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Intercambiador de calor experimental y casero
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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¡No te pierdas las partes importantes!
Los intercambiadores de calor están presentes en la mayoría de sistemas térmicos
complejos de las industrias y son los más apropiados para la transferencia de calor
en las aplicaciones de los procesos industriales. Son utilizados para: procesos
donde se condensen vapores de refrigerantes o condensación de vapor de agua,
procesos de evaporación de refrigerantes agua u otros líquidos, procesos de
extracción de calor y calentamiento regenerativo del agua de alimentación a
calderas y muchas otras aplicaciones industriales. El presente experimento
consiste se lleva a cabo en el intercambiador de casco y tubo y el intercambiador
de doble tubo, en los cuales se determinará valores experimentas de temperatura
y flujos volumétricos de los fluidos caliente y frio a la salida del intercambiador
de calor.
El presente experimento se llevó a cabo en dos tipos de intercambiadores de calor,
Camila y Nayely realizaron el experimento en el intercambiador por cascos y
tubos y Rocio en un intercambiador de doble tubo, no fue posible realizarlo en
un laboratorio debido a la crisis sanitaria actual. Cada una debía construir su
intercambiador de calor, por lo cual se debía conseguir los materiales necesarios
para realizar la experiencia, una de las dificultades fue conseguir un termómetro.
Dos integrantes del grupo contaban con un termómetro en casa, por lo cual dos
integrantes se reunieron debido a que vivían cerca, para llevar a cabo esto se
tomaron las medidas de protección necesarias.
Evaluar los coeficientes de película externo e interno mediante la
determinación de valores experimentas de temperatura y flujos volumétricos
de los fluidos caliente y frio a la salida del intercambiador de calor.
Análisis del coeficiente global de transferencia de calor en los dos
intercambiadores construidos.
Sistema abierto: Intercambia masa y energía
Sistema estacionario: Existen flujos de entrada y salida, pero la acumulación
es cero.
Área de transferencia A m
2
Área de la sección
transversal, tubos
A trans m
2
Fuente: Elaboración propia
2.1.1. Intercambiador de calor:
Un equipo de intercambio de calor es el que transfiere energía térmica desde una
fuente o un fluido a alta temperatura hacia un fluido a baja temperatura con ambos
fluidos moviéndose a través del aparato. Esta transferencia puede realizarse por
contacto directo entre los fluidos o a través de una pared que separa la fuente y el
fluido o los fluidos.
2.1.2. Calor:
Transferencia de energía térmica (es decir, de energía y entropía). Ocurre siempre
desde un material caliente a uno más frio. La transferencia de calor puede cambiar
la energía interna de los materiales.
2.1.3. Flujo en contracorriente:
Distribución en la que los fluidos entran por extremos opuestos y fluyen en
direcciones opuestas. En contraste con el de flujo paralelo, esta configuración hace
que haya transferencia de calor entre las partes más calientes de los dos fluidos en
un extremo, así como entre las partes más frías en el otro, por lo que ahora si la
temperatura de salida del fluido frío puede exceder la temperatura de salida del
fluido caliente.
2.1.4. Convección:
La convección es la transmisión calorífica entre una pared y un fluido en
movimiento, ambos con una temperatura distinta. En el caso de los
intercambiadores térmicos, hablamos de convección forzada ya que se produce
por circulación artificial (bombas, turbinas, etc.).
Tabla 4 : Temperaturas de entrada y salida de trabajo
Fuente: Diaz S. (2016)
Tabla 5 : Propiedades de los fluidos de trabajo
Fuente: Diaz S. (2016)
La Temperatura logarítmica media:
Coeficiente global de transferencia de calor:
Fuente: Diaz S. (2016)
Donde:
hc = Coeficiente de convección del fluido caliente [W/m2°C].
hf = Coeficiente de convección del fluido frio [W/m2°C].
Km = Conductividad térmica del material de la placa [W/m2°C].
t = Espesor de la placa [m].
Cc= Coeficiente de ensuciamiento de fluido caliente [W/m2°C].
Fuente: Dávila W., Obando F., (2006)
Dónde: ∆Tml está en ºC, la temperatura de entrada (1) y salida (2) de las
corrientes caliente (c) y fría (f).
adimensionales son:
Fuente: Dávila W., Obando F., (2006)
Dónde: Re D
= número de Reynolds; Pr = número de Prandtl; NuD = número
de Nusselt; p = densidad del fluido, [Kg/m3]; V = velocidad media del fluido,
[m/s]; u = viscosidad dinámica del fluido, [kg/m*s]; Cp = calor especifico del
fluido, [ws/kgºC]; k = conductividad térmica, [w/m*ºC]; h = coeficiente de
Transferencia de Calor por convección, [w/m2*ºC]; D = diámetro de la
tubería, [m]
con respecto al fluido de trabajo.
