Laboratorio de Transferencia de Calor II INTERCAMBIADORES DE CALOR Sandoval Hasing Jorge Andrés Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil-Ecuador
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RESUMEN Los intercambiadores de calor representan una aplicación muy importante en el campo de la ingeniería, aportando casi en su totalidad en la industria energética y química. Por ello esta práctica está enfocada al análisis de la transferencia de calor que ocurre dentro de un intercambiador de calor configurado en contraflujo, recalcando que dicha configuración es la más eficiente que la configuración en paralelo y si bien no podremos contrastar resultados, se podrá demostrar calculando el coeficiente global de transferencia de calor U.
Palabras Clave: Coeficiente global de transferencia de calor, contraflujo, flujo paralelo.
INTRODUCCIÓN En una denominación general para los intercambiadores de calor, son dispositivos que se utilizan para transferir energía de un medio a otro, limitando el campo de acción en nuestro caso a transferencia de energía entre fluidos por convección y conducción ya que su aplicación en el campo de la ingeniería es muy común y eficiente. Los tipos de intercambiador de calor se clasifican de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción. En nuestro caso definiremos los tipos de intercambiadores de calor según el arreglo del flujo.
de energía fluyen en sentidos contrarios. En éste arreglo la temperatura del fluido frio puede llegar a ser mayor que la temperatura de salida del fluido caliente. c aliente. En cuanto a funcionamiento resulta el mejor y más usado ya que en estado estable la diferencia de temperaturas de entrada no es tan elevada como para producir una fatiga térmica por choque térmico continuo, efecto que ocurre en el arreglo de flujo paralelo.
Flujo Paralelo. En éste arreglo el fluido frío y caliente circulan en la misma dirección, la estructura por donde circulan los fluidos dependen del tipo de fluido, la aplicación y l as condiciones locales con las que se posea. Contraflujo Arreglo de intercambiador de calor por el cual los fluidos expuestos a la transferencia
Ilustración 1. Configuración de intercambiadores de calor según arreglo de flujo.
1
EQUIPOS E INSTRUMENTACIÓN
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Intercambiador de Calor con medidores de flujo WARD HEAT Cronómetro. Válvulas de control de flujo. 18 Termómetros Rotámetros.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Se configura el banco de pruebas para un intercambiador de calor de 8 pasos
para
que
trabaje
en
La variación del flujo de agua se analiza que el porcentaje de calor perdido aumenta a la vez que el flujo de agua disminuye, esto se debe a que al aumentar el flujo del agua, la diferencia de temperaturas generada por el calor es menor, y por lo tanto la diferencia de temperaturas con el ambiente va a ser menor también, y se va a transmitir menor cantidad de calor con el ambiente. Pudimos obtener los errores de los dos tipos de flujo y podemos concluir que el contraflujo es más eficiente que el flujo paralelo ya que hay una mayor diferencia de temperatura en cambio en paralelo tiende a ser constante.
contraflujo, abriendo las válvulas H y K y las válvulas J y G dejarlas cerradas. 2. Antes de comenzar la medición hay que esperar unos minutos hasta que el agua se caliente y pueda realizase la transferencia de calor.
El coeficiente convectivo individual para cada tubo, tiene un aumento directamente proporcional al flujo.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
3. Las mediciones se llevan a cabo para cada caudal de fluido caliente se varía tres veces el caudal de fluido frío y en cada variación se realiza la toma de temperaturas.
4. En la toma de Temperaturas para cada configuración de caudal del flujo
Se calculó el coeficiente de transferencia de calor total U del intercambiador de calor. Para el intercambiador de calor en contraflujo se necesita menor área de transferencia.
caliente respecto al flujo frio se debe esperar un intervalo de 5 minutos, principalmente
para
que
temperaturas se estabilicen.
las
Esperar el tiempo suficiente para logar que el agua se caliente y pueda estabilizarse para efectuar una buena práctica.
RESULTADOS
REFERENCIAS
En la sección de ANEXOS se detallan los resultados obtenidos.
