LAB 1 - Intercambiadores de Calor (1)

Facultad de Ingeniería Ingenier ía Mecánica

Laboratorio Nº 1

INTERCAMBIADOR DE CALOR CALOR

Curo

LABORATORIO LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III (MN 464 B)

!ro"eor Alu#no

ING. AGUILAR VIZCARRA, Duilio

A$ellido % No#bre

C&digo

HUAROTO SEVILLA Jua

!"##!"$%D

&UIS'E &UIS'E Lui

!"#"##$*

BORJA CORNELIO Ala

!""!"6"J

+LORES SANCHEZ Ri-

!"#"#"A

RODAS CERVANTES Raul

!"""!%!D

2015-II

INTERCAMBIADOR DE CALOR

UNI-FIM

INDICE

#./ INTRODUCCION.0000 INTRODUCCION.0000000000000000000 0000000000000000 0 !./ OBJETIVOS.00000000000000000000 OBJETIVOS.0000 000000000000000000. 00.

'12. % '12. %

%./ +UNDAMENTO TEORICO00000000 TEORICO00000000000000. 000000.

'12. 4

4./ MATERIALES MATERIALES UTILIZADOS0000.0000000000 UTILIZADOS0000 .0000000000

'12. #%

./ 'ROCEDIMIENTO000000 'ROCEDIMIENTO0000000000000000 000000000000.. 00..

'12.#% '12.#%

6./ DATOS DATOS DE LA E3'ERIENCIA00 000..0000000

'12. #4

$./ CALCULOS  RESULTADOS000000..0000000 RESULTADOS000000..0000000

'12. #

5./ OBSERVACIONES, OBSERVACIONES, RECOMENDACIONES 0000..... ./ BIBLIOGRA+IA0000000000000 BIBLIOGRA+IA00000000000000000000.. 0000000..

LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III

'12. !$ '12. !

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UNI-FIM

INDICE

#./ INTRODUCCION.0000 INTRODUCCION.0000000000000000000 0000000000000000 0 !./ OBJETIVOS.00000000000000000000 OBJETIVOS.0000 000000000000000000. 00.

'12. % '12. %

%./ +UNDAMENTO TEORICO00000000 TEORICO00000000000000. 000000.

'12. 4

4./ MATERIALES MATERIALES UTILIZADOS0000.0000000000 UTILIZADOS0000 .0000000000

'12. #%

./ 'ROCEDIMIENTO000000 'ROCEDIMIENTO0000000000000000 000000000000.. 00..

'12.#% '12.#%

6./ DATOS DATOS DE LA E3'ERIENCIA00 000..0000000

'12. #4

$./ CALCULOS  RESULTADOS000000..0000000 RESULTADOS000000..0000000

'12. #

5./ OBSERVACIONES, OBSERVACIONES, RECOMENDACIONES 0000..... ./ BIBLIOGRA+IA0000000000000 BIBLIOGRA+IA00000000000000000000.. 0000000..


'12. !$ '12. !

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INFORME Nº 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR

1'( INTROD)CCION* Los interca!ia"ores "e ca#or serán sie$re %no "e #os in"is$ensa!#es e&%i$os en #a trans'erencia "e ca#or. Estos (an o!tenien"o %sos en #os sisteas "e re'rigeraci)n coo con"ensa"ores o e*a$ora"ores+ $ero no so#o en esta área sino ta!i,n en #as a&%inarias $esa"as c(inas %ti#ian interca!ia"ores "e ca#or $ara en'riar e# aceite &%e circ%#a $or e# con*erti"or+ caa / sistea (i"rá%#ico. Coo $o"eos *er #os interca!ia"ores son in"is$ensa!#es en e# área ecánica+ es $or eso #a rea#iaci)n "e este #a!oratorio. En este #a!oratorio o!ser*areos e# co$ortaiento "e #os interca!ia"ores "e '#%o $ara# $ara#e#o e#o / "e contra contra '#%o+ '#%o+ tenien tenien"o "o $resen $resente te &%e (a/ as "is$o "is$osic sicion iones es "e #os #os interca!ia"ores+ rea#ian"o %n aná#isis energ,tico + "e #os coe'icientes $e#ic%#ares + e'icie e'icienci ncia+ a+ NUT NUT #os c%a#es c%a#es serán serán neces necesari arios os en #a *i"a *i"a $racti $ractica+ ca+ so!re so!re to"o to"o $ara $ara "isting%ir c%á# "e e##os es e# ás a"ec%a"o $ara %na cierta a$#icaci)n. En conc#% conc#%si si)n+ )n+ e# #a!ora #a!orator torio io es in"is$ in"is$ens ensa! a!#e #e $ara $ara to"o to"o Ing. Ing. Mecáni Mecánico+ co+ $or&%e $or&%e sie sie$r $re e enco encont ntra rara ra en e# área área "e tra! tra!a ao o %no %no "e esto estos s e&%i e&%i$o $os s en "i'e "i'ere rent ntes es "is$osiciones.

+'(OB,ETI-O.* •

La $resente e0$eriencia tiene $or o!eti*o e# aná#isis t,rico e0istente entre '#%i"os 1aire / ag%a en %n interca!ia"or "e ca#or "e '#%o $ara#e#o / contra

•

'#%o. A"eás+ A"eás+ se !%sca "isting%ir c%á# "e e##os es ás e'iciente. Co$ren"er e# $rinci$io "e '%ncionaiento !ásico "e %n interca!ia"or "e

•

ca#or. E#a E#a!ora !orarr

cá# cá#c%#o c%#os s

$ara ara

#%eg %ego

(ace (acerr

#as

c%r*a r*as

cara caract cte er3st r3stiicas cas

"e#

interca!ia"or "e ca#or.