Fluido laminar:
Fuente: Dávila W., Obando F., (2006)
Para flujo laminar totalmente desarrollado en la tubería (L / D >> 60); D:
Diametro hidráulico; Ac = área de la sección transversal, [m2]; P = perímetro
mojado, [m]
Fluido transitorio:
Fuente: Dávila W., Obando F., (2006)
Dónde: Reynolds está comprendido entre 2100<Re<
Fluido turbulento:
Fuente: Dávila W., Obando F., (2006)
Dónde: El Reynolds es mayor a 10000; 0.7 < Pr < 100; L/D>60; n=0,3 si
está enfriando el fluido y n=0,4 si está calentando el fluido.
Este valor se refiere a la transferencia de calor que teóricamente se alcanza
en el equipo cuando este se encuentra libre de incrustaciones. Es un cálculo
teórico que considera solamente la resistencia conductiva de las placas y las
resistencias convectivas de las dos corrientes.
Fuente: Dávila W., Obando F., (2006)
Dónde: Ut está dado en (W/ m2*K); ∆x es el espesor de la placa; k es la
conductividad térmica del material (W/m*K)
3.1.1.1. Conexiones
caliente con la entrada al casco.
fueron de un tanque de descarga, y de un caño respectivamente.
3.1.1.2. Mediciones (Camila y Nayely)
conseguir un flujo estacionario.
era necesario para tomar un volumen de 100 ml.
modificando tres flujos de ellos y dos de flujo caliente, cada 90
segundos.
Figura 5 : Salida de agua Fría Figura 6 : Medición de Temperatura.
Fuente : Elaboración Propia Fuente : Elaboración Propia
Figura 7 : Medición de Temperatura.
Fuente : Elaboración Propia
3.1.1.3. Mediciones (Rocío)
definidos por un balde con caño y el otro fue la incorporación de una
manguera al balde.
determinado volumen de un recipiente que en mi casi fue el de una
jarra de 2,5L
salida en lapsos de tiempo de 15 segundos.
Tabla 8 : Tabla modelo para recopilación de datos
FLUJOS
CALIENTES
CONSTANTE
VARIACIÓN FLUJOS FRIOS
A B
Tiempo (s) Th1,°C Tc1,°C Th2,°C Th1,°C Tc1,°C Th2,°C
a 0 42 32 42 32
15 42 32 42 32
30 42 32 42 32
45 42 32 42 32
Fuente : Elaboración Propia
Figura 8 : Instalación del Intercambiador de Calor sobre una caja de fruta que
previamente se elaboró
Fuente : Elaboración Propia
.
Figura 9 : Método para hallar Figura 10 : Agua caliente que
el Flujo de Agua Fría será regulada hasta los 42ºC
Fuente : Elaboración Propia Fuente : Elaboración Propia
Colocar un estabilizador para el Intercambiador de Calor, para evitar que
este ruede.
Contar con trapos secos, para limpiar los derrames de fluidos y evitar
posibles caídas.
Asegurar los recipientes de Agua Caliente, para evitar fugas y
quemaduras.
Tomar las muestras en recipientes cerrados con una pequeña abertura
para colocar el termómetro, para evitar que estos se rocíen.
1.1.3.1. Módulo de Camila y Nayely
Figura 13 : Intercambiador de Calor de Cascos y Tubos
Fuente: Elaboración Propia (AUTOCAD)
Tabla 9 : Diseño del sistema de Agitación para suspensión de sólidos
Casco
Diámetro interno (D
ic
5.03cm
Longitud (L) 57 cm
DiámetroExterno(𝐷
𝑒𝑐
) 5.30cm
Tubos
Diametro externo (𝐷
𝑒𝑡
1
) 0. 7 cm
Diámetro interno(𝐷
𝑖𝑡
) 0. 8 cm
Longitud(L) 41 cm
Tubo de Salida fluido frío
Diámetro interno(𝐷
𝑖𝑐
Altura del tubo(ℎ
𝑐
) 3.1cm
Tubo de Salida fluido caliente
Diámetro interno(𝐷
𝑖ℎ
Altura del tubo(ℎ
ℎ
) 2 .5cm
Bafles
Altura (
1.68cm
Fuente: Elaboración Propia
Se eligió este tipo de intercambiador de calor, debido a que tiene una mayor
área de transferencia, el fluido caliente circula por el casco, debido a que
tiene un mayor volumen y se desea que haya un mayor intercambio de calor,
a pesar de que se podría generar pérdidas de calor al ambiente.
Los fluidos no van en contracorriente, debido a que se trabajó con flujos muy
pequeños, que no generaban suficiente fuerza como para ser impulsados en
dicho sentido.
