intercambiador de calor en flujo turbulento

7/23/2019 Intercambiador de calor en Flujo Turbulento

1/12

Laboratorio de Ingeniera de alimentos II Facultad de Ciencias Qumicas UNA 1

Profesrores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.

Practica 1: Intercambiador de Calor de Flujo Turbulento

Vera, Patricia; Jara, Claudia; Bentez, Larissa; Tintel, Alejandra; Fernndez, Karen; Adrin, Karina; Serafini,Hugo; Serafini, Andrea; Espnola, Ivn.

Resumen --Se determin el coeficiente general detransferencia de calor para flujo turbulento a

partir de los valores de transferencia de calor y

diferencia logartmica de temperatura media

para comparar con el obtenido a partir de

correlaciones, y a su vez contrastar los valores

obtenidos de coeficientes general de transferencia

de calor para flujos en contracorriente y co-

corriente. Se demostr que las correlaciones se

desvan ligeramente del valor real para flujos en

contracorriente y varan an ms para flujos en

co-corriente, comprobndose adems que el

coeficiente global es mayor para flujos encontracorriente.

I.INTRODUCCION

l intercambiador de calor ms simple es aquel

en que los fluidos calientes y fros se mueven enla misma direccin o en direcciones opuestas en

una construccin de tubos concntricos, nos permiteel estudio de la transferencia de calor entre el aguacaliente que circula por un tubo interno y el agua fra

que circula por la zona anular entre el tubo interno yel tubo externo [1].

Centramos nuestra atencin en el problema decalcular la transferencia de calor para evaluar elfuncionamiento de un intercambiador de calor deflujo turbulento, la diferencia logartmica detemperatura media la cual refleja el decaimiento

exponencial de la diferencia de temperatura local [2]y el coeficiente general de transferencia de calor en

flujo turbulento.El anlisis de flujos turbulentos es ms complejo,

por lo tanto, se utilizan las correlaciones empricas

para realizar comparaciones entre los coeficientes depelculas determinados dentro y fuera del tubo y elefecto de la velocidad del fluido en estos.

Los grficos de distribucin de temperatura enrelacin a la posicin en el intercambiador de calorse realizan para observar el comportamiento de latransferencia de calor entre los fluidos en flujosparalelos y opuestos.

II.MATERIALES Y METODOLOGIA

1. Descripcin de la instalacin

Las mediciones se realizaron en una instalacinexperimental prefabricada por Edibon S.A., Espaa.Los principales componentes que constituyen launidad de transferencia de calor de agua-agua deflujo turbulento se muestran en la Figura 1 (verAnexo).

En la unidad de transferencia de calor de agua-agua de flujo turbulento el intercambiador de calorha sido dividido en tres secciones separando lacorriente fra y la caliente en dos puntos intermedios.Esto permite que se midan las condiciones detemperatura intermedia.

Adems de medir las temperaturas de la corrienteen la entrada, en la salida y en los puntosintermedios tambin se mide la temperatura de lapared de metal que separa las corrientes.

Por medio del empleo del Indicador deTemperaturas del Calentador, se procedi a lamedicin de temperaturas en los puntos detallados a

continuacin:

1. Pared del metal a la entrada ( ).

2. Pared del metal a la salida ( ).

3.

Corriente caliente en la entrada ( ).4. Corriente caliente intermedia 1 ( ).

5. Corriente caliente intermedia 2 ( ).

6. Corriente caliente en la salida ( ).

7. Corriente fra en la salida ( ).

8. Corriente fra intermedia 1 ( ).

9. Corriente fra intermedia 2 ( ).

10.Corriente fra en la entrada ( ).

Mediante la inversin del flujo de la corriente fra

se puede establecer y medir un flujo contra corrientey un flujo concurrente. Cuando se realiza dichainversin se invierte la entrada de la corriente frapor la salida de la misma.

2. Ensayos realizados

Se realizaron en total 12 ensayos variando elcaudal de flujo del agua caliente (6 ensayos fueronen contra corriente, y los restantes en flujoconcurrente), se mantuvo constante el flujo de agua

fra.

