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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:

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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.

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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

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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

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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

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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.