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Practica 1: Intercambiador de Calor de Flujo Turbulento Vera, Patricia; Jara, Claudia; Benítez, Larissa; Tintel, Alejandra; Fernández, Fernández, Karen; Adrián, Karina; Serafini, Hugo; Serafini, Andrea; Espínola, Iván. Resum Resum en -- Se
determinó el coeficiente general de transferencia de calor para flujo turbulento a partir de los valores de transferencia de calor y diferencia logarítmica de temperatura media para comparar con el obtenido a partir de correlaciones, y a su vez contrastar los valores obtenidos de coeficientes general de transferencia de calor para flujos en contracorriente y cocorriente. Se demostró que las correlaciones se desvían ligeramente del valor real para flujos en contracorriente y varían aún más para flujos en co-corriente, comprobándose además que el coeficiente global es mayor para flujos en contracorriente.
I. INTRODUCCION l intercambiador de calor más simple es aquel en que los fluidos flui dos calientes y fríos se mueven en la misma dirección o en direcciones opuestas opuestas en una construcción de tubos concéntricos, nos permite el estudio de la transferencia de calor entre el agua caliente que circula por un tubo interno y el agua fría que circula por la zona anular entre el tubo interno y el tubo externo [1]. Centramos nuestra atención en el problema de calcular la transferencia de calor para evaluar el funcionamiento de un intercambiador de calor de flujo turbulento, la diferencia logarítmica de temperatura media la cual refleja el decaimiento exponencial exponencial de la diferencia de temperatura local [2] y el coeficiente general de transferencia de calor en flujo turbulento. El análisis de flujos turbulentos es más complejo, por lo tanto, se utilizan las correlaciones correlaciones empíricas para realizar comparacione comparacioness entre los coeficientes de películas determinados determinados dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos. Los gráficos de distribución de temperatura en relación a la posición en el intercambiador de calor se realizan para observar el comportamiento de la transferencia de calor entre los fluidos en flujos paralelos y opuestos. opuestos.
E
II. MATERIALES Y METODOLOGIA 1. Descripción de la instalación Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
Las mediciones se realizaron en una instalación experimental prefabricada por Edibon S.A., España. Los principales componentes que constituyen la unidad de transferencia de calor de agua-agua de flujo turbulento se muestran en la Figura 1 (ver Anexo). En la unidad de transferencia de calor de aguaagua de flujo turbulento el intercambiador de calor ha sido dividido en tres secciones separando la corriente fría y la caliente en dos puntos intermedios. Esto permite que se midan las condiciones de temperatura intermedia. i ntermedia. Además de medir las temperaturas de la corriente en la entrada, en la salida y en los puntos intermedios también se mide la temperatura de la pared de metal metal que separa separa las corrientes. corrientes. Por medio del empleo del Indicador de Temperaturas del Calentador, se procedió a la medición de temperaturas en los puntos detallados a continuación: 1. Pare Pared d del del met metal al a la entr entrad adaa ( ). 2. Pared del metal a la salida ( ). 3. Corriente caliente en la entrada ( ). 4. Corriente caliente intermedia 1° ( 5. Corriente caliente intermedia 2° (
). ).
6. Corrie Corriente nte calie caliente nte en la salid salidaa ( ). 7. Corriente fría en la salida (
).
8. Corrie Corriente nte fría fría interm intermedi ediaa 1° (
).
9. Corrie Corriente nte fría fría interm intermedi ediaa 2° (
).
10.Corriente 10. Corriente fría en la entrada (
).
Mediante la inversión del flujo de la corriente fría se puede establecer y medir un flujo contra corriente y un flujo concurrente. Cuando se realiza dicha inversión se invierte la entrada de la corriente fría por la salida de la misma. misma. 2. Ensayos realizados Se realizaron en total 12 ensayos variando el caudal de flujo del agua caliente (6 ensayos fueron en contra corriente, y los restantes en flujo concurrente), se mantuvo constante el flujo de agua fría.