E


2/12



El rango de variacin de este parmetro sepresenta en la Tabla 1.

Tabla 1. Rango de condicin de operacin paralos ensayos experimentales

Parmetro de ensayoRango de

Funcionamiento

Flujo de agua caliente(L/min)

1,2-9

3. Determinaciones Experimentales

3.1. Determinacin de la tasa de transferencia decalor, diferencia logartmica de temperatura media y

coeficiente general de transferencia de calor.

Determinacin de la tasa de transferencia de calor

hacia el fluido frio.

(1)

(2)

Luego se determina la tasa de transferencia decalor desde el fluido caliente.

(4)

(5)

Y por ltimo se determina el calor perdido

(6)

Se procede a la determinacin de la diferencia

logartmica de temperatura media mediante lasiguiente ecuacin.

(7)

(8)

(9)

Se determina el coeficiente general detransferencia de calor mediante

DETI: Dimetro externo del tubo interno.DITI: Dimetro interno del tubo interno.DITE: Dimetro interno del tubo externo.

: Dimetro medio.

(10)

(11)

(12)

3.2. Determinacin del coeficiente de transferenciade calor de superficie dentro y fuera del tubo y elefecto de la velocidad del fluido en estos.

Correlaciones.

Se determina el coeficiente de pelcula en la

superficie interna del tubo central

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

Luego se determina el coeficiente de pelcula enla superficie externa del tubo central

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

Y a partir de estos clculos, se determina elcoeficiente global de transferencia de calor mediantela ecuacin

(23)

3.3. Se determinan los coeficientes de pelculautilizando correlaciones

Se calcula el rgimen de flujo en los tubos.

(24)

(25)

(26)

(27)


3/12



Se determinan los valores adimensionales de

, , , a la temperatura

media correspondiente al fluido caliente y fluidofrio, a presin atmosfrica.

3.3.1. Estimacin de los coeficientes de pelcula enel tubo interno

3.3.1.1.Correlacin de Colburn

(28)

(29)

3.3.1.2.Correlacin de Dittus-Boelter

(30)

(31)

3.3.1.3.Correlacin segunda de Petukhov

(32)

(33)

(33)

3.3.1.4.Correlacin modificada de Gnielinski

(35)

(36)

3.3.2.Estimacin de los coeficientes de pelcula enel tubo externo

(37)

(38)

III. RESULTADOS Y DISCUSION

En las Tablas 2 y 3 (ver Anexo) se registr losresultados obtenidos en los experimentos detransferencia de calor en flujo turbulento circulandolos fluidos en contra corriente y en co-corriente; seobserv valores de flujo msico del fluido caliente,coeficientes de pelcula para la parte externa einterna del tubo central determinadosexperimentalmente, coeficiente global detransferencia de calor determinados a partir de losvalores de calor transferido por el fluido caliente, as

como tambin de los obtenidos a partir de losvalores de los coeficientes de pelcula, se observtambin valores de coeficiente de pelcula obtenidosa partir de correlaciones.

En las Tablas 4 y 5 (ver Anexo) se detall los

valores de tasa de calor desde el fluido caliente yhacia el fluido frio; la tasa de calor perdido y ladiferencia logartmica de temperatura media, pudoobservarse su relacin y tendencia con respecto a lavariacin de flujo msico del fluido caliente

Evaluando los valores de coeficiente global detransferencia de calor obtenidos a partir del calor

transferido por el fluido caliente y los obtenidos apartir de los valores de coeficiente de pelcula conrespecto a la variacin del flujo msico se observ

que tienen la tendencia de aumentar a medida que

aumenta el flujo msico del fluido calientemanteniendo constante el flujo msico del fluidorefrigerante, tambin se pudo observar que losvalores de coeficiente de transferencia global eranbastante prximos calculando por uno u otromtodo. Lo mencionado puede visualizarse en lasFiguras 2 y 3 (ver Anexo).

