UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLOGICA DEL

CONO SUR DE LIMA

INTERCAMBIADORES

INTERCAMBIADORES DE CALOR

EL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCENTRICOS DE EDIBON S.A. NOS PERMITE EL ESTUDIO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR ENTRE EL AGUA QUE CIRCULA POR UN TUBO INTERIOR Y EL AGUA FRIA QUE CIRCULA POR LA ZONA ANULAR ENTRE EL TUBO INTERIOR Y EL TUBO EXTERIOR.

CURSO: TERMODINAMICA

PROFESOR: ABEL ESTACIO

INTEGRANTES:

ALVAREZ LOAYZA, JEANPIERE

ANCHAYHUA GUTIERREZ, DENIS

ANDIA ANCCO, ZORAIDA

PEA CARBONEL, ABRAHAM

PILLCO TORRES, LEIDIHI

PUCHO CAHUASCANCO, JHON

MACHACA VENTURO, YOSELIN

INTRODUCCION

En el presente trabajo trataremos acerca del intercambiador de calor de tubos concntricos de Edibon S. A.; para nosotros es importante saber que los

intercambiadores son dispositivos donde dos corrientes de fluidos en movimiento, intercambian calor sin mezclado.

La forma ms simple de in intercambiador de calor es un INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO DOBLE, y se compone de dos tubos concntricos de dimetro

distinto. Un fluido corre por el tubo interno mientras que el otro lo hace en el espacio anular entre ambos tubos. El calor se transfiere del fluido caliente al fluido frio a

travs de la pared que los separa. Esto nos ayudara a comprender mejor el funcionamiento del dispositivo en la prctica

Prctica 4: Balance global de energa en el intercambiador y estudio de prdidas

1. OBJETIVOS

Realizar el balance global de energa en el intercambiador calculando el calor cedido por el fluido caliente, el calor ganado por el fluido fro y las prdidas de calor.

Calcular la diferencia de temperaturas media logartmica y el coeficiente global de transferencia de calor.

2. MARCO TEORICO Calor: Es energa en trnsito debido a una diferencia de temperaturas. Donde quiera que exista una diferencia de temperaturas en un medio o entre varios medios, se produce transferencia de calor. Existen tres tipos diferentes de procesos de transferencia de calor modos: conduccin, conveccin y radiacin. Conveccin: Es el modo de transferencia de calor entre una superficie y un fluido en movimiento a diferentes temperaturas. Es consecuencia de la superposicin de dos fenmenos fsicos, energa transportada por el movimiento aleatorio de las molculas (difusin) y energa transportada por el movimiento macroscpico del fluido (gran nmero de molculas movindose colectivamente). Podemos clasificar la transferencia de calor por conveccin en, conveccin forzada y conveccin natural. Conveccin forzada ocurre cuando el flujo es causado por medios externos como un ventilador, una bomba o el viento atmosfrico. Conveccin natural ocurre cuando el flujo est inducido por fuerzas de flotabilidad, las cuales resultan de diferencias de densidad causadas por variaciones de temperatura en el fluido. Una consecuencia de la interaccin fluido-superficie, es la formacin de una regin en el fluido a travs de la cual la velocidad vara desde cero en la superficie a un valor finito asociado con el fluido. sta es la capa lmite hidrodinmica. Si adems la temperatura entre la superficie y el fluido varan, aparece una capa lmite trmica, donde la temperatura vara desde la temperatura en la superficie hasta la temperatura en el exterior del fluido. Es en esta capa delgada en la que se efecta el 99% de la transferencia de calor entre la superficie y el fluido. Un primer paso en el tratamiento de la transferencia de calor por conveccin es determinar si la capa lmite hidrodinmica es laminar o turbulenta, ya que la tasa de transferencia de calor depende fuertemente de esta condicin. En rgimen laminar, el movimiento del fluido es ordenado y es posible identificar las lneas de corriente a lo largo de las cuales se mueven las partculas. El fluido laminar est asociado con nmeros de Reynolds bajos, es decir, la relacin entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de viscosidad es baja. De este modo, las perturbaciones en el fluido (originadas por la rugosidad superficial o por la misma corriente libre) se disipan rpidamente, mantenindose el flujo ordenado (laminar). Si el nmero de Reynolds es alto, las fuerzas de inercia son suficientemente grandes como para amplificar las perturbaciones producidas en un flujo laminar, generando torbellinos que nos indican la aparicin del rgimen turbulento en el fluido. El rgimen turbulento, se caracteriza por movimiento irregular y fluctuaciones aleatorias en la velocidad.

