Laboratorio 2: Intercambiador de calor de tubos concéntricos en flujos contracorriente y paralelo
Enviado por Esteban ßj • 9 de Octubre de 2019 • Documentos de Investigación • 2.592 Palabras (11 Páginas) • 291 Visitas
Laboratorio 2: Intercambiador de calor de tubos concéntricos en flujos contracorriente y paralelo
Grupo 12
Adriana Echeverri Romero – 201630998
Esteban Fernando Ordoñez Imbachi – 201516946
Juan Felipe Aldana Heredia – 201629566
Juan Camilo Mahecha Rivas – 201511987
Resumen
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para la transferencia de calor de un fluido caliente a uno frio; en el caso de tubos concéntricos, los fluidos no están en contacto directo. A partir de una variación en el caudal de agua caliente y direccionamiento (paralelo o contracorriente), se pudo observar diversidad en lo comportamientos de la temperatura, el calor y el coeficiente global de calor; como de las pérdidas que presentó el sistema. Obteniendo así, que el método contracorriente y proporciones de agua caliente menores a la del agua fría son más eficientes en el momento de disminuir la temperatura de un fluido. Por ende, como es de esperar la transferencia de calor fue mayor en estos casos. A partir de lo anterior, se obtuvo el coeficiente global de transferencia y LMTD, que se comportaron de la misma manera que el calor debido a la relación directa que poseen. Por último, se observa que se presentan perdidas tanto para el flujo caliente como el frio por la interacción con el ambiente. Concluyendo, para los efectos que se utiliza un intercambiador de calor es de mayor utilidad implementar uno direccionado en contracorriente con un flujo de agua caliente menor al de agua fría.
Introducción
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para la transferencia de calor entre un fluido caliente y un fluido frio que se encuentran separados por una pared (comúnmente metálica). Actualmente, existen diferentes tipos de agrupaciones para estos equipos, según su construcción se puede dividir en intercambiadores de coraza y tubos (STHE), intercambiadores de placas (PHE), intercambiadores compactos, intercambiadores de doble tubo e intercambiadores regenerativos. Dependiendo el sistema que se va a operar y las características requeridas, se selecciona uno sobre otro. [1] En estos aparatos predomina el fenómeno de convección forzada, debido que, se utiliza el movimiento para la transferencia de calor desde las moléculas calientes a las frías. Sin embargo, la conducción también hace parte del sistema, especialmente en las paredes del equipo. Consecuentemente, la transferencia de calor se verá influenciada por el coeficiente de transferencia de calor por convección y la conductividad térmica. [2]
La transferencia de calor en este tipo de sistemas funciona de manera análoga a la ley de ohm de resistencias. En donde, el calor toma el papel de la corriente; la diferencia de temperatura, el del voltaje y la resistencia térmica el de la resistencia eléctrica. Siendo así la diferencia de temperaturas elemental para que se presente una transferencia de calor. Adicionalmente, se utiliza el coeficiente global de transferencia de calor para caracterizar la resistencia entre el fluido caliente y el frio. En efecto, el producto entre el coeficiente de transferencia y el área toma un valor constante. [3]
En esta práctica de laboratorio se estudió el coeficiente global de transferencia de calor, las pérdidas de energía del sistema, los diagramas de distribución de temperaturas y los flujos de calor entregados y recibidos en un intercambiador de tubos concéntricos con sistema de flujo contracorriente y paralelo.
Materiales y métodos
2.1. Materiales
Se utilizó principalmente un intercambiador de calor de tubos concéntricos configurado para operar en un flujo paralelo y contracorriente. Este intercambiador tiene varios sensores de temperatura que ayudan a la toma rigurosa de los datos. A través de un software especializado los datos se exportaron a Excel.
2.2. Metodología experimental
En primer lugar, se debía configurar el sistema dependiendo del tipo de flujo que se requiriera (paralelo o contracorriente) esto se realizó de manera manual. Para este caso, se empezó con la configuración contracorriente. Luego, se abrió la válvula de entrada de agua fría para 3 secciones que eran las que correspondían al grupo. Después, se colocó la válvula (abierta a un 58%) de forma manual hasta lograr un caudal de aproximadamente 5 LPM. A través del software se accionó el flujo de agua caliente de manera automática con un flujo mayor al de agua fría. Se ajustó la temperatura de entrada del agua caliente al valor de 35ºC y al llegar a este se reajustó el caudal de agua fría a 3,5 LPM. Después, se inició la toma de datos para que tomara datos cada 30 segundos hasta que ambas temperaturas se estabilizaran. Luego, se tomó la misma medición para un flujo de agua caliente igual y menor al de agua fría. Por último, se siguió el mismo procedimiento pero para la configuración en paralelo.
2.3. Metodología numérica
2.3.1. Balance de energía y flujos de calor
Fue primordial en la realización de los balances de energía las siguientes suposiciones: el calor específico del agua es constante y hay una cantidad de calor que se perdió (o ganó) con el ambiente. Con esto en mente se pudo escribir el balance:
[pic 1]
En el cual, los términos de calor se escribieron como la multiplicación del flujo másico de agua por el calor especifico y la diferencia de temperatura.
[pic 2]
2.3.2. LMTD y coeficiente de transferencia de calor
Para obtener la temperatura media logarítmica se utilizó la metodología planteada en el libro “Heat and mass transfer: fundamentals and applications” de Yungus Cengel [4]. En donde se siguió la Ecuación 3. a la cual no fue necesario aplicar ninguna corrección porque se manipuló un intercambiador de tubos concéntricos.
[pic 3]
Teniendo la anterior y los flujos de calor de la sección 2.3.1, fue posible obtener el coeficiente global de transferencia de calor con la Ecuación 4.
[pic 4]
Donde A hace referencia al área transversal, para la cual, es importante conocer las dimensiones del equipo. En este caso se tenían secciones de 0.330m de longitud, tubos externos (flujo de agua fría) con diámetro interno 0.014m y externo 0.016m; mientras, los tubos internos (flujo de agua caliente) tenían un diámetro interno de 0.0083m y externo 0.0095m. Así mismo, es importante aclarar que el sistema operado cuenta con 3 secciones de tubos.
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