Universidad de Costa RicaSede de Alajuela.Escuela de Ingeniera
Industrial.
Laboratorio de Termofluidos
Profesor: Patricia Rodriguez.Pre reporte: Intercambiador de
Calor
Estudiantes: Andrea Rojas Pacheco B05531Cristian Salas Paniagua
A95653
I ciclo 2015
IntroduccionSe le llama intercambiadores de calor a cualquier
aparato que cumpla la funcin de transmitir la energa calorfica
desde un medio a otro. Estos aparatos son de uso frecuente en los
procesos se dividen en: Intercambiadores tubulares (a base de
tubos), estn los compactos y los miscelneos, segn menciona
AlarcnEste laboratorio el estudio de intercambiadores de calor
tubulares extendidos, es decir consta de dos tubos concntrico de
dimetros diferentes, que permiten intercambiar calor, usualmente
los mismos estn compuestos por metal, poseen codos y cabezales, los
cuales adems contribuyen con las prdidas de energa. En este
laboratorio se pretende estudiar los estos aparatos de
intercambiadores de calor, en especial los tubulares extendidos
para demostrar que el calentamiento o enfriamiento de una sustancia
mediantes la transferencia de calor de un fluido a otro, separados
por una barrera slida.Esto se realizara mediante la medicin de la
temperatura de dos corrientes de agua, que circulan en un
intercambiador concntrico tubular.
Conceptos basicos Intercambiador de calor: Dispositivo que
permite remover calor de un punto a otro de manera especfica en una
determinada aplicacin, los tipos de intercambiadores varan
dependiendo de su flujo, flujo paralelo; contra flujo; flujo
cruzado o de su construccin tubo, carcasas y placas.Calor: Se
define como la forma de energa que se transfiere entre dos cuerpos
(y entre un sistema y el exterior) debido a una diferencia de
temperatura.Conveccin: Transferencia de energa entre una superficie
slida y el fluido adyacente que se encuentra en movimiento y tiene
que ver con los efectos combinados de la conduccin y el movimiento
de los fluidos. Conduccin: Es la transferencia de energa de energa
de las partculas ms energticas de una sustancia a las adyacentes
menos energticas como resultado de la interaccin entre
partculas.Coeficiente global de transferencia de calor: Es un
trmino que relaciona las propiedades termodinmicas de un fluido con
las resistencias que existen al flujo de calor en un intercambiador
de calor.Flujo msico: El flujo msico que entra y sale de un sistema
funciona como mecanismo adicional de transferencia de energa.
Cuando entra masa a un sistema la energa en este est aumentando
debido a que la masa lleva consigo energa, (de hecho la masa es
energa) de igual manera cuando sale masa del sistema, la energa de
este disminuye porque la masa que sale saca algo de energa
consigo.Flujo volumtrico: Volumen de un fluido que fluye por una
seccin transversal por unidad de tiempo.Capacidad calorfica: Es la
razn de la cantidad de calor que se le cede a dicho cuerpo en una
transformacin cualquiera con la correspondiente variacin de
temperatura. La Capacidad Calorfica depende de la masa del cuerpo,
de su composicin qumica, de su estado termodinmico y del tipo de
transformacin durante la cual se le cede el calor. Flujo Laminar:
es un fluido en el que las partculas se desplazan siguiendo
trayectorias paralelas, formando as en conjunto capas o lminas de
ah su nombre, el fluido se mueve sin que haya mezcla significativa
de partculas de fluido vecinas. Este flujo se rige por la ley que
relaciona la tensin cortante con la velocidad de deformacin
angularFlujo turbulento: es un fluido en el que las partculas se
mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas. El
flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son dbiles en relacin
con las fuerzas inerciales. La turbulencia segn la definicin de
Taylor y Von Krmn (1998), puede producirse por el paso del fluido
sobre superficies de frontera, o por el flujo de capas de fluido, a
diferentes velocidades que se mueven una encima de la otra. Nmero
de Reynolds: El nmero de Reynolds (Re) es un parmetro adimensional
cuyo valor indica si el flujo sigue un mdelo lminar o turbulento.