Dado que la difusibilidad de los torbellinos es mucho mayor que la difusibilidad molecular del rgimen laminar, los perfiles de velocidad y temperatura en el corazn de la capa lmite son ms uniformes en rgimen turbulento y por lo tanto el gradiente de velocidad y de temperaturas es mucho mayor. Como consecuencia, la tasa de transferencia de calor es mucho mayor en flujos turbulentos que en flujos laminares. Por contra, elevados gradientes de velocidad causan grandes tensiones superficiales, lo que nos conduce a afirmar que el rgimen turbulento tiene el efecto adverso de incrementar la cada de presin en la direccin del flujo. Esta mayor prdida de presin requerir bombas o ventiladores de mayor potencia. Independientemente de si estamos en rgimen laminar o turbulento, la tasa de transferencia de calor por conveccin entre una superficie y un fluido viene dada por la ley de enfriamiento de Newton, cuya expresin:

Donde q tasa de transferencia de calor (w) h coeficiente de transferencia de calor por conveccin (w/m2 k) A rea de transferencia de calor (m2) T s temperatura en la superficie (k) T temperatura en el fluido (k) La capa lmite trmica es la zona delgada en contacto con la superficie a travs de la que se produce la transferencia de calor. Esta capa ofrece una resistencia al flujo de calor. De este modo, existe una resistencia de conveccin anloga a la de conduccin:

2.1) Transferencia de calor en intercambiadores de calor Un intercambiador de calor es un dispositivo desarrollado por el hombre, para la transferencia de calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas separados por una pared slida. Tienen numerosas aplicaciones de ingeniera y como consecuencia existen diferentes modelos adaptados a cada aplicacin. El ms simple es el construido con dos tubos concntricos, donde los fluidos pueden moverse en el mismo sentido o en sentidos contrarios. En flujo paralelo, los fluidos caliente y fro entran y salen por el mismo extremo, y fluyen en el mismo sentido. En contracorriente, los fluidos entran y salen por extremos opuestos y fluyen en sentido contrario.

La otra configuracin comn es el intercambiador del tubo interior y exterior que consiste en un grupo de tubos dentro del tubo exterior. Estos cambios normalmente cogen deflectores para aumentar la transferencia de calor.

2.2) Coeficiente global de transferencia de calor Para representar el fenmeno global de transferencia de calor entre los fluidos del intercambiador, recurrimos a las resistencias trmicas que aparecen en cada medio. El flujo de calor en su camino desde el fluido caliente hasta el fro, tiene que vencer la resistencia ejercida por la capa lmite del fluido caliente, la resistencia de la pared de separacin y la resistencia ejercida por la capa lmite del fluido fro. Estas tres resistencias dispuestas en serie, conforman una resistencia total (Rt), suma de cada una.

Donde Ah rea de la superficie del tubo en contacto con el fluido caliente (m2) Ac rea de la superficie del tubo en contacto con el fluido fro (m2) T,h temperatura media del fluido caliente (k) T,c temperatura media del fluido fro (k) Ts,h temperatura de la superficie del tubo en contacto con el fluido caliente (k) Ts,c temperatura de la superficie del tubo en contacto con el fluido fro (k) hh coeficiente de conveccin del fluido caliente (w/m2 k) hc coeficiente de conveccin del fluido fro (w/m2 k) K conductividad trmica del cobre (w/m k) A rea media del tubo de cobre (m2) x espesor de la pared del tubo de cobre (m)

La tasa de transferencia de calor ser:

(2.3.1) Definimos el coeficiente global de transferencia de calor, U, como un factor que para una configuracin geomtrica e hidrodinmica dada, nos da el valor del calor total transferido, al multiplicarlo por el rea de intercambio y por la diferencia total de temperaturas.

