura 1. Intercambiador de calor de doble tubo

II). OBJETIVOS:  Conocer las características y el funcionamiento de un intercambiador de calor de doble tubo operando en contracorriente.  Evaluar el flujo de calor del intercambiador de calor operando en flujo a contracorriente.  Evaluar el coeficiente global de transferencia de calor en forma teórica y experimental.

III). RESUMEN: En esta experiencia se pretende ver el comportamiento de un fluido al intercambiar calor con otro fluido el cual posee una temperatura más elevada, por ende se produce un intercambio de energía entre los fluidos, los cuales no se mezclan entre sí. Como objetivo principal se plantea el estudio de un intercambiador de calor de doble tubo operando en contracorriente, que opera a contra flujo y flujo paralelo, y así lograr realizar un estudio de los parámetros de un intercambiador de calor.

IV). FUNDAMENTO TEÓRICO: Un intercambiador de calor se puede describir de un modo muy elemental como un equipo en el que dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez. Se requiere conocer los distintos tipos de equipos disponibles ya que corresponden a geometrías y formas diversas que se pueden usar para diferentes operaciones de transferencia de calor y condicionan o determinan las expresiones a usar para el cálculo de las características de la transferencia de calor; específicamente los coeficientes de transferencia de calor. Tipos de intercambiadores de calor 1) Tubos concéntricos: Son equipos de construcción sencilla que se ocupan para cargas pequeñas a transferir. El tamaño no debiera exceder los 70 pies2, ya que sobre ese tamaño se hacen más económicos los equipos más compactos. De construcción simple, una unidad (llamada normalmente horquilla) está compuesta por dos secciones de tubos concéntricos (de 20 pies cada una) unidas por curvas y tees para dar forma al equipo, como se puede ver en la figura 2. Las uniones, normalmente roscadas son la mayor debilidad del equipo

Figura 2. Intercambiador de tubos concéntricos. 2) Tubos y carcasa: Para mejorar la relación área/volumen y disminuir los puntos conflictivos de posibles filtraciones se dispone de este tipo de equipo, que contiene un gran número de tubos (haz de tubos) en una carcasa de sección circular. Los tubos están fijos en una placa (hoja de tubos) que permiten su flujo hidrodinámico independiente del flujo que fluye por la carcasa. Para mejorar las condiciones de transferencia por el lado de la carcasa, en esta se disponen algunas placas deflectoras (bafles normalmente segmentados al 75%) que provocan en el lado dela carcasa un flujo parcialmente paralelo y parcialmente cruzado en relación al fluido que circula por los tubos. Está claro que al disponer los bafles se aumenta las pérdidas de energía por el lado de la carcasa, y este aumento dependerá del número de bafles usados. Este tipo de intercambiador es ampliamente usado por su gran versatilidad, ya que se puede lograr con un solo equipo una gran variedad de configuraciones distintas. Su uso está restringido a soluciones con muy bajo contenido de sólidos y viscosidades menores a 10000 centipoises. A continuación se puede ver en la figura 3 el intercambiador de tubos y carcasa analizado en la experiencia, y en la figura 4 un esquema demostrativo de la conformación de un intercambiador de tubos y carcasa.

Figura 3. Intercambiador de tubos y carcasa.

Figura 4. Esquema de intercambiador de tubos y carcasa. 3) Intercambiadores de placas: El intercambiador de calor de placas consta de un conjunto de placas metálicas corrugadas, con orificios para permitir el paso de los dos fluidos entre los que se realiza la transferencia de calor. El conjunto de placas está montado entre una placa bastidor fija y otra de presión desmontable, y se mantiene apretado mediante pernos. Las placas incorporan juntas que sellan la periferia y dirigen los fluidos por canales alternos. El número de placas depende del caudal, propiedades físicas de los fluidos, pérdida de carga máxima permitida y programa de temperaturas. La corrugación de las placas favorece la turbulencia del fluido y contribuye a que las placas resistan la presión diferencial. Las placas de intercambio térmico y placa de presión están suspendidas en una barra guía superior y se apoyan en una barra guía inferior. Ambas barras están fijas a una columna de soporte. Las conexiones están siempre situadas en la placa fija del bastidor a menos que uno o ambos fluidos requieran más de un paso, en cuyo caso también se sitúan en la placa de presión movible. Entre las placas del intercambiador de calor se forman canales y los orificios de las esquinas están dispuestos de manera que los dos líquidos circulen por canales alternos, en la figura 5 se puede observar una fotografía del intercambiador de placas utilizado en la experiencia.

