Informe De Laboratorio Intercambiadores De Calor

Universidad de Pamplona Facultad de Ingeniería y Arquitectura Programa Ingeniería Mecánica

Termofluidos III Practica: intercambiadores de calor Profesor: Juan Carlos Serrano Rico Autor 1: Wilmer Manuel Contreras Roa Autor 2: Yerson Ferney Rico Cacua 1. OBJETIVO  Mostrar el efecto del flujo volumétrico en el rendimiento de un intercambiador de calor con configuración del flujo en paralelo y contraflujo para diferentes tipos de intercambiadores de calor  Mostrar el efecto de la temperatura del agua de suministro en el rendimiento de un intercambiador de calor con configuración del flujo en paralelo y contraflujo para diferentes tipos de intercambiadores de calor.  Motivar a los alumnos en el desarrollo de herramientas para la escritura de reportes profesionales de ingeniería.

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran en temperaturas diferentes y evitando al mismo tiempo que se mezclen entre sí. En la práctica los intercambiadores de calor son de uso común en diversas aplicaciones. Desde sistemas domésticos de calefacción y acondicionamiento de aire hasta los procesos químicos y la producción de energía en las plantas grandes. [1].

2.1 Tipos De Intercambiadores De Calor Las distintas aplicaciones de transferencia de calor requieren diversos tipos de componentes y configuraciones de equipos para dicha transferencia. El intento de acoplar los accesorios para la transferencia de calor a cada tipo de necesidades, dentro de las restricciones específicas, ha conducido a numerosos tipos de diseños innovadores de intercambiadores de calor. El tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntricos de diámetro diferente llamado intercambiador de calor de doble tubo o tubos concéntricos. En este tipo de intercambiador u fluido pasa por el tubo más pequeño en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos tubos. en este tipo de intercambiador son posibles dos tipos de flujo: flujo paralelo donde los dos fluidos el frio y el caliente entran al intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección o también en contraflujo donde los fluidos entran al intercambiador por los extremos opuestos y fluye en direcciones opuestas. Estos se encuentran en la Figura. 1, [1].

Figura. 1diferentes regímenes de flujo y perfiles asociados de temperatura en un intercambiador de calor de doble tubo Fuente: [1].

También se puede destacar dentro del tipo más común de intercambiador de calor en aplicaciones industriales el intercambiador de calor de coraza y tubo, mostrado en la Figura. 2 estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos empalmados en una carcasa con sus ejes paralelos al de este. La transferencia de calor tienen lugar a medida que uno de los fluidos se mueve dentro de los tubos, en tanto que el otro fluido se mueve por fuera de estos pasando por la coraza, es común la colocación de desviadores en la coraza para forzar al fluidos a moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también mantener un espacio uniforme entre tubos.

Figura 2. Esquema de un intercambiador de calor de coraza y tubos Fuente: [1].

Los intercambiadores de coraza y tubos se clasifican a su vez según el número de pasos que se realizan por la coraza y por los tubos. Los intercambiadores que todos los tubos forman una U en la coraza se dicen que son un paso por coraza y dos pasos por tubos. Así, a un intercambiador que posea dos pasos en la coraza y cuatro pasos en los tubos se le llama de dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos Figura 3. [2].

Figura 3. Disposiciones de flujo en pasos múltiples en los intercambiadores de calor de coraza y tubos. Fuente: [1]

En un intercambiador la transferencia de calor involucra convección y conducción a través de la pared que separa los fluidos. En este análisis resulta conveniente trabajar con un coeficiente total de transferencia de calor U o una resistencia térmica total R. definidos por la Ecuación I. 1 1 1 = = =R UAS Ui AS Uo AS

Ec.I

Los subíndices i y 0 hacen referencia a la superficie exterior e interior de la pared que separa los dos fluidos, respectivamente. En un intercambiador ideal la razón de la transferencia de calor desde el fluido

caliente es igual a la razón de la transferencia de calor hacia el fluido frío, es decir, la transferencia de calor emitida es la transferencia de calor absorbida. Esta es definida en la Ecuación II. Q̇ = Qe ̇ = Qa ̇ = VH ∗ ρH ∗ CpH ∗ ∆TH = Vc ∗ ρc ∗ Cpc ∗ ∆Tc