Donde por comparacin con la ecuacin [2.3.1] obtenemos:

Para un intercambiador de tubos concntricos de longitud L, en el que el fluido caliente circula por el tubo interior y el fluido fro por el espacio entre el tubo interior y el tubo exterior, las superficies de intercambio sern Ah = p Dint L y Ac = p Dext L siendo Dint y Dext los dimetros interior y exterior del tubo interior del intercambiador y dado que la pared de intercambio es cilndrica, la resistencia de conduccin se debe expresar en coordenadas cilndricas,

Durante el funcionamiento normal del intercambiador, los fluidos transportan impurezas que con el tiempo se van adhiriendo sobre las superficies, formando una capa adicional que incrementa la resistencia trmica total. Como tenemos dos fluidos, se generan dos resistencias adicionales, llamadas resistencias de contaminacin. stas son variables ya que aumentan con el tiempo de funcionamiento, pasando de un valor nulo cuando el intercambiador es nuevo hasta un valor mximo al final de su vida til. La resistencia generada por el fluido interior la denominaremos Rf,h y la generada por el fluido exterior, Rf,c. Incorporando estas resistencias al coeficiente global de transferencia de calor tendremos:

Las resistencias de contaminacin slo se pueden conocer empricamente ya que su naturaleza es difcil de conocer. En la siguiente tabla se muestran algunos valores experimentales de resistencias de contaminacin:

Los trminos ms influyentes en el valor de la resistencia trmica total son los trminos de conveccin. Dado que los dimetros estn especificados, ser fundamental determinar el coeficiente de transferencia de calor por conveccin (h), para predecir el intercambio de calor. 2.3 Distribucin de temperaturas en intercambiadores de tubo concntrico La distribucin de temperaturas de un intercambiador de tubo concntrico simple en flujo paralelo y en contracorriente se muestra en las siguientes figuras:

Th,i =temperatura del fluido caliente a la entrada del intercambiador Th,o =temperatura del fluido caliente a la salida del intercambiador Tc,i =temperatura del fluido fro a la entrada del intercambiador Tc,o =temperatura del fluido fro a la salida del intercambiador En el intercambiador del flujo paralelo, la zona ms caliente del fluido caliente intercambia calor con la zona ms fra del fluido fro, en la regin de entrada. Al comienzo la transferencia de calor es grande ya que la diferencia de temperaturas es mxima, pero esa diferencia decae rpidamente a lo largo del intercambiador, aproximndose asintticamente a cero. Es importante decir que para este tipo de intercambiadores, la temperatura de salida del fluido fro nunca excede a la temperatura de salida del fluido caliente. En el de flujo contracorriente, la zona ms caliente del fluido caliente intercambia calor con la zona ms caliente del fluido fro y la zona ms fra del fluido caliente con la zona ms fra del fluido fro. Esta configuracin proporciona una transferencia de calor tan buena, entre las partes calientes de ambos fluidos en un extremo, como entre las partes fras en el otro extremo. Adems la temperatura de salida del fluido fro puede exceder a la temperatura de salida del fluido caliente. 2.4 Diferencia media logartmica de temperaturas Como hemos visto, la diferencia de temperaturas entre los fluidos vara a lo largo del intercambiador. Por eso es conveniente definir un valor medio (DTm) para calcular la transferencia de calor total:

A partir del anlisis desarrollado en la mayora de los libros de texto de transferencia de calor, encontramos que la diferencia de temperatura media apropiada es una diferencia de temperatura media logartmica (DTlm):

Que incorporada al clculo de la tasa de transferencia de calor

Notar que, para mismas temperaturas de entrada y salida, DTlm para flujo contracorriente es mayor que para flujo paralelo. De este modo, el rea requerida para una determinada tasa de transferencia de calor q es menor para contracorriente que para flujo paralelo, asumiendo el mismo valor de U. 2.5 Clculo del coeficiente de transferencia de calor a partir de la tasa de transferencia de calor Dos relaciones importantes para el anlisis de un intercambiador de calor son los balances de energa globales, tanto del fluido caliente como del fluido fro. Despreciando los cambios de energa potencial y cintica a lo largo del intercambiador, obtenemos: Tasa general de transferencia de calor desde el fluido caliente:

Tasa general de transferencia de calor desde el fluido frio:

Donde mh y mc son los gastos msicos, y Cph y Cpc son los calores especficos de los fluidos caliente y fro. Nota: En teora, qh debiera ser igual a qc pero debido a prdidas de energa al ambiente y a errores de medida en instrumentos y en observaciones, no son exactamente iguales. Anteriormente dedujimos otra expresin importante para la transferencia de calor a partir de una extensin de la ley de enfriamiento de Newton utilizando U en lugar de h:

