Laboratorio 2: Intercambiador de calor de tubos concéntricos en flujos contracorriente y paralelo

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.

1. 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.

1. 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.

1. Resultados y análisis

En primer lugar, se grafican los perfiles de temperatura obtenidos (Figura 1 y Figura 2) para los diferentes casos. En estas figuras se observa el comportamiento de la temperatura en función de longitud desde la entrada de agua caliente, para los diferentes casos. La diferencia entre los casos radica en el caudal de entrada de la corriente de agua caliente (caso 1: 6 LPM; caso 2: 3.5 LPM; caso 3: 1 LPM). En la sección de Anexos se encuentra el perfil de temperatura en contracorriente graficado a partir de distancia recorrida por el fluido.

A partir de los perfiles, se observa que en todos los casos la configuración en contracorriente logra disminuir más la temperatura de la corriente caliente. De igual forma, para el caso 2 y 3 se logra un mayor aumento de la temperatura en la corriente fría. Esto se debe a que los gradientes de temperatura logrados en la configuración contracorriente son altos y con baja variación, en comparación con el caso paralelo que presenta una alta reducción en la diferencia de temperatura a lo largo del intercambiador (Ver Figura 6 en Anexos). Al tener gradientes altos y continuos se favorece la transferencia de calor entre los fluidos en toda la distancia de contacto. En otras palabras, el punto con mayor temperatura del fluido caliente entra en contacto con el punto de menor temperatura del fluido frio, compensando de una manera eficiente la diferencia.

Por otro lado, hay diferencias importantes entre los diferentes casos. Primero, vemos que el caso 3 logra la mayor disminución de temperatura de la corriente caliente, seguido del caso 2 y la mínima disminución en el caso 1. Esto se debe al tiempo de residencia del agua caliente en el intercambiador. Al disminuir el caudal aumenta el tiempo de residencia del agua, con ello, el tiempo de contacto en el intercambiador de calor. Al haber mayor tiempo de contacto, la transferencia de calor transcurre por más tiempo, por ello, la reducción de la temperatura es más alta.

De esta manera, se continuó calculando la transferencia de calor como se explica en la sección 2.3.1. Los valores requeridos se extrajeron de los datos obtenidos por el programa implementado en el intercambiador. En la Tabla 2 y la Tabla 3 de la sección de Anexos se presentan los datos completos de los valores calculados; en la Figura 3  y la Figura 4 se representan gráficamente los calores de cada tramo y de cada corriente según la configuración dada.

En cuanto al calor, se observa que la pérdida de este en la corriente caliente no es igual a la pérdida  en la corriente fría. Esto se debe principalmente a que la corriente fría también está en contacto con el ambiente, permitiendo la transferencia de calor con este. En menor medida, hay tramos de corriente caliente que están descubiertos, por lo cual ahí también se pierde calor con el mismo medio. Sin embargo, se considera que el calor transferido corresponde al perdido por la corriente caliente, ya que, esta se encuentra en su mayoría encapsulada por la corriente fría. Ahora bien, comparando las configuraciones, se confirma que la transferencia de calor por tramo es más constante en contracorriente que en paralelo. Además, se observa que la transferencia de calor es mayor en el caso contracorriente. Todo lo anterior, debido a la magnitud de los gradientes de temperatura. Por otro lado, se observa que el flujo de calor aumenta a medida que se va disminuyendo el caudal de la corriente caliente. Esto se debe a la diferencia relativa entre los caudales de la corriente fría y caliente. Cuando esta diferencia aumenta, el contacto entre los volúmenes de la corriente se reduce, como consecuencia, la transferencia de calor también. De todas formas, la disminución de caudal hace que el tiempo de residencia aumente, por lo cual, la transferencia de calor total es mayor a medida que se reduce el caudal.

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