/'( F)NDAMENTO TEORICO*

3.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR


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UNI-FIM

Los interca!ia"ores nora#ente se c#asi'ican "e ac%er"o con e# arreg#o "e# '#%o / e# ti$o "e constr%cci)n. E# interca!ia"or "e ca#or ás si$#e es a&%e# en &%e #os '#%i"os ca#iente / 'r3o se %e*en en #a isa "irecci)n o en "irecciones o$%estas en %na constr%cci)n "e t%!os conc,ntricos 1o "o!#e t%!o. En e# arreg#o "e '#%o $ara#e#o "e #a 'ig%ra 5a+ #os '#%i"os ca#iente / 'r3o entran $or e# iso e0treo+ '#%/en en #a isa "irecci)n / sa#en $or e# iso e0treo. En e# arreg#o "e contra'#%o "e #a 'ig%ra 5!+ #os '#%i"os entran $or e0treos o$%estos+ '#%/en en "irecciones o$%estas+ / sa#en $or e0treos o$%estos.

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

De anera a#ternati*a+ #os '#%i"os se $%e"en o*er en '#%o cr%a"o 1$er$en"ic%#ares entre s3+ coo se %estra e"iante #os interca!ia"ores "e ca#or t%!%#ares con a#etas / sin a#etas "e #a 'ig%ra 2. Las "os con'ig%raciones "i'ieren seg6n e# '#%i"o &%e se %e*e so!re #os t%!os est, ec#a"o o no ec#a"o. En #a 'ig%ra 2a+ se "ice &%e e# '#%i"o no está ec#a"o $or&%e #as a#etas i$i"en e# o*iiento en %na "irecci)n 1y  &%e es trans*ersa# a #a "irecci)n "e# '#%o $rinci$a# 1 x . En este caso #a te$erat%ra "e# '#%i"o *ar3a con x / y . Por e# contrario+ $ara e# con%nto "e t%!os sin a#etas "e #a 'ig%ra 2!+ es $osi!#e e# o*iiento "e# '#%i"o en #a "irecci)n trans*ersa#+ &%e en consec%encia es ec#a"o+ / #as *ariaciones "e te$erat%ra se $ro"%cen+ en $rinci$io+ en #a "irecci)n "e# '#%o $rinci$a#. En e# interca!ia"or con a#etas+ "a"o &%e e# '#%o "e# t%!o no es ec#a"o+ a!os '#%i"os están sin ec#ar ientras &%e en e# interca!ia"or sin a#etas %n '#%i"o está ec#a"o / e# otro sin ec#ar. La nat%ra#ea "e #a con"ici)n "e ec#a $%e"e in'#%ir "e anera signi'icati*a en e# '%ncionaiento "e# interca!ia"or "e ca#or.


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

Otra con'ig%raci)n co6n es e# interca!ia"or "e ca#or "e t%!os / coraa. Las 'oras es$ec3'icas "i'ieren "e ac%er"o con e# n6ero "e $asos "e t%!os / coraa+ / #a 'ora ás si$#e+ &%e i$#ica %n so#o $aso $or t%!os / coraa+ se %estra en #a 'ig%ra 4. Nora#ente se insta#an "e'#ectores $ara a%entar e# coe'iciente "e con*ecci)n "e# '#%i"o "e# #a"o "e #a coraa a# in"%cir t%r!%#encia / %na co$onente "e #a *e#oci"a" "e '#%o cr%a"o. En #as 'ig%ras 7a / 7! se %estran interca!ia"ores "e ca#or con "e'#ectores con %n $aso $or #a coraa / "os $asos $or #os t%!os / con "os $asos $or #a coraa / "os $asos $or #os t%!os / con "os $asos $or #a coraa / c%atro $asos $or #os t%!os+ res$ecti*aente.

Figura " Intercambiador de calor de tubos ! coraza con un paso por la coraza ! un paso por los tubos (modo de operaci#n de contraflujo cruzado).


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Figura $ Intercambiadores de calor de tubos ! coraza. (a) %n paso por la coraza ! dos pasos por los tubos. (b) Dos pasos por la coraza ! cuatro pasos por los tubos.

Una c#ase es$ecia# e i$ortante "e interca!ia"ores "e ca#or se %sa $ara conseg%ir %n área s%$er'icia# "e trans'erencia "e ca#or $or %ni"a" "e *o#%en %/ gran"e 1 9:: 2;4. Denoina"os interca!ia"ores "e ca#or co$actos+ estos "is$ositi*os tienen co$#eos arreg#os "e t%!os con a#etas o $#acas / se %san nora#ente c%an"o a# enos %no "e #os '#%i"os es %n gas+ / en consec%encia se caracteria $or %n coe'iciente "e con*ecci)n $e&%e
Figura & Cubiertas de intercambiadores de calor compactos. (a) 'ubo con aletas (tubos planos aletas de placa continuas). (b) 'ubo con aletas (tubos circulares aletas de placa continuas). (c) 'ubos con aletas (tubos circulares aletas circulares). (d) letas de placa (un solo paso). (e) letas de placa (multipaso).


Pág.=


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3.2. ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR: USO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA.

