Informe Laboratorio Intercambiador de Calor
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Transferencia de calor – IWM230. Fernando Carvajal G. Informe Laboratorio 3 –Intercambiador de calor.
Dusan Domancic, Francisco Jiménez, Esteban Silva, Iker Susaeta Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Ingeniería Mecánica
Mayo 27, 2012 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 coaxial, que opera a contra flujo y flujo paralelo, y así lograr realizar un estudio de los parámetros de un intercambiador de calor.
1 Introducción teórica El coeficiente de intercambio global es
un parámetro de proporcionalidad entre el calor intercambiado entre los dos fluidos (∅) por unidad de área (A) y una diferencia de temperatura que involucra las temperaturas de entrada y salida del equipo:
∅
El coeficiente tiene unidades
[W/ K] y engloba los mecanismos de convección en los fluidos y conducción a través de la pared. se denomina “diferencia de temperatura media logarítmica”:
Si no existen perdidas, el flujo de calor
entregado por el fluido caliente es igual al
flujo de calor recibido por el fluido frio, a
continuación se denota por el subíndice a
la entrada a los circuitos y la posición de
salida:
∅ ∅ ∅
Por lo tanto se puede determinar
experimentalmente como:
∅
La eficiencia experimental del intercambiador como la relación
entre el flujo de calor efectivamente intercambiado con respecto al flujo teórico
de calor máximo ∅ :
∅
En esta experiencia ;
Entonces, si el flujo de calor
efectivamente intercambiado es ∅
, la eficiencia
estimada experimentalmente es:
La eficiencia teórica trae consigo los
siguientes conceptos:
2
Donde R es la relación entre los flujos de
agua y NUT (Número de Unidades de
Transferencia) representa la relación
entre la superficie real de intercambio y
una superficie de referencia llamada
“unidad de transferencia”. Como en esta
experiencia , y
suponiendo que es el mismo para
ambos flujos, se tiene:
Con estas 2 definiciones, más las
expresiones para los perfiles de
temperatura (ver apéndice), se expresa la
eficiencia teórica para los dos casos a
estudiar:
2 Procedimiento Experimental Para la experiencia se debe trabajar con un R constante del orden del 0,1 (R pequeño). Lo primero a mencionar es que se trabajo en un rango de caudal de agua caliente de 5 a 15 Lt/hr, y para este rango ver o estimar el caudal de agua fría para mantener el R cercano a 0,1, para esto el caudal de agua fría varia de 50 a 150 Lt/hr.
Las válvulas se abren y se cierran para operar el equipo en modo co-corriente. Con el tema de R cercano a 0,1 se trabajan 5 caudales de agua caliente entre 5 y 15 Lt/hr y se regulan sus correspondientes caudales de agua fría. Una vez regulado los caudales, se espera que el sistema se estabilice y se registran las temperaturas de entrada un punto medio y salida de ambos flujos. A continuación se presenta una foto del intercambiador utilizado en la experiencia y también un esquema de cómo se comportan los fluidos dentro del intercambiador y cuáles son los puntos donde se realizan mediciones.
Figura 1 Fotografía tomada al intercambiador de calor utilizado en la experiencia, se aprecian los tubos por donde circulan los fluidos, los puntos de medición y la digitalización de los datos.
3
Figura 2 Esquema del intercambiador de calor utilizado en la experiencia, es un intercambiador de doble tubo (Se adjunta esquema ampliado en Apéndice).
En este esquema podemos apreciar los sentidos de flujo de los fluidos dependiendo de la configuración, ya sea co-corrientes (Uniflow) o contra corrientes (Cunter current). Los elementos que aparecen en la Figura 2 son los siguientes: - Co-Corrientes: T 1: Temperatura de entrada del agua caliente. T2: Temperatura de un punto medio del agua caliente. T 3: Temperatura de salida del agua caliente. T 4: Temperatura de entrada del agua fría. T5: Temperatura de un punto medio del agua fría. T 6: Temperatura de salida del agua fría - Contra corriente. T 1: Temperatura de entrada del agua caliente. T2: Temperatura de un punto medio del agua caliente. T 3: Temperatura de salida del agua caliente.
T 4: Temperatura de salida del agua fría. T5: Temperatura de un punto medio del agua fría. T 6: Temperatura de entrada del agua fría
3 Resultado Obtenidos
Se presenta a continuación la tabla
obtenida para modo co-corriente:
Tabla 1
Se presenta a continuación la tabla
obtenida para el flujo contracorriente:
Entrada Medio Salida Salida Medio Entrada
Flow Hot
Flow cold T1 T2 T3 T4 T5 T6
5 50 55,8 33,1 21,6 16,9 14,3 12,9
7 70 55,5 34,8 23,3 16,0 14,0 12,8
10 100 55,7 36,1 26,1 15,6 13,8 12,8
12 120 56,0 36,3 27,0 15,4 13,7 12,8
15 150 56,2 36,3 28,1 15,4 13,7 12,8
Tabla 2
Para ambas tablas los (con i=1, 2, 3, 4, 5,6) se miden en grados Celsius, representan los datos medidos en los puntos que se explicaron con anterioridad (sección procedimiento experimental) para cada configuración de corrientes. A su vez los caudales (Flow) se miden en Lt/hr.