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El rango de variación de este parámetro se presenta en la Tabla 1. Tabla 1. Rango de condición de operación para los ensayos experimentales Parámetro de ensayo
Rango de Funcionamiento
Flujo de agua caliente (L/min)
1,2-9
(11) (12) 3.2. Determinación del coeficiente de transferencia de calor de superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos. Correlaciones. Se determina el coeficiente de película en la superficie interna del tubo central
3. Determinaciones Experimentales
(13)
3.1. Determinación de la tasa de transferencia de calor, diferencia logarítmica de temperatura media y coeficiente general de transferencia de calor. Determinación de la tasa de transferencia de calor hacia el fluido frio.
△
(14)
△
(15)
△
(16) (17)
(1) (2) Luego se determina la tasa de transferencia de calor desde el fluido caliente.
Luego se determina el coeficiente de película en la superficie externa del tubo central (18) △
(4)
△
△
(19)
(20)
(21)
(5) (22) Y por último se determina el calor perdido (6) Se procede a la determinación de la diferencia logarítmica de temperatura media mediante la siguiente ecuación. △ △ △
(7)
(8)
Y a partir de estos cálculos, se determina el coeficiente global de transferencia de calor mediante la ecuación (23) 3.3. Se determinan los coeficientes de película utilizando correlaciones Se calcula el régimen de flujo en los tubos.
(9) (24)
Se determina el coeficiente transferencia de calor mediante
general
de
DETI: Diámetro externo del tubo interno. DITI: Diámetro interno del tubo interno. DITE: Diámetro interno del tubo externo. : Diámetro medio.
(25) (26) (27)
(10) Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
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III. Se determinan los valores adimensionales de , , , a la temperatura media correspondiente al fluido caliente y fluido frio, a presión atmosférica. 3.3.1. Estimación de los coeficientes de película en el tubo interno 3.3.1.1. Correlación de Colburn
(28) (29) 3.3.1.2. Correlación de Dittus-Boelter (30) (31)
3
RESULTADOS Y DISCUSION
En las Tablas 2 y 3 (ver Anexo) se registró los resultados obtenidos en los experimentos de transferencia de calor en flujo turbulento circulando los fluidos en contra corriente y en co-corriente; se observó valores de flujo másico del fluido caliente, coeficientes de película para la parte externa e interna del tubo central determinados experimentalmente, coeficiente global de transferencia de calor determinados a partir de los valores de calor transferido por el fluido caliente, así como también de los obtenidos a partir de los valores de los coeficientes de película, se observó también valores de coeficiente de película obtenidos a partir de correlaciones. En las Tablas 4 y 5 (ver Anexo) se detalló los valores de tasa de calor desde el fluido caliente y hacia el fluido frio; la tasa de calor perdido y la diferencia logarítmica de temperatura media, pudo observarse su relación y tendencia con respecto a la variación de flujo másico del fluido caliente
3.3.1.3. Correlación segunda de Petukhov (32)
(33)
(33) 3.3.1.4. Correlación modificada de Gnielinski
(35) (36)
3.3.2. Estimación de los coeficientes de película en el tubo externo (37) (38)
Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
Evaluando los valores de coeficiente global de transferencia de calor obtenidos a partir del calor transferido por el fluido caliente y los obtenidos a partir de los valores de coeficiente de película con respecto a la variación del flujo másico se observó que tienen la tendencia de aumentar a medida que aumenta el flujo másico del fluido caliente manteniendo constante el flujo másico del fluido refrigerante, también se pudo observar que los valores de coeficiente de transferencia global eran bastante próximos calculando por uno u otro método. Lo mencionado puede visualizarse en las Figuras 2 y 3 (ver Anexo). Con respecto a los valeres de coeficiente de película