3.-Intercambiadores-2007

INTRODUCCION

INTRODUCCION

Con el paso del tiempo y el desarrollo de la ingeniera, se han desarrollado al mismo tiempo las tecnologas en la utilizacin de los diversos tipos de intercambiadores de calor, para sus diversos tipos de uso industrial, plantas de potencia, plantas de procesamiento, calefaccin, acondicionamiento de aire, etc.

Los tipos ms comunes, intercambiadores de coraza y tubos (radiadores de vehculos), la transferencia de calor se realiza esencialmente por conduccin y conveccin desde un fluido caliente a otro fro que este separado por una pared, en lo habitual metlica. Para otros usos calderas y condensadores es fundamental la transferencia de calor por ebullicin y condensacin as como en las torres de enfriamiento, el fluido caliente se enfra mezclndola directamente con un fluido fro (agua y aire).

En otras aplicaciones como la de los radiadores el calor sobrante es transportada por el lquido refrigerante y transferida por conveccin y conduccin a las superficies de las aletas y de all por radiacin trmica al espacio vaco

En resumen el diseo trmico de los intercambiadores en un rea en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor vista en informes anteriores, centra su problemtica en el anlisis de la transferencia de calor y anlisis trmico junto con los costos, el peso, el tamao de las consideraciones econmicas de su fabricacin.

Este informe tratara esencialmente el anlisis trmico dando a conocer las experiencias realizadas en laboratorio para un intercambiador de calor de tubos concntricos para flujo paralelo y flujo en contracorriente o cruzado, la variacin de temperatura del agua y la variacin del flujo.

Se analizaran los resultados obtenidos y conforme a ello se resumirn conclusiones apropiadas para este tipo de intercambiadores.

RESUMEN TEORICOUn intercambiador de calor es cualquier dispositivo en el cual se produce la transferencia trmica desde un fluido hacia otro, la mayora de los intercambiadores de calor se pueden clasificar sobre la base de la configuracin de la trayectorias del fluido a travs del intercambiador y sus aplicaciones.

La clasificacin de los intercambiadores de calor de acuerdo a estas dos consideraciones puede resumirse de acuerdo a la forma en que se transfiere el calor desde un fluido a otro y su clasificacin sera:

a.- De superficie.

b.- Regeneradores.

c.- De contacto.

Los intercambiadores de calor de superficie se clasifican de acuerdo a la disposicin de los flujos, es decir los tipos:

1. de flujos Paralelos: Los dos flujos tienen el mismo sentido.

2. de flujos contracorriente: los flujos van en sentido opuesto.

3. de flujos cruzados: Los flujos son perpendiculares.

4. de pasos mltiples, paralelo.

5. de pasos mltiples cruzados paralelos.

6. de pasos mltiples cruzados contracorriente.

La distribucin de las temperaturas de los flujos a lo largo del intercambiador de calor depende del tipo de intercambiador de los flujos de masa, de los calores especficos, de si uno de ellos cambia o no de fase.

Las ecuaciones para calcular las caractersticas de rendimiento (potencia emitida, potencia absorbida, potencia perdida, rendimiento, diferencia media logartmica de temperatura, coeficiente global de transferencia de calor) para arreglo con flujo paralelo, con flujo cruzado, con variacin de temperatura de agua y variacin de flujo son:

Potencia emitida en caliente = m ( Cp (Tin - Tout)

Potencia Absorbidaen frio = m ( Cp (Tout - Tin)

Potencia perdida = Potencia emitida - Potencia absorbida

Eficiencia

( =

Diferencia media logartmica de temperatura.

(TMLTD =

Coeficiente global de transferencia de calor

U=

Notas : Los valores (, Cp, deben ser evaluados a una temperatura media.

(TF) = EMBED Equation.2

El rea total de transmisin, se encuentra dato del equipo, marcada en una placa frontal del equipo.

EQUIPOInstrumentacin: Unidad de transferencia de calor HT4.

Implementacin: - Medidores de flujo.

- Termmetros.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se tiene agua en el depsito del equipo a una temperatura de 70c y el agua fra proviene de la red de agua potable.

Se accionan las llaves de la red, permitiendo el flujo de ambas en sentidos iguales, siendo estos caudales los pertinentes para cada experiencia.

Se esperan 5 minutos para la estabilizacin del sistema.

Se toman los datos correspondientes, como thi ,thm,tho ,tci,tcm,tco.