Si obtenemos q a partir de la ecuacin [2.8.1] [2.8.2] (utilizaremos la ecuacin [2.8.1] ya que el efecto de las prdidas a los alrededores del fluido caliente es menor. El coeficiente global de transferencia de calor multiplicado por el rea de transferencia ser:

Nota: Se puede calcular U, obteniendo un valor medio del rea de transferencia:

Donde Dint y Dext son los dimetros interiores y exterior del tubo interior y L es la longitud del intercambiador. 2.6 Mtodo ntu-efectividad para el anlisis de un intercambiador de calor Si las temperaturas de salida del intercambiador no son conocidas, para calcular la tasa de transferencia de calor a partir de la diferencia media logartmica de temperaturas tendramos que resolver el problema por iteracin, partiendo de un valor aproximado de una de las temperaturas. Este mtodo sera lento y costoso. En estos casos es preferible usar el mtodo NTU-Efectividad. Primero definimos la efectividad como el cociente entre el calor realmente intercambiado y el mximo que podra transferirse en un intercambiador de rea infinita en flujo contracorriente.

Donde qmaximo = mh Cph ( Th,i - Tc,i ) si mh Cph < mc Cpc porque el fluido caliente experimentara el cambio mayor de temperatura y qmaximo = mc Cpc ( Th,i - Tc,i ) si mc Cpc < mh Cph porque el fluido fro experimentara el cambio mayor de temperatura siendo (Th,i - Tc,i ) el mximo posible de diferencia de temperaturas que sufrir uno de los dos fluidos. Por lo tanto, la efectividad ser:

El nmero de unidades de transmisin (NTU) es un parmetro adimensional ampliamente usado para el anlisis de intercambiadores de calor y se define como:

Por otro lado podemos definir el coeficiente de capacidad (CR):

Ahora podemos expresar e como funcin de CR y de NTU:

Una vez calculada la efectividad, las temperaturas a la salida del intercambiador sern:

2.7 Especificaciones del intercambiador Intercambiador de calor Formado por tubos de acero inoxidable con agua caliente circulando por el interior. 4 deflectores segmentados situados de forma transversal en el tubo. Longitud de intercambio del tubo exterior y de cada tubo: L=0.5m Tubo interior: Dimetro interno: Dint = 810- 3 m Dimetro externo: Dext = 1010- 3 m Espesor = 10- 3 m rea interna de transferencia de calor: Ah = 0,0126 m2 rea externa de transferencia de calor: Ac = 0,0157 m2 Tubo exterior: Dimetro interno: Dint,c = 0,148 m Dimetro externo: Dext,c = 0,160 m Espesor = 6 10- 3 m

Prctica 4: Balance global de energa en el intercambiador y estudio de prdidas

1. OBJETIVOS

Realizar el balance global de energa en el intercambiador calculando el Calor cedido por el fluido caliente, el calor ganado por el fluido fro y las prdidas de calor. Calcular la diferencia de temperaturas media logartmica y el coeficiente global de transferencia de calor.

2. MATERIALES

Intercambiador de tubos concntricos EDIBON TICT.

3. PROCEDIMIENTO

1) Comprobar que las vlvulas estn abiertas y que tenemos configuracin en flujo contracorriente.

2) Comprobar que el depsito de calentamiento est lleno de agua, por encima del interruptor de nivel.

3) Encender la bomba y la resistencia (alimentacin del equipo). 4) Fijar la temperatura del depsito en 38.2 C (ST1). 5) Fijar el caudal de agua caliente en unos 1.5 l/min (SC1)y ajustar el caudal de agua fra

hasta alcanzar condiciones de operacin estacionarias mantenindose la temperatura fijada en el depsito constante.

6) Anotar las medidas de temperaturas y caudales en la hoja experimental. Repetir los pasos 5 y 6 para distintas temperaturas del agua del depsito: 36.9 c y 38.4C.

7) Una vez realizadas las medidas, calcular el calor cedido por el agua caliente, el calor absorbido por el agua fra, las prdidas de calor, la diferencia de temperaturas media logartmica y el coeficiente global de transferencia de calor.

