CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL DE UNA SUPERFICIE EXTENDIDA PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR ENFRIADOS

POR AIRE RESUMEN.

El Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (Labinthap) de la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación de ESIME Zacatenco en el marco del desarrollo de la investigación en ahorro de energía, se realizará el diseño, estudio y caracterización de una superficie extendida de intercambio de calor de tubos con aletas inclinadas a 45 grados con respecto a su eje axial.

Los datos experimentales que se obtengan como las diferencias de temperaturas tanto en la entrada como en la salida de la superficie extendida de intercambio de calor, flujo másico y caída de presión, para cada fluido (agua y aire), servirá para determinar las correlaciones necesarias para el cálculo de este tipo de superficies extendidas. A partir de este estudio se propondrá su aplicación para equipos industriales de transferencia de calor enfriados por aire, en los lugares donde exista escasez de agua para el enfriamiento de los fluidos en operación, lo que redundará en la preservación del vital líquido y, en un incremento sustancial del ahorro de energía, repercutiendo esto en un ahorro económico.

Para realizar este estudio es necesario modificar el túnel de viento que se

tiene en el laboratorio en su zona de pruebas, para la adaptación y caracterización experimental de la superficie de intercambio de calor, donde es posible variar la carga térmica de ambos fluidos (agua y aire), y variar la separación de las filas de tubos aletados del arreglo experimental.

1

1 INTRODUCCIÓN.

En las industrias en general, como centrales eléctricas o nucleares y sobre todo la industria química, requieren de instalaciones que enfríen grandes cantidades de agua o diversos fluidos. Los intercambiadores de calor enfriados por aire es la solución más fácil y económica. Estos equipos tienen diversas formas y tamaños, y dependiendo de su aplicación es como son constituidos. 1.1 Intercambiadores de calor enfriados por aire.

El intercambiador de calor enfriado por aire es un dispositivo en el cual los fluidos de procesos calientes, usualmente líquidos, fluyen en el interior de los tubos de superficie extendida y el aire atmosférico es circulado fuera de los tubos inducido o forzado por un dispositivo que regula el flujo sobre la superficie extendida. En vista de que el aire como la mayoría de los gases son fluidos compresibles, estos por lo general tienen una baja caída de presión en su circulación a través del equipo industrial. La caída de presión permisible de los intercambiadores de calor en servicio es medida en centímetros o pulgadas de agua y el aire puede ser circulado por algunas filas de tubos aletados con grandes superficies de aletas transversales y al mismo tiempo requerir una muy baja caída de presión. En la mayoría de las aplicaciones, la caída de presión permisible del aire es alrededor de 1.25 cm. (0.5 pulg.) de agua. Uno de los problemas del aire es que tienen una baja conductividad térmica y una baja caída de presión, lo cual da un bajo coeficiente externo de transferencia de calor por convección.

Los intercambiadores de calor enfriados por aire están constituidos por un

conjunto de partes que pueden agruparse en: Partes mecánicas. Son aquellos componentes que forman parte del equipo

y que están en contacto directo con los fluidos del proceso y sus características están afectadas por las condiciones del proceso y las limitaciones del diseño. Se mencionan a continuación por orden de importancia:

A) Cabezales de distribución y de retorno. B) Ventiladores. C) Boquillas de alimentación y de descarga. D) Cajas de distribución de aire.

Partes estructurales. Son aquellos componentes cuyo fin es el de soportar

a las partes constituyentes del intercambiador de calor enfriado por aire y de proporcionar acceso adecuado al equipo. Estos elementos estructurales son:

A) Columnas. B) Vigas. C) Contraventeo. D) Soportes del motor y ventilador. E) Escaleras de acceso.

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Superficies de intercambio de calor. La superficie de transferencia de calor en los intercambiadores de calor enfriados por aire, están compuestos por:

A) Tubos de transferencia de calor. B) Aletas.

Equipos para suministro de aire. Son aquellos componentes cuya función es transmitir movimiento al aire, para dirigirlo a través del conjunto de tubos de transferencia de calor. Estos equipos pueden ser:

A) Reductores de velocidad. B) Motores eléctricos. C) Ventiladores.

Aditamentos especiales de protección y control. Incluyen una serie de componentes cuya función es proporcionar protección sobre los efectos climáticos y ambientales así como facilitar el control de las condiciones de operación y flujo de aire, estos son:

A) Persianas. B) Anillos de protección del ventilador. C) Mallas protectoras del ventilador.

El lado de los marcos y el soporte de los tubos pueden ser de inmersión caliente galvanizada; el análisis de esfuerzos es establecido de acuerdo con las especificaciones AD, ASME u otras normas reconocidas. Estos componentes pueden ser combinados en varias formas que permitan adaptar al intercambiador de calor a los requisitos de la planta industrial.