obtenidos a partir de correlaciones se observó que son bastante precisos entre correlaciones, aunque se alejaban un poco de los valores experimentales. En relación al coeficiente de película de la superficie interna del tubo central la correlación que más se acercó al valor experimental y por lo tanto el más aceptable fue la correlación de Petuknov. En cuanto a los valores de coeficiente de película de la superficie externa del tubo central, los valores experimentales y los obtenidos por la correlación para tubos anulares se vieron bastante alejados entre ellos, esto pudo deberse a que la correlación se encuentra en función a variables del fluido que cambian muy poco con respecto a la temperatura, sobre todo para el agua (conductividad,
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frío), esta variación en la precisión se hizo todavía más evidente en el experimento en co-corriente. Comparando los coeficientes globales de transferencia de calor obtenidos a partir del calor transferido y de los coeficientes de película para los experimentos en contra corriente y en co-corriente para un mismo flujo másico de fluido caliente (ver tablas 1 y 2 del Anexo), se puede observar que los mismos son mayores para el primer caso. Esto a su vez se debe a que, aun manteniendo constantes las condiciones de entrada y salida y las tasas de flujo, el cambio en la configuración ocasiona una variación en la diferencia media logarítmica de temperaturas, siendo este valor mayor para la configuración en contra corriente, lo que explica la diferencia entre ambos coeficientes globales, este efecto se observa en las Figuras 4 y 5 (ver Anexo). IV. CONCLUSIONES Se determinó la tasa de transferencia de calor entre el fluido caliente y el fluido refrigerante, se observó que en general tanto la tasa de calor hacia el fluido frio y desde el fluido caliente aumentan a medida que se aumenta el flujo másico del fluido caliente manteniendo constante el flujo de fluido refrigerante, así también se determinó el aumento en el valor de la diferencia logarítmica de temperatura media con respecto al aumento en el flujo másico de caliente, tanto para el experimento en contra corriente y en co-corriente. En cuanto al coeficiente global de transferencia de calor, éste aumenta en el sentido en que se aumenta flujo másico del fluido caliente manteniendo constante el flujo de fluido refrigerante, lo que indicaría que la transferencia de calor es más efectiva a mayores valores de flujo másico (con igual validez con respecto a la velocidad o Reynolds). Los valores obtenidos a partir de la tasa de calor son bastante próximos con relación a los obtenidos a partir de los coeficientes de película, por lo que cualquiera de los métodos de cálculo es válido para su estimación. Se calcularon los valores de coeficiente de película a partir de la tasa de calor y a partir de correlaciones, observándose cierta concordancia entre esos valores. Los valores obtenidos por correlación son muy cercanos entre ellas, por lo que puede decirse que cualquiera de las correlaciones estudiadas es válida para realizar una estimación. La correlación de Petuknov fue la que más se acercó a los valores obtenidos a partir de la tasa de calor. Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
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En lo que a las configuraciones respecta, comparando los coeficientes globales de transferencia de calor para intercambiadores de calor en contra y co-corriente manteniendo constantes las condiciones de entrada y salida, así como las tasas de flujo, se observó que los mismos son mayores para la primera configuración; por lo tanto se concluye que la disposición en contra corriente es más conveniente.
V.
REFERENCIAS
[1] F. P.Incropera, D. P. De Witt. Fundamentos de Transferencia de Calor . Editorial Prentice Hall, Atlacomulco, México, 4ta edición, 1999. [2] Y. A. Cengel. Transferencia de Calor . Editorial Mc Graw Hill, México, Segunda Edición, Junio 2006.
