INTERCAMBIADOR DE CALOR CON RESISTENCIA ELECTRICA

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INTERCAMBIADOR DE CALOR CON RESISTENCIA ELECTRICA

Preinforme N° 1 (2018)

M. Achicanoy, M. Burbano, D. López, B. Ortiz y D. Suarez

Facultad de Ingeniería

Universidad Mariana

Resumen— Este preinforme da una breve descripción del prototipo de un intercambiador de calor, dicho dispositivo está basado en el principio del calentador eléctrico de resistencia, además, cumplirá una serie de requisitos previamente establecidos por el docente y contará con algunas mejoras que se implementaran para la automatización de éste. El intercambiador tendrá la capacidad de seleccionar  diferentes niveles de temperatura de salida que se podrán controlar de manera manual o automática gracias a la  implementación de un sistema de  control y monitoreo de temperatura creado con un microcontrolador de la familia Arduino, en cuanto al sistema de control también se dispondrá de válvulas, termocuplas, etapa de potencia, actuadores entre otros componentes electronicos, con los datos recolectados se tendrá la posibilidad de monitorearlos en tiempo real y así controlar el flujo de agua necesario para mantener la temperatura en un rango estable. Además, este trabajo expondrá el diseño del dispositivo en el software SOLIDWORKS, así como su funcionamiento de manera más detallada.

Palabras Claves— Intercambiador de calor, transferencia de calor, control por electroválvula, termocupla, flujo.

Abstract— This pre-report of a brief description of the prototype of a heat exchanger "heater", said device is based on the principle of the electric heater of resistance, in addition, it will meet a series of requirements previously established by the teacher and will have some improvements that will be implemented. for the automation of this, the exchanger will have the ability to select the different output temperature levels that can be controlled in a manual or automatic way thanks to the implementation of a temperature control and monitoring system created with a family microcontroller Arduino, in terms of the control system can also choose valves, thermocouples, power stages, actuators and other control devices, with the data collected will have the ability to monitor them in real time and thus control the flow of water needed to maintain the temperature in a stable range. In addition, this work will expose the design of the device in the SOLIDWORKS software, as well as its operation in a more detailed way, the mathematical modeling will be carried out in subsequent editions of the report.

Keywords— Heat exchanger, heat transfer, control by electrovalve, thermocouple, flow.

L

1. JUSTIFICACION

os intercambiadores de calor son dispositivos que facilitan el traspaso de energía entre dos cuerpos, por lo general líquidos que se encuentran a diferentes temperaturas, donde su objetivo principal es que se obtenga una regulación de la temperatura del cuerpo o cuerpos que estén presentes, estos dispositivos pueden ser utilizados como calentadores o enfriadores dependiendo si se tiene una temperatura mayor o menor respectivamente según la temperatura de entrada.

Debido a que este tipo de sistemas es bastante utilizado en la industria, se plantea el prototipo del calentador eléctrico donde se consideraron los diferentes mecanismos de transferencia de calor, y el aporte más significativo que se va a realizar es la automatización de un sistema de calefacción.

 La primera fase de aprendizaje y motivo del proyecto se logra con la automatización y el uso individual y combinado de los accionamientos mecánicos, eléctricos y electromecánicos.

La segunda fase se enfoca en la programación de los accionamientos y mediante la implementación de una lógica en un tiempo determinado y con precisión, para a esto usaremos algunos una tarjeta de procesamiento como lo es Arduino y que genera mayor precisión y confiabilidad del sistema.

Como tercera fase para dar solución a las desventajas de los sistemas tradicionales de calefacción, se va a diseñar un sistema de control que permita controlar y monitorear el funcionamiento y este pueda ajustarse de manera autónoma para cumplir las temperaturas que necesite el usuario al sistema de calefacción.

Como fase final obtiene un prototipo de calefacción que sea optimo y gracias su diseño tanto mecánico, electrónico y matemático, logre los resultados finales esperados.

El objetivo principal de este trabajo es entonces, la aplicación de los conceptos aprendidos en clase para el diseño, construcción y modelado matemático de un intercambiador de calor basado en un calefactor eléctrico.

1. MARCO DE REFERENCIA

Debido a que es bastante utilizado en la industria se plantea el prototipo del calentador eléctrico donde se consideraron los diferentes mecanismos de transferencia de calor, entre los más utilizados están:

1. Conducción

El fenómeno de transferencia de calor por conducción constituye un proceso de propagación de energía en un medio sólido, líquido o gaseoso mediante la comunicación molecular. La transferencia de energía se da en las partículas más energéticas a las menos energéticas de una sustancia, debido a sus interacciones o al movimiento entre las mismas. La Fig. 1. muestra la transferencia de calor Q´, sobre una pared de espesor ∆x, y el comportamiento de la temperatura.

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Fig. 1. Conducción de calor a través de una pared plana de espesor. Fuente: aprendiendoingenieriaquimica.

1. Convección:

El fenómeno de transferencia de calor por convección es  un  proceso  de  transporte  de energía que se lleva a cabo como consecuencia del movimiento de un fluido (líquido o gas) en  contacto sobre una  superficie.

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Fig. 2. Convección de calor. Fuente: Nergiza.

1. Radiación

Se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas.

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