El calor se transfiere por la placa entre los canales. Para incrementar la eficiencia al máximo se genera un flujo en contracorriente. La corrugación de las placas provoca un flujo en torbellino que aumenta la eficiencia de intercambio térmico y protege la placa contra la presión diferencial.

Figura 5. Intercambiador de placas. 4) Economizadores: Es básicamente un intercambiador de calor que se coloca en la chimenea de una caldera para transferir el calor contenido en los gases de combustión al agua de la caldera. En la figura 6 se puede ver un esquema de un economizador y sus partes principales.

Figura 6. Economizador.

5) Estanques con chaquetas y/o serpentín (kettles): El serpentín es un equipo intercambiador de calor que al estar en contacto con el aire de retorno el cual regresa caliente, enfría el aire gracias al refrigerante abaja temperatura que circula por su interior, y lo envía de nuevo mediante los ductos transportadores a las instalaciones y mediante este proceso la temperatura del aire presente en las instalaciones se mantiene bajo condiciones de confort. En la figura 7 se tiene una imagen de un serpentín.

Figura 6. Serpentín. CONCEPTO TEÓRICO APLICADO Coeficiente global de transmisión En transferencia de calor se determina el valor del coeficiente global de transmisión, tanto para el caso de pared plana, como cilíndrica o esférica, así como en el caso de tubo aleteado; dada la importancia que presentan en el cálculo de cambiadores de calor, se indican a continuación las ecuaciones correspondientes al coeficiente global de transmisión de una pared cilíndrica de una sola capa, de radio interior ri y exterior ro, y conductividad térmica k, por cuyo interior circula un fluido, con coeficiente de transmisión superficial hi, mientras que por el exterior lo hace otro fluido con coeficiente de transmisión superficial h.

Así como la correspondiente al caso de que esta misma tubería estuviera dotada con un número de aletas/metro de tubos n, de radio extremo r1 y espesor W, Ecu. 3.2, Expresión en la que χ representa la efectividad de las aletas anulares, mientras que Ai expresa el área interior del tubo y Ao el área exterior del tubo aleteado, siendo L la longitud del tubo aleteado.

Coeficiente de transferencia de calor superficial Hay una gran cantidad de superficies de calor que no entran dentro de las categorías discutidas en los manuales de convección. Los más destacados son los compactos, que alcanzan un área superficial por unidad de volumen muy grande. Estos cambiadores se adaptan mejores a las aplicaciones en las que se tiene corrientes gaseosas y valores bajos de h. Resistencia térmica. Cuando se superponen superficies de distinto material, con distinto gradiente de temperaturas y áreas diferentes, conviene definir los términos de conductancia y resistencia térmica. La resistencia térmica (equivalente a la resistencia en electricidad) indica la dificultad que presenta un trozo de material de un espesor determinado, al paso del calor:

La conductancia térmica será la inversa de la resistencia: 1/R, y se medirá en W/( m2 K) •

Flujo de calor por conducción en distintas superficies:

1.

En una pared plana, A será el área de la pared y d su espesor.

2.

En una pared cilíndrica:

* d será la diferencia entre los radios externo e interno, d = r2 – r1 * Como las superficies son distintas se calcula un área media logarítmica:

L: longitud del tubo cilíndrico. 3.

En una pared esférica:

* d será la diferencia entre los radios externo e interno, d = r2 – r1 * El área a utilizar será:

V). EQUIPO Y MATERIALES:  Fluido: Agua  Equipo de Intercambiador de calor de doble tubo

VI). PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:  Calibrar ambos rotámetros a lectura colocadas en las tablas  Encendemos el equipo y esperamos unos minutos hasta que el agua se estabilice a Temperatura ambiente.

 El agua a Temperatura ambiente. proviene del tanque elevado que fluye en contracorriente

 En ambos flujos calibramos los rotámetros que se estabilice la lectura de los termómetros  Proseguimos inmediatamente a medir la temperatura de entrada y salida del fluido caliente y frio.

