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Laboratorio de Transferencia de Calor II

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Sandoval Hasing Jorge Andrés

Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)

Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Guayaquil-Ecuador

jasandov@espol.edu.ec

RESUMEN

Los intercambiadores de calor representan una aplicación muy importante en el campo de la

ingeniería, aportando casi en su totalidad en la industria energética y química. Por ello esta

práctica está enfocada al análisis de la transferencia de calor que ocurre dentro de un

intercambiador de calor configurado en contraflujo, recalcando que dicha configuración es la

más eficiente que la configuración en paralelo y si bien no podremos contrastar resultados, se

podrá demostrar calculando el coeficiente global de transferencia de calor U.

Palabras Clave: Coeficiente global de transferencia de calor, contraflujo, flujo paralelo.

INTRODUCCIÓN

En una denominación general para los intercambiadores de calor, son dispositivos que se utilizan para transferir energía de un medio a otro, limitando el campo de acción en nuestro caso a transferencia de energía entre fluidos por convección y conducción ya que su aplicación en el campo de la ingeniería es muy común y eficiente. Los tipos de intercambiador de calor se clasifican de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción. En nuestro caso definiremos los tipos de intercambiadores de calor según el arreglo del flujo. Flujo Paralelo. En éste arreglo el fluido frío y caliente circulan en la misma dirección, la estructura por donde circulan los fluidos dependen del tipo de fluido, la aplicación y las condiciones locales con las que se posea. Contraflujo Arreglo de intercambiador de calor por el cual los fluidos expuestos a la transferencia

de energía fluyen en sentidos contrarios. En éste arreglo la temperatura del fluido frio puede llegar a ser mayor que la temperatura de salida del fluido caliente. En cuanto a funcionamiento resulta el mejor y más usado ya que en estado estable la diferencia de temperaturas de entrada no es tan elevada como para producir una fatiga térmica por choque térmico continuo, efecto que ocurre en el arreglo de flujo paralelo.

Ilustración 1. Configuración de intercambiadores de

calor según arreglo de flujo.

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EQUIPOS E

INSTRUMENTACIÓN

Intercambiador de Calor con medidores de flujo WARD HEAT

Cronómetro. Válvulas de control de flujo. 18 Termómetros Rotámetros.

PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTAL

1. Se configura el banco de pruebas

para un intercambiador de calor de 8

pasos para que trabaje en

contraflujo, abriendo las válvulas H y

K y las válvulas J y G dejarlas cerradas.

2. Antes de comenzar la medición hay

que esperar unos minutos hasta que

el agua se caliente y pueda realizase

la transferencia de calor.

3. Las mediciones se llevan a cabo para

cada caudal de fluido caliente se varía

tres veces el caudal de fluido frío y en

cada variación se realiza la toma de

temperaturas.

4. En la toma de Temperaturas para

cada configuración de caudal del flujo

caliente respecto al flujo frio se debe

esperar un intervalo de 5 minutos,

principalmente para que las

temperaturas se estabilicen.

RESULTADOS

En la sección de ANEXOS se

detallan los resultados obtenidos.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

La variación del flujo de agua se analiza que

el porcentaje de calor perdido aumenta a la

vez que el flujo de agua disminuye, esto se

debe a que al aumentar el flujo del agua, la

diferencia de temperaturas generada por el

calor es menor, y por lo tanto la diferencia

de temperaturas con el ambiente va a ser

menor también, y se va a transmitir menor

cantidad de calor con el ambiente.

Pudimos obtener los errores de los dos tipos

de flujo y podemos concluir que el

contraflujo es más eficiente que el flujo

paralelo ya que hay una mayor diferencia de

temperatura en cambio en paralelo tiende a

ser constante.

El coeficiente convectivo individual para

cada tubo, tiene un aumento directamente

proporcional al flujo.

CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES

Se calculó el coeficiente de transferencia de

calor total U del intercambiador de calor.

Para el intercambiador de calor en

contraflujo se necesita menor área de

transferencia.

Esperar el tiempo suficiente para logar que

el agua se caliente y pueda estabilizarse para

efectuar una buena práctica.

