Eficiencia de Intercambiadores de Calor: Paralelo vs Contraflujo, Resúmenes de Matemáticas

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y MECANICA

LABORATORIO Nº

EL EFECTO DE VARIAR EL CAUDAL

CURSO: TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA

PROF.: RENGIFO ABANTO, GUILLERMO

ALUMNOS:

2019-I

La unidad principal de los intercambiadores de calor de sobremesa es un bastidor de montaje compacto que se conecta a un suministro eléctrico adecuado y un suministro y su drenaje de agua fría. Tiene dos circuitos de agua: caliente y fría. Cada circuito tiene un sensor de flujo para medir y mostrar el caudal.

El circuito de agua fría es abastecido de la red, cuyo flujo es regulada mediante una válvula de control manual, a través del intercambiador de calor opcional y hacia un drenaje adecuado.

El circuito de agua caliente tiene un tanque de calentador eléctrico. Un regulador ajusta la temperatura del tanque. El tanque del calentador tiene sensores de flotación de nivel de agua conectados a indicadores de nivel de agua en el tanque. Una prensa para llenar el botón del tanque ubicada en el panel frontal funciona una válvula solenoide que permite al usuario añadir más agua al tanque de suministro frío cuando sea necesario. Una bomba en el circuito de agua caliente recircula agua caliente del tanque, mediante una válvula manual, a través del intercambiador de calor y de retorno al tanque. El sensor de flotador completo del tanque desconecta el solenoide de llenado del tanque cuando alcanza el nivel máximo.

Tubos flexibles con liberación rápida conecta los circuitos de frío y calor del módulo de servicio a los intercambiadores de calor opcionales. Los circuitos de calor y frío tienen diferentes conectores para reducir los errores. Cerca de cada uno de los conectores hay un termopar que se conecta a los enchufes del módulo de servicio para medir la temperatura del agua en la entrada y salida de los intercambiadores de calor.

Un conector de baja tensión del módulo de servicio suministra corriente para el agitador del recipiente con camisa opcional con bobina y agitador. Los paneles de visualización de circuito caliente y frío tienen cada uno un enchufe para la conexión a los equipos opcionales VDAS. VDAS permite la adquisición de datos de este equipo, con el uso de un ordenador adecuado (no suministrado).

IV. MARCO TEORICO

En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido y conducción a través de la pared que la separa.

En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total (U) que toma en cuenta la

contribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de temperatura local, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador.

Temperatura media

Para la mayoría de las ecuaciones de transferencia de calor, y los cálculos de la capacidad calorífica específica y la densidad del agua, debe encontrar la temperatura promedio para los circuitos de caliente y frío en su intercambiador de calor.

T ´^ c =

T (^) c 1 + T (^) c 2 .......................................... ( 1 ) 2

T ´^ H

T H 1 + T H 2

Transferencia de Calor, Balance de Energía y Eficiencia

La velocidad de transferencia de calor es una función del flujo másico de fluido, el cambio de temperatura y la capacidad calorífica específica del fluido (a una temperatura media).

Q ´^ = m ´ c (^) p ∆ T ....................... ( 3 )

En un intercambiador de calor ideal, que no pierde ni absorbe calor de su entorno, el fluido frío absorbe todo el calor del fluido caliente. Así que la tasa de transferencia de calor es:

Q ´^ = Q ´^ e = Q ´^ a = m ´ (^) H x c (^) pH x ∆ T (^) H = m ´ (^) c x c (^) pc x ∆ T (^) c ............................. ( 4 )

Reajustado para el flujo volumétrico da:

Q ´^ = Q ´^ e = Q ´^ a = V ´^ H x ρH x c (^) pH x ∆ T (^) H = V ´ c x ρc x c (^) pc x ∆ T (^) c … … ( 5 )

El coeficiente de equilibrio energético (C (^) EB )

Muestra la relación entre la energía absorbida y emitida donde:

2. Cree una tabla de resultados en blanco (ver tabla 1). Si tiene VDAS, en la parte superior izquierda del diseño, seleccione el intercambiador de calor correcto. El software creará automáticamente una tabla para usted cuando comience a tomar lecturas. 3. Utilice un termómetro preciso para comprobar la temperatura local del aire ambiente como referencia. 4. Para la primera prueba, utilice las válvulas de control manual para ajustar los caudales de agua caliente y fría para la prueba 1, como se muestra en la tabla N°

1. 3. Deje pasar por lo menos cinco minutos para que las temperaturas del intercambiador de calor se estabilicen. 5. Registre las temperaturas del circuito caliente y frío. 6. Repita el procedimiento para los caudales de las pruebas 2, 3 y 4.

VI. DATOS EXPERIMENTALES

Tabla N°1. Datos experimentales del Intercambiador de calor contraflujo:

Intercambiador de calor:

U 1015.

LMTD 33.900 33.294 32.045 29.

