Intercambiador de calor de TUBO Y CARCAZAOBJETIVOS: Realizar el balance global de energa en el intercambiador calculando el calor cedido por el fluido caliente, el calor ganado por el fluido fro y las prdidas de calor. Calcular la diferencia de temperaturas media logartmica y el coeficiente global de transferencia de calor.

Determinar la efectividad del intercambiador tanto experimentalmente como tericamente (con el mtodo NTU) y compararlas. Estimar las temperaturas de salida del agua caliente y del agua fra y compararlas con los valores medidos.

Comparar la transferencia de calor en condiciones de flujo contracorriente con las condiciones de flujo paralelo.

Representar la distribucin de temperaturas a lo largo del intercambiador en ambas configuraciones.

Estudiar la influencia del caudal de agua caliente en la transferencia de calor en el intercambiador.

Calcular la velocidad y el nmero de Reynolds asociado al movimiento de cada fluido.

2. Marco teorico:Calor: Es energa en trnsito debido a una diferencia de temperaturas. Dondequiera que exista una diferencia de temperaturas en un medio o entre varios medios, se produce transferencia de calor. Existen tres tipos diferentes de procesos de transferencia de calor modos: conduccin, conveccin y radiacin.

Conduccin: Es el modo de transferencia de calor a travs de slidos y a travs de fluidos estacionarios. El mecanismo fsico de conduccin es la difusin de energa originada por las interacciones entre molculas del medio. La ecuacin que cuantifica el proceso de transferencia de calor por conduccin se conoce como Ley de Fourier. En el caso unidimensional y estacionario, la tasa de transferencia de calor a travs de una pared vendr dada por la siguiente expresin:

Donde:q tasa de transferencia de calor (w) K conductividad trmica de la pared (w/m k) A rea perpendicular a la direccin del flujo de calor (m2) x espesor de la pared (m) T2 temperatura en la superficie fra de la pared (k) T1 temperatura en la superficie caliente de la pared (k)

Resistencia Trmica: Un concepto importante para evaluar la transferencia de calor, es el de resistencia trmica. Existe una analoga entre la difusin de calor y la carga elctrica. Al igual que asociamos la resistencia elctrica con la conduccin de electricidad, la resistencia trmica se puede asociar con la conduccin de calor. La ley de Ohm de la electricidad define la resistencia como:

Donde ( V1 V2 ) es la diferencia de potencial elctrico e I es la corriente elctrica. En transmisin de calor, podemos considerar que la resistencia trmica es:

Donde ( T1 T2 ) es la diferencia de temperaturas y q es la tasa de transferencia de calor. Deducimos la resistencia trmica de conduccin:

Conveccin: Es el modo de transferencia de calor entre una superficie y un fluido en movimiento a diferentes temperaturas. Es consecuencia de la superposicin de dos fenmenos fsicos, energa transportada por el movimiento aleatorio de las molculas (difusin) y energa transportada por el movimiento macroscpico del fluido (gran nmero de molculas movindose colectivamente).

Donde: q tasa de transferencia de calor (w) h coeficiente de transferencia de calor por conveccin (w/m2 k) A rea de transferencia de calor (m2) T s temperatura en la superficie (k)

Radiacin: La radiacin trmica es energa emitida por un medio (slido, lquido o gas) que est a una temperatura determinada. La emisin se atribuye a cambios en las configuraciones de los electrones en los tomos y molculas constituyentes. La energa de radiacin se transporta por ondas electromagnticas, no siendo necesaria la presencia de un medio, de hecho, la transferencia de energa de radiacin es ms eficiente en el vaco.

Donde: q = tasa de transferencia de calor por radiacin desde una superficie gris. = emisin de la superficie gris = constante de Stefan-Boltzman ( = 5,67 10-8 w/m2 k4) A = rea de la superficie gris (m2) T s = temperatura de la superficie gris (k) Talr = temperatura de los alrededores (k)

Transferencia de calor en intercambiadores de calor: Un intercambiador de calor es un dispositivo desarrollado por el hombre, para la transferencia de calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas separados por una pared slida. Tienen numerosas aplicaciones de ingeniera y como consecuencia existen diferentes modelos adaptados a cada aplicacin. El ms simple es el construido con dos tubos concntricos, donde los fluidos pueden moverse en el mimo sentido o en sentidos contrarios. En flujo paralelo, los fluidos caliente y fro entran y salen por el mismo extremo, y fluyen en el mismo sentido. En contracorriente, los fluidos entran y salen por extremos opuestos y fluyen en sentido contrario.

Coeficiente global de transferencia de calor: Para representar el fenmeno global de transferencia de calor entre los fluidos del intercambiador, recurrimos a las resistencias trmicas que aparecen en cada medio. El flujo de calor en su camino desde el fluido caliente hasta el fro, tiene que vencer la resistencia ejercida por la capa lmite del fluido caliente, la resistencia de la pared de separacin y la resistencia ejercida por la capa lmite del fluido fro.Tasa de transferencia de calor:

Coeficiente de transferencia de calor:

Coeficiente de transferencia de calor por conveccin (h): El intercambiador de calor trabaja con dos fluidos que se mueven a velocidades conocidas. Por lo tanto la conveccin ser forzada. Para abordar el clculo del coeficiente h, tenemos que basarnos en el anlisis dimensional de las ecuaciones de Navier Stokes de la mecnica de fluidos. Estos resultados nos indican que la temperatura adimensional es funcin del nmero de Reynolds (Re), del nmero de Prandtl (Pr) y de la geometra adimensional. Si definimos el nmero de Nusselt (Nu) como el gradiente de temperatura adimensional en la superficie, podemos decir que el Nu es funcin del Re ,del Pr y de la geometra adimensional.

Donde:

Y

Obtencin del nmero de Nusselt: El problema se basa en encontrar la funcin f de la ecuacin. El mtodo ms sencillo es utilizar correlaciones empricas obtenidas a partir de medidas realizadas en laboratorios. Estas correlaciones tienen la siguiente forma algebraica:

3. Procedimiento:I Parte:1. Comprobar que las vlvulas estn abiertas y que tenemos configuracin en flujo contracorriente.

2. Comprobar que el depsito de calentamiento est lleno de agua, por encima del interruptor de nivel.

3. Encender la bomba y la resistencia (alimentacin del equipo).

4. Fijar la temperatura del depsito en 20 C (ST1).

5. Anotar las medidas de temperaturas y caudales en la hoja experimental.

6. Repetir los pasos 5 y 6 para distintas temperaturas del agua del depsito: 25 C, 30C, 35 C, 40C y 45C.

7. Una vez realizadas las medidas, calcular el calor cedido por el agua caliente, el calor absorbido por el agua fra, las prdidas de calor, la diferencia de temperaturas media logartmica y el coeficiente global de transferencia de calor.II Parte:1. Comprobar que las vlvulas estn abiertas y que tenemos configuracin en flujo contracorriente. 2. Comprobar que el depsito de calentamiento est lleno de agua, por encima del interruptor de nivel.

3. Encender la bomba y la resistencia (alimentacin del equipo).

4. Fijar la temperatura del depsito en 25 C (ST1).

5. Anotar las medidas de temperaturas y caudales en la hoja experimental.

6. Posicionar las vlvulas convenientemente para invertir el sentido del flujo de agua fra consiguiendo una disposicin en flujo paralelo.

7. Asegurarnos de que se mantienen 25C en el depsito y que circulan los mimos caudales de agua fra y caliente que fijamos en el paso 5.

8. Una vez estabilizado el sistema anotar las medidas de temperaturas y caudales en la hoja experimental.

9. Una vez realizadas las medidas, calcular la efectividad experimental, la efectividad terica con el mtodo NTU, y las temperaturas tericas a la salida del intercambiador.

10. Calcular el calor cedido por el fluido caliente, el ganado por el fluido fro y las prdidas. Determinar la diferencia de temperaturas media logartmica y representar la distribucin de temperaturas.III Parte:1. Comprobar que las vlvulas estn abiertas y que tenemos configuracin en flujo contracorriente.

2. Comprobar que el depsito de calentamiento est lleno de agua, por encima del interruptor de nivel.

3. Encender la bomba y la resistencia (alimentacin del equipo).

4. Fijar la temperatura del depsito en 65 C (ST1).

5. Fijar el caudal de agua caliente en unos 3 l/min (SC1) y ajustar el caudal de agua fra hasta alcanzar condiciones de operacin estacionarias mantenindose la temperatura constante fijada en el depsito.

6. Anotar las medidas de temperaturas y caudales en la hoja experimental, sin olvidarse de calcular la temperatura media del agua caliente.

7. Disminuir el caudal de agua caliente hasta unos 2,5 l/min manteniendo constante el caudal de agua fra. A su vez hay que conseguir la misma temperatura media en el agua caliente (para que las propiedades fsicas del agua caliente no varen durante la prctica). Para ello habr que disminuir la potencia de la resistencia del depsito y hacer el promedio entre la temperatura T3 y T5 , hasta alcanzar un valor lo ms prximo posible al del ensayo anterior.

8. Cuando se estabilice el sistema anotar las temperaturas y caudales en la hoja experimental.

9. Repetir los pasos 7 y 8 para caudales de agua caliente de 2 l/min y 1,5 l/min.

10. Calcular el calor cedido por el fluido caliente, el ganado por el fluido fro y las prdidas. Determinar la diferencia de temperaturas media logartmica y el coeficiente global de transferencia de calor y el nmero de Reynolds.

4. Resultados y Tablas:I Parte:TUBO Y CARCAZA CONTRACORRIENTEENSAYO 1ENSAYO 2ENSAYO 3ENSAYO 4ENSAYO 5ENSAYO 6

ST1 ( C )202530354045

ST2 ( C )17.819.622.625.926.832.8

ST3 ( C )1818.519.520.520.624.7

ST4 ( C )17.417.818.118.719.621.4

ST5 ( C )17.517.71818.419.120.3

ST6 ( C )16.917.517.718.218.819.9

ST7 ( C )1818.118.418.819.320.3

SC1 ( l/min )2.80.63.23.13.11.7

SC2 ( l/min )2.10.32.12.12.11

TUBO Y CARCAZA PARALELOENSAYO 1ENSAYO 2ENSAYO 3ENSAYO 4ENSAYO 5ENSAYO 6

ST1 ( C )

ST2 ( C )

ST3 ( C )

ST4 ( C )

ST5 ( C )

ST6 ( C )

ST7 ( C )

SC1 ( l/min )

SC2 ( l/min )

A partir de los resultados obtenidos en la tabla, calcular el valor de:

Calor cedido por el agua caaliente (qh) Calor absorvido por el agua fria (qc) Perdidas de calor (q1) Diferencia de temperaturas media logaritmica entre el agua caliente y el agua fria ( Coeficiente global de transferencia de calor (U)

TUBO Y CARCAZA CONTRACORRIENTEENSAYO 1ENSAYO 2ENSAYO 3ENSAYO 4ENSAYO 5ENSAYO 6

qh ( w )

qc ( w )

ql ( w )

U ( w/m2k )

TUBO Y CARCAZA PARALELOENSAYO 1ENSAYO 2ENSAYO 3ENSAYO 4ENSAYO 5ENSAYO 6

qh ( w )

qc ( w )

ql ( w )

U ( w/m2k )

II Parte:TABLA COMPARATIVAENSAYO 1Flujo ContracorrienteENSAYO 2Flujo Paralelo

ST1 ( C )2525

ST2 ( C )19.6

ST3 ( C )18.5

ST4 ( C )17.8

ST5 ( C )17.7

ST6 ( C )17.5

ST7 ( C )18.1

SC1 ( l/min )0.6

SC2 ( l/min )0.3

A partir de estas medidas recogidas se pide calcular las siguientes variables termodinmicas:

Efectividad experimental ( Calor cedido por el agua caliente (qh) Diferencia de temperaturas media logaritmica entre el agua caliente y el agua fria ( Los parmetros: UA, NTU y CR. Efectividad obtenida con el mtodo NTU (NTU) Temperaturas a la salida del intercambiador tanto del agua caliente como del agua fra obtenidas a partir de la efectividad experimental (Th,o y , Tc,o)

ENSAYO 1Flujo contracorrienteENSAYO 2Flujo Paralelo

qh ( w )

Tlm ( k )

UA ( w/k )

NTU

CR

NTU

Th,o ( C )

Tc,o ( C )

III Parte:TUBO Y CARCAZA CONTRACORRIENTEENSAYO 1ENSAYO 2ENSAYO 3ENSAYO 4ENSAYO 5ENSAYO 6

ST1 ( C )202530354045

ST2 ( C )17.819.622.625.926.832.8

ST3 ( C )1818.519.520.520.624.7

ST4 ( C )17.417.818.118.719.621.4

ST5 ( C )17.517.71818.419.120.3

ST6 ( C )16.917.517.718.218.819.9

ST7 ( C )1818.118.418.819.320.3

Tmh=(ST3+ST7)/21818.31919.72022.5

SC1 ( l/min )2.80.63.23.13.11.7

SC2 ( l/min )2.10.32.12.12.11

TUBO Y CARCAZA PARALELOENSAYO 1ENSAYO 2ENSAYO 3ENSAYO 4ENSAYO 5ENSAYO 6

ST1 ( C )

ST2 ( C )

ST3 ( C )

ST4 ( C )

ST5 ( C )

ST6 ( C )

ST7 ( C )

Tmh=(ST3+ST7)/2

SC1 ( l/min )

SC2 ( l/min )

A partir de estas medidas recogidas se pide calcular las siguientes variables termodinmicas: Calor cedido por el agua caliente (qh) Calor absorbido por el agua fra (qc) Prdidas de calor (ql) Diferencia de temperaturas media logartmica entre el agua caliente y el agua fra (Tlm) coeficiente global de transferencia de calor (U) Velocidad del agua caliente y del agua fra en el intercambiador (uh,uc) N de Reynolds para el agua caliente y para el agua fra (ReDh, ReDc)

TUBO Y CARCAZA CONTRACORRIENTEENSAYO 1ENSAYO 2ENSAYO 3ENSAYO 4ENSAYO 5ENSAYO 6

qh ( w )

qc ( w )

ql ( w )

U ( w/m2k )

uh (m/s)

uc (m/s)

ReDh

ReDc

TUBO Y CARCAZA PARALELOENSAYO 1ENSAYO 2ENSAYO 3ENSAYO 4ENSAYO 5ENSAYO 6

qh ( w )

qc ( w )

ql ( w )

U ( w/m2k )

uh (m/s)

uc (m/s)

ReDh

ReDc

5. Conclusiones:6. Recomendaciones:7. Bibliografia: