INTERCAMBIADOR DE CALOR FLUJO LAMINAR VISCOSO

F. A. De Brito y J. Saavedra.

Univ. Simón Bolívar, Unidad de Laboratorios - Laboratorio A, Sección Fenómenos de Transporte Laboratorio de Transferencia de Calor (TF-2252).

RESUMEN

En esta experiencia se estudiaron dos de los principales tipos de arreglos en los intercambiadores de calor, el arreglo contra-corriente y el arreglo co-corriente, con el objetivo de determinar cual presenta mayores ventajas a la hora de su aplicación en los diferentes escenarios industriales, para cumplir estos objetivos se sometieron los dos arreglos a una configuración de flujo laminar viscoso, pasando aceite caliente por el tubo interior y agua por el tubo exterior, se midieron las temperaturas de entrada y salida para cada fluido, y para cada arreglo para poder calcular los valores del coeficiente global de transferencia de calor y la eficiencia de cada arreglo del intercambiador, a la vez de obtener un perfil de temperatura propio de cada uno. Los resultados fueron

para el contra-corriente y para el co-corriente, en cuanto a la eficiencia esta resulto ser de 2,98% para el contra-corriente y 1,09%, dando como resultado, la presencia de mejores resultados en la transferencia de calor en el arreglo contra corriente, por lo que es recomendado su uso preferiblemente ante el arreglo co-corriente.

Palabras claves: Intercambiador de calor, contra-corriente, co-corriente, tubo y coraza, laminar, viscoso.

INTRODUCCIÓN

En la industria, es de suma importancia la aplicación de dispositivos tales como los intercambiadores de calor, pues con su utilización se pueden lograr aumentos significativos en la eficiencia de diversos procesos, ahorros de energía, entre otros muchos beneficios.

Existen en la actualidad diversos tipos de intercambiadores y entre ellos a su vez cientos de diseños, entre los cuales se encuentran los de Doble Tubo, Tubo y Coraza y Flujo Cruzado. Cada uno a su vez es utilizado en distintas aplicaciones dependiendo del espacio disponible en planta para su colocación, caudal necesario o cantidad de calor necesaria para trasmitir, de aquí la importancia del estudio de cada uno, para entender mejor su funcionalidad, y aprovechar al máximo sus ventajas particulares.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

El equipo experimental consta de un intercambiador tipo doble tubo con aceite caliente fluyendo a través del tubo central mientras el agua de enfriamiento. Los termopares mostrados en la Figura 1. Registran las temperaturas del flujo de entrada y salida del aceite caliente y del agua fría, y del tubo de metal en cada extremo de la superficie de transferencia de calor.

- Circuito de aceite caliente:Aceite caliente de un tanque equipado con un calentador del tipo de resistencia eléctrica, es bombeado dentro del extremo superior del tubo central del intercambiador de calor. El aceite es enfriado a medida que fluye hacia abajo a través del intercambiador de calor, y al salir de la parte inferior, pasa a través de una válvula de control a un tanque de vidrio de medición equipado con una escala de medición de contenido. El tanque de medición contiene una válvula de acción rápida que le permite al aceite volver al tanque de calentamiento.

- Circuito de agua fría:El ducto de agua fría pasa a través de una válvula de control de flujo a una unión con un extremo del intercambiador de calor. Una unión similar conecta el otro extremo con el punto del drenaje. Las conexiones son reversibles y el agua de enfriamiento podrá hacerse fluir hacia abajo (co-corriente) o hacia arriba (contracorriente).