Para "ise
q=m  h ( ih ,i

− ih ,o ) 15a

/

q=m  c ( ic ,i

−

ic ,o ) 12a

"on"e i es #a enta#$3a "e# '#%i"o. Los s%!3n"ices h / c se re'ieren a #os '#%i"os ca#iente / 'r3o+ en tanto &%e i / o "esignan #as con"iciones "e entra"a / sa#i"a "e# '#%i"o. >i #os '#%i"os no e0$erientan %n ca!io "e 'ase / se s%$onen ca#ores es$ec3'icos constantes+ estas e0$resiones se re"%cen a

q=m  h c p ,h ( T h ,i

− T h ,o ) 15!

/

q=m  c c p ,c ( T c ,o

− T c ,i ) 12!

"on"e #as te$erat%ras &%e a$arecen en #as e0$resiones se re'ieren a #as te$erat%ras e"ias "e# '#%i"o en #as $osiciones &%e se see $%e"e o!tener otra e0$resi)n 6ti# a# re#acionar #a trans'erencia tota# "e ca#or &

∆T con #a "i'erencia "e te$erat%ras

entre #os '#%i"os ca#iente / 'r3o+ "on"e

∆T ≡ T h − T c 14 Ta# e0$resi)n ser3a %na e0tensi)n "e #a #e/ "e en'riaiento "e Ne?ton+ con e# %so "e# coe'iciente g#o!a# "e trans'erencia "e ca#or U en #%gar "e# coe'iciente 6nico "e con*ecci)n h.


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Figura * +alances globales de energ,a para los fluidos caliente ! fr,o de un intercambiador de calor de dos fluidos.

∆T >in e!argo+ coo *ar3a con #a $osici)n en e# interca!ia"or "e ca#or+ es necesario tra!aar con %na ec%aci)n "e '#%o "e 'ora

q = UA∆T m 17

∆T m "on"e es %na "i'erencia "e te$erat%ras e"ia a$ro$ia"a. La ec%aci)n 7 se $%e"e %sar con #as ec%aciones 5 / 2 $ara ##e*ar a ca!o %n aná#isis "e interca!ia"or "e ca#or. Antes "e &%e se $%e"a rea#iar+ sin e!argo+ se "e!e esta!#ecer #a 'ora

∆T m es$ec3'ica "e

. Consi"ere $riero e# interca!ia"or "e ca#or "e '#%o $ara#e#o.

Intercambiador de calor de flujo paralelo Las "istri!%ciones "e te$erat%ras ca#iente / 'r3a asocia"as con %n interca!ia"or "e ca#or "e '#%o $ara#e#o se %estran en #a 'ig%ra 9. La "i'erencia "e

∆T te$erat%ras es gran"e a# $rinci$io+ $ero "ecae rá$i"aente a# a%entar x + y se a$ro0ia a cero "e 'ora asint)tica. Es i$ortante se
T h,i

= T h,1 ,T h,o = T h,2 ,T c,i = T c,1 ,T c,o = T c,2

%n '#%o $ara#e#o+ se sig%e &%e

.

∆T m La 'ora "e se $%e"e "eterinar e"iante #a a$#icaci)n "e %n !a#ance "e energ3a $ara e#eentos "i'erencia#es en #os '#%i"os ca#iente / 'r3o. Ca"a e#eento es "e #ongit%" dx / área s%$er'icia# "e trans'erencia "e ca#or dA+ coo se %estra en #a 'ig%ra 9. Los !a#ances "e energ3a / e# aná#isis s%!sec%ente están s%etos a #as sig%ientes s%$osiciones. 5.

E# interca!ia"or "e ca#or está ais#a"o "e s%s a#re"e"ores+ en c%/o caso e# 6nico interca!io "e ca#or es entre #os '#%i"os ca#iente / 'r3o.


Pág.@


UNI-FIM

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

2. 4. 7. 8.

La con"%cci)n a0ia# a #o #argo "e #os t%!os es insigni'icante. Los ca!ios "e energ3a $otencia# / cin,tica son "es$recia!#es. Los ca#ores es$ec3'icos "e# '#%i"o son constantes. E# coe'iciente g#o!a# "e trans'erencia "e ca#or es constante.

Los ca#ores es$ec3'icos $%e"en ca!iar+ $or s%$%esto+ coo res%#ta"o "e *ariaciones "e te$erat%ra+ / e# coe'iciente g#o!a# "e trans'erencia "e ca#or ta!i,n $o"r3a o"i'icarse "e!i"o a *ariaciones en #as $ro$ie"a"es "e# '#%i"o / con"iciones "e '#%o. >in e!argo+ en %c(as a$#icaciones ta#es *ariaciones no son signi'icati*as+ / es raona!#e tra!aar con *a#ores $roe"io "e c p,c + c p,h / U $ara e# interca!ia"or "e ca#or. A# a$#icar %n !a#ance "e energ3a a ca"a %no "e #os e#eentos "i'erencia#es "e #a 'ig%ra 9+ se sig%e &%e

dq = − m  h c p ,h dT h

≡ −C h dT h 18

/

dq = m  c c p ,c dT c

≡ C c dT c 1=

"on"e C h / C c son #as ca$acitancias t,ricas "e #os '#%os ca#iente / 'r3o+ res$ecti*aente. Estas e0$resiones se $%e"en integrar a #o #argo "e# interca!ia"or "e ca#or $ara o!tener #os !a#ances g#o!a#es "e energ3a "a"os $or #as ec%aciones 5! / 2!. La trans'erencia "e ca#or a tra*,s "e# área s%$er'icia# dA ta!i,n se $%e"e e0$resar coo

dq = U ∆TdA 19

∆T = T h − T c "on"e

es #a "i'erencia "e te$erat%ras #oca# entre #os '#%i"os ca#iente / 'r3o.