Entrada Medio Salida Entrada Medio Salida
Flow Hot
Flow cold T1 T2 T3 T4 T5 T6
5 52 56,8 32,5 22,1 13,1 16,1 16,5
7 70 57,4 34,2 25,5 13,1 15,6 16,4
10 100 56,2 35,7 27,1 13,0 15,0 15,8
12 120 55,5 36,1 27,9 13,0 14,8 15,5
15 150 55,5 36,1 28,8 12,9 14,7 15,4
4
También se graficaron los datos obtenidos para poder realizar un mejor análisis cualitativo de la situación.
Gráfico 1 Muestra las temperaturas de los fluidos al interior del intercambiador de calor, cuando la configuración del sentido de los flujos es de co-corrientes, los puntos 1, 2 y 3 representan los puntos de medición en el sentido de movimiento del fluido caliente.
Gráfico 1 Muestra las temperaturas de los fluidos al interior del intercambiador de calor, cuando la configuración del sentido de los flujos es contracorriente, los puntos 1, 2 y 3 representan los puntos de medición en el sentido de movimiento del fluido caliente.
4 Análisis y Conclusiones
En primera instancia se utilizó el
intercambiador de calor en sentido co-
corrientes. Obteniendo la Tabla 1 y a
partir de esta el Gráfico 1.
En el Gráfico 1 se ven dos curvas. La
curva que empieza con mayor
temperatura (superior) representa la
temperatura del fluido caliente, se ve que
a medida que avanza en los puntos de
medición su temperatura decrece. Ese es
el comportamiento esperado, ya al entrar
en contacto con el fluido frio (curva
inferior) le transfiere energía en forma de
calor, por esa razón también se aprecia
que el fluido frio aumenta su temperatura
a medida que avanza en los puntos de
medición. El fluido frio recibe el calor
que le transfiere el fluido caliente a través
del tubo coaxial, como el flujo es de co-
corrientes el gráfico adquiere la geometría
que se observa, con la temperatura del
fluido caliente disminuyendo en el
sentido de la medición, y la temperatura
del fluido frío aumentando en el mismo
sentido. También se puede concluir que el
intercambio de calor no es completo, ya
que el fluido frío no alcanza la
temperatura del fluido caliente a la salida
(punto de medición 3) del circuito.
A continuación calcularemos la eficiencia
teórica del intercambiador en modo de
co-corrientes.
Ya que en todos los flujos fue el factor
que relaciona el caudal de agua caliente
con el de agua fría.
Por lo tanto debemos calcular NUT.
Para calcular NUT debemos conocer
primero , a partir de:
0
20
40
60
1 2 3
Tem
pe
ratu
ra [
°C]
Co-corriente
0
20
40
60
1 2 3
Tem
pe
ratu
ra [
°C]
Contracorriente
5
Luego de realizados estos cálculos
obtenemos:
Para el caso co-corrientes.
Ahora viendo el caso de contracorrientes,
se aprecian en el Gráfico 2 dos curvas
que describen las mediciones de
temperaturas realizadas para el liquido
caliente y el liquido frió en los puntos de
medición que van en el sentido de flujo
del fluido caliente.
Claramente el fluido caliente es la curva
superior, que empieza a una temperatura
elevada, pero a medida que avanza por los
puntos de medición se nota un
decrecimiento de esta. Nuevamente nos
encontramos ante la transferencia de
energía en forma de calor por parte de un
fluido a otro.
Luego, la curva inferior representa el
comportamiento de la temperatura del
fluido frio. Podemos ver que en el punto 1
alcanza su mayor temperatura, esto se
debe a que, al ser ahora el modo
contracorrientes, el fluido es evacuado del
intercambiador en el punto donde ingresa
el fluido caliente, es por eso que la curva
de temperatura va disminuyendo a
medida que avanzan los puntos de
medición en el sentido del flujo del
liquido caliente.
Se puede concluir que el intercambio de
calor no es completo, ya que la curva de
fluido frío no alcanza su valor máximo en
la temperatura de entrada del fluido
caliente, sino que en un valor inferior.
Ahora se realizara el cálculo de la
eficiencia del intercambiador en el modo
contracorrientes.
En el cálculo de la eficiencia para el
intercambiador de calor en el modo
contracorrientes utilizaremos la ecuación:
Ya que:
Entonces se calcula:
Que representa la eficiencia en el
intercambio de calor del fluido caliente al
fluido frío.
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.
5 Apéndice
Perfil de temperaturas en el
intercambiador:
Y
6
Ampliación de la Figura 2 Muestra la figura 2 de manera ampliada para poder apreciar
mejor los detalles de los puntos donde se midió la temperatura.
6 Referencia
[1] Yunus A. Cengel, Transferencia de
calor y masa, Mc Graw Hill, 3ª edición,
2007, capitulo 1, 2 y 3.