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VI. ANEXO
Figura 1. Esquema de la unidad de transferencia de calor de agua-agua de flujo turbulento
Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
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Tabla 2. Resultados obtenidos para el experimento en contra corriente Contra corriente Flujo másico fluido caliente (kg/s)
0,148
0,09861
0,04922
0,05
0,03
0,02
14293
11592
8283
8277
5819
4608
Coeficiente de película en la superficie interior del tubo central
hi (W/m2°C)
Coeficiente de película en la superficie exterior del tubo central
ho (W/m °C)
8640
8295
7089
5724
6858
6353
Coeficiente global de transferencia de calor a partir del calor transferido
U (W/m2°C)
5290
4728
3860
3773
2866
2385
Coeficiente global de transferencia de calor a partir de hi y ho
UE (W/m2°C)
5385
4835
3905
3939
3148
2671
Coeficiente de película por correlación (Colburn)
hi_C (W/m2°C)
12903
9395
5552
5724
3812
2866
Coeficiente de película por correlación (Ditus-Boelter)
hi_DB (W/m2°C)
12386
9022
5343
5516
3673
2769
Coeficiente de película por correlación (Gnieliski)
hi_G (W/m °C)
14844
10596
5992
6175
3936
2814
Coeficiente de película por correlación (Petuknov)
hi_P (W/m2°C)
15241
11,021
6466
6638
4451
3355
Coeficiente de película por correlación (tubo anular)
ho_C (W/m2°C)
2212
2213
2213
2219
2213
2216
2
2
Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
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Tabla 3. Resultados obtenidos para el experimento en co-corriente. Experimento en Co-corriente 0,1477
0,1148
0,0819
0,04905
0,05
0,03
hi (W/m2°C)
9039
8890
9576
7846
7586
5869
Coeficiente de película en la superficie exterior del tubo central
ho (W/m2°C)
10617
10431
9046
8000
8389
7415
Coeficiente global de transferencia de calor a partir del calor transferido
U (W/m °C)
4295
4320
4622
3890
3756
3004
Coeficiente global de transferencia de calor a partir de hi y ho
UE (W/m2°C)
4882
4801
4652
3961
3983
3276
Coeficiente de película por correlación (Colburn)
hi_C (W/m2°C)
13276
11038
8550
5833
5926
4075
Coeficiente de película por correlación (Ditus-Boelter)
hi_DB (W/m2°C)
12769
10630
8242
5634
5723
3944
Coeficiente de película por correlación (Gnieliski)
hi_G (W/m °C)
2
15174
12440
9469
6261
6368
4206
Coeficiente de película por correlación (Petuknov)
hi_P (W/m °C)
2
15559
12836
9884
6708
6813
4684
Coeficiente de película por correlación (tubo anular)
ho_C (W/m2°C)
2222
2224
2222
2220
2222
2221
Flujo másico fluido caliente (kg/s) Coeficiente de película en la superficie interior del tubo central
2
Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
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Tabla 4. Resultados obtenidos para el experimento en Co-corriente
Experimento en Co-corriente Flujo másico fluido caliente [kg/s]
mi
0,1477 0,1148 0,0819 0,04905 0,05
0,03
Tasa de calor desde el fluido caliente [W]
Qcaliente
2162
2352
2775
2709
2573 2411
Tasa de calor hacia el fluido frio [W]
Qfrio
2778
2868
2767
2733
2823
Tasa de calor perdido [W]
Q p
616
516,4
8,047
24,16
250,1 355,6
Diferencia logarítmica de temperatura media [°C]
∆Tml
17,55
18,98
20,93
24,28
23,88 27,98
2767
Tabla 5. Resultados obtenidos para el experimento en Contracorriente Experimento en Contra-corriente Flujo másico fluido caliente [kg/s]
mi
Tasa de calor desde el fluido caliente [W]
Qcaliente
2661
2557
2573
Tasa de calor hacia el fluido frio [W]
Qfrio
2778
2688
Q p
117,6
∆Tml
17,53
Tasa de calor perdido [W]
Diferencia logarítmica de temperatura media [°C]
Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
0,1477 0,1148 0,0819 0,04905
0,05
0,03
2614
2133
2092
2620
2835
2541
2575
131,4
47,2
220,5
407,9 482,7
18,85
23,24
24,15
25,95 30,59
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Figura 2. Variación del coeficiente global de transferencia de calor con respecto al flujo másico del fluido caliente manteniendo constante el flujo másico del fluido refrigerante, para el experimento en contra corriente.
Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
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Figura 3. Variación de los coeficiente globales de transferencia de calor con respecto al flujo másico del fluido caliente manteniendo constante el flujo másico del fluido refrigerante, para el experimento en co-corriente.
Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
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Figura 4. Distribución de temperaturas del fluido frío, fluido caliente y pared metálica para la configuración en co-corriente
Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
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Figura 5. Distribución de temperaturas del fluido frío, fluido caliente y pared metálica para la configuración en contra corriente
Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
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