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Para "eterinar #a 'ora integra"a "e #a ec%aci)n 9+ coenaos $or s%stit%ir #as ec%aciones 8 / = en #a 'ora "i'erencia# "e #a ec%aci)n 4

d ( ∆T ) = dT h − dT c $ara o!tener

 1 1  +   C  h C c 

d ( ∆T ) = − dq

A# s%stit%ir $ara dq "e #a ec%aci)n 9 e integrar a #o #argo "e# interca!ia"or "e ca#or+ o!teneos 2

d ( ∆T )

∫ 1

∆T

 1 1  2  ∫ dA = −U  +  C C  h c  1

o

 1 1   ∆T 2   +   = − UA   T ∆  1   C h C c 

ln

1@ A# s%stit%ir $ara C h / C c "e #as ec%aciones 5! / 2!+ res$ecti*aente+ se sig%e &%e

 ∆T 2   T h ,i − T h ,o T c ,o − T c ,i  UA  = −  +  UA  = − q [( T h ,i − T c ,i ) − ( T h ,o − T c ,o )]  q  q   ∆T 1 

ln

A# reconocer &%e+ $ara e# interca!ia"or "e ca#or "e '#%o $ara#e#o "e #a 'ig%ra 9+

∆T 1 = ( T h ,i − T c ,i ) ∆T 2 = ( T h ,o − T c ,o ) /

q = UA

+ o!teneos entonces

∆T 2 − ∆T 1 ln( ∆T 2 / ∆T 1 )

A# co$arar #a e0$resi)n anterior con #a ec%aci)n 7+ conc#%ios &%e #a "i'erencia "e te$erat%ras $roe"io a$ro$ia"a es %na "i'erencia "e te$erat%ras e"ia #ogar3tica+

∆T ml . En consec%encia+ $o"eos escri!ir

q = UA∆T ml 1 "on"e


Pág.5:


∆T ml =

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∆T 2 − ∆T 1 ∆ −∆ = T 1 T 2 ln( ∆T 2 / ∆T 1 ) ln( ∆T 2 ∆T 1 ) 15:

Rec%er"e &%e+ $ara e# interca!ia"or "e '#%o $ara#e#o+

 ∆T 1 ≡ T h ,1 − T c ,1 = T h ,i − T c ,i  ∆T ≡ T − T = T − T   2 h ,2 c ,2 h ,o c ,o  155 Intercambiador de calor de contraflujo Las "istri!%ciones "e te$erat%ra "e #os '#%i"os ca#iente / 'r3o asocia"os con %n interca!ia"or "e ca#or en contra'#%o se %estran en #a 'ig%ra @. En contraste con e# interca!ia"or "e '#%o $ara#e#o+ esta con'ig%raci)n antiene trans'erencia "e ca#or entre #as $artes ás ca#ientes "e #os "os '#%i"os en %n e0treo+ as3 coo entre #as $artes ás 'r3as en e# otro.

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

∆T = T h − T c Por esta ra)n+ e# ca!io en #a "i'erencia "e te$erat%ras+ + con res$ecto a 0 no es tan gran"e en ning6n #%gar coo #o es $ara #a regi)n "e entra"a "e# interca!ia"or en '#%o $ara#e#o. Tenga $resente &%e #a te$erat%ra "e sa#i"a "e# '#%i"o 'r3o $%e"e e0ce"er a(ora #a te$erat%ra "e sa#i"a "e# '#%i"o ca#iente. Las ec%aciones 5! / 2! se a$#ican a c%a#&%ier interca!ia"or "e ca#or / $or tanto se $%e"en %sar $ara e# arreg#o en contra'#%o. A"eás+ "e %n aná#isis coo e# &%e se ##e*) a ca*o en $ara e# caso "e '#%o $ara#e#o+ se $%e"e ostrar &%e #as ec%aciones  / 5: ta!i,n se a$#ican. >in e!argo+ $ara e# interca!ia"or en contra'#%o #as "i'erencias "e te$erat%ras en #os $%ntos e0treos se "e!en "e'inir a(ora coo


Pág.55

INTERCAMBIADOR DE CALOR  ∆T 1 ≡ T h ,1 − T c ,1

UNI-FIM

= T h ,i − T c ,o  ∆T ≡ T − T = T − T   2 h ,2 c ,2 h ,o c ,i  152

A"*ierta &%e+ con #as isas te$erat%ras "e entra"a / sa#i"a+ #a "i'erencia "e te$erat%ras e"ia #ogar3tica $ara e# contra'#%o e0ce"e #a "e# '#%o $ara#e#o+

∆T ml ,CF > ∆T ml , FP . Por consig%iente e# área s%$er'icia# &%e se re&%iere $ara e'ect%ar %na trans'erencia "e ca#or esta!#eci"a q es ás $e&%e
3.3 ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR: MÉTODO DE EFICIENCIA NUT.