Fundamentos de Transferencia de Calor – Frank P. Incropera. 4ta Edición. McGraw Hill
2
ANEXOS
Q [L/h]
Temperatura [°C]
400
400
41
60
49
34
400
800
40
60
49
33
400
1000
39
59
48
31
800
400
40
60
50
30
800
800
42
60
50
30
800
1000
41
60
50
30
1000
400
45
60
51
31
1000
800
43
59
50
30
1000
1000
42
59
50
30
Tabla 1. Temperaturas de intercambio de calor en contraflujo.
Temperatura [°C]
Q [L/h]
U [J/m-°C]
∆ℎ = ℎ − ℎ
∆ = −
MLDT
400 400 400 800 800 800 1000 1000 1000
400 800 1000 400 800 1000 400 800 1000
19
15
16,92
514,92
20
16
17,93
675,09
20
17
18,46
812,91
20
20
20
726,09
18
20
18,98
1122,02
19
20
19,50
1179,38
15
20
17,38
1016,56
16
20
17,93
1309,68
17
20
18,46
1376,71
Tabla 2. Coeficiente Total para contraflujo
3
Agua Pr
Tubería K [W/m°C]
Viscocidad
Fluido
Flujo [kg/s]
Temp Media [°C]
Caliente
Caliente
0,11
54,5
3,27579
0,648
507,993
16732,85
78,56
3064,6711
0,11
54,5
3,27579
0,648
507,993
16732,85
78,56
3064,6711
0,11
53,5
3,33424
0,6475
516,223
16466,08
77,96
3039,2693
0,22
55
3,24721
0,649
503,96
33733,51
137,29
5364,2029
0,22
55
3,24721
0,649
503,96
33733,51
137,29
5364,2029
0,22
55
3,24721
0,649
503,96
33733,51
137,29
5364,2029
0,28
55,5
3,21903
0,6497
499,979
42502,62
164,73
6443,4898
0,28
54,5
3,27579
0,648
507,993
41832,11
163,50
6378,7536
0,28
54,5
3,27579
0,648
507,993
41832,11
163,50
6378,7536
Dinamica [uPa /s]
K [W/m°C]
Re
Nud
hi [W/m² °C]
240
Tabla 3. Propiedades de fluido caliente.
Agua Pr
Tuberia K [W/m°C]
Viscocidad
Fluido
Flujo [kg/s]
Temp Media [°C]
Frio
Frio
0,110889
37,5
4,56503
0,627
684,837
5781,341
37,083765
9529,3119
0,221778
36,5
4,66569
0,625529
698,299
11339,77
63,986172
16403,773
0,277222
35
4,82346
0,623282
719,315
13760,58
75,447484
19272,565
0,110889
35
4,82346
0,623282
719,315
5504,232
36,248732
9259,5009
0,221778
36
4,71736
0,624785
705,192
11228,93
63,695435
16309,817
0,277222
35,5
4,76994
0,624036
721,197
13724,67
75,038336
19191,239
0,110889
38
4,51599
0,627728
678,264
5837,368
37,250095
9583,1671
0,221778
36,5
4,66569
0,625529
698,299
11339,77
63,986172
16403,773
0,277222
36
4,71736
0,624785
705,192
14036,16
76,1441
19497,415
Dinamica [uPa /s]
K [W/m°C]
Re
Nud
ho [W/m² °C]
240
Tabla 4. Propiedades del fluido frio
Coeficiente Teórico
Coeficiente Practico
Error %
1/U
U
U
[m-°C/J]
[J/m-°C]
[J/m-°])
0,0012
818,97
514,92
37,1
0,0011
885,59
675,09
23,8
0,0011
895,44
812,91
9,2
0,0009
1120,63
726,09
35,2
0,0008
1258,10
1122,02
10,8
0,0008
1289,29
1179,38
8,5
0,0008
1234,66
1016,56
17,7
0,0007
1382,95
1309,68
5,3
0,0007
1422,70
1376,71
3,2
Tabla 5. Error experimental de la práctica
4
Coeficiente Total U Contraflujo 1600 1400 1200 ] 1000 K ² m / 800 W [ U 600
400 200 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
Número de Paso Grafica 1. Coeficiente global de transferencia VS número de pasos en el intercambiador.
5