Ec.II

Uno de los métodos más usado en el análisis de intercambiadores de calor, es el de Diferencia Media Logarítmica de Temperatura (LMTD) es el más adecuado para determinar el tamaño de este cuando se conocen las temperaturas de entrada y salida. Esta se obtiene con la Ecuación III. LMTD =

(TH2 − Tc2 ) − (TH1 − Tc1 ) (T − Tc2 ) Ln ( H2 ) (TH1 − Tc1 )

Ec III

Para las capas de muro y límite se tiene un coeficiente de transferencia de calor global, El cual es la medida que está funcionando el intercambiador, por tanto es directamente proporcional. Está dado por la Ecuación IV. 𝑈=

𝑄𝑒̇ 𝐴 ∗ 𝐿𝑀𝑇𝐷

Ec IV

La eficiencia de la temperatura media y el coeficiente de transferencia de calor nos aporta resultados más útiles para la comparación entre los intercambiadores de calor. La eficiencia de temperatura del circuito de calor del intercambiador de calor es la relación del cambio de temperatura en el circuito de calor, dividida por la diferencia entre la temperatura máxima y mínima de los circuitos de calor y frío, expuestos en la Ecuación V. 𝜂𝐻 =

𝑇𝐻1 − 𝑇𝐻2 ∗ 100 𝑇𝐻1 − 𝑇𝑐1

Ec V

La eficiencia de temperatura del circuito de frío del intercambiador de calor es la correlación del cambio de temperatura en el circuito de frío, dividida por la diferencia entre la temperatura máxima y mínima de los circuitos de calor y frío, y está dada por la Ecuación VI 𝜂𝑐 =

𝑇𝑐2 − 𝑇𝑐1 ∗ 100 𝑇𝐻1 − 𝑇𝑐1

Ec VI

La eficiencia de la temperatura media de los dos circuitos es la eficiencia promedio de ambos y la exponemos con la Ecuación VII [2]

𝜂=

𝜂𝐻 − 𝜂𝑐 2

Ec VII

3. DESCRIPCIÓN DE MATERIALES UTILIZADOS Para realizar el laboratorio de intercambiadores de calor se utilizó el equipo TD360 HEAT EXCHANGER SERVICE MODULE con el que cuenta el laboratorio, el cual proporciona agua caliente y fría para los intercambiadores de calor y todos los instrumentos necesarios para medir su desempeño; también está compuesto con todas las conexiones de fluido a los intercambiadores de calor las cuales son de auto-sellado para mayor seguridad y simplicidad. Las corrientes de agua caliente y fría tienen diferentes conectores para reducir errores, el sistema de agua caliente del módulo de servicios incluye un tanque, con un calentador eléctrico controlado por PID, una bomba y un tanque, indicadores de nivel, una válvula accionada eléctricamente se abre para permitir el paso de agua para llenar el tanque; el tanque tiene protección en caso de sobre temperatura, bajo nivel de agua y sobrellenado, el sistema de agua da caudales y temperaturas estables el circuito de agua fría del módulo de servicios tiene un regulador de caudal y conexión para un suministro externo de agua tanto el sistema de agua fría como el de agua caliente tienen aguja de precisión válvulas y medidores de flujo de turbina para controlar y medir la caudales posee también termopares en los conectores que miden calor y frío temperatura de la corriente del fluido de entrada y salida, también cuenta con pantallas digitales transparentes, multilíneales para mostrar las temperaturas y caudales de las corrientes de los fluidos también cuenta con un sistema de adquisición de datos por computadora (VDAS®) el cual proporciona una captura de datos, monitoreo y visualización precisos en tiempo real, cálculos y gráficos de todas las lecturas importantes en una computadora.[3]

Figura 4. Equipo TD360 HEAT EXCHANGER SERVICE MODULE. Fuente: [3].