Se accionan las llaves del sistema para lograr el flujo de ambos en sentido contrario, manteniendo el caudal de ambos.


Se toman los datos correspondientes anteriormente mencionados.

Se mantiene el sentido del flujo, pero se varia el caudal modificando los caudales.


Se toman los datos correspondientes.

Se mantiene el sentido de ambos flujos, pero se sube el caudal del agua caliente.


Se toman los datos correspondientes. Para DESARROLLO DE CLCULOS

1.- Para Flujo Contra Corriente.Tabla de valores:

QhQcTehTmhTshTecTmcTsc

3000300060,6051,5049,0023,7027,4031,70

Tf h. = 54.80C

Tf c = 27.80C

Las propiedades fsicas del fluido obtenidas de las tablas evaluadas a las temperaturas medias de los fluidos caliente y fro.

Temperat C(

cp

K V 10-6

Pr( 10-6

Tf h 54.8 98441830,6480,4943,19491

Tf c 27.899741780,6130,8575,83855

- Calculo de flujo msico.

Agua caliente:

W = 3000 = 5*10-5

Mh = 984*5*10-5 = 4.92*10-2

Agua fra:

W =3000 = 5*10-5 []

Mc = 997*5*10-5 = 4.985*10-2 - Clculo de temperatura media logartmica.

60.6 31.7 = 28.9 49 23.7 = 25.3

EMBED Equation.227.06

- Balance energtico (Q) :QCed = Mh *Cph* QAbs= Mc *Cpc*

Qced = 2387.32 [Watt]Qabs = 1666.18 [Watt]

Eficiencia :( :

Calculo coeficiente global:Q = ( * A * ( *m

( =

Tabla N1 Resultados

Potencia emit.

[Watt]Potencia absor.

[Watt]Potencia perd.

[Watt]Eficiencia

%(tm

CU

[W/m2C]

2387.32 1666.18721.1469.9627.061313.61

2. Flujo Paralelo.Tabla de valores:

QhQcTehTmhTshTecTmcTsc

3000300060,7051,3049,4023,7028,1031,20

Tf h = 58 0C

Tf c = 270C

Las propiedades fsicas del fluido obtenidas de las tablas evaluadas a las temperaturas medias de los fluidos caliente y fro.

Temperat C(

cp

K V 10-6

Pr( 10-6

Tf h 58 984.2541840,6500,4963,15489

Tf c 2799741790,6130,8575,83855

- Calculo de flujo msico.

Agua caliente:

W = 3000 = 5*10-5

Mh = 984,24*5*10-5 = 4.92*10-2

Agua fra:

W =3000 = 5*10-5

Mc = 997*5*10-5 = 4.985*10-2 - Clculo de temperatura media logartmica.

60.7- 23.7= 37 49.4 31.2 = 18.2

EMBED Equation.226.49 - Balance energtico (Q) : QCed =Mh *Cph* QAbs=Mc*Cpc*

Qced = 2326.13 [Watt]Qabs = 1562.4 [Watt]

Eficiencia:

( :

- Calculo coeficiente global:Q = ( * A * ( *m

Siendo A=0.067m2( =

Resultados

Potencia emit.

[Watt]Potencia absor.

[Watt]Potencia perd.

[Watt]Eficiencia

%(tm

CU

[W/m2C]

2326.13 1553.6 772.5367,1726.491310.56

Determinacin de los coeficientes de transferencia de calor obtenidos de manera tericaFlujo Paralelo:

Tmh= 55.05 CTmc=27.45 C

Cph= 4183

Cpc= 4179

h= 985.22

c= 991

Mh = 4.93*10-2

Mc = 4.98*10-2

(h= 528*10-6

(c= 855*10-6

k= 648.2*10-3

1. Red= = = 4944El flujo es laminar

Suponemos un flujo de calor uniforme.

Nud== 4.36

hi=

hi = 178 coeficiente de t.c. por conveccin interna.Se sabe que Dh en el anillo exterior es : Dh= Do-Di=20-15=0.7(mm)

2. Red= = = 3396

El anular es de tipo laminar

Nud== 4.36

ho=

ho = 565.23 coeficiente de t.c. por conveccin interna3. Por lo tanto el coeficiente global de transferencia de calor es:

U==135.4

Flujo Cruzado:

Th= 54.8CTc=27.45 C

Cph= 4183

Cpc= 4179

h= 985.22

c= 997

Mh = 4.93*10-2

Mc = 4.93*10-2

(h= 504*10-6

(c= 855*10-6

k= 613*10-3

1.- Red= = = 4776.44

El flujo es laminar

Suponemos un flujo de calor uniforme.