4. RESULTADOS Y TABLAS

Tabla para la recogida de medidas durante la prctica. Tabla 4.5.1.

A partir de estas medidas recogidas se pide calcular las siguientes variables termodinmicas:

Calor cedido por el agua caliente (qh) Calor absorbido por el agua fra (qc) Prdidas de calor (ql)

ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3

ST1 ( C ) 38.2 36.9 38.4

ST2 ( C ) 20.5 21.2 20.7

ST3 ( C ) 30.6 32.0 30.7

ST4 ( C ) 20.1 20.5 20.3

ST5 ( C ) 29.5 30.8 29.5

ST6 ( C ) 19.1 19.3 19.3

ST7 ( C ) 27.5 28.8 27.5

SC1 ( l/min ) 1.5 1.5 1.5

SC2 ( l/min ) 2.1 2.1 2.1

Diferencia de temperaturas media logartmica entre el agua caliente y el agua fra (DTlm)

Coeficiente global de transferencia de calor (U). Clculos realizados

32.251322.9

42.324014.0*

014137.0

09.0)5.0(

2

018.05.0.

2

10.1010.85.0.

.

114.205

40.1../186.4.min/2100

.

42.324

)10.3).(./186.4.(min/1500

..

22.9

40.8

10.10

40.810.10

33

67

23

23

2

1

21

U

mA

mA

mA

mA

t

qAU

wQ

cgcJgQ

tcmQ

wQ

cgcJgQ

TcmQ

Intt

ttIn

tt

t

tIn

ttt

n

c

c

ec

n

n

en

Ensayo 2

2726

*

369.278

)9.1)(./186.4min(/2100

))(./186.4min(/2100

67.397

8.3)../186.4.(min/1500

)).(./186.4.(min/1500

42.10

5.9

4.11

5.94.11)(

26

73

67

23

8723

2

1

21

U

tim

QAU

wQ

gcJgQc

ttgcJgQ

wQ

cgcJgQ

cttgcJgQ

Intt

ttIn

tttt

t

tIn

ttt

h

c

C

n

n

n

33.2630

07.9

334014.0*

*

51.1464.1.

18.4*min

1500

3342.3.

185.4*min

1500

07.9

2.8

10

2.810

3

67

23

6723

U

U

T

QAU

wcgc

JgQ

wcgc

JgQ

Intt

ttIn

ttttTim

Ensayo

n

C

n

Resultados en el cuadro:

ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3

qh ( w ) 324.42 397.67

qc ( w ) 146.51 198.83 146.51

ql ( w ) 470.93 596.50 480.51

DTlm ( k ) 9.22 10.42 9.07

U ( w/m2 k ) 2513.32 2726 2630.33

Tabla 4.5.2.

Prctica 5: Determinacin de la efectividad del intercambiador. Mtodo NTU

1. OBJETIVOS

Determinar la efectividad del intercambiador tanto experimentalmente como tericamente (con el mtodo NTU) y compararlas. Estimar las temperaturas de salida del agua caliente y del agua fra y compararlas con los valores medidos.

2. MATERIALES

Intercambiador de tubos concntrico, EDIBON TICT.

3. PROCEDIMIENTO

1) Comprobar que las vlvulas estn abiertas y que tenemos configuracin en flujo contracorriente.

2) Comprobar que el depsito de calentamiento est lleno de agua, por encima del interruptor de nivel.

3) Encender la bomba y la resistencia (alimentacin del equipo). 4) Fijar la temperatura del depsito en 65 C (ST1). 5) Fijar el caudal de agua caliente en unos 3 l/min (SC1) y ajustar el caudal de agua fra

hasta alcanzar condiciones de operacin estacionarias mantenindose la temperatura fijada en el depsito constante.

6) Anotar las medidas de temperaturas y caudales en la hoja experimental. 7) Posicionar las vlvulas convenientemente para invertir el sentido del flujo de agua fra

consiguiendo una disposicin en flujo paralelo. 8) Asegurarnos de que se mantienen 65C en el depsito y que circulan los mimos

caudales de agua fra y caliente que fijamos en el paso 5. 9) Una vez estabilizado el sistema anotar las medidas de temperaturas y caudales en la

hoja experimental. 10) Una vez realizadas las medidas, calcular la efectividad experimental, la efectividad

terica con el mtodo NTU, y las temperaturas tericas a la salida del intercambiador.