3.1 Intercambiadores De Calor 3.1.1 Intercambiador de calor de tubos y tubos TecQuipment - TD360C Este intercambiador de calor es uno de los tipos más comunes utilizados en la industria. Esto se debe a que es compacto, pero puede funcionar a presiones más altas que otros diseños. Es un tubo grande (carcasa) que rodea varios tubos más pequeños (un paquete). Un fluido pasa a través de la cubierta, y el otro fluido pasa a través del haz de tubos, por lo tanto transfiere calor. Los bafles alrededor del haz ayudan a crear un flujo mixto turbulento. Las conexiones de fluido al intercambiador de calor son conectores rápidos autosellables, por seguridad y simplicidad. Las corrientes de fluido caliente y frío tienen diferentes conectores para reducir los errores El intercambiador de calor está en una placa de cama que tiene un diagrama esquemático claro que muestra las conexiones. [3]

Figura 5. Intercambiador de calor de tubos y tubos (coraza y tubos ) TecQuipment - TD360C Fuente: [3].

3.1.2 Intercambiador de calor de tubos concéntricos TecQuipment - TD360A Este es el más simple de los intercambiadores de calor opcionales. Tiene dos tubos, uno dentro del otro. Un tubo lleva fluido caliente, el otro lleva fluido frío transfiriendo calor entre ellos. El intercambiador de calor de TecQuipment está en dos partes iguales unidas por tuberías intermedias. Esto permite dos puntos de medición adicionales en el punto medio lo cual proporciona resultados de experimentos más útiles todas las conexiones de fluido al intercambiador de calor son conectores rápidos autosellables, por seguridad y simplicidad. Las corrientes de fluido caliente y frío tienen diferentes conectores para reducir los errores el intercambiador de calor está en una placa de cama que tiene un diagrama esquemático claro que muestra las conexiones [3]

Figura 6. Intercambiador de calor

de tubos concéntricos TecQuipment - TD360A Fuente: [3].

4. PROCEDIMIENTOS DEL(OS) EXPERIMENTO(S) a) Primeramente se ejecutó el acoplamiento del Intercambiador de calor de tubos concéntricos TecQuipment - TD360A mostrado en la (Figura 6) en el módulo TD360 HEAT EXCHANGER SERVICE MODULE. Expuesto en la (Figura 4), posteriormente se conectaron las Termocuplas que permitan la toma de temperaturas en flujo paralelo. b) Se continúa conectando el módulo TD360 HEAT EXCHANGER SERVICE MODULE. Expuesto en la (Figura 4) a un computador que proporciono la adquisición de datos de manera fácil y efectiva, usando el software (VDAS®), el cual nos ayuda a un tratamiento de los datos más óptimo.

c) En el momento de tener el equipo con las conexiones correctas se procedió a encenderlos, se dio apertura a las llaves de paso, realizando la regulación de la razón de flujo a 0,74 L/min para el fluido Frio, siendo esta constante en todo este laboratorio, mientras que la razón de flujo para el fluido caliente se le realizo una variación de 0,5 a 2,5 L/min con un aumento de 0,5 L.min-1. d) Posteriormente se continuo iniciando el Software (VDAS®), dando por iniciado toma y lectura de los datos tomados por las Termocuplas, el software a su vez va generando un archivo con extensión Date.xlsx en el cual se realiza el almacenamiento de los datos.

e) Una vez terminado con los anteriores puntos del proceso de laboratorio se continua cambiando de flujo paralelo a Contraflujo, para este se realizó una reubicación de las Termocuplas y las posición de la entrada de flujo al Intercambiador de calor de tubos concéntricos TecQuipment - TD360A mostrado en la (Figura 6). y se procedió a repetir los pasos c y d f)

Una vez terminado los procedimientos a,b,c,d para cada una de las formas de entrada de flujo al intercambiador se continua con el apagado del equipo.

g) Posteriormente se instala el intercambiador de calor de tubos y tubos TecQuipment - TD360C (coraza y tubos) expuesto en la (figura 6) para realizar el análisis con este tipo de intercambiador se repiten los pasos de a a la f. h) Por último se apagó el equipo junto con la computadora.