Los intercambiadores de calor enfriados por aire consisten de una o más filas de tubos a través de las cuales se hace circular aire por un ventilador mecánico. 1.2 Principio de funcionamiento. Los intercambiadores de calor, como su nombre lo dice, son equipos que sirven para disipar el calor de un fluido y transferirlo a otro. Según su funcionamiento, arreglo de tubos, y entrada y salida del aire, se clasifican en:

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1.2.1 Intercambiador de calor enfriado por aire de tiro inducido.

Se llama de tiro inducido por la colocación del ventilador sobre el haz de tubos de transferencia de calor, el cual induce al aire a través de él. Como se muestra en la figura 1.

REDUCTORDE

VELOCIDADMOTOR

REDUCTORDE

VELOCIDADMOTOR

ENTRADA

DEL FLUIDO

CALIENTE

CALIENTE

DEL FLUIDO

SALIDA

VENTILADOR VENTILADOR

AIRE AIRE

SOPORTEAIRE AIRE

TUBOS ALETADOS

Figura 1. Intercambiador de calor enfriado por aire de tiro inducido. 1.2.2 Intercambiador de calor enfriado por aire de tiro forzado.

Se llama de tiro forzado por la colocación del ventilador abajo del haz de tubos de transferencia de calor, para forzar a pasar el aire a través del haz. Como se muestra en la figura 2.

TUBOS ALETADOS

AIREAIRESOPORTE

AIREAIRE

VENTILADORVENTILADOR

SALIDADEL FLUIDOCALIENTE

CALIENTEDEL FLUIDO

ENTRADA

MOTORVELOCIDAD

DEREDUCTOR

MOTORVELOCIDAD

DEREDUCTOR

Figura 2. Intercambiador de calor enfriado de tiro forzado.

4

La cámara de aire, que se muestra en las figuras 1 y 2, es el espacio que existe entre el ventilador y el haz de tubos, tiene como función distribuir el aire en forma uniforme a través del haz de tubos. Se tienen dos tipos de cámaras de aire: tipo caja y de transición. Se prefiere el uso del tipo caja para los intercambiadores de calor enfriados por aire de tipo forzado y tipo transición para los enfriadores de tipo inducido. Las cámaras de aire de tipo caja, se deben diseñar para formar parte integral de la estructura soporte del equipo. En los dos tipos de cámaras de aire, se debe tener un acabado tipo campana en el anillo del ventilador. Cada ventilador debe tener su cámara de aire independiente, para evitar la recirculación del aire cuando trabaje un solo ventilador. 1.3 Tipos de construcción de los intercambiadores de calor enfriados por aire.

Estos dependen del arreglo de los tubos aletados y de la aplicación que se les de. Entre ellos se distinguen los siguientes:

1.3.1 Horizontales.

Es una construcción estándar para todos los tipos de aplicaciones, el cual se muestra en las figuras 3 y 4.

Figura 3. Intercambiador de calor enfriado por aire horizontal.

5

Figura 4. Intercambiador de calor enfriado por aire horizontal preensamblado.

1.3.2 Tipo techo.

Este tipo de arreglo ahorra espacio y es frecuentemente usado para la condensación en planta debido a la buena descarga de condensación. Su mayor utilización se encuentra en la industria generadora de electricidad. Se muestra en las figuras 5 y 6.

Figura 5. Planta de condensación para el vapor que sale de una turbina.

6

Figura 6. Intercambiador de calor enfriado por aire tipo techo.

1.3.3 Rectangular.

Ahorra espacio, son usados preferiblemente para enfriar circuitos cerrados compactos en plantas, los cuales se muestran en la figura 7 y 8

Figura 7. Intercambiador de calor enfriado por aire rectangular.

7

Figura 8. Intercambiador de calor enfriado por aire rectangular para enfriar agua. 1.3.4 Vertical.

Estos intercambiadores de calor se encuentran particularmente en plantas pequeñas. Se muestra en la figura 9.

Figura 9. Intercambiador de calor enfriado por aire vertical.

8

1.3.5 Construcción en V.

Estos intercambiadores de calor algunas veces se ocupan en condensadores. Se muestra en las figuras 10 y 11.

Figura 10. Intercambiador de calor enfriado por aire en V.

Figura 11. Intercambiador de calor enfriado por aire construido en V.

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2 MÉTODOS Y MATERIALES. El banco de prueba mostrado en la figura 12 se encuentra instalado en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) del Instituto Politécnico Nacional. La principal característica de dicho banco es referida a la prueba de intercambiadores de calor compactos. Con esta instalación se pueden medir: temperatura del aire y del agua a la entrada y salida del intercambiador, medición de flujo de aire que pasa a través de los tubos del intercambiador, así como el flujo del agua que pasa por dentro de los tubos. Con esto, dicho banco cumple con los requisitos para el desarrollo del experimento.

