FUNDAMENTOS DE LA INGENIERÍA DE PROCESOS LABORATORIO N° 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR GUNT

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UNIVERSIDAD DE TALCA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL INDUSTRIAL

FUNDAMENTOS DE LA INGENIERÍA DE PROCESOS

LABORATORIO N° 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR GUNT

AUTORES:

Nelson Escobar Lupayante

Juan Fuenzalida Deutelmoser

Oscar Salinas Fernández

Daniela Valenzuela Reyes

Pablo Valladares Silva

PROFESOR: Gonzalo García García

SECCIÓN B – GRUPO 2

CURICÓ – CHILE

JULIO DE 2014

Índice

Contenido                                                                                          Página

1. Resumen………………………………………………………………………………….…3

2. Objetivos del laboratorio…………………………………………………………………....4

3. Planteamiento:

        3.1. Descripción de la modelación matemática básica………………………………...5

        3.2. Descripción física de los equipos y método experimental………………………..8

        3.3. Datos extraídos y calculados…………………………………………………….12

        3.4. Croquis explicativos……………………………………………………………..16

4. Discusión y análisis………………………………………………………………………..19

5. Conclusión………………………………………………………………………………....20

6. Bibliografía………………………………………………………………………………...21

7. Anexo N°1

8. Anexo N°2

1. Resumen

Ley de Conservación de la Energía:

“La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.”

Es así como la Primera Ley de la Termodinámica, asentada sobre los cimientos del principio de conservación de la energía, establece que una variación en la energía interna en un sistema se manifestaría en una variación en la energía externa al sistema. Representado en una ecuación, sería de la siguiente manera:

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Si el sistema experimenta un cambio de energía, los alrededores deben experimentar un cambio de energía de la misma magnitud pero de signo opuesto.

Por medio de estudio de las variaciones de temperatura que experimentan los flujos de agua fría y agua caliente que participan en el mini-proceso de un intercambiador de calor G.U.N.T., un equipo mecánico construido para transferir calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas separados por una pared metálica, se pretende verificar el Primer Principio de la Termodinámica.

Aplicando esto a la termodinámica y teniendo en cuenta el criterio de signos, se tiene que:

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Donde   es la variación de la energía del sistema,  es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas y  es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.[pic 5][pic 6][pic 7]

Los flujos de agua son dispuestos de dos maneras distintas, paralela (ambos fluidos recorren el circuito tubular en el misma dirección) y corriente contraria (ambos fluidos recorren el circuito tubular en distintas direcciones) respectivamente, con el fin de analizar si la configuración del sistema influye en los resultados obtenidos en ambos procesos.

2. Objetivos del laboratorio

• Comprender y verificar experimentalmente los principios de la primera ley de la termodinámica y el balance de energía aplicado a la transferencia de calor en un intercambiador de calor de tubos concéntricos.

• Comprender el comportamiento de las temperaturas, respecto al tiempo, de los fluidos involucrados para una operación de transferencia de calor, considerando disposición de flujos en contracorriente y flujo paralelo. 

• Conocer y comprender el funcionamiento físico de un intercambiador de calor tipo tubos concéntricos.

• Aplicar y utilizar los conceptos y herramientas adquiridas en el módulo de Fundamentos de Ingeniería de Procesos.

• Obtener resultados tangibles en función de los datos medidos y obtener conclusiones respecto al funcionamiento del intercambiador de calor en base a estos resultados.

3. Planteamiento

En este apartado se describirá la modelación matemática del intercambiador de calor, se hará una descripción física de los equipos y método experimental, se adjuntaran los datos extraídos y calculados y finalmente unos croquis explicativos.

3.1. Descripción de la modelación matemática básica

Mediante el uso de fórmulas tales como la de la densidad de un fluido, flujo volumétrico, flujo másico y calor especifico, se logra realizar el cálculo respectivo del principio de conservación de la energía para la termodinámica, en donde ésta establece que “La energía no se crea ni se destruye: solo se transforma”.

Se tiene el coeficiente global de transferencia de calor que está dado por la ecuación:

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Despejando se obtiene:

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El balance de energía esta expresado por:

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Para el intercambiador de calor Gunt, la disposición de flujo en paralelo se tiene:

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Flujo Volumétrico Promedio:

Flujo caliente:

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Flujo frío:

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Flujo másico:

Flujo caliente:

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Flujo frío:

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Calor específico Promedio

Se obtiene promediando los calores específicos obtenidos a partir de la tabla de calor específico (Anexo N°1) y su valor correspondiente se asocia a una cierta temperatura.

Flujo caliente:

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Flujo frio:

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Densidad Promedio:

Se obtiene promediando las densidades obtenidas a partir de la tabla de densidad del agua (Anexo 2) y su valor correspondiente se asocia a una cierta temperatura.

Flujo Caliente:

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Flujo Frio:

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Implementación Primera ley de la Termodinámica:

En este caso, se establece que solo el 90% del calor cedido es absorbido

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Es necesario utilizar la siguiente igualdad, según el flujo correspondiente

Flujo Paralelo:

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Flujo Contracorriente:

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3.2. Descripción física de los equipos y método experimental

• El banco de prueba WL 300 permite demostrar los principios básicos de intercambio de calor en el flujo de la tubería y de comprobar a través de la medición.
• El equipo cuenta con su propio suministro de agua caliente. Un tanque con bomba centrífuga y calefacción eléctrica se encuentra detrás de la pared de instrumentos. La temperatura del agua caliente se establece con un termostato.
• El agua fría se toma de la red de líneas y drena después de su uso. Es posible tener cualquiera de las operaciones ya sea contra-corriente o flujo unidireccional. La dirección del flujo se invierte por medio de válvulas en el flujo de agua fría.
• Las temperaturas de entrada / salida del intercambiador de calor se pueden medir en cada circuito de agua por medio de termómetros.
• También hay dos termómetros en el centro del intercambiador de calor para proporcionar información sobre el perfil temperatura a lo largo del equipo.
• Los caudales agua caliente/agua fría se miden con dos medidores de flujo de área variable.
• Los tubos son de cobre y completamente aislados.
• La bomba y el calentamiento de los tanques se controlan desde el panel de instrumentos. El termostato para ajustar la temperatura del agua caliente se encuentra en el depósito de agua.

Componentes del Intercambiador de calor

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1. Banco de rodillos con pared.

2. Intercambiador de calor tubular.

3. Tanque de agua caliente con bomba, calefacción eléctrica y termostato.

4. Medidor de caudal 1 para el agua caliente.

5. Medidor de caudal 2 para el agua fría.

6. Válvula 1 para regular el flujo de agua caliente.

7. Válvula 2 para regular el flujo de agua fría.

8. Válvula 3 de entrada de agua fría, de flujo unidireccional.

9. Válvula 4 de entrada de agua fría, contra-corriente.

10. Válvula 5 de salida de agua fría, unidireccional.

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