4. RESULTADOS Y TABLAS Tabla para la recogida de medidas durante la prctica

ENSAYO 1 Flujo contracorriente

ENSAYO 2 Flujo paralelo

ST1 ( C ) 36.9 36.9

ST2 ( C ) 21.2 19.4

ST3 ( C ) 32.6 33.2

ST4 ( C ) 20.5 20.9

ST5 ( C ) 30.8 31.4

ST6 ( C ) 19.3 21.4

ST7 ( C ) 28.8 29.3

SC1 ( l/min ) 1.5 1.5

SC2 ( l/min ) 2.1 2.1

Tabla 5.4.1 A partir de estas medidas recogidas se pide calcular las siguientes variables termodinmicas:

Efectividad experimental (e) Calor cedido por el agua caliente (qh) Diferencia de temperaturas media logartmica entre el agua caliente y el agua fra

(DTlm). Los parmetros: UA, NTU y CR. Efectividad obtenida con el mtodo NTU (eNTU) Temperaturas a la salida del intercambiador tanto del agua caliente como del agua fra

obtenidas a partir de la efectividad experimental (Th,o y, Tc,o)

Operaciones realizadas:

a) paralelo

TT

TT

ientecontracorr

TT

TT

TT

TT

icih

ohih

28,0

4,192,33

3,292,33

28,0

3,196,32

8,286,32

23

73

63

73

..

..

b)

c)

Wq

segjq

Cjxxg

q

TTcpmq

ientecontracorrEn

TTcpmq

q

q

h

h

h

hhh

cihihh

real

67,397

/67,397

)8,286,32(186,4min

1500

)(

:

)(

73

max

max

KTlm

CTlm

Tlm

ientecontracorrEn

KTlm

CTlm

Tlm

paraleloEn

TTT

TTT

TTT

T

T

TTTlm

Wqh

segjqh

xseg

jqh

CCg

j

seg

gqh

55,283

55,10

5,9

4,11ln

)3,198,28()2,216,32(

:

35,283

35,10

8,7

8,13ln

)4,213,29()4,192,33(

:

)(

)(

)(

ln

135,408

/135,408

)9,3(65,104

)3.292.33.(.

186,4.

60

min1.

min

1500

233

272

231

2

1

21

d)

e)

79,3

/38,0

/44,1

min).(

.

:

68,3

/38,0

/4,1

/38,0min),_(

186,425min)._(

/2560

min1

min1500_

min/5,1_

min).(

.

:

44,135,283

135,408)/(.

40,155,283

67,397)/(.

min

min

NTU

KW

KWNTU

cpm

AUNTU

Paralelo

NTU

KW

KWNTU

KWcpm

Cg

jx

seg

gcpm

seggseg

xg

m

Lm

cpm

AUNTU

ienteContracorr

paraleloKWAU

ientecontracorrKWAU

70,0

/54,0

/38,0

/54,0max)._(

)

186.435(max)._(

/35

60

min1

min2100

min/1,2

38,0min)._(

max).(

min).(

:

max

max

max

R

R

R

C

KW

KWC

KWcpm

Cg

jx

seg

gcpm

seggm

segx

gm

Lm

K

Wcpm

cpm

cpmC

ientecontracorrEn

f)

g)

87,0

.7,01

1

3.7,01

1

..1

1

59,0

7,01

1

.1

1

104,1

104,1

)7,01(68,3

)7,01(68,3

)1(

)1(

)7,1(79,3

)1(

e

e

e

e

ientecontracorrfeC

e

e

paralelofC

e

R

R

R

CNTU

R

CNTU

R

CNTU

pararleloT

T

TTTT

TTCTT

ientecontracorrCT

T

TTCTT

TTCTT

CT

T

TTTT

oc

oc

oc

ohihRicoc

oc

oc

Roc

ohihRicoc

oh

oh

icihihoh

13,22

)3,292,33(7,04,19

)(7,0

)(

96,21

)8,286,32(7,03,19

)(

)(

336,29

)4,192,33(28,02,33

)(

.

.

732.

....

.

.

736.

....

.

.

....