Para el desarrollo de la caracterización del intercambiador se debe desarrollar un montaje especial en el cual se pueda colocar el arreglo de tubos aletados. Este montaje también nos servirá para controlar los parámetros a medir.

Figura 12. Banco de prueba para intercambiadores de calor, en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) del Instituto Politécnico Nacional.

2.1 Montaje experimental. El montaje experimental se compone básicamente de 2 partes: una por el túnel de viento y la segunda constituida por la llamada zona de prueba, donde se monta el intercambiador de tubos aletados. 2.1.1 Túnel de viento. El túnel de viento es de lámina calibre 18 con una campana elipsoidal y de sección rectangular de 0.4 X 0.2 m y 3.40 m de longitud como se muestra en la figura 13. Con estas dimensiones se puede estabilizar el flujo de aire. Posteriormente se coloca el intercambiador de calor en la zona de pruebas. El diseño y la construcción del túnel se realizo conforme a normas establecidas.

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Figura 13. Dimensiones del túnel que se rectificara el flujo en la zona de pruebas.

2.1.2 Zona de pruebas. La zona de pruebas es el lugar donde se monta el arreglo de tubos aletados y los cabezales de entrada y salida, para llevar a cabo el experimento. Los cabezales están unidos al banco de tubos por medio de mangueras resistentes a altas temperaturas. Además la carcasa está hecha de acrílico transparente, con el fin de poder visualizar, tanto los tubos aletados como los instrumentos insertados. En la figura 14 se muestra la zona de pruebas con el intercambiador de calor (cabezales, mangueras, tubos, etc.).

Figura 14. Zona de pruebas.

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2.2 Descripción del tubo con aletas inclinadas a 45º.

El tubo aletado esta hecho de una barra de aluminio torneada que tiene aletas transversales, inclinadas a 45º con respecto al eje axial Como se muestra en la figura 15. Sus principales características son las siguientes: Número de aletas: 30. Diámetro de la aleta: 38 mm. Diámetro del tubo: 9.7 mm. Altura de la aleta: 8 mm. Espesor de la aleta: 1.5 mm. Distancia entre aletas: 7 mm. Longitud del tubo aletado: 220 mm.

46m

m

1mm

290mm

8mm

13.8mm

15m

m12

.5m

m

45°

Figura 15. Tubo aletado con aletas a 45º. 2.3 Arreglo de los tubos.

Con las características tanto del túnel como de los tubos, a continuación se presentan los cálculos realizados para distribuir los tubos en la zona de pruebas para el arreglo en triángulo.

Para calcular el paso trasversal es necesario conocer primero el espacio que ocupan los tubos en la sección transversal, se multiplica el número de tubos por el diámetro de la aleta , como se muestra a continuación:

TE

1N alD

( ) ( ) m195.0039.05DNE al1T ===

12

Ya obtenido el espacio que ocupan los tubos, a continuación se obtiene el espacio libre de la sección transversal que es por donde pasará el aire, esta sección se obtiene restando la longitud de la sección transversal al espacio que ocupan los tubos.

LE

ZL

205.0195.04.0ELE TZL =−=−= m

Por lo tanto para obtener el paso transversal dividimos el espacio libre entre el número de tubos y a esto le sumamos el diámetro de la aleta

80395

205D5

LS alZ

1 =+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=+⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛= mm

El paso longitudinal del arreglo en triángulo se calcula mediante la siguiente formula:

12 S23S =

( ) mm28.69mm8023S2 ==∴

En la figura 16A se muestra un dibujo de la vista superior con sus

dimensiones de la zona de pruebas para el arreglo en triángulo, donde se presentan los datos obtenidos mediante los cálculos anteriores. En la figura 16B se muestra una foto del mismo arreglo del intercambiador de calor dentro de la zona de pruebas.

U 8

Acotacion: m

A)

Dibujo de la vista superior del arreglo en triángulo equilátero.

B) Foto superior del arreglo en triángulo equilátero.

Figura 16. Vista superior de la zona de pruebas para el arreglo en triángulo equilátero.

13

Como se observa en la figuras 16A y 16B, en la segunda fila, que corresponde al segundo paso del intercambiador de calor, se encuentra un medio tubo en las paredes laterales de la zona de pruebas. Este medio tubo es de acrílico y tiene la función de simular un quinto tubo, de tal manera que el aire que circula cerca de la pared interactúe con los tubos de la segunda fila y no fluya libremente. Esto se hace para no modificar la dinámica del flujo en los límites del arreglo de tubos. 2.4 Cabezales de entrada y salida.