VII). CÁLCULOS Y RESULTADOS: DATOS EXPERIMENTALES FRÍA



EXP

LR

Tf1

Tc2

Tc1

Tf2

1

20

23

29

29

22

2

30

24

32

35

26

3

40

24

33

36

26

4

50

24

33

36

26

Para el tubo de cobre de 3/4 " -



CALIENTE

A= 0,0002812 m2 D=0,01892 m

DATOS PARA EL TUBO DE COBRE DE 1/2" -

A= 0,0001407 m2 D= 0,01339 m

𝑸 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟐𝟓 × 𝑳𝑹 + 𝟎. 𝟎𝟕𝟔𝟏 (

𝒅𝒎𝟑 ) ⟶ 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒕á𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒉𝒂𝒍𝒍𝒂𝒓 𝒆𝒍 𝒄𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍 𝒔

DATOS CALCULADOS PARA EL AGUA FRIA EXP

LR

Tf1

Tc2

∆T

T(MEDIA)

DENSIDAD

VISCOSIDAD

Kg/m3

Pa*s

Q (dm^3/s)

velocidad m/s

1

20

23

29

6

26

996,86

0,000871

0,1261

0,448

2

30

24

32

8

28

996,31

0,000833

0,1511

0,537

3

40

24

33

9

28,5

996,16

0,000824

0,1761

0,626

4

50

24

33

9

28,5

996,16

0,000824

0,2011

0,715

Fórmula para el coeficiente individual “ho”:

𝑢𝑓 0.14 𝑘 0.8 𝛼 ℎ𝑂 = × (0.023) × 𝑁𝑟𝑒 × 𝑁𝑝𝑟 × ( ) ∆𝑒𝑞 𝑢𝑤

K = 0.6201 (W/m °C) 𝑢𝑓 = 1, (𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑦 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎, 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒) 𝑢𝑤 αcalentamiento = 0.4

TABLA Nª3. DETERMINACION DEL COEFICIENTE CORRECTIVO EXTERNO “ho” EXP

Nre

Cp J/gr°C

k (W/m°C)

Npr

ho

1

9710,40

4,18

0,6201

5,87128

7086,171

2

12159,61

4,18

0,6201

5.61513

8333,140

3

14324,09

4,18

0,6201

5.55446

9458,873

4

16357,61

4,18

0,6201

5.55446

10518,688

DATOS CALCULADOS PARA EL AGUA CALIENTE Hallamos la velocidad: 𝒗=

𝑽𝒎 𝑸 = (𝒎/𝒔) 𝒕×𝑨 𝑨

EXP

LR

Tc1

Tf2

∆T

T (MEDIA)

DENSIDAD

VISCOSIDAD

Q (dm^3/s)

VELOCIDAD m/s

1

20

29

22

7

25,5

996,73

0,000871

0,1261

0,896

2

30

35

26

9

30,5

995,71

0,000798

0,1511

1,074

3

40

36

26

10

31

995,41

0,000781

0,1761

1,252

4

50

36

26

10

31

995,41

0,000781

0,2011

1,429

Fórmula para el coeficiente individual “hi”: ℎ𝑖 =

𝑢𝑓 0.14 𝑘 × (0.023) × 𝑁𝑅𝑒 0.8 × 𝑁𝑝𝑟 𝛼 × ( ) 𝐴𝑖 𝑢𝑤

K = 0.6201 (W/m °C) 𝑢𝑓 = 1, (𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑦 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎, 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒) 𝑢𝑤 αcalentamiento = 0.3

DETERMINACION DEL COEFICIENTE INDIVIDUAL hi EXP

Cp J/grªC

k (W/mªC)

Npr

Nre

hi

1

4,18

0,6394

5,694

13732,86

10893,1

2

4,18

0,6394

5,217

17942,42

13026,9

3

4,18

0,6394

5,106

21359,78

14848,2

4

4,18

0,6394

5,106

24392,12

16511,9

 Datos para graficar -Para el agua fría DATOS PARA GRAFICAR Log (ho) VS Log (v)

EXP

Ho

velocidad m/s

log (ho)

log (v)

1

7086.171

0.448

3.850

-0.348

2

8333.140

0.537

3.921

-0.270

3

9458.873

0.626

3.976

-0.203

4

10518.688

0.715

4.022

-0.146

-Para el agua caliente DATOS PARA GRAFICAR Log (hi) VS Log (v)