Resultados en el cuadro:

ensayo 1(flujo contracorriente ) ensayo 2(flujo paralelo)

e 0.28 0.28

qh ( w ) 397.67 408.135

DTlm ( k ) 283.55 283.35

UA ( w/k ) 1.4 1.44

NTU 3.68 3.79

CR 0.7 0.7

eNTU 0.87 0.59

Th,o ( C ) 28.876 29.336

Tc,o ( C ) 21.96 22.13

Tabla 5.4.2

Prctica 6: Estudio de la transferencia de calor en condiciones de flujo contracorriente y en condiciones de flujo paralelo

1. OBJETIVO

Comparar la transferencia de calor en condiciones de flujo contracorriente con las condiciones de flujo paralelo.

Representar la distribucin de temperaturas a lo largo del intercambiador en ambas configuraciones.

2. MATERIALES

Intercambiador de tubos concntricos Edibon TICT.

3. PROCEDIMIENTO

1) Comprobar que las vlvulas estn abiertas y que tenemos configuracin en flujo contracorriente.

2) Comprobar que el depsito de calentamiento est lleno de agua, por encima del interruptor de nivel.

3) Encender la bomba y la resistencia (alimentacin del equipo). 4) Fijar la temperatura del depsito en 65 C (ST1).

5) Fijar el caudal de agua caliente en unos 2.5 l/min (SC1) y ajustar el caudal de agua fra hasta alcanzar condiciones de operacin estacionarias mantenindose la temperatura fijada en el depsito constante.

6) Anotar las medidas de temperaturas y caudales en la hoja experimental. Posicionar las vlvulas convenientemente para invertir el sentido del flujo de agua fra consiguiendo una disposicin en flujo paralelo.

7) Asegurarnos de que se mantienen 65C en el depsito y que las temperaturas de entrada y los caudales de agua fra y caliente son iguales o muy parecidos a los obtenidos en el caso de contracorriente.

8) Una vez estabilizado el sistema, anotar las medidas de temperaturas y caudales en la hoja experimental.

9) Calcular el calor cedido por el fluido caliente, el ganado por el fluido fro y las prdidas. Determinar la diferencia de temperaturas media logartmica y representar la distribucin de temperaturas.

4. RESULTADOS Y TABLAS

Tabla para la recogida de medidas durante la prctica

ensayo 1( flujo contracorriente) ensayo 2(flujo paralelo

ST1 ( C ) 38.2 38.2

ST2 ( C ) 20.6 19.3

ST3 ( C ) 30.6 33.2

ST4 ( C ) 20.1 20.8

ST5 ( C ) 29.5 31.4

ST6 ( C ) 19.1 21.4

ST7 ( C ) 27.5 29.3

SC1 ( l/min) 1.5 1.5

SC2 ( l/min 2.1 2.1

Tabla 6.4.1 A partir de estas medidas recogidas se pide calcular las siguientes variables termodinmicas:

Calor cedido por el agua caliente (qh). Calor absorbido por el agua fra (qc). Prdidas de calor (ql). Diferencia de temperaturas media logartmica entre el agua caliente y el agua fra

(DTlm).

CALCULOS REALIZADOS:

Contracorriente

sgsgkgmh /2560/1000min/5.1 sgsgkgmc /3560/1000min/1.2

wq

sJq

ccgJsgq

TTcmq

h

h

h

phhh

415.324

/415.324

)5.276.30(/186.4/25

)( 73

wql

wql

qqql ch

301.119

)114.205415.324(

KTlm

Tlm

CTlm

cTlm

TT

TT

TTTTTlm

T

T

TTTlm

239.282

273239.9

239.9

1.195.27

5.206.30ln

)1.195.27()5.206.30(

ln

)()(

ln

67

23

6723

2

1

21

PARALELO

wq

sJq

ccgJsgq

TTcmq

c

c

c

pccc

114.205

/114.205

)5.201.19(/186.4/35

)( 26

KTlm

Tlm

cTlm

cTlm

TT

TT

TTTTTlm

sJql

ql

qqql

wq

sJq

ccgJsgq

TTcmq

wq

sJq

ccgJsgq

TTcmq

ch

c

c

c

pccc

h

h

h

phhh

619.283

273619.10

619.10

4.213.29

3.192.33ln

)4.213.29()3.192.33(

ln

)()(

/434.100

670.307105.408

671.307

/671.307

)3.194.21(/186.4/35

)(

105.408

/105.408

)3.292.33(/186.4/25

)(

67

23

6723

26

73

ensayo 1(flujo contracorriente) ensayo 2(flujo paralelo)