Es 'áci# %sar e# ,to"o "e #a "i'erencia "e te$erat%ras e"ia #ogar3tica 1DTML "e# aná#isis "e# interca!ia"or "e ca#or c%an"o se conocen #as te$erat%ras "e entra"a "e# '#%i"o / #as te$erat%ras "e sa#i"a se es$eci'ican o "eterinan con 'aci#i"a"

∆T ml a $artir "e #as e0$resiones "e !a#ance "e energ3a+ ec%aciones 5! / 2!. E# *a#or "e $ara e# interca!ia"or se $%e"e entonces "eterinar. >in e!argo+ si s)#o se conocen #as te$erat%ras "e entra"a+ e# %so "e# ,to"o DTML re&%iere %n $roce"iiento iterati*o. En ta#es casos es $re'eri!#e %ti#iar %n ,to"o a#ternati*o+ &%e se "enoina ,to"o "e eficiencia-NUT.

/elaciones de eficiencia0%' Para c%a#&%ier interca!ia"or "e ca#or se $%e"e "eostrar &%e

 C  ε = f  NUT , mín  C máx    154 "on"e C mín /C máx es ig%a# a C c /C h o C h /C c + "e$en"ien"o "e #as agnit%"es re#ati*as "e #as ca$acitancias t,ricas "e '#%o "e# '#%i"o ca#iente / 'r3o. E# número de unidades de transferencia 1NUT es %n $aráetro a"iensiona# &%e se %sa a$#iaente $ara e# aná#isis "e# interca!ia"or "e ca#or / se "e'ine coo

NUT ≡

UA C mín 157

Para "eterinar %na 'ora es$ec3'ica "e #a re#aci)n "e e'iciencia+ ec%aci)n 54+ consi"ere %n interca!ia"or "e ca#or "e '#%o $ara#e#o $ara e# &%e C mín=C k . >e $%e"e o!tener


Pág.52

INTERCAMBIADOR DE CALOR T h ,i − T h ,o

ε=

T h ,i

UNI-FIM

− T c ,i 158

/ "e #as ec%aciones 5! / 2! se sig%e &%e

C mín C máx

=

 h c p ,h m  c c p ,c m

=

− T c ,i T h ,i − T h ,o T c ,o

15= Consi"ere a(ora #a ec%aci)n @+ &%e se $%e"e e0$resar coo

 T h ,o − T c ,o  UA  C mín   1 +  =−   T T C C − mín  máx   h ,i c ,i 

ln

o "e #a ec%aci)n 57

T h ,o − T c ,o T h ,i

− T c ,i

  C   = exp − NUT ,1 + mín     C máx   

#%ego "e reacoo"ar+ o!teneos $ara e# intercamiador de ca!or de f!u"o para!e!o

ε=

1 − exp{ − NUT [1 + ( C mín / C máx ) ]} 1 + ( C mín / C máx ) 159

Da"o &%e se $%e"e o!tener $recisaente e# iso res%#ta"o $ara C mín=C c+ #a ec%aci)n 59 se a$#ica $ara c%a#&%ier interca!ia"o "e ca#or en '#%o $ara#e#o+ sin i$ortar #a ca$acitancia t,rica "e '#%o 3nia se asocia con e# '#%i"o ca#iente o con e# 'r3o. Para e# caso "e# arreg#o en contraf!u"o o!ten"r3aos #a sig%iente ec%aci)n

ε=

1 − exp{ − NUT [1 − C mín / C máx ]} 1 − ( C mín / C máx ) exp{ − NUT [1 − C mín / C máx ]} 15@


Pág.54

INTERCAMBIADOR DE CALOR 0'( MATERIALE. )TILIADO. •

2 teroetros "e !%#!o

•

5 cronoetro

•

5 anoetro "i'erencia# inc#ina"o

UNI-FIM

5.- Pro!"#$#!%&o

La sec%encia a seg%ir $ara rea#iar #a e0$eriencia se %estra a contin%aci)n 5 Rea#iar #as cone0iones a"ec%a"as+ en e# interca!ia"or "e ca#or+ $ara %n $aso "e '#%i"os en $ara#e#o. 2 Deterinar %na $osici)n tanto $ara e# ca#enta"or "e aire / e# *enti#a"or. Con esta $osici)n se i"en tres *o#6enes "e ag%a 1con a/%"a "e %na $ro!eta $ara %n tie$o "e 4: seg%n"os ca"a %na. 4 Toar "atos "e te$erat%ra con e# ter)etro !ietá#ico "e# t%!o / aire 1entra"a / sa#i"a a"eás con e# ter)etro "e !%#!o+ te$erat%ras "e ag%a a #a entra"a / #a sa#i"a. 7 Rea#iar #os $asos N 2 / 4 $ara otras $osiciones "e# ca#enta"or "e aire / e# *enti#a"or 1c%atro $osiciones en tota#. 8 Re$etir to"os #os $asos anteriores $ara %n arreg#o "e $aso "e '#%i"os a contra'#%o en e# interca!ia"or "e ca#or.


Pág.57

INTERCAMBIADOR DE CALOR 2'( DATO. OBTENIDO. EN LA E3!ERIENCIA

UNI-FIM

Flu4o !aralelo Te#$' Ingreo aire 67C8 Te#$' Tubo derec9o 67C8 Te#$' Tubo i:;uierdo 67C8 Te#$' .alida aire 67C8 To 67C8 T" 67C8 -1 6#l8 6/<eg8 -+ 6#l8 6/<eg8 -/ 6#l8 6/<eg8 ! 6$ulg =+O8

Contra5u4o

%

46

4



4!

#

6

6%

!4

!6

!$

!

%"

%%

%5

4"

%" !# !$ !4 !4! !% ".

%% !! %# !%" !% !!" ".$

% !$ %4 !! !! !!" ".