η ´ 9.358 10.243 12.534 17. CEB 1.071 0.998 1.0450 0. Q ´^ a = Q ´^ C

Q ´^ e = Q ´^ H

cPC 4181.98^ 4181. 4

cPH 4182.79 4182. 7

ρC 997.94 997.78 997.45 996. ρH 985.664 985.55 985,29 985. ȠC 9.626 12.399 18.801 28. ƞH 9.358 8.086 6.267 5. T (^) C3*^ X X X X

Promedio T (^) C 20.3^ 21.1^ 22.75^ 25.

Conexión (Paralelo o contraflujo):

∆TC 3.6 4.6 6.9 10.

T C2 22.1 23.4 26.2 30.

T C1 18.5^ 18.8^ 19.3^ 19.

T (^) H3 X X X X

Promedio T (^) H 54.2^ 54.4^ 54.85^ 55. ∆TH 3.4 3.0 2.3 2. T (^) H2 52.5^ 52.9^ 53.7^ 54. T (^) H1 55.9 55.9 56.0 56. V ´^ C (L / mi n ) 3 2 1 0, V ´^ H (L /min)

V ´^ C (m° /seg)

V ´^ H (m°3/s es)

N° Prueba 1 2 3 4

Caso Tem. prom (^) ρC cPC 20 998 4182 1 20.3 997.94 4181.

➢ vC = 3 l x

min

1 min x 60 s

10 −^3 kg 1 l

➢ v^ H^ =^

3 l min

➢ A =^6 x^ π^ x D x L^ =0.0203575204^ m

2

➢ Hallando^ QC Q (^) C = v (^) C. ρC .CpC. ∆T (^) C

Hallando: ρH y cPH de la tabla Nº9 interpolando

Hallando: ρC y cPC de la tabla Nº9 interpolando

TC 1 TC 2 TCPROM vC ∆T (^) C ρC cPC QC 18.5 22.1 20.3 0.00005 3.6 997.94 4181.98 751. 18.8 23.4 21.1 0.000033 4.6 997.78 4181.94 633. 19.3 26.2 22.75 0.000017 6.9 997.45 4181.84 489.

CASO

1 55.9 52.5 18.5 22.1 20.3 54.2 3.6 3.

2 55.9 52.9 18.8 23.4 21.1 54.4 4.6 3

3 56.0 53.7 19.3 26.2 22.75 54.85 6.9 2.

4 56.2 54.2 19.8 30.3 25.05 55.2 10.5 2

Caso Temp prom ρ (^) H cPH 50 988.1 4181 1 54.2 985.664 4182. 2 54.4 985.55 4182. 3 54.85 985.29 4182. 55 985.2 4183 4 55.2 985.12 4181. 60 983.3 4185 2 21.1 997.78 4181. 3 22.75 997.45 4181. 25 997 4180 4 25.02 996.99 4180. 30 996 4178

19.8 30.3 25.05 0.0000083 10.5 996.99 4180.00 363.

➢ Hallando^ QH QH = v (^) H. ρH. CpH. ∆T (^) H

T (^) H 1 TH 2 THPROM v (^) H ∆T (^) H ρ (^) H cPH QH 55.9 52.5 54.2 0.00005 3.4 985.664 4182.79 700. 55.9 52.9 54.4 0.00005 3.0 985.55 4182.87 618. 56.0 53.7 54.85 0.00005 2.3 985.29 4182.06 473. 56.2 54.2 55.2 0.00005 2.0 985.12 4181.67 411.

➢ Hallando^ C^ EB

Ce =^ Q^ a^ = Qc B (^) Qe Qh

QC QH C^ EB

751.206 700.88 1. 633.409 618.364 0. 489.279 473.862 1. 363.190 411.945 0.

➢ Hallando^ nh^ , nC^ yn n =

T H 1 − T H 2

x 100 % n (^) = T^ C^^2 − T^ C^^1 x 100 % h (^) T (^) H 1 − T (^) C 1 C (^) T (^) H 1 − T (^) C 1

n =

n (^) h + nC 2

TH 1 TH 2 TC 1 TC 2 nC nh n 55.9 52.5 18.5 22.1 9.626 9.091 9. 55.9 52.9 18.8 23.4 (^) 12.399 8.086 10. 56.0 53.7 19.3 26.2 (^) 18.801 6.267 12. 56.2 54.2 19.8 30.3 (^) 28.846 5.494 17.

➢ Hallando la LMTD (^ ∆T^ ) para flujo contraflujo:

Tabla N°1. Datos experimentales del Intercambiador de calor PARALELO:

Temperatura ambiente:

Conexión (Paralelo o contraflujo):

Intercambiador de calor:

U 1063.

• Si tiene el TD360a, use las lecturas T

H

y T

C

como las temperaturas promedio.

LMTD 33.317 33.055 31.834 29.