Como las pruebas se realizan para los dos de tipos arreglos antes

mencionados, se debe tener una distribución uniforme dentro de los tubos aletados y para esto es necesario calcular los cabezales de entrada, retorno y salida. Los cálculos de los cabezales para obtener estas condiciones se presentan a continuación. Para tener una distribución uniforme de flujo dentro de los tubos es necesario que el área interna del cabezal sea mayor que la sumatoria de las áreas internas de los tubos aletados

cabA

totintA −

totintcab AA −>

( ) 232

22int

totint m1059.1mm43.15904159

4d9A −

− ×==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅π=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅π=

Con este resultado se tomo la decisión de hacer los cabezales con un tubo de 3 pulgadas de diámetro cedula 40 el cual como se muestra a continuación cumple con lo mencionado anteriormente.

232

2

2cab

cab m1056.4mm3.45604

lgpu1mm4.25lgpu3

4D

A −×==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛π

=⋅π

=

23

totint23

cab m1059.1Am1056.4A −−

− ×=>×=∴

A los tubos de 3 pulgadas de diámetro se les hicieron roscas en sus extremos y se les colocaron tapas, después se les hicieron las cuerdas para colocar los conectores para la entrada y salida del fluido. También se les colocó un tapón de venteo en la parte superior del cabezal de entrada y en el de salida para vaciar el aire y que estén completamente llenos de agua durante su operación. Los esquemas de los cabezales se muestran en las figuras 17 y 18.

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TAPON DE VENTEO

CONECTORES DE SALIDA DEL AGUA

CONECTOR DE ENTRADA DEL AGUA

Figura 17. Cabezal de entrada.

TAPON DE VENTEO

CONECTORES DE ENTRADA DEL AGUA

CONECTOR DE SALIDA DEL AGUA

Figura 18. Cabezal de salida.

Para el cabezal de retorno se hicieron las cuerdas de los conectores para el arreglo en triángulo equilátero y a se hicieron otras para el arreglo en cuadro girado, como se muestra en la figura 19.

°90

Figura 19. Cabezal de retorno. Debido al tamaño de los cabezales es necesario aislarlos para que las pérdidas de calor hacia el medio ambiente sean mínimas y así el calor que pierde el fluido que circula por dentro de los tubos sea lo que gane el aire. Para esto es necesario forrar los cabezales con un aislante térmico como la lana mineral y a continuación se presentan los cálculos para obtener el espesor requerido.

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Datos:

m088.0Dcab =

C80tp °=

C25ta °=

C5.522

25802

ttt ap

m °=+

=+

=

Propiedades del aire a C5.52 °

KmW0279.0k⋅

=

sm1082.1

25 −×=ν

7089.0Pr =

1

m

K00307.05.325

1T1 −===β

Primero se calcula el número de Rayleigh a través de la siguiente ecuación:

( )

PrDttg

Ra 2

3cabap

υ

−β⋅=

( )( )( )

( ) ( )7089.0

sm1082.1

m088.0C25C80K00307.0sm81.9

Ra 225

312

−

−

×

°−°⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

=

6104158.2Ra ×=

16

A continuación se calcula el número de Nusselt:

( )

2

278

169

61

Pr559.01

Ra387.06.0Nu

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +

⋅+=

( )( )

672.18

7089.0559.01

104158.2387.06.0Nu

2

278

169

616

=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +

×+=

Después obtenemos el coeficiente de convección de la siguiente forma:

KmW91.5672.18

m088.0Km

W0279.0Nu

Dkh 2cab ⋅

=⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛⋅=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

→⋅

=Km

W046.0k Conductividad térmica de la lana mineral.

mm8m00778.0Km

W91.5Km

W046.0

hkr

2c ≈=

⋅

⋅==

Por lo tanto con los cálculos obtenidos se forran los cabezales con lana mineral con un espesor de 8 mm. como se muestra en la figura 20.

Figura 20. Cabezales forrados con lana mineral.

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3 INSTRUMENTACIÓN. Los instrumentos requeridos para este experimento son: instrumentos para medir la temperatura de agua y aire, para medir la presión del aire y del líquido, y para medir el flujo de agua y de aire. Para la medición del flujo de aire se utilizó el tubo Venturi instalado en el túnel de viento. 3.1 Instrumentos para la medición de la temperatura.

Para la medición de la temperatura se utilizo un termómetro de mercurio en vidrio, para medir la temperatura del medio ambiente, ya que es un parámetro para el cálculo de la densidad del aire.

Para medir la temperatura del flujo de aire que pasa por el intercambiador de calor, se instalaron 2 termopares tipo T para medir la temperatura del aire a la entrada y 2 para medir la temperatura de salida en el intercambiador de calor.

La medición de temperatura del flujo de agua se hizo a través de dos termopares tipo T. En la tubería de alimentación de agua caliente, hacia al intercambiador, se tiene 1 termopar para medir la temperatura de entrada, y otro se instaló en la salida del mismo, esto con la finalidad de obtener una diferencia de temperatura ΔΤ.