Nud== 4.36

hi=

hi = 178.18 coeficiente de t.c. por conveccin interna.

2.- Red= = = 3558.43

El flujo anular es de tipo laminar

Nud== 4.36

ho=

ho = 565.23 coeficiente de t.c. por conveccin interna3.- Por lo tanto el coeficiente global de transferencia de calor es:

U==135.4

Intercambiador con variacin de flujo.

Flujo ContracorrienteTabla de valores.QhQcTehTmhTshTecTmcTsc

12000150061,1852,1949,6924,8629,5835,15

22000200061,5050,4047,2024,1026,7030,50

32000250061,5851,0048,0224,2527,3231,38

42000300061,5050,4047,2024,0026,8030,40

Tabla de densidad y calor especifico para cada temperatura.Tipo de flujoTemperaturaDensidadCalor especifico

Ckg/m3J/kg*K

Caliente61,18982,324185

Fro24,869974179

Caliente61,5982,634185

Fro24,1996,534178,95

Caliente61,58982,744179

Fro31,28995,024178

Caliente61,5982,634179

Fro24996,524178,94

Diferencia media logartmica para flujo paralelo

.

Donde:

T1 = The-Tce

T2= Ths-TcsPara 1

T1=26.03C

T2=24.83C

Siendo Tm =31.15CPara 2

T1=31.0 C

T2=23.10C

Siendo Tm =26.86CPara 3T1=37.33C

T2=16.64C


T2=23.20C

Siendo Tm =27.00C

Resumen de resultados para flujo contracorriente.QcFlujo masQ cedQabseficiencia TU

15000,0251586,831056,040,6731,15760,32

20000,0331972,07877,290,4426,861095,83

25000,0411872,701220,070,6526,611050,39

30000,0491972,051314,050,67271090,13

Flujo Paralelo Tabla de valores.QhQcTehTmhTshTecTmcTsc

12000150061,2451,8450,2325,0730,9734,69

22000200060,8351,1749,1325,1530,2133,10

32000250060,6750,6748,3225,8829,8832,40

42000300060,7050,3247,8526,8030,2332,39

Tabla de densidad y calor especifico para cada temperatura.Tipo de flujoTemperaturaDensidadCalor especifico

Ckg/m3J/kg*K

Caliente61,24982,144185

Fro25,079974179

Caliente60,83981,984184

Fro25,15996,984179

Caliente60,679824184

Fro25,88997,024179

Caliente60,79824185

Fro25,8997,014178,94

Diferencia media logartmica para flujo paralelo

.

Donde:

T1 = The-Tce

T2= Ths-Tcs

Para 1

T1=36.17C

T2=15.54C

Siendo Tm =24.42CPara 2

T1=35.58C

T2=16.03C


T2=15.92C


T2=15.46C

Siendo Tm =23.49C

Resultados flujo paralelo:

QcFlujo masQ cedQabseficienciaTU

15000,0251520,54987,100,6531,15728,56

20000,0331613,511088,780,6726,86896,58

25000,0411705,191114,860,6526,61956,43

30000,0491772,101148,170,6527979,60

Calculo por mtodo NUTFlujo Paralelo

Siendo Tmh= 55.05 CTmc=27.45 C

Cph= 4183

Cpc= 4179

h= 985.22

c= 991

Mh = 4.93*10-2

Mc = 4.98*10-2

Cc= Mc*CpcCh= Mh*Cph

Cc=(4.98*10-2)*(4183)Cc=(4.93*10-2)*(4183)

Cc=208.32

Cc=206.22

Cmin= 206.22

= ==0.30= 30 %Por figura 11.14 para de un intercambiador de calor de flujo paralelo:

Nut=0.05

Nut = U=

U=106.11

Flujo Cruzado

Siendo

Tmh= 54.8 CTmc=27.7 C

Cph= 4183

Cpc= 4179

h= 985.22

c= 991

Mh = 4.93*10-2

Mc = 4.98*10-2

Cc=208.32

Cc=206.22

Cmin= 206.22

= ==0.314

= 31.4 %

Por figura 11.15 para de un intercambiador de calor de flujo paralelo:

Nut=0.049

Nut = U=

U=104.17

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

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3.-Intercambiadores-2007