5. RESULTADOS  Intercambiador de tubos concéntricos flujo paralelo En las siguientes tablas tabla I y la tabla II se encuentran los datos de cada una de las series para el fluido frio subíndice (c) y calientes subíndice (h) VOLUMEN m^3

área 0,01

m^2

0,02

Datos recolectados experimentalmente de las temperaturas para el agua fría y caliente flujo H

flujo C

Th1

Th2

∆TH

Th3

Tc1

Tc2

∆TC

Tc3

L/min

L/min

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

1

0,5

0,75

58,6

48

10,6

52,8

18,7

25,9

7,2

23,1

2

0,98

0,7

56,7

49,6

7,1

52,9

18,5

27,2

8,7

23,7

3

1,49

0,76

57,9

52,1

5,8

54,7

18,6

29,1

10,5

24,8

4

2

0,75

59,8

54,9

4,9

57,2

18,6

30,7

12,1

25,9

5

2,51

0,75

60,7

56,5

4,2

58,5

18,6

32

13,4

26,6

serie

Tabla I. Datos experimentales recolectados por medio del software (VDAS®). Fuente: Autor.

Parámetros obtenidos en Tubos concéntricos (Flujo Paralelo) ŋH

ŋC

ŋ

ρH

ρc

CpH

CpC

QH

QC

CEB

LMTD

U

%

%

%

Kg/m^3

Kg/m^3

Kj/Kg °k

Kj/Kg °k

Kj/s

Kj/s

KJ/s

°C

KJ/m^2 °c

26,57

18,045

22,3058

986,74

997,51

4,1813

4,18001

437,3418

300,2113

0,68645

30,128705

725,789215

18,59

22,775

20,6806

986,69

997,37

4,1813

4,17976

292,9237

362,6827

1,23815

29,600512

494,795048

14,76

26,718

20,7379

985,83

997,09

4,182

4,17937

239,1173

437,5568

1,82988

30,425757

392,952041

11,89

29,369

20,6311

984,61

996,81

4,1829

4,17903

201,8092

504,0496

2,49765

31,949745

315,822834

9,976

31,829

20,9026

983,96

996,62

4,1835

4,17884

172,887

558,0719

3,22796

32,509836

265,89954

Tabla II. Parámetros obtenidos en Tubos concéntricos (Flujo Paralelo) Fuente: Autor

A continuación mostraremos las gráficas de las temperaturas en el momento de variar el flujo volumétrico de agua caliente en las posiciones del intercambiador estas están expuesta en las figuras 7 , 8, 9, 10, 11. Graficas de tubos concéntricos flujos paralelos

TH&TC VS posición

TH&TC VS posición

(Flujo H = 0.98 y Flujo C = 0.75)

(Flujo H = 0.5 y Flujo C = 0.75) 55 45 35

TH

25

Temperaturas en °C

Temperaturas en °C

65

Tc

15 1

1,5

2

2,5

60 50 40 30 20 10 0

Th Tc 1

3

1,5

POSICIÓN

35

Th

15

Tc 3

Figura 9. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

Temperaturas en °C

TH&TC VS posición (Flujo H = 2 y Flujo C = 0.75)

55

2 2,5 POSICIÓN

3

Fuente: Autor

TH&TC VS posición (Flujo H = 1.49 y Flujo C = 0.75)

1,5

2,5

Figura 8. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

1

2 POSICIÓN

Figura 7. Comportamiento de la temperatura

Temperaturas en °C



55

35

Th

15

Tc

1

1,5

2

2,5

3

POSICIÓN

Figura 10. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

TH&TC VS posición Temperaturas en °C

(Flujo H = 2 y Flujo C = 0.75) 100 50

Th

0 1

1,5

2

2,5

Tc

3

POSICIÓN

Figura 11. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

Podemos ver en las figuras anteriores las temperaturas del fluido frio tiendan a aumentar y las del fluido caliente tienden disminuir medida que aumenta la razón de flujo.