Para mostrar los valores de temperatura medidos se utilizo un escáner para termopares. El escáner para termopares de marca Cole Parmer tiene la posibilidad de mostrar 12 lecturas de temperatura. 3.1.1 Medición del flujo de agua. En la medición del flujo de agua se utilizó el rotámetro de la figura 21 y una válvula de esfera para regular el flujo de agua del experimento. El rotámetro tiene una capacidad para medir el flujo de agua de 2 a 20 lpm y cuenta con una válvula para regular el agua. El rotámetro se muestra en la fotografía tomada en la instalación.

Figura 21. Rotámetro utilizado para medir el flujo de agua.

18

3.1.2 Medición del flujo de aire.

La medición del flujo de aire se realizo por medio de un tubo Venturi. El tubo Venturi de 58 mm de diámetro de garganta, y 100 mm de diámetro en la tubería de entrada, como se muestra en la figura 22. El rango de flujo másico que se midió con este instrumento fue desde 0.042 Kg/s a 200 rpm del motoventilador hasta 0.404 Kg/s a 2000 rpm. Estos valores son apreciables en la curva de calibración que se muestra en la figura 23.

Figura 22. Dimensiones del tubo Venturi que en la instalación experimental.

0,042

0,073

0,098

0,153

0,202

0,242

0,323

0,364

0,404

0,283

0

500

1000

1500

2000

0,042 0,073 0,098 0,153 0,202 0,242 0,283 0,323 0,364 0,404

gasto masico kg/s

rpm

Figura 23. Flujo másico medido con el tubo Venturi para cada 200 rpm del motoventilador.

19

3.2 Calibración de instrumentos.

La calibración de los instrumentos es un aspecto importante para poder garantizar el éxito del experimento. La comparación de la medición del flujo de agua con el rotámetro se comprobó, pesando en una báscula el fluido por unidad de tiempo. Obteniendo así el flujo másico del fluido que pasa a través del intercambiador de calor. La calibración de los termopares tipo T se realizó en el laboratorio de termometría de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional, el cual se obtuvo por comparación con un termómetro de resistencia de platino, previamente calibrado. Se compararon las mediciones en 4 puntos en el rango de 0, 25, 50 y 100 ºC. En el primer punto se utilizó hielo en la fase de licuefacción, del que se tomaron las lecturas de los termopares y del termómetro de resistencia de platino, del cual ya conocemos su incertidumbre. En los puntos de 25 y 50 ºC se utilizo un baño que mantuvo la temperatura del agua para tomar las lecturas tanto de los termopares como del termómetro de resistencia de platino. En el punto de 100 ºC se utilizo un baño de aceite, ya que el agua se evapora a menos de 100 ºC. El procedimiento de toma de lecturas es el mismo.

La calibración de los manómetros fue hecha, comparándolos con manómetros patrón de laboratorios certificados para dicho fin.

El tubo Venturi cumple con las características geométricas entre los

diámetros de la garganta y de la tubería.

20

21

4 METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS Y RESULTADOS. Para llevar a cabo las pruebas experimentales al intercambiador de calor con tubos aletados, variando las condiciones de operación, como son: flujo de aire a través de las hileras de tubos, temperatura del agua que fluye dentro de los tubos, gasto másico de aire y agua, etc., se sigue la metodología que a continuación se describe en seis pasos: 1.- Revisar el circuito hidráulico.- Para esto es necesario hacer una corrida del agua a través de los tubos y los cabezales, revisar que no halla fugas, revisar los instrumentos de medición, operar durante 5 minutos para que todo el circuito este lleno de agua; después cerrar la válvula de control en un 20% para tener un caudal reducido; quitar el tapón de los cabezales para revisar que estén completamente llenos, esto con la finalidad de tener una distribución uniforme en todos los tubos con aletas inclinadas. Una vez llenos los cabezales se colocan los tapones de los cabezales, se deja fluir el agua, y se continúa la prueba.

2.- Encender la caldera.- Desde el tablero de control se activan las resistencias de la caldera para suministrar agua caliente al intercambiador de calor. 3.- Encender el ventilador.- Desde el tablero se enciende el ventilador centrífugo y se varía su velocidad con un variador de velocidad de 0 a 2000 rpm. 4.- Medición de velocidad aire.- Una vez que el ventilador se encuentre trabajando a la velocidad que se le indicó, es necesario esperar unos 10 minutos para que el flujo se estabilice. Después de esto, con un tubo Pitot se hace un barrido en el tubo de descarga del ventilador centrífugo para obtener el perfil de velocidad y la velocidad promedio del aire a un diámetro antes del intercambiador de calor. 5.- Medición de la presión.- Las presiones se obtienen con los tubos Pitot colocados antes y después del intercambiador de calor. 6.- Medición de las temperaturas.- Con los termopares colocados a la entrada y salida del intercambiador de calor del lado del agua se leen las temperaturas mediante un transductor electrónico con pantalla digital.