- Temperatura:Un termómetro digital con un interruptor selector, muestra la temperatura registrada por los termopares de temperatura de aceite, agua y metal con una apreciación de ± 0,1 °C

- Transferencia de calor:La unidad de transferencia de calor en flujo laminar viscoso H970 P.A. Hilton consta de:a) Un panel plástico reforzado con vitrofibra de terminación pulida en el cual están ubicados todos los componentes de la unidad.b) Un intercambiador de calor de doble tubo de cobre, equipado con seis termopares tipo K para medir las temperaturas de aceite, agua y superficie de la tubería interna en los extremos.c) Un tanque de calentamiento con una capacidad aproximada de 2,5 litros, equipado con tapa y un calentador de 500 W del tipo de resistencia eléctrica.d) Un tanque de medición de vidrio pyrex con una capacidad de medida de 0,5 litros: equipado con tapa, indicador de volumen medido y una válvula de desagüe/rebalse que debe ser girada 90 _ para obtener las posiciones mencionadas.e) Una bomba centrífuga de 1 hp de potencia sin empaquetadura provista de un indicador para tres potencias diferentes.f) Un indicador de temperatura digital con un selector para seis posiciones, con una apreciación de ±0,1oC.g) Un rotámetro con alcance de 4 a 50 g/s.

Descripción del intercambiador:

- Tubo central:Material: cobreDiámetro externo: 12,7 Diámetro interno: 11,3 Largo efectivo: 910 Área externa de transferencia de calor: 0,0365 Área interna de transferencia de calor: 0,0323 Área media de transferencia de calor: 0,0342 Área de flujo de transferencia de calor:

- Tubo externo:Material externo: cobreDiámetro externo: 15,9 Diámetro interno: 14,4 Área de flujo de corona circular:

Fig. 1. Unidad de transferencia de calor flujo Laminar/Viscoso.

Donde:

: Temperatura en la entrada del aceite

: Temperatura en la salida del aceite

: Temperatura en la pared interna de la entrada de agua en el arreglo Co-Corriente, y temperatura en la pared interna de la salida de agua en el arreglo Contra-Corriente.

: Temperatura en la pared interna de la salida de agua en el arreglo Co-Corriente, y temperatura en la pared interna en la entrada de agua en el arreglo Contra-Corriente.

: Temperatura de la entrada de agua en el arreglo Co-Corriente, y temperatura de la salida de agua en el arreglo Contra-Corriente.

: Temperatura de la salida de agua en el arreglo Co-Corriente, y temperatura de la entrada de agua en el arreglo Contra-Corriente.

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

Para el cálculo de la primera ley de la termodinámica se aplicaron las siguientes ecuaciones.

(1)

(2)

Donde:

: Velocidad de transferencia de calor en el agua ( )

: Flujo másico de agua ( )

: Calor específico ( )

: Velocidad de transferencia de calor en el aceite ( )

: Flujo másico de aceite ( )

: Calor específico ( )

Para el cálculo de los coeficientes de convección locales se utilizo la correlación para flujo interno en régimen laminar.

(3)

Con:

(4)

(5)

Donde:

: Coeficiente convectivo ( )

: Diámetro interno ( )

: Distancia de tubería ( )

: Viscosidad dinámica ( )

: Viscosidad dinámica a temperatura superficial ( )

: Conductividad ( )

: Velocidad ( )

Para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor para cada arreglo se desprecio la resistencia del cobre, inexistencia de suciedad en las paredes de los tubos y se supuso el intercambiador aislado en su parte exterior resultando la ecuación.

(6)

Donde:

: Coeficiente global de transferencia de calor ( )

: Diámetro externo ( )

: Coeficiente convectivo externo ( )

Para el cálculo de la eficiencia global de cada arreglo de intercambiador se utilizaron las siguientes expresiones.

Contra-corriente:

(7)

Co-corriente:

(8)

Con:

(9)

(10)

Donde:

: Área superficial externa del tubo interior. ( )

DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES

Después de haber culminado los procedimientos antes descritos se obtuvieron los siguientes resultados en base a los datos experimentales.

Tabla 1. Flujo másico del agua.

0,03

Tabla 2. Temperaturas a lo largo del intercambiador.

Contra-corriente Co-corriente(60,5 – 60,7) 59,5

(57,4 – 57,6) 56,9

(20,1 – 20,2) 19,5

20,0 21,5

20,8 20,6

20,0 22,0

Tabla 3. Perfil de temperatura en la pared externa del casco.