En la siguiente figura podemos observar la comparación del coeficiente de balance de energía y el coeficiente de temperatura media versus el cambio de la razón de flujo volumétrico expuestos en la figura 12 De igual forma el cálculo de las eficiencias se da aplicando las Ecuaciones V, VI,VII respectivamente. La diferencia media de temperatura logarítmica se obtiene aplicando la Ecuación III.

3,5

22,5

3

22

2,5

21,5

2

21

1,5

20,5

1

20

0,5 0

19,5 0,5

0,98

1,49

2

2,51

FLUJO VOLUMETRICO L/Min CEB

ŋ

Figura 12. Comportamiento de la ŋ Y CEB al variar el flujo volumétrico

Fuente: Autor

coeficiente de temperatura media %

COEFICIENTE DE BALNCE DE ENERGIA KJ/S

tubos concentricos - flujo paralelo

 Intercambiador de tubos concéntricos contraflujo En las siguientes tablas tabla III y la tabla IV se encuentran los datos de cada una de las series para el fluido frio (subíndice c) y calientes subíndice (h)

VOLUMEN

serie

area

m^3

0,01

flujo H

flujo C

Th1

m^2

0,02

Th2

∆TH

Th3

Tc1

Tc2

∆TC

Tc3

L/min

L/min

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

1

0,5

0,74

60,04

49,9

10,14

54,6

18,7

26,6

7,9

22,4

2

1,01

0,74

59,4

52,5

6,9

56,2

18,7

28,3

9,6

23,6

3

1,5

0,74

58,5

52,9

5,6

55,9

18,7

29,7

11

24,3

4

2,01

0,73

59,5

54,8

4,7

57,4

18,6

31,1

12,5

25,3

5

2,5

0,74

60,6

56,4

4,2

58,8

18,7

32,2

13,5

25,9

Tabla III. Datos experimentales recolectados por medio del software (VDAS®). En intercambiador de tubos concéntricos con contraflujo Fuente: Autor.

ŋH

ŋC

ŋ

ρH

ρc

CpH

CpC

QH

QC

CEB

LMTD

U

%

%

%

Kg/m^3

Kg/m^3

Kj/Kg °k

Kj/Kg °k

Kj/s

Kj/s

KJ/s

°C

KJ/m^2 °c

24,5

19,1

21,8

985,9

997,7

4,2

4,2

418,1

329,5

0,8

31,5

664,4

17,0

23,6

20,3

985,1

997,4

4,2

4,2

284,3

400,2

1,4

31,7

447,9

14,1

27,6

20,9

985,3

997,2

4,2

4,2

230,8

458,5

2,0

30,8

375,1

11,5

30,6

21,0

984,5

997,0

4,2

4,2

193,6

520,8

2,7

31,5

307,0

10,0

32,2

21,1

983,8

996,8

4,2

4,2

172,9

562,4

3,3

32,2

268,1

Tabla IV. Parámetros obtenidos en Tubos concéntricos En intercambiador de tubos concéntricos con contraflujo Fuente: Autor

A continuación mostraremos las gráficas de las temperaturas en el momento de variar el flujo volumétrico de agua caliente en las posiciones del intercambiador estas están expuesta en las figuras , 13, 14, 15, 16,17.

Graficas de tubos concéntricos contraflujo

temperatura vs posición (Flujo H = 1,01 y Flujo C = 0.74) temperatura °c

temperatura °c

temperatura vs posición (Flujo H = 0.5 y Flujo C = 0.74) 55 35 15 1

1,5

2

2,5

3

75 55 35 15

1

1,5

2

2,5

3

posición

posición Th

Th

Tc

Figura 13 Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

temperatura vs posición

temperatura vs posición

(Flujo H = 2.01 y Flujo C = 0.74)

(Flujo H = 1.5 y Flujo C = 0.74)

1,5

2

2,5

temperatura °c

65 55 45 35 25 15 1

3

75 55 35 15 1

1,5

2

2,5

posición

posición

Th Th

Tc

Figura 14. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

Tc

Tc

Figura 15 Comportamiento de la temperatura

Figura 16. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

Fuente: Autor

temperatura vs posición (Flujo H = 2.5 y Flujo C = 0.74)

temperatura °c

temperatura °c



75 55 35 15 1

1,5

2

2,5

posición Th

Tc

Figura 17. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

3

3

En las anteriores figuras podemos observar como las temperaturas del fluido frio y del fluido caliente tienden a comportarse de manera similar a medida que aumenta la razón de flujo. .

