UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA - ENERGÍA

LABORATORIO DE INGENIERIA TÉRMICA

E HIDRAULICA EXPERIMENTAL