η ´ 9.838 10.270 12.432 17. CEB 1.099 1.024 1.017 0. Q ´^ a = Q ´^ C

Q ´^ e = Q ´^ H

cPC 4181.96^ 4181. 2

cPH 4182.77 4182. 6

ρC 997.86 997.72 997.42 996. ρH 985.69 985.43 985,23 985. ȠC 10.243 12.432 18.579 29. ƞH 9.434 8.108 6.284 5. T (^) C3*^ X X X X

Promedio T (^) C 20.7 21.4 22.9 25. ∆TC 3.8 4.6 6.8 10. T (^) C2 22.6 23.7 26.3 30. T (^) C1 18.8^ 19.1^ 19.5^ 20.

T (^) H3 X X X X

Promedio T (^) H 54.15^ 54.6^ 54.95^ 55. ∆TH 3.5 3.0 2.3 1. T (^) H2 52.4^ 53.1^ 53.8^ 54. T (^) H1 55.9 56.1 56.1 56. V ´^ C (L / mi n ) 3 2 1 0, V ´^ H (L /min)

N° Prueba 1 2 3 4

CASO

1 55.9 52.4 18.8 22.6 20.7 54.14 3.8 3.

2 56.1 53.1 19.1 23.7 21.4 54.60 4.6 3.

3 56.1 53.8 19.5 26.3 22.9 54.95 6.8 2.

4 56.2 54.3 20.1 30.9 25.5 55.25 10.8 1.

V ´^ C (m°3 0.00005^ 0.0000^ 0.0000^ 0. /seg) 3 2 1 V ´^ H (m°3 / s 0.00005 0.0000 0.0000 0. es) 5 5 5

II. PARALELO

CasoNº

Datos:

➢ vC = 3 l^ x

min

1 min x 60 s

10 −^3 kg 1 l

v (^) H = 3 l min

➢ A = 6 x π x D x L =0.0203575204 (^) m^2

➢

Temperatura

del

tanque

del

calentador:

55°C

QC QH CEB

792.872 721.51 1. 633.368 618.302 1. 482.172 473.952 1. 373.594 391.308 0.

➢ Hallando nh , nC yn

n =

T H 1 − T H 2

x 100 % n (^) = T^ C^^2 − T^ C^^1 x 100 % h (^) T H 1 − T^ C 1

C T

H 1 − T^ C 1

n =

n (^) h + nC 2

TH 1 TH 2 TC 1 TC 2 nC nh n 55.9 52.4 18.8 22.6 10.243 9.434 9. 56.1 53.1 19.1 23.7 12.432 8.108 10. 56.1 53.8 19.5 26.3 18.579 6.284 12. 56.2 54.3 20.1 30.9 29.917 5.263 17.

➢ Hallando la LMTD ( ∆T^ ) para flujo contraflujo:

(¿¿^ H^^2 − T

T

T

T H 1 −¿ T

T H 2 −¿ T

ln¿ )−^ (¿¿^ H^^1 − T^ C^^1 ) C (^2) ¿ ¿ ∆T =¿

A = 6 x π x D x L (^) =0.0203575204 m^2

➢ U =

QH

A ∆ T (^) m

T H 1 TH 2 TC 1 TC 2 QH LMTD A U

55.9 52.5 18.5 22.1 721.51 33.317 0.0203575 1063. 55.9 52.9 18.8 23.4 618.302 33.055 0.0203575 918. 56.0 53.7 19.3 26.2 473.952 31.834 0.0203575 731. 56.2 54.2 19.8 30.3 391.308 29.293 0.0203575 656.

C 2 C 2

1. Graficar Temperatura vs. Posición para los fluidos frio y caliente en el intercambiador de calor a de flujo paralelo y contraflujo.

Caliente PARALELO

Frio PARALELO

VII. RESULTADOS A OBTENER

2.-¿Cómo influye el caudal en la eficiencia de los intercambiadores de calor y explique el motivo?

El caudal influye en la eficiencia de los intercambiadores de calor porque debido a que se presenta el intercambio, hace que no ocurra un enfriamiento, ya que sin caudal el coeficiente de enfriamiento sería el inicial. Conforme aumenta el caudal, el coeficiente de transferencia mejora, llegando a cierto flujo se obtiene el rendimiento máximo así mismo el caudal es el que da un óptimo intercambio esto se ve más reflejado en el contraflujo.

TEMPERATURA VS POSICION

P^5 r^7 ueb55.9 1 2 56.1 3 4 56.1 56. a^56 T 5 H 4 1 53

55

T^551 H^2

50

1

535 .1^6.

.53.^

2 3 4 TH1 TH

TEMPERATURA VS POSICION

(^35) 30. 30 P 2 r 5 ueb (^1) 22.6 2 233 .7^4

a 20 18. T^1 C^51 10 TC^52 0 1

19.1 19.5^ 20.

. 1 1 2 7

TC

TC

3 4

la temperatura del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio

nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente

➢ Podemos apreciar que al cambiar el Caudal del fluido frio el Tc1 aumenta,

pero el TC2 se mantiene con unas mínimas variaciones esto quiere decir

que a menor caudal la temperatura de ingreso aumenta, pero la salida

sufre una mínima variación.