En la siguiente figura podemos observar la comparación del coeficiente de balance de energía y el coeficiente de temperatura media versus el cambio de la razón de flujo volumétrico expuestos en la figura 18 De igual forma el cálculo de las eficiencias se da aplicando las Ecuaciones V, VI,VII respectivamente. La diferencia media de temperatura logarítmica se obtiene aplicando la Ecuación III.

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

22,0 21,5 21,0 20,5 20,0 19,5 19,0 0,5

1,01

1,5

2,01

2,5

FLUJO VOLUMETRICO L/Min

CEB

ŋ

coeficiente de temperatura media %

COEFICIENTE DE BALNCE DE ENEGIA KJ/S

tubos concentricos - contraflujo

Figura 18. Comportamiento de la ŋ Y CEB al variar el flujo volumétrico en tubos concéntricos a contraflujo

Fuente: Autor

 Intercambiador de coraza y tubos flujo paralelo En las siguientes tablas tabla V y la tabla VI se encuentran los datos de cada una de las series para el fluido frio (subíndice c) y calientes subíndice (h) VOLUMEN

area

m^3

0,01

m^2

0,02

flujo H

flujo C

Th1

Th2

∆TH

Th3

Tc1

Tc2

∆TC

Tc3

L/min

L/min

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

1

0,49

0,74

60,9

51,2

9,7

31,2

18,5

25,5

7

31,3

2

0,98

0,75

59

52,2

6,8

31,3

18,4

27,4

9

31,3

3

1,51

0,74

59

53,9

5,1

31,3

18,6

28,6

10

31,4

4

2

0,73

60

55,4

4,6

31,3

18,6

30,4

11,8

31,4

5

2,52

0,74

60,8

56,7

4,1

31,4

18,7

32,1

13,4

31,5

serie

Tabla V. Datos experimentales recolectados por medio del software (VDAS®). En intercambiador coraza y tubos con flujo paralelo Fuente: Autor.

ŋH

ŋC

ŋ

ρH

ρc

CpH

CpC

QH

QC

CEB

LMTD

U

%

%

%

Kg/m^3

Kg/m^3

Kj/Kg °k

Kj/Kg °k

Kj/s

Kj/s

KJ/s

°C

KJ/m^2 °c

22,9

16,5

19,7

985,2

997,8

4,18246

4,18050

399,7

292,0

0,7

33,4

599,1

16,7

22,2

19,5

985,4

997,6

4,18231

4,18009

280,2

375,3

1,3

32,1

437,2

12,6

24,8

18,7

985,0

997,3

4,18261

4,17973

210,1

416,9

2,0

32,3

325,6

11,1

28,5

19,8

984,4

997,2

4,18313

4,17947

189,4

491,8

2,6

32,5

291,3

9,7

31,8

20,8

983,8

996,9

4,18359

4,17918

168,7

558,3

3,3

32,6

259,1

Tabla VI. Parámetros obtenidos en intercambiador de coraza y tubos con flujo paralelo Fuente: Autor

A continuación mostraremos las gráficas de las temperaturas en el momento de variar el flujo volumétrico de agua caliente en las posiciones del intercambiador estas están expuesta en las figuras 19, 20, 21, 22, 23.

temperatura vs posicion (Flujo H = 0.98 y Flujo C = 0.75)

65 55 45 35 25 15

1

1,2

1,4

1,6

1,8

posición Th

Tc

Figura 19 Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

2

temperatura ° c

temperatura ° c

temperatura vs posicion (Flujo H = 0.49 y Flujo C = 0.74) 65 55 45 35 25 15

1

1,2

1,4

1,6

1,8

posición Th

Tc

Figura 20. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

2

temperatura vs posicion (Flujo H = 2 y Flujo C = 0.73)