El nmero de Reynolds depende de la velocidad del fluido, del
dimetro de tubera, o dimetro equivalente si la conduccin no es
circular, y de la viscosidad cinemtica o en su defecto densidad y
viscosidad dinmica.El una tubera circular se considera: Re <
2300 El flujo sigue un comportamiento laminar. 2300 < Re <
4000 Zona de transicin de laminar a turbulento. Re > 4000 El
fluido es turbulento.
Temas especiales y de investigacion 1. Investigue en cuales
procesos industriales se utilizan los intercambiadores de calor
tubo-carcasa. Los intercambiadores de calor son ampliamente
utilizados en la industria alimentaria, para calentamiento y
enfriamiento de productos, en sistemas de esterilizacin,
pasteurizacin, desactivacin enzimtica, procesos auxiliares de
calentamientos de agua, generacin de vapor, recuperadora,
enfriadora de fluidos etc. Precalentador Radiador Aire
acondicionado, evaporador y condensador Condensadores de vapor
2. Qu es el factor de incrustacin de un intercambiador de calor
y porqu se da este fenmeno? Comente desde la perspectiva de gestin
del mantenimiento.La formacin de depsitos de incrustacin en
intercambiadores de calor es la mayor causa de reduccin de
eficiencia y capacidad del sistema de calentamiento. Al
incrementarse la energa necesaria para una operacin, tambin se
incrementan los costos al paso de los aos por lo que se ha dado
especial atencin a este problema.Una tcnica comn de prevencin es
estimando un factor de incrustacin en la etapa del diseo; es decir,
permitiendo que la superficie adicional del traspaso trmico
compense la prdida superficial causada por la incrustacin. Estos
sistemas son de mayor capacidad del requerido funcionan a menudo en
el 80% o an debajo del 50% de su flujo diseado. Este exceso de rea
puededar lugar a problemas durante el inicio de la operacin adems
de promover las condiciones que pueden provocar incrustacin ms all
de lo que se especifica en el diseo, por otra parte, si un factor
de incrustacin no se considera en la etapa del diseo, la prdida de
calor puede exceder del 50%, dando por resultado un desequilibrio
de la energa dentro de la operacin. Hoy un factor de incrustacin se
considera necesario pero no suficiente en la prevencin de
incrustacin. En muchos casos, incluso el diseo correcto de un
cambiador de calor no evitar el problema de incrustacin. Este
factor de incrustacin es considerado como una resistencia a la
transferencia de calorRf, incrementando esta resistencia a la
resistencia de la superficie limpia se obtiene el rea requerida de
transferencia, el factor de incrustacin influye directamente en el
coeficiente de transferencia de calor.
3. Qu variables toma en cuenta el coeficiente global de
transferencia de calor?En un intercambiador se tienen dos flujos de
fluido, uno con mayor temperatura que el otro, el calor se
transfiere del fluido caliente al fluido frio a traves de cinco
resistencias termicas principales: 1. Resistencia de capa
convectiva de lado del fluido con mayor temperatura:
2. Resistencia en el lado caliente por suciedad debido a la
acumulacion de residuos de materiales indeseables en la superficie
de intercambio de fluido caliente
3. Resistencia del material del intercambiador, el cual presenta
una conductividad termica finita y que toma un valor en funcion del
tipo de intercambiador
donde dm es el espesor del metal, S es el rea de superficie del
matal y n es el numero de tubos.