1.1.3.2. Módulo de Rocío
Figura 14 : Intercambiador de calor de casco y doble paso
Fuente: Elaboración Propia (Dibujo a mano)
Tabla 10 : Dimensiones de los componentes del intercambiador
Tubos Coraza Tubo de out/in
del fluido frio
Tubo de out/in del
fluido caliente
Diámetro interno 1,95 cm 7,8 cm 1,95 cm 1,95 cm
Diámetro externo 2 cm 7,9 cm 2 cm 2 cm
Longitud
61,5 cm 63,2 cm 9,8 cm 11 cm
Espesor 0,5 mm 1 mm 0,5 mm 0,5 mm
Material Aluminio PVC Aluminio Aluminio
Fuente: Elaboración Propia
Este tipo de intercambiador se construyó con la finalidad de que haya una mayor
área de transferencia de calor entre los fluidos en comparación con la de un solo
2 Mangueras de 0.7 cm de diámetro (Entrada y Salida de flujo
Caliente)
2 Tubos de 1.3cm de diámetro (Entrada y Salida de Flujo frio)
2 Tapas para el Tubo.
Bafles
6 Círculos de 5.3 cm de diámetro, con 7 huecos de 0.8 cm de
diámetro cada uno, 4 de ellos partidos en la 1/3 parte.
Tubos
7 Tubos de 45 cm de largo y 0.8 cm de diámetro.
Casco o coraza
Tubo de PVC de 3" de 63,2 cm de longitud.
2 tubos de escoba (material: aluminio) de 2 cm de diámetro y 9,
cm de largo por donde entrará y saldrá el fluido de agua fría.
Se hicieron dos tapas con restos de tubo PVC de 3" para los
extremos de la coraza los cuales después se le incorporaron y
aseguraron con pegamento para evitar fuga del líquido.
Tubos
2 palos de escoba de 61,5 cm de largo y 2 cm de diametro.
1 tubo en U de PVC para unir los palos de escoba.
Se incorporó en los terminales que están expuestos al medio
externo 2 mangueras de PVC para facilitar el ingreso y salida del
fluido caliente debido a la flexibilidad de las mangueras.
Bafle
Son 2 de PVC con diámetros de 7,8 cm, cortados en una
proporción de 2/3 para que pase el agua, en cuyo centro hay
huecos de 2 cm por la cual van a pasar los tubos.
4.1.1. Mediciones de flujo.
Tabla 11: Volumen y tiempo para los flujos frio y caliente
Fuente: Elaboración propia
Tabla 12: Volumen y tiempo para los flujos frio y caliente
Para el flujo b constante (Caliente)
Salida Agua Caliente Salida Agua Fría
Volumen (m3) Tiempo(s) Volumen (m3) Tiempo(s)
A
0.0001 4.5 0.0001 16.
0.0001 4.35 0.0001 15.
0.0001 5.2 0.0001 15.
B
0.0001 4.5 0.0001 8.
0.0001 4.29 0.0001 8.
0.0001 5.28 0.0001 8.
C
0.0001 4.57 0.0001 5.
0.0001 4.82 0.0001 5.
0.0001 4.78 0.0001 5.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 13 : Volumen y tiempo para los flujos frio y caliente
Para el flujo a constante (Caliente)
Diametro (m) Altura
(m)
Tiempo (s) Area(m2) Volumen
(m3)
Caudal
(m3/s)
a 0.132 0.05 13,88 0.0137 0.0007 0.
A 0.132 0,19 92,59 0.0137 0.0026 0.
B 0.132 0,19 17,45 0.0137 0.0026 0.
Fuente: Elaboración propia
Para el flujo a constante (Caliente)
Salida Agua Caliente Salida Agua Fría
Volumen
(m3)
Tiempo(s) Volumen
(m3)
Tiempo(s)
A 0.0001 12.67 0.0001 15
0.0001 15.55 0.0001 17.
0.0001 13.56 0.0001 17.
B 0.0001 14.75 0.0001 8.
0.0001 14.64 0.0001 7.
0.0001 15.04 0.0001 8.
C 0.0001 14.59 0.0001 5.
0.0001 14.97 0.0001 5.
0.0001 14.68 0.0001 5.
30 65 12.9 20.6 2.13847E- 05 1.82648E- 05
60 65 12.9 20.8 2.13847E- 05 1.82648E- 05
90 65 12.9 19.9 2.13847E- 05 1.82648E- 05
Fuente: Elaboración propia
Ecuaciones
Las Variables se encuentran definidas en el ANEXO 1
Flujo de Calor
𝐻
𝑐
𝑐
𝑐 2
𝑐 1
Diferencia media de temperatura logarítmica
𝑔
𝑝
ln (
𝑔
𝑝
Factor de Corrección de temperatura
Coeficiente de efectividad
𝑐 1
𝑐 2
𝑐 1
ℎ 1
Relación de capacidades térmicas
ℎ 1
ℎ 2
𝑐 2
𝑐 1
Coeficiente global de transferencia de calor
𝑜
Área de Transferencia de Calor
𝑖
𝑜
Velocidad del lado interno
𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠
𝑖
2
𝑐
𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠
Coeficiente de película del lado interno por ecuación de Dittus-Boelter
Número de Re
Re =
d
i
∗ Vel ∗ ρ
c
μ
c
Número de Pr