EXP

Hi

v

log (hi)

log (v)

1

10893.1

0.896

4.037

-0.048

2

13026.9

1.074

4.115

0.031

3

14848.2

1.252

4.172

0.098

4

16511.9

1.429

4.218

0.155

Grafica N°1. Log (ho) vs Log (v)

Log (ho) vs Log (v) 4.04 4.02 4

Log (ho)

3.98 3.96 3.94 y = 0.846x + 4.1468 R² = 0.9993

3.92 3.9 3.88 3.86 3.84

-0.4

-0.35

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

Log (v)

Grafica N°2. Log (hi) vs Log (v)

Log (hi) vs Log (v) 4.25

4.2

Log (hi)

4.15

y = 0.8904x + 4.0828 R² = 0.9976

4.1 4.05 4

-0.1

-0.05

0

0.05

Log (v)

0.1

0.15

0.2

Tomamos la siguiente fórmula general: ℎ𝑋 = 𝑎 × 𝑉 𝑏 Aplicamos logaritmo a ambos extremos: 𝐿𝑜𝑔 ℎ𝑋 = 𝐿𝑜𝑔𝑎 + 𝑏 × 𝐿𝑜𝑔 𝑉 

Para ho: 𝑦 = 0.846𝑥 + 4.1468 𝑎 = 14021.678 𝑏 = 7.015

Por lo tanto: ℎ𝑂 = 14021.678 × 𝑉 7.015



Para hi: 𝑦 = 0.8904𝑥 + 4.0828 𝑎 = 12100.408 𝑏 = 7.770

Por lo tanto: ℎ𝑖 = 12100.408 × 𝑉 7.770 Con las ecuaciones obtenidas podemos calcular los coeficientes correctivos internos y externos a distintas temperaturas y así hallar el coeficiente global de transferencia de calor experimental. Coeficiente global de transferencia de calor (U) experimental a contracorriente: EXP 1 2 3 4

ho 7086.171 8333.140 9458.873 10518.688

U promedio práctico = 0.00137 W/m2.K

hi 10893.1 13026.9 14848.2 16511.9 PROMEDIO

U (W/m2.K) 0.00139 0.00137 0.00136 0.00135 0.0013675

VIII). DISCUSIÓN DE RESULTADOS:  Al evaluar el coeficiente global teórico obtenido de la literatura del libro cengel, con el coeficiente global que se calculó en el experimento se obtuvo el siguiente error: % 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =

(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙) 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

× 100 =

0.00137−0.0013675 0.00137

× 100

% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0.365%

IX). CONCLUSIONES:  Se pudo conocer con mucho éxito los diferentes componentes y funcionamientos que tiene el intercambiador de calor de doble tubo ya que se realizó con mucho éxito el experimento obteniendo un mínimo error.  Se pude concluir que si el tiempo de residencia de los fluidos en el intercambiador fuera mayor, la eficiencia podría experimentar un aumento, ya que la temperatura del fluido frio tendría más tiempo para recibir el calor proveniente del fluido caliente.

X). RECOMENDACIONES:  Se debe tomar en cuenta a la hora de operar un intercambiador de calor que todos los subsistemas involucrados en el proceso estén operando eficientemente, debido a que se encuentran íntimamente relacionados.

XI). REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:  Diana La Marciana. (2012). Informe Laboratorio Intercambiador de Calor. 2017, de Scribd Sitio web: https://es.scribd.com/doc/150255401/Intercambiadores-decalor-informe  Claudia Tapia Garay. (2013). Intercambiadores de calor informe. 2017, de Scribd Sitio web: https://es.scribd.com/doc/150255401/Intercambiadores-decalor-informe  Yunus A, cengel. (2004). Transferencia de calor. México: Mc Graw Hill.  Henry Gustavo Reyes. (2013). CARACTERIZACION DE LOS BANCOS DE PRUEBA DE INTERCAMBIO DE CALOR DE TUBO CONCENTRICO Y DE REGIMEN TURBULENTO DEL LABORATORIO DE TERMICAS DE LA UAC. 2017, de UAC Sitio web: http://repositorio.uac.edu.co/bitstream/handle/123456789/787/Articulo.pdf?sequ ence=3&isAllowed=y