Con respecto a los valeres de coeficiente depelcula obtenidos a partir de correlaciones seobserv que son bastante precisos entrecorrelaciones, aunque se alejaban un poco de los

valores experimentales. En relacin al coeficiente depelcula de la superficie interna del tubo central la

correlacin que ms se acerc al valor experimentaly por lo tanto el ms aceptable fue la correlacin dePetuknov. En cuanto a los valores de coeficiente depelcula de la superficie externa del tubo central, losvalores experimentales y los obtenidos por lacorrelacin para tubos anulares se vieron bastantealejados entre ellos, esto pudo deberse a que lacorrelacin se encuentra en funcin a variables delfluido que cambian muy poco con respecto a latemperatura, sobre todo para el agua (conductividad,


4/12



fro), esta variacin en la precisin se hizo todavams evidente en el experimento en co-corriente.

Comparando los coeficientes globales detransferencia de calor obtenidos a partir del calortransferido y de los coeficientes de pelcula para losexperimentos en contra corriente y en co-corrientepara un mismo flujo msico de fluido caliente (vertablas 1 y 2 del Anexo), se puede observar que losmismos son mayores para el primer caso. Esto a suvez se debe a que, aun manteniendo constantes lascondiciones de entrada y salida y las tasas de flujo,

el cambio en la configuracin ocasiona unavariacin en la diferencia media logartmica detemperaturas, siendo este valor mayor para laconfiguracin en contra corriente, lo que explica ladiferencia entre ambos coeficientes globales, este

efecto se observa en las Figuras 4 y 5 (ver Anexo).

IV. CONCLUSIONES

Se determin la tasa de transferencia de calorentre el fluido caliente y el fluido refrigerante, seobserv que en general tanto la tasa de calor hacia el

fluido frio y desde el fluido caliente aumentan amedida que se aumenta el flujo msico del fluido

caliente manteniendo constante el flujo de fluidorefrigerante, as tambin se determin el aumento enel valor de la diferencia logartmica de temperatura

media con respecto al aumento en el flujo msico de

caliente, tanto para el experimento en contracorriente y en co-corriente.

En cuanto al coeficiente global de transferenciade calor, ste aumenta en el sentido en que seaumenta flujo msico del fluido calientemanteniendo constante el flujo de fluidorefrigerante, lo que indicara que la transferencia decalor es ms efectiva a mayores valores de flujomsico (con igual validez con respecto a lavelocidad o Reynolds). Los valores obtenidos apartir de la tasa de calor son bastante prximos con

relacin a los obtenidos a partir de los coeficientesde pelcula, por lo que cualquiera de los mtodos de

clculo es vlido para su estimacin.

Se calcularon los valores de coeficiente depelcula a partir de la tasa de calor y a partir decorrelaciones, observndose cierta concordanciaentre esos valores. Los valores obtenidos porcorrelacin son muy cercanos entre ellas, por lo quepuede decirse que cualquiera de las correlacionesestudiadas es vlida para realizar una estimacin. Lacorrelacin de Petuknov fue la que ms se acerc alos valores obtenidos a partir de la tasa de calor.

En lo que a las configuraciones respecta,comparando los coeficientes globales detransferencia de calor para intercambiadores de caloren contra y co-corriente manteniendo constantes lascondiciones de entrada y salida, as como las tasasde flujo, se observ que los mismos son mayorespara la primera configuracin; por lo tanto seconcluye que la disposicin en contra corriente esms conveniente.

V. REFERENCIAS

[1] F. P.Incropera, D. P. De Witt. Fundamentos deTransferencia de Calor. Editorial Prentice Hall,

Atlacomulco, Mxico, 4ta edicin, 1999.

[2] Y. A. Cengel. Transferencia de Calor. EditorialMc Graw Hill, Mxico, Segunda Edicin, Junio2006.