Contra-corriente Co-corriente0 25,2 ----

10 22,9 23,620 22,6 25,430 23,1 24,040 22,8 23,850 22,4 25,660 22,3 24,870 22,1 24,480 22,0 23,991 22,6 23,4

Tabla 4. Flujo volumétrico de aceite.

0,024

Tabla 5. Velocidad de transferencia de calor.

Fluido Contra-corriente Co-corriente

Aceite 310 242,50

Agua 100,37 175,6

Tabla 6. Coeficientes locales de convección.

Agua Aceite Contra-corriente Co-corriente Contra-corriente Co-corriente

767 774,91 179,67 182,233,22 3,24 38,65 41,31

2148,56 2164,76 90,31 73,12

Tabla 7. Coeficiente de transferencia de calor global.

Contra-corriente Co-corriente

77,46 63,16

Tabla 8. Eficiencias globales del intercambiador.

Contra-corriente Co-corriente 2,98 1,09

Fig. 2. Perfiles de temperatura en la pared externa del casco.

DISCUCIÓN DE RESULTADOS

De los resultados experimentales obtenidos al finalizar la experiencia podemos señalar varios puntos importantes, de la tabla 5 podemos observar como el arreglo del intercambiador en contra-corriente presenta mejores resultados en cuanto a transferencia de calor comparado al arreglo co-corriente, mostrando este una velocidad de transferencia de calor en el aceite mayor (310 ), además de presentar un coeficiente convectivo de transferencia de calor mayor en la sección interna donde pasa el aceite, esto permite enfriar de manera más efectiva el aceite con este tipo de arreglo, teniendo como punto a favor el poder utilizar una longitud menor de tubería para lograr el mismo resultado que el arreglo paralelo.

De la tabla 5 también se puede señalar que la diferencia entre los valores del calor neto que sale del aceite y el calor neto que llega al agua, para los dos arreglos, se debe a la suposición de el casco externo aislado y de considerar las paredes de las tuberías limpias a pesar del tiempo de uso, por lo que no se puede comprobar totalmente la primera ley de la termodinámica con las ecuaciones utilizadas, debido a que estas no contemplan las excepciones antes mencionadas.

De la tabla 7 podemos comentar que el arreglo contra corriente presenta un coeficiente global mayor, debido a la mayor velocidad de transferencia de calor, lo que corrobora la mejor utilidad de este arreglo siendo este resultado junto con la eficiencia en la transferencia de calor los más determinantes a la hora de comparar intercambiadores de calor de distintos tipos, a pesar de cometer errores experimentales al suponer la coraza

aislada en su parte externa, despreciar la resistencia del cobre por su alta conductividad, así como el considerar las paredes de las tuberías libres de resistencia de ensuciamiento por el tiempo de uso.

De la tabla 8 y la Figura 2 podemos ver la prueba que definitivamente señala al arreglo contra-corriente como la mejor opción a elegir, esto se ve reflejando en una mayor eficiencia a la hora de sustraer el calor del aceite, viéndose reflejado en la figura como las menores temperaturas registradas para cada posición de la coraza externa de cobre.

CONCLUSIONES

Después de haber culminado la experiencia se puede concluir que:

1) El arreglo de contra-corriente otorga mejores resultados que el arreglo co-corriente.

2) La velocidad de transferencia de calor en el arreglo contra-corriente es mayor.

3) El arreglo contra-corriente presenta una mayor eficiencia, en la transferencia de calor, permitiendo enfriar a menores temperaturas el fluido caliente en menores distancias.

4) Es un error el suponer el casco exterior como aislado, y la resistencia de la pared de cobre de la tubería despreciable, de ahí la diferencia entre el calor del agua y el calor del aceite, que no permite comprobar la primera ley de la termodinámica.

5) El coeficiente de transferencia global de calor corrobora lo que nos señalan los valores de eficiencia obtenidos para cada arreglo, determinando así de forma verídica que el arreglo contra-corriente es mejor que el co-corriente bajo las condiciones estudiadas en el laboratorio.

REFERENCIAS

INCROPERA, FRANK; DEWITT. “Fundamentos de transferencia de calor” Pearson Prentice Hall, 4ta. Edición, México (1999).