65 55 45 35 25 15 1

1,2

1,4

1,6

1,8

temperatura ° c

temperatura ° c

temperatura vs posicion (Flujo H = 1.51 y Flujo C = 0.74)

2

65 55 45 35 25 15 1

1,2

1,6

1,8

2

posición

posición Th

1,4

Th

Tc

Figura 21 Comportamiento de la temperatura

Tc

Figura 22. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

Fuente: Autor

temperatura vs posicion temperatura ° c

Flujo H = 2.52 y Flujo C = 0.74) 65 55 45 35 25 15 1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

posición TH

Tc

Figura 23. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

En las anteriores figuras podemos observar como las temperaturas del fluido frio y del fluido caliente tienden a comportarse de manera similar a medida que aumenta la razón de flujo. .

En la siguiente figura podemos observar la comparación del coeficiente de balance de energía y el coeficiente de temperatura media versus el cambio de la razón de flujo volumétrico expuestos en la figura 24 De igual forma el cálculo de las eficiencias se da aplicando las Ecuaciones V, VI,VII respectivamente. La diferencia media de temperatura logarítmica se obtiene aplicando la Ecuación III.

21,0

3,5

20,5

3,0

20,0

2,5

19,5

2,0

19,0

1,5

18,5

1,0

18,0

0,5

17,5

0,0

0,49

0,98

1,51

2

2,52

FLUJO VOLUMETRICO L/Min ŋ

CEB

coeficiente de temperatura media %

COEFICIENTE DE BALNCE DE ENEGIA KJ/S

coraza y tubos - flujo paralelo

Figura 24. Comportamiento de la ŋ Y CEB al variar el flujo volumétrico coraza y tubos en flujos paralelos

Fuente: Autor

 Intercambiador de coraza y tubos contraflujo En las siguientes tablas tabla VII y la tabla VIII se encuentran los datos de cada una de las series para el fluido frio (subíndice c) y calientes subíndice (h)

VOLUMEN

area

m^3

0,01

m^2

0,02

flujo H

flujo C

Th1

Th2

∆TH

Th3

Tc1

Tc2

∆TC

Tc3

L/min

L/min

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

1

0,47

0,75

57,6

48,5

9,1

30,7

18,2

24,2

6

31

2

1

0,74

56,3

49,8

6,5

30,7

18,3

26,7

8,4

31

3

1,5

0,75

58,1

52,8

5,3

30,9

18,4

28,6

10,2

31,1

4

2

0,74

59,7

55,1

4,6

31

18,4

30,4

12

31,1

5

2,5

0,72

60,9

56,8

4,1

31,1

18,3

32,4

14,1

31,2

serie

Tabla VII. Datos experimentales recolectados por medio del software (VDAS®). En intercambiador coraza y tubos con Contraflujo Fuente: Autor.

ŋH

ŋC

ŋ

ρH

ρc

CpH

CpC

QH

QC

CEB

LMTD

U

%

%

%

Kg/m^3

Kg/m^3

Kj/Kg °k

Kj/Kg °k

Kj/s

Kj/s

KJ/s

°C

KJ/m^2 °c

23,1

15,2

19,2

986,6

998,0

4,18137

4,18090

375,4

250,3

0,7

31,2

600,8

17,1

22,1

19,6

986,6

997,7

4,18137

4,18026

268,2

350,3

1,3

29,9

447,9

13,4

25,7

19,5

985,5

997,4

4,18223

4,17984

218,4

425,2

1,9

31,3

348,8

11,1

29,1

20,1

984,5

997,2

4,18301

4,17951

189,4

500,1

2,6

32,3

293,3

9,6

33,1

21,4

983,8

996,9

4,18359

4,17918

168,7

587,5

3,5

32,7

258,3

Tabla VIII. Parámetros obtenidos en intercambiador de coraza y tubos con contraflujo Fuente: Autor

A continuación mostraremos las gráficas de las temperaturas en el momento de variar el flujo volumétrico de agua caliente en las posiciones del intercambiador estas están expuesta en las figuras 25,26,27,28,29.

temperatura vs posición (Flujo H = 1 y Flujo C = 0.75)