Para el lado del aire las temperaturas se leen con un termopar colocado en el tubo Pitot, conectado a un transductor con pantalla digital. Cuando se realiza el barrido en el tubo de descarga del motoventilador, se obtiene el perfil de temperaturas del aire que entra al intercambiador.

Después de realizar lo anterior a 200 rpm del ventilador, se varían sus revoluciones de 200 en 200 hasta 2000 rpm, repitiendo los pasos 4, 5 y 6.

Las siguientes tablas muestran los resultados experimentales a diferentes

flujos de aire y agua.

RESULTADOS DEL BALANCE TERMICO A 0.063 Kg/s Y 10 l/min TEMP. AGUA ENT. [ ]C°

TEMP. AGUA SAL. [ ]C°

TΔ AGUA [ ]C°

PC AGUA

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−KKg

KJ

m& AGUA

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

sKg

Q AGUA[ ]KW

TEMP. AIRE ENT. [ ]C°

TEMP. AIRE SAL. [ ]C°

TΔ AIRE [ ]C°

k AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW

TA TUBO[ ]2m

Td

TUBO[ ]m

h AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW2

Nu AIRE

82.7 78.6 4.1 4.179 0.166 2.8442 18.6 28.2 9.6 0.02598 0.63 0.0217 467.8390 390.766282.7 80.1 2.6 4.179 0.166 1.8037 18.6 28.3 9.7 0.02598 0.63 0.0217 296.6784 247.803081.9 79.5 2.4 4.179 0.166 1.6649 18.7 28.1 9.4 0.02598 0.63 0.0217 273.8570 228.741281.8 79.2 2.6 4.179 0.166 1.8037 18.8 27.7 8.9 0.02598 0.63 0.0217 296.6784 247.803082.2 79.3 2.9 4.179 0.166 2.0118 19 27.5 8.5 0.02598 0.63 0.0217 330.9105 276.395684.8 81.5 3.3 4.179 0.166 2.2893 19.2 26.6 7.4 0.02598 0.63 0.0217 376.5534 314.519282.9 80.6 2.3 4.179 0.166 1.5955 19.2 25.2 6 0.02598 0.63 0.0217 262.4463 219.210381.5 79.2 2.3 4.179 0.166 1.5955 19.2 24.4 5.2 0.02598 0.63 0.0217 262.4463 219.2103

80 78.4 1.6 4.179 0.166 1.1099 19.3 24 4.7 0.02598 0.63 0.0217 182.5713 152.494180.8 78.3 2.5 4.179 0.166 1.7343 19.6 24 4.4 0.02598 0.63 0.0217 285.2677 238.2721

RESULTADOS DEL BALANCE TERMICO A 0.098 Kg/s Y 10 l/min

TEMP. AGUA ENT. [ ]C°

TEMP. AGUA SAL. [ ]C°

TΔ AGUA [ ]C°

PC AGUA

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−KKg

KJ

m& AGUA

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

sKg

Q AGUA[ ]KW

TEMP. AIRE ENT. [ ]C°

TEMP. AIRE SAL. [ ]C°

TΔ AIRE [ ]C°

k AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW

TA TUBO[ ]2m

Td

TUBO[ ]m

h AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW2

Nu AIRE

78.8 75.5 3.3 4.179 0.166 2.2893 20.1 27.9 7.8 0.02602 0.63 0.0217 474.9987 396.136579.1 75.5 3.6 4.179 0.166 2.4974 20.1 27.6 7.5 0.02602 0.63 0.0217 518.1804 432.148980.2 76 4.2 4.179 0.166 2.9136 20.3 27.1 6.8 0.02602 0.63 0.0217 604.5438 504.173783.3 79.7 3.6 4.179 0.166 2.4974 20.5 27.2 6.7 0.02602 0.63 0.0217 518.1804 432.148982.7 79.4 3.3 4.179 0.166 2.2893 20.5 26.6 6.1 0.02602 0.63 0.0217 474.9987 396.136582 78.8 3.2 4.179 0.166 2.2199 20.6 25.5 4.9 0.02602 0.63 0.0217 460.6048 384.1324

81.9 78.4 3.5 4.179 0.166 2.4280 20.6 24.6 4 0.02602 0.63 0.0217 503.7865 420.144881.9 78.3 3.6 4.179 0.166 2.4974 20.6 24.1 3.5 0.02602 0.63 0.0217 518.1804 432.148982 78.4 3.6 4.179 0.166 2.4974 20.7 24 3.3 0.02602 0.63 0.0217 518.1804 432.1489

82.6 78.6 4 4.179 0.166 2.7749 20.8 24.2 3.4 0.02602 0.63 0.0217 575.7560 480.1655