REFERENCIAS

Fundamentos de Transferencia de Calor –

Frank P. Incropera. 4ta Edición. McGraw

Hill

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ANEXOS

Q [L/h] Temperatura [°C]

𝑻𝒄𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑻𝒇𝒓𝒊𝒐 𝑻𝒄𝒆 𝑻𝒉𝒆 𝑻𝒉𝒔 𝑻𝒄𝒔

400 400 41 60 49 34

400 800 40 60 49 33

400 1000 39 59 48 31

800 400 40 60 50 30

800 800 42 60 50 30

800 1000 41 60 50 30

1000 400 45 60 51 31

1000 800 43 59 50 30

1000 1000 42 59 50 30 Tabla 1. Temperaturas de intercambio de calor en contraflujo.

Q [L/h] Temperatura [°C] U [J/m-°C]

𝑻𝒄𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑻𝒇𝒓𝒊𝒐 ∆𝑇ℎ = 𝑇ℎ𝑒 − 𝑇ℎ𝑠

∆𝑇𝑐 = 𝑇𝑐𝑒 − 𝑇𝑐𝑠

MLDT

400 400 19 15 16,92 514,92

400 800 20 16 17,93 675,09

400 1000 20 17 18,46 812,91

800 400 20 20 20 726,09

800 800 18 20 18,98 1122,02

800 1000 19 20 19,50 1179,38

1000 400 15 20 17,38 1016,56

1000 800 16 20 17,93 1309,68

1000 1000 17 20 18,46 1376,71

Tabla 2. Coeficiente Total para contraflujo

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Agua Tubería Fluido Flujo [kg/s] Temp Media [°C] Pr K

[W/m°C] Viscocidad K

[W/m°C] Re Nud hi

Caliente Caliente Dinamica [uPa /s] [W/m² °C]

0,11 54,5 3,27579 0,648 507,993

240

16732,85 78,56 3064,6711

0,11 54,5 3,27579 0,648 507,993 16732,85 78,56 3064,6711

0,11 53,5 3,33424 0,6475 516,223 16466,08 77,96 3039,2693

0,22 55 3,24721 0,649 503,96 33733,51 137,29 5364,2029

0,22 55 3,24721 0,649 503,96 33733,51 137,29 5364,2029

0,22 55 3,24721 0,649 503,96 33733,51 137,29 5364,2029

0,28 55,5 3,21903 0,6497 499,979 42502,62 164,73 6443,4898

0,28 54,5 3,27579 0,648 507,993 41832,11 163,50 6378,7536

0,28 54,5 3,27579 0,648 507,993 41832,11 163,50 6378,7536

Tabla 3. Propiedades de fluido caliente.

Agua Tuberia Fluido

Flujo [kg/s] Temp Media [°C] Pr K [W/m°C]

Viscocidad K [W/m°C]

Re Nud ho

Frio Frio Dinamica [uPa /s] [W/m² °C]

0,110889 37,5 4,56503 0,627 684,837

240

5781,341 37,083765 9529,3119

0,221778 36,5 4,66569 0,625529 698,299 11339,77 63,986172 16403,773

0,277222 35 4,82346 0,623282 719,315 13760,58 75,447484 19272,565

0,110889 35 4,82346 0,623282 719,315 5504,232 36,248732 9259,5009

0,221778 36 4,71736 0,624785 705,192 11228,93 63,695435 16309,817

0,277222 35,5 4,76994 0,624036 721,197 13724,67 75,038336 19191,239

0,110889 38 4,51599 0,627728 678,264 5837,368 37,250095 9583,1671

0,221778 36,5 4,66569 0,625529 698,299 11339,77 63,986172 16403,773

0,277222 36 4,71736 0,624785 705,192 14036,16 76,1441 19497,415

Tabla 4. Propiedades del fluido frio

Coeficiente Teórico

Coeficiente Practico

Error

1/U U U %

[m-°C/J] [J/m-°C] [J/m-°])

0,0012 818,97 514,92 37,1

0,0011 885,59 675,09 23,8

0,0011 895,44 812,91 9,2

0,0009 1120,63 726,09 35,2

0,0008 1258,10 1122,02 10,8

0,0008 1289,29 1179,38 8,5

0,0008 1234,66 1016,56 17,7

0,0007 1382,95 1309,68 5,3

0,0007 1422,70 1376,71 3,2

Tabla 5. Error experimental de la práctica

5

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 2 3 4 5 6 7 8 9

U [

W/m

²K]

Número de Paso

Coeficiente Total UContraflujo

Grafica 1. Coeficiente global de transferencia VS número de pasos en el intercambiador.