!$ !% !6 !" !" !4 ".4

%# !% ! !4" !%$ !4" ".

%% !% %% !! !!% !!" ".$

% !% % !!" !!" !!" ".

 !6 !" !4 !6" !! !% ".4


Pág.58


UNI-FIM

>'(Calculo % Reultado FLUJO PARALELO

Tenemos los siguientes datos obtenidos por la experiencia en el laboratorio:

N

Termómetro Bulbo Temperatura agua

Termómetro bimetálico Temp Temp Temp 1 Temp 2 % &

Diferencia Presión (m Agua

Agua depositada (l

!lu"o agua (#g$s

'ntrada entrada alida salida 'ntrada alida Aire Tubo Tubo Aire 1

%)

2&

2*

2+

2,

2&

,-,1,1+

,-2+

,-2*2 ,-2*%

,-,,.*,

2 %

&+ *&

2+ 2/

2.-* %2

%, %%

21 22

2/ %1

,-,1%)/ ,-,1//.

,-2&* ,-2&2 ,-2%* ,-2% ,-2%* ,-22

,-,,.,2 ,-,,/+1

&

*)

2)

%&-*

%*

2/

%&

,-,22.+

,-22* ,-22*

,-,,/&&

,-22

0on los datos obtenidos pasamos a realiar los siguientes cálculos

0alor Transferido por el agua •



= m ag cpag (Tsal ag − Ten ag  (#3$s cpag 4 &-1. 53$5g 60

!lu"o de aire: Q a=Q ag=Q •

m ag

=

 cpag × (Ten! a

− Tsal a 

cpa 4 1-,,%* 53$5g 60

Calo 7a89i:o (*J;) ".#4! ".!"# ".!56 ".!#5

+lu

Pág.5=


UNI-FIM

0oeficiente Pelicular 7 Para el Aire:

Q ha = A 1 ×∆TA

Tent Tsal Tent

¿

¿ a− Tent tub ¿ Tsal

¿ ¿ ¿

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

Ai9 D# (=) L (=) "."#5 #.5! "."#5 #.5! "."#5 #.5! "."#5 #.5!

A# (=!) ".#" ".#" ".#" ".#"

8 Ta

.#$" $.#4! $.55 $.!"

>a (*J;  ?C) ".!6! ".!6 ".%46 ".!5

Para el agua:

hag=

Q A2 ×∆TA


Pág.59

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

UNI-FIM

Tent Tsal Tent

¿ ¿ tub −Tent ag ¿ Tsal

¿ ¿ ¿

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

A2ua A! D! (=) (=!) "."!# ".##5 "."!# ".##5 "."!# ".##5 "."!# ".##5

8 Ta2

!.#64 !."$ !.45 #."5!

>a2 (*J;  ?C) ".4 ".54 ".$! #.6

0oeficiente 9lobal: 1

U = π × D1 × L

[

ln 1

h a× A 1

+

r2

( ) r1

2 π ×KT ×L

+

1

hag × A 2

]

Co9@i979 Gloal U


Pág.5@

INTERCAMBIADOR DE CALOR * o9 (;=?* ) %%" %%" %%" %%"

UNI-FIM

U ".#54454 ".##"5##%% ".!6%4#6! ".!"5%

0álculo de la 'ficiencia  'fecti;idad

" =

− Tsal  a C min (Ten a − Ten ag 

ma Cpa (Ten

E@i9ia  E897ii:a: C# "."% % "."%% %% "."%#5 #4 "."%## #5

! (=i) "."#" %! "."#! $ "."#%6 % ".""" $6

E@i9ia 65.4! 64."" 6.6% $.""

Cá l c ul od e lNúme r od eUni d ad e sT é r mi c a s( NUT )

NUT =

UA1 C min

NF=9o :9 Ui:a:9 T=ia #.$$!6# #.!#$ !."!4!$ !.56"$

Nnolds


Pág.5

INTERCAMBIADOR DE CALOR V ×DH ℜ= ν

UNI-FIM > D?4

D3− D 2

Temperatura de pel@cula para Aire > Agua

T entrada + T salida 2

T9=9a7ua :9 9lula T8 a2ua

R9ol :

T8 ai9 !!

%!.

!4

%5

!6.

4%.

%".

4$

R9 A2ua #5%.#% 44 #$!.54 " #5$.% $ !"%.$% 6

R9 Ai9 4"5%5. 5 45%!. 6 45"4. 54 %!%"%. 5

0on los resultados obtenemos las siguientes gráficas


Pág.2:


UNI-FIM

Co9@,i979 9li,ula6 :9l ai69 9 8u,i :9l F=96o :9 R9ol: ".4 ".% ".% ".!

>(*J;  ?C)

>a (*J;  ?C)

".!

Lo2a6i7>=i, (>a (*J;  ?C))

".# ".# "." " %"""" %""" 4"""" 4""" """" """

NF=96o :9 R9ol:

Co9@,i979 H9li,ula :9l a2ua 9 8u,i :9l F=9o :9 R9ol: #.5 #.6 #.4 #.! #

>(*J;  ?C)

>a2 (*J;  ?C) 'oK9 (>a2 (*J;  ?C))

".5 ".6 ".4 ".! " #$" #$ #5" #5 #" # !"" !" !#"

R9


Pág.25


UNI-FIM

Co9@,i979 GloAal :9l a2ua 9 8u,i :9l F=9o :9 R9ol: ".% ".! ".!