22

RESULTADOS DEL BALANCE TERMICO A 0.172 Kg/s Y 10 l/min TEMP. AGUA ENT. [ ]C°

TEMP. AGUA SAL. [ ]C°

TΔ AGUA [ ]C°

PC AGUA

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−KKg

KJ

m& AGUA

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

sKg

Q AGUA[ ]KW

TEMP. AIRE ENT. [ ]C°

TEMP. AIRE SAL. [ ]C°

TΔ AIRE [ ]C°

k AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW

TA TUBO[ ]2m

Td

TUBO[ ]m

h AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW2

Nu AIRE

81.6 76 5.6 4.179 0.166 3.8848 21.1 27.9 6.8 0.02606 0.63 0.0217 920.3502 766.369982.5 78.4 4.1 4.179 0.166 2.8442 21.1 27.7 6.6 0.02606 0.63 0.0217 673.8279 561.092380.2 75.2 5 4.179 0.166 3.4686 21.1 26.7 5.6 0.02606 0.63 0.0217 821.7413 684.258982.9 77.9 5 4.179 0.166 3.4686 21.1 26.6 5.5 0.02606 0.63 0.0217 821.7413 684.258982.5 78.6 3.9 4.179 0.166 2.7055 21.2 26.1 4.9 0.02606 0.63 0.0217 640.9582 533.721981.8 78 3.8 4.179 0.166 2.6361 21.5 25.5 4 0.02606 0.63 0.0217 624.5234 520.036781.7 77.7 4 4.179 0.166 2.7749 21.5 24.7 3.2 0.02606 0.63 0.0217 657.3930 547.407183.8 79.8 4 4.179 0.166 2.7749 21.6 24.4 2.8 0.02606 0.63 0.0217 657.3930 547.407182.5 78.7 3.8 4.179 0.166 2.6361 21.7 24.2 2.5 0.02606 0.63 0.0217 624.5234 520.036781.7 78 3.7 4.179 0.166 2.5667 21.9 24.4 2.5 0.02606 0.63 0.0217 608.0886 506.3516

RESULTADOS DEL BALANCE TERMICO A 1200rpm, 0.242 Kg/s Y 10 l/min

TEMP. AGUA ENT. [ ]C°

TEMP. AGUA SAL. [ ]C°

TΔ AGUA [ ]C°

PC AGUA

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−KKg

KJ

m& AGUA

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

sKg

Q AGUA[ ]KW

TEMP. AIRE ENT. [ ]C°

TEMP. AIRE SAL. [ ]C°

TΔ AIRE[ ]C°

k AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW

TA TUBO[ ]2m

Td

TUBO[ ]m

h AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW2

Nu AIRE

83.6 78.5 5.1 4.179 0.166 3.5379 22.4 28.8 6.4 0.02614 0.63 0.0217 905.7710 751.921683 78.2 4.8 4.179 0.166 3.3298 22.5 28.5 6 0.02614 0.63 0.0217 852.4903 707.6909

82.2 77.7 4.5 4.179 0.166 3.1217 22.5 27.7 5.2 0.02614 0.63 0.0217 799.2097 663.460281.6 76.9 4.7 4.179 0.166 3.2605 22.5 27 4.5 0.02614 0.63 0.0217 834.7301 692.947381.4 76.8 4.6 4.179 0.166 3.1911 22.5 26.5 4 0.02614 0.63 0.0217 816.9699 678.203881.4 76.7 4.7 4.179 0.166 3.2605 22.5 25.7 3.2 0.02614 0.63 0.0217 834.7301 692.947381.8 76.7 5.1 4.179 0.166 3.5379 22.6 25.1 2.5 0.02614 0.63 0.0217 905.7710 751.921682.2 77.4 4.8 4.179 0.166 3.3298 22.7 24.8 2.1 0.02614 0.63 0.0217 852.4903 707.690981.5 77.1 4.4 4.179 0.166 3.0523 22.8 24.8 2 0.02614 0.63 0.0217 781.4495 648.716781.1 76.7 4.4 4.179 0.166 3.0523 22.8 24.9 2.1 0.02614 0.63 0.0217 781.4495 648.7167

23

24

RESULTADOS DEL BALANCE TERMICO A 1500rpm, 0.303 Kg/s Y 10 l/min TEMP. AGUA ENT. [ ]C°

TEMP. AGUA SAL. [ ]C°

TΔ AGUA [ ]C°

PC AGUA

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−KKg

KJ

m& AGUA

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

sKg

Q AGUA[ ]KW

TEMP. AIRE ENT. [ ]C°

TEMP. AIRE SAL. [ ]C°

TΔ AIRE[ ]C°

k AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW

TA TUBO[ ]2m

Td

TUBO[ ]m

h AIRE

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−KmW2

Nu AIRE

79.7 74.6 5.1 4.179 0.166 3.5379 23.3 28.8 5.5 0.02618 0.63 0.0217 1049.6785 870.054480.1 74.8 5.3 4.179 0.166 3.6767 23.3 28.5 5.2 0.02618 0.63 0.0217 1090.8424 904.174282.8 77.4 5.4 4.179 0.166 3.7461 23.2 28 4.8 0.02618 0.63 0.0217 1111.4243 921.234082 77 5 4.179 0.166 3.4686 23.4 27.5 4.1 0.02618 0.63 0.0217 1029.0966 852.9945