qh ( w ) 324.415 408.105

qc (w) -205.114 307.671

ql ( w ) 119.301 100.434

DTlm ( k ) 282.239 283.619

Tabla 6.4.2 5. GRAFICAS COMPLEMENTARIAS

Representar la distribucin de temperaturas para flujo contracorriente y para flujo paralelo. Para ello representar en el eje de ordenadas los valores de la temperatura del agua caliente y del agua fra en C (T); y en el eje de abscisas representar la posicin a lo largo del intercambiador en metros (x). Tener en cuenta que la longitud de intercambio es de 10,5 m y que tenemos cuatro puntos para medir la temperatura:

Agua fra: ST2 en x=0 ST4 en x= 0,125m ST6 en x=0,25m ST8 en x=0, 375 ST10 en x= 0 m ST7 en x=0,5m

Agua caliente: ST3 en x=0 ST5 en x=0,5m

1 MUESTRA DE FLUJO CONTRA CORRIENTE

Grfico:

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Linea azul: flujo caliente

Lnea anaranjada: flujo frio

2 MUESTRA DE FLUJO CONTRA CORRIENTE

Grfico:

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Linea azul: flujo caliente

Lnea anaranjada: flujo frio

1 MUESTRA DE FLUJO PARALELO

Grfico:

2 MUESTRA DE FLUJO PARALELO

Grfico:

I. RECOMENDACIONES Y DISCUSIN GENERAL Antes de empezar la prctica debemos mantener el orden y disciplina para evitar

cualquier tipo de incidentes desfavorables. Los tubos deben estas aislados sin tener agujeros por donde pueda escapar el agua y

evitar la transferencia de calor al exterior. Llenar con la cantidad suficiente de agua en el sistema de calentamiento por encima del interruptor de nivel.

En los resultados del cuadro 5.4.2 el calor cedido por el agua caliente en el flujo

paralelo es mayor que el obtenido en el flujo contracorriente, y en la tabla 6.4.2 observamos que el calor absorbido por el agua fra en el flujo paralelo es mayor que el obtenido por el flujo contracorriente; por lo tanto podemos decir que la mayor efectividad de la transferencia de calor en tubos concntricos ser en un flujo paralelo y esto se da porque en el intercambiador del flujo paralelo, la zona ms caliente del fluido caliente intercambia calor con la zona ms fra del fluido fro, en la regin de entrada. Al comienzo la transferencia de calor es grande ya que la diferencia de temperaturas es mxima, pero esa diferencia decae rpidamente a lo largo del intercambiador, aproximndose asintticamente a cero. Es importante decir que para este tipo de intercambiadores, la temperatura de salida del fluido fro nunca excede a la temperatura de salida del fluido caliente.

II. CONCLUSIONES

En el flujo paralelo podemos notar que los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproximan la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio trmico entre ellos. Queda claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido ms caliente.

En el flujo contracorriente podemos notar que cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos ya que el fluido con menor temperatura sale en sentido contrario del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido ms fro se aproxima a la temperatura del fluido de entrada.

Este tipo de intercambiador (contracorriente) resulta ser ms eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contracorriente puede presentar la temperatura ms alta en el fluido fro y la ms baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.

Practica 5: Comparando los valores de Efectividad Experimental Y Efectividad obtenida por el mtodo NTU concluimos que la efectividad

experimental en ambos casos es igual pero si vemos la efectividad obtenida por el mtodo NTU afirmamos que el flujo contracorriente es ms efectivo.

PRACTICA 6: El calor cedido por el agua caliente en el flujo contracorriente es menor que el cedido en flujo paralelo y el calor cedido por el agua fra en flujo paralelo tambin es mayor que ha cedido en flujo contracorriente por lo tanto en ambos casos en el flujo paralelo hay una mayor transferencia de calor. Sin embargo hay ms prdidas de calor de calor en el flujo contracorriente.

III. ANEXOS Circuito del intercambiador de calor en flujo contracorriente.

Circuito del intercambiador de calor en flujo paralelo.