U EHo97ial (U)

Co9@,i979 GloAal (*<; ?C =!) ".# ".# "." " #$" #5" #" !"" !#"

R9

Di8969,ia :9 '69i 9 8u,i :9l NF=96o :9 R9ol: :9l a2ua "."%

"."! Di8969,ia '69i (= A2ua)

"."!

Di8969,ia 69i ( = H!")

Eo97ial (Di8969,ia '69i (= A2ua))

"."#

"."#

" #$"#5"#"!""!#"

R9


Pág.22


UNI-FIM

CONTRAFLUJO

e obtu;ieron los siguientes datos en el laboratorio concernientes al intercambiador de calor operando con contraflu"o-

'oii

T9==97o T9==97o i=971lio Bulo T9= T9= T9= T9=9a7ua # T9= ! % 4 a2ua

Di899i a '9i (= A2ua)

A2ua :9oi7a:a (l)

+lu
E7a: a Ai9

97a:a Tuo

Sali: a Tuo

#

4!

%"

!6.

!$

!%

!6

"."##4%

".!

".!

".!4

!

#

%%

%"

%#

!%

!

"."#%$

".!4

".!%$

".!4

%

6

%5

%%.

%4

!%

%%

"."#$$5

".!! ".!!%

".!!

4

6%

4"

%.

%6

!%

%

"."!!56

ali:a E7a: Ai9 a

Sali:a

".!!

".!4

".!!

".""5! 5 ".""$ $ ".""$4 ! ".""$ 6

0on los datos obtenidos pasamos a realiar los siguientes cálculos

0alor Transferido por el agua •



= m ag cpag (Tsal ag − Ten ag  (#3$s cpag 4 &-1. 53$5g 60

!lu"o de aire: Q a=Q ag=Q •

m ag

=

 cpag × (Ten! a

− Tsal a 

cpa 4 1-,,%* 53$5g 60 Por lo ue resulta:

Calo 7a89i :o (*J;)

+lu
".#"4 ".!"" ".%#"

".""$ "."#" "."#4


Pág.24

INTERCAMBIADOR DE CALOR ".%$

UNI-FIM "."#4

0oeficiente Pelicular 7 Para el Aire:

Q ha = A 1 ×∆TA

Tent Tsal Tent

¿

¿ a− Tent tub ¿ Tsal

¿ ¿ ¿

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

Ai9 D# (=) "."#5 "."#5 "."#5 "."#5

L (=) #.5! #.5! #.5! #.5!

A# (=!) ".#" ".#" ".#" ".#"

8 Ta

%.6# .55! 4.55% .5$$

>a (*J;  ?C) ".!$4 ".%!4 ".6"6 ".6#

Para el agua:

hag=

Q A2 × ∆T ag


Pág.27

INTERCAMBIADOR DE CALOR Q hag= A2 × ∆T ag

UNI-FIM

Tent Tsal Tent

¿ ¿ tub −Tent ag ¿ Tsal

¿ ¿ ¿

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

A2ua D! (=) "."!# "."!# "."!# "."!#

A! (=!) ".##5 ".##5 ".##5 ".##5

8 Ta2

!.46% %." 4.!6% 4.6$

>a2 (*J;  ?C) ".%6 ".4%# ".6#4 ".654

0oeficiente 9lobal:

1

U = π × D1 × L

[

ln 1

h a× A 1

+

r2

( ) r1

2 π ×KT ×L

+

1

hag × A 2

]

Co9@i979 Gloal U * o9 (;=?*) U# ".#6!"" %%" "5


Pág.28


UNI-FIM ".#4$$6 ! ".%!%$!! #! ".%4!6 64

%%" %%" %%" 0álculo de la 'ficiencia  'fecti;idad

" =

− Tsal  a C min (Ten a − Ten ag 

ma Cpa (Ten

E@i9ia  E897ii:a: C# "."%46"# ## "."%%%"" 6$ "."%#"!4 5 "."%#5! !!

! ".""6!" !! ".""" ! "."#4#"! !! "."#4"%6 4

E $5. $#.4% 66.6$ 6$."

Cá l c ul od e lNúme r od eUni d ad e sT é r mi c a s( NUT )

NUT =

UA1 C min

NF=9o :9 Ui:a:9 T=ia !.4664$ !."4!5 !.4"!4 !.$5%

Nnolds ℜ=

V ×DH ν

> D?4

D3− D 2


Pág.2=


UNI-FIM

Temperatura de pel@cula para Aire > Agua

T entrada + T salida 2

T9=9a7ua :9 9lula T8 a2ua

R9ol:

T8 ai9

!4.

%4.

!6

4#

!5

4

!

4.

R9 A2ua R9 Ai9 #$5.%46 !5#.! 45 66 #$#.64% %64#!.# # !5# #5%.!$# ##!.% 4 65 !"6.$$6 4.6 5$5 #4

!inalmente los gráficos obtenidos con los cálculos realiados se muestran a continuación-

Co9@,i979 H9li,ula :9l ai9 9 8u,i :9l F=9o :9 R9ol: ".$"" ".6"" "."" ".4""

>a (*J;  ?C) Lo2ai7>=i, (>a (*J;  ?C))

".%"" ".!"" ".#"" ".""" !"""" %"""" 4"""" """" 6""""


Pág.29


UNI-FIM

Co9@,i979 H9li,ula :9l a2ua 9 8u,i :9l F=9o :9 R9ol: ".5"" ".$"" ".6"" >a2 (*J;  ?C)

".""