4. Resistencia en el lado frio por suciedad:
5. Resistencia de capa convectiva de lado del fluido con menor
temperatura:
El conjunto de resistencias listadas en las ecuaciones (1) a (5)
se encuentran en serie y la resistencia total se puede representar
por
Al reescribir la ecuacion de la forma
tal que es una ecuacion general y se puede especificar en
terminos de la superficie de referencia seleccionada.Si el espesor
del metal es pequeno y la conductividad termica del metal empleado
es grande, la resistencia termica del metal es despreciable y la
ecuacion anterior se reduce a:
4. Qu se hace a nivel industrial para evitar el intercambio de
calor de los equipos con el medio ambiente?Para disminuir las
perdidas de calor al medio ambiente, generalmente los aparatos van
cubiertos por una capa aislante formada por un material de baja
conductividad termica. Esto conduce a que aumente la resistencia a
la transferencia de calor y disminuya la temperatura de la
superficie exterior. La determinacion del espesor de la capa
aislante se basara en las perdidas permisibles de calor o en las
temperaturas permisibles de la pared exterior. 5. Cmo funcionan los
calentadores solares de agua que se encuentran en los techos de las
casas? Relacinelo con los mecanismos bsicos de transferencia de
calor.Un calentador solar se compone principalmente de un tanque
trmico de almacenamiento, una serie de tubos de vdrio al vaco.
Funcionamiento:
Este efecto se presenta cuando el agua se calienta, por lo que
pierde densidad y peso, y esto causa que tienda a ascender de
manera natural al tanque del calentador. Al mismo tiempo, el agua
fra desciende al interior de los tubos al vaco, y de esta manera el
agua en el calentador empieza a circular hasta que toda el agua se
calienta.Este movimiento se produce sin necesidad de una bomba y no
necesita ningn componente elctrico o mecnico. Esto convierte a los
calentadores en equipos fiables, de fcil funcionamiento, sencillos
de instalar y mantener.
Procedimiento experimental 1. Coloque la temperatura del
controlador en 60 C2. Ajuste la vlvula de control del flujo del
agua fra para tener un flujo de 1 L/min3. Presione el botn del
controlador del flujo de agua caliente, coloque el control el modo
automtico y coloque el valor de 3 L/min. 4. Permita que las
temperaturas se estabilicen (monitoree las temperaturas utilizando
el sensor que se despliega en la pantalla del software).5. Cuando
las temperaturas se estabilicen anote los valores de T1, T2, T4,
Fhot, Fcold.6. Ajuste la vlvula del agua fra ahora en 2 L/min.7.
Permita que las temperaturas se estabilicen y repita los pasos
anteriores.
Materiales y equipos 1. Mdulo de servicio de intercambiadores de
calor controlado por computadora.
Ilustracin 1. HT30XC Mdulo de servicio de intercambiadores de
calor controlado por computadora. Fuente: Armfield
Ilustracin 2. HT33 Mdulo intercambiador de haz de tubos. Fuente:
Armfiel
Partes del equipo
Ilustracin 3. Partes del intercambiador de calorTabla 1Nmero de
la piezaNombre la pieza
1Base de PVC
2Agujeros para sujetar el intercambiador (pieza)
3Carcasas de PVC de las salidas de las tuberas acrlicas
4Termo par (sensores de temperatura)
5Enchufe del termopar
6Entradas y salidas de los tubos
Variables experimentales Variables de entrada: Temperatura del
controlador, flujo de agua fra, flujo de agua calienteVariables de
respuesta: Transferencia de calor, Eficiencia global, Diferencia de
temperatura en flujos.Variables de salida: Temperatura del agua
fra, Temperatura del agua caliente, Temperatura del flujo caliente,
Temperatura del flujo fro.Variables independientes: Nivel de agua
en el recipiente.
Tabla 2. NomenclaturaTabla de Nomenclatura
VariableSmbolo en experimentoUnidad
Temperatura inicial agua calientet1K
Temperatura inicial agua frat2K
Temperatura final agua calientet3K
Temperatura final agua frat4K
Flujo de calor QW
Capacidad calorficaCpJ/kg K
Flujo volumtricoVm3/s
Flujo msicoMKg/s
Densidad del lquidokg/m3
Eficienciae-
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