81.4 76.3 5.1 4.179 0.166 3.5379 23.5 27 3.5 0.02618 0.63 0.0217 1049.6785 870.054481.3 76.2 5.1 4.179 0.166 3.5379 23.5 26.3 2.8 0.02618 0.63 0.0217 1049.6785 870.054481.3 76.1 5.2 4.179 0.166 3.6073 23.5 25.6 2.1 0.02618 0.63 0.0217 1070.2604 887.114382.5 76.4 6.1 4.179 0.166 4.2317 23.7 25.8 2.1 0.02618 0.63 0.0217 1255.4978 1040.653381.8 77 4.8 4.179 0.166 3.3298 24.1 25.7 1.6 0.02618 0.63 0.0217 987.9327 818.874781 76.2 4.8 4.179 0.166 3.3298 24.1 25.6 1.5 0.02618 0.63 0.0217 987.9327 818.8747

4.1 Análisis de Resultados. La correlación de los datos experimentales se efectúa mediante un análisis adimensional, combinando las variables en grupos adimensionales, tales como el número de Nusselt y número de Reynolds, que facilitan la interpretación y amplían el campo de aplicación de los datos experimentales. En la práctica, los coeficientes de transferencia de calor por convección se suelen calcular con ecuaciones empíricas, correlacionando datos experimentales con ayuda del análisis adimensional. Los resultados experimentales obtenidos se pueden graficar en coordenadas logarítmicas, usando para las abscisas el número de Reynolds y para las ordenadas el número de Nusselt. Generalmente, la aproximación de los mismos resulta una línea recta. Agrupando los datos experimentales es posible obtener una correlación para el cálculo de la transferencia de calor del tipo:

nCNu Re⋅= Donde: C ― es la constante de igualdad n ― es la pendiente de la recta Esta correlación muestra la influencia que tiene la velocidad del flujo U sobre el coeficiente de convección h, ambos expresados en números adimensionales. Los números adimensionales permiten comparar dos superficies de intercambio de calor, siempre y cuando se mantenga el principio de similitud. De acuerdo con este principio, a menudo llamado ley de modelo, el comportamiento de dos sistemas será similar si las relaciones de sus dimensiones lineales, fuerzas, velocidades, etc. son las mismas.

En condiciones de convección forzada, en sistemas geométricamente similares, los campos de velocidad serán similares siempre que la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas sea igual en ambos fluidos. El número de Reynolds es la relación entre estas fuerzas y en consecuencia se esperan condiciones de flujos similares, en condiciones de convección forzada para un valor dado del número de Reynolds. El exponente n varía de acuerdo al régimen del flujo, que se tiene (laminar, de transición o turbulento). Cuando la longitud geométrica característica es el diámetro d, se tienen valores ya establecidos del exponente “n” para cada uno de estos regímenes, tanto para tubos lisos como aletados. En este trabajo se tomó como longitud geométrica característica precisamente el diámetro “d “del tubo aletado. Debido a que la diferencia de temperatura del aire se mantuvo en un rango mínimo no mayor de 10oC, el número de Prandtl varia menos de un 5%. Por lo tanto es posible excluirlo del cálculo de la transferencia de calor.

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IMPACTO. Después de desarrollar los experimentos y analizar los resultados se concluye que:

• El coeficiente de convección h, aumenta a medida que se incrementa el flujo másico de aire y en consecuencia su velocidad.

• El comportamiento de este tipo de arreglo es superior al que presenta una superficie de tubos con aletas rectas.

• Este tipo de superficie es posible aplicarla en equipos enfriados por aire como los intercambiadores de calor mostrados al inicio de este trabajo.

• Tiene excelentes características de transmisión de calor y baja caída de presión.

• Ofrece ventajas, ya que se puede ubicar vertical, inclinada y horizontalmente.

• Se requiere continuar con las investigaciones para tener caracterizada por

completo este tipo de superficies incluidas sus características de caída de presión.

• Si se implementa este tipo de superficies de transmisión de calor, se

incrementará la eficiencia de algunos sistemas térmicos. El incremento de eficiencia significa tener un menor consumo de combustible y por lo tanto una menor cantidad de emisiones contaminantes a la atmósfera. Se tienen por lo tanto, dos beneficios uno económico y el otro ecológico.

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