'oK9 (>a2 (*J;  ?C))

".4"" ".%"" ".!"" ".#"" ".""" #6#$"#$#5"#5#"#!""!"!#"

Co9@,i979 Gloal :9l a2ua 9 8u,iJ :9l F=9o :9 R9ol: ".4 ".% ".% ".! ".!

U ELHo97ial (U)

".# ".# "." " #6#$"#$#5"#5#"#!""!"!#"


Pág.2@


UNI-FIM

Di899,ia :9 '9iJ 9 8u,iJ :9l NF=9o :9 R9ol: :9l a2ua "."% "."!

Di899,ia '9iJ (= A2ua)

"."!

ELHo97ial (Di899,ia '9iJ (= A2ua))

"."# "."# " #6" #$" #5" #" !"" !#"

E@,i9,ia 9 8u,i :9l NF=9o :9 ui:a:9 T=i,a 5"."" $5."" $6."" $4.""

E

Lo2ai7>=i, (E )

$!."" $"."" 65."" 66."" 64."" 6!."" 6"."" !.""""" !.#"""" !.!"""" !.%"""" !.4"""" !."""" !.6""""


Pág.2


UNI-FIM

>'( Ober?acione@ reco#endacione % concluione

OB.ER-ACIONE.

/

Las cone0iones $ara conseg%ir e# $aso "e '#%i"os en '#%o $ara#e#o / contra'#%o "e!en ser i"enti'ica"as a"ec%a"aente.

/

No es $osi!#e e"ir #a te$erat%ra a #a sa#i"a "e# t%!o 1'#%o $ara#e#o / contra'#%o $or 'a##as en e# ara"o "e# e&%i$o.

/

>e rea#ian tres e"iciones "e *o#6enes "e ag%a $ara tener a/or $recisi)n a #a (ora "e e'ect%ar #os cá#c%#os.

RECOMENDACIONE.

/ Antes "e e$ear con #a e0$eriencia tener %n !%en conociiento so!re e# '%ncionaiento "e# interca!ia"or "e ca#or.

/

Proc%rar &%e #as e"i"as "e te$erat%ra se registren "es$%,s "e 8in. a$ro0ia"aente+ %na *e &%e e# sistea se (a##a esta!i#ia"o.

/ As%ir #a te$erat%ra a #a sa#i"a "e# t%!o en %n rango ace$ta!#e "e ta# 'ora &%e #os res%#ta"os sean ace$ta!#es.

/

Consi"erar #as %ni"a"es "e #as e"i"as recogi"as en e# interca!ia"or "e ca#or / tener#os en c%enta a #a (ora "e (acer #os cá#c%#os.


Pág.4:


UNI-FIM

Conclusiones

•

>eg6n n%estras grá'icas / "e ac%er"o con #a teor3a a$ren"i"a en e# c%rso "e trans'erencia "e ca#or coo en e# "e ecánica "e '#%i"os+ e# n6ero "e Re/no#"s &%e i"e #a t%r!%#encia "e %n '#%o inci"e so!re s% ca$aci"a" $ara trasitir ca#or+ $or #o c%a# *eos &%e tanto $ara e# ag%a coo $ara e# aire c%an"o e# n6ero "e Re/no#"s a%enta+ e# coe'iciente $e#ic%#ar es a/or en e# '#%i"o $or #o c%a# es ca$a "e trasitir a/or

•

canti"a" "e ca#or. De #a isa anera *eos &%e e# coe'iciente g#o!a# "e transisi)n "e ca#or crece "e 'ora "irectaente $ro$orciona# a# a%ento "e# n6ero "e Re/no#"s+ es "ecir &%e e# interca!ia"or "e ca#or es ca$a "e

•

transitir a/or canti"a" "e ca#or si #a t%r!%#encia "e# '#%i"o es a/or. >eg6n n%estras grá'icas / "e ac%er"o con #a teor3a a$ren"i"a "e trans'erencia "e ca#or Notaos &%e #a e'ecti*i"a" "e# Interca!ia"or "e ca#or es creciente en #a e"i"a &%e crece a# NUT + es "ecir &%e #a *e#oci"a" "e tras'erencia "e ca#or es a/or $ara este interca!ia"or "e ca#or en #a e"i"a &%e se a%enta #a s%$er'icie "e trans'erencia "e ca#or+ #o c%a# es #)gico sa!ien"o &%e a ca"a $r%e!a &%e (eos (ec(o+ #as con"iciones "e #os '#%i"os (an ca!ia"o a# crecer s% ca%"a# / t%r!%#encia+ #o c%a# (a a%enta"o e# U + anteni,n"ose e# área / e# CP

•

constante "e #os '#%i"os. >e (a co$ro!a"o &%e #a e'iciencia en %na insta#aci)n "e interca!io "e ca#or "e contra'#%o es a/or &%e en #a "e %n interca!ia"or o$eran"o a '#%o $ara#e#o+ esto se $%e"e e*i"enciar $or e# (ec(o &%e #a "i'erencia e"ia #ogar3tica $ara e# caso "e contra'#%o es a/or &%e

•

$ara e# '#%o $ara#e#o. E# coe'iciente $e#ic%#ar $ara #os '#%i"os en e# caso "e# ag%a es *aria!#e con e# n6ero "e Re/no#"s sin e!argo en e# aire 1'#%o interno $resenta a%ento a# a%entar e# n6ero "e Re/no#"s.


Pág.45

LAB 1 - Intercambiadores de Calor (1)

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