5/12



VI. ANEXO

Figura 1. Esquema de la unidad de transferencia de calor de agua-agua de flujo turbulento


6/12



Tabla 2. Resultados obtenidos para el experimento en contra corriente

Flujo msico fluido caliente (kg/s)

Contra corriente

0,148 0,09861 0,04922 0,05 0,03 0,02

Coeficiente de pelcula en la superficie

interior del tubo centralhi (W/m

2C) 14293 11592 8283 8277 5819 4608


exterior del tubo centralho (W/m

2C) 8640 8295 7089 5724 6858 6353

Coeficiente global de transferencia decalor a partir del calor transferido

U (W/m2C) 5290 4728 3860 3773 2866 2385

Coeficiente global de transferencia de

calor a partir de hi y hoUE (W/m

2C) 5385 4835 3905 3939 3148 2671

Coeficiente de pelcula por correlacin

(Colburn)hi_C (W/m

2C) 12903 9395 5552 5724 3812 2866


(Ditus-Boelter)hi_DB (W/m

2C) 12386 9022 5343 5516 3673 2769

Coeficiente de pelcula por correlacin(Gnieliski) hi_G (W/m2C) 14844 10596 5992 6175 3936 2814


(Petuknov)hi_P (W/m

2C) 15241 11,021 6466 6638 4451 3355


(tubo anular)ho_C (W/m

2C)

2212 2213 2213 2219 2213 2216


7/12



Tabla 3. Resultados obtenidos para el experimento en co-corriente.

Flujo msico fluido caliente (kg/s)

Experimento en Co-corriente

0,1477 0,1148 0,0819 0,04905 0,05 0,03


interior del tubo central hi (W/m2C) 9039 8890 9576 7846 7586 5869

Coeficiente de pelcula en la superficieexterior del tubo central ho (W/m

2C) 10617 10431 9046 8000 8389 7415


calor a partir del calor transferido U (W/m2C) 4295 4320 4622 3890 3756 3004


calor a partir de hi y ho UE (W/m2C) 4882 4801 4652 3961 3983 3276

Coeficiente de pelcula por correlacin(Colburn) hi_C (W/m

2C) 13276 11038 8550 5833 5926 4075


(Ditus-Boelter) hi_DB (W/m2C) 12769 10630 8242 5634 5723 3944


(Gnieliski) hi_G (W/m2C) 15174 12440 9469 6261 6368 4206


(Petuknov) hi_P (W/m

2

C) 15559 12836 9884 6708 6813 4684


(tubo anular) ho_C (W/m2C) 2222 2224 2222 2220 2222 2221


8/12



Experimento en Co-corriente

Flujo msico fluido caliente [kg/s] mi 0,1477 0,1148 0,0819 0,04905 0,05 0,03

Tasa de calor desde el fluido caliente [W] Qcaliente 2162 2352 2775 2709 2573 2411

Tasa de calor hacia el fluido frio [W] Qfrio 2778 2868 2767 2733 2823 2767

Tasa de calor perdido [W] Qp 616 516,4 8,047 24,16 250,1 355,6

Diferencia logartmica de temperatura media [C] Tml 17,55 18,98 20,93 24,28 23,88 27,98

Experimento en Contra-corriente

Flujo msico fluido caliente [kg/s] mi 0,1477 0,1148 0,0819 0,04905 0,05 0,03

Tasa de calor desde el fluido caliente [W] Qcaliente 2661 2557 2573 2614 2133 2092

Tasa de calor hacia el fluido frio [W] Qfrio 2778 2688 2620 2835 2541 2575

Tasa de calor perdido [W]Qp 117,6 131,4 47,2 220,5 407,9 482,7

Diferencia logartmica de temperatura media [C] Tml 17,53 18,85 23,24 24,15 25,95 30,59

Tabla 4. Resultados obtenidos para el experimento en Co-corriente

Tabla 5. Resultados obtenidos para el experimento en Contracorriente


9/12



Figura 2. Variacin del coeficiente global de transferencia de calor con respecto al flujomsico del fluido caliente manteniendo constante el flujo msico del fluido refrigerante, para

el experimento en contra corriente.


10/12



Figura 3. Variacin de los coeficiente globales de transferencia de calor con respecto alflujo msico del fluido caliente manteniendo constante el flujo msico del fluidorefrigerante, para el experimento en co-corriente.


11/12



Figura 4. Distribucin de temperaturas del fluido fro, fluido caliente y pared metlica parala configuracin en co-corriente


12/12



Figura 5. Distribucin de temperaturas del fluido fro, fluido caliente y pared

metlica para la configuracin en contra corriente

intercambiador de calor en flujo turbulento

Documents