75 55 35 15 1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

POSICIÓN Th

temperatur °C

temperatur °C

temperatura vs posición (Flujo H = 0.47 y Flujo C = 0.75)

75 55 35 15 1

1,2

Th

(Flujo H = 2 y Flujo C = 0.75)

Tc

Figura 27 Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

2

temperatura °c

temperatura °c

1,8

posición Th

Tc

temperatura vs posición

75 55 35 15 1,6

2

Fuente: Autor

temperatura vs posición (Flujo H = 1.5 y Flujo C = 0.75)

1,4

1,8

Figura 26 Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

1,2

1,6

posición

Tc

Figura 25 Comportamiento de la temperatura

1

1,4

65

15 1

1,2

1,4

1,6

1,8

posición Th

Tc

Figura 28 Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

2

temperatura °c

temperatura vs posición (Flujo H = 2.5 y Flujo C = 0.72) 75 55 35 15 1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

posición Th

Tc

Figura 29. Comportamiento de la temperatura

Fuente: Autor

En las anteriores figuras podemos observar como las temperaturas del fluido frio y del fluido caliente tienden a comportarse de manera similar a medida que aumenta la razón de flujo. .

En la siguiente figura podemos observar la comparación del coeficiente de balance de energía y el coeficiente de temperatura media versus el cambio de la razón de flujo volumétrico expuestos en la figura 30 De igual forma el cálculo de las eficiencias se da aplicando las Ecuaciones V, VI,VII respectivamente. La diferencia media de temperatura logarítmica se obtiene aplicando la Ecuación III.

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

22,0 21,5 21,0 20,5 20,0 19,5 19,0 18,5 18,0 0,47

1

1,5

2

FLUJO VOLUMETRICO L/Min CEB

ŋ

2,5

coeficiente de temperatura media %

COEFICIENTE DE BALNCE DE ENEGIA KJ/S

coraza y tubos - contraflujo

Figura 30. Comportamiento de la ŋ Y CEB al variar el flujo volumétrico coraza y tubos en flujos paralelos

Fuente: Autor

1. CONCLUSIONES 

. En el proceso de adquisición de los datos se debe tener presente que se debe dejar estabilizar la temperatura del fluido caliente para que así en el momento de la tomas de las diferentes temperaturas se pueda obtener datos correctos



Al analizar los datos obtenidos se observa que la razón de transferencia de calor es mayor cuando el fluido caliente viaja a contraflujo, a manera que en este sentido la temperatura de salida del fluido frio se aproxima más e incluso supera la temperatura de salida del fluido caliente.



El cálculo de las transferencias de calor entre fluidos se realizó bajo suposiciones de que no existen perdidas al medio ambiente, esto es incorrecto para un intercambiador en la vida real



Se comprobó que el intercambiador de calor de tubos concéntricos, se puede utilizar a contraflujo y en flujo paralelo, siendo más eficiente cuando se opera con los flujos a contraflujo, mostrando un mayor cambio en las temperaturas de salida, comparadas con las temperaturas de salida con los flujos en paralelo

6. RECOMENDACIONES 

Antes de utilizar el banco de pruebas TD360 HEAT EXCHANGER SERVICE MODULE leer el manual de operación, para utilizar correctamente el equipo



Cambiar la manguera de entrada de fluido al TD360 HEAT EXCHANGER SERVICE MODULE ya que la que se encuentra instalada tiene gran cantidad de fluido.



Tener cuidado en la conexiones parea que las temperaturas arrojadas sean del lugar correcto a medir.



Se recomienda el adecuado mantenimiento de los equipos de este laboratorio para poder prolongar la vida de estos y así poder continuar con el correcto uso de estos.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]. Cengel, Y., Cimbala, J. and Campos Olguín, V. (2012). Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones. 1st ed. México: McGraw-Hill Interamericana. [2] TecQuipment Heat Exchanger Service Module – TD360 | AYVA Educational Solutions | AYVA Educational Solutions [3]. Cengel, Y. and Boles, M. (2009). Termodinámica. 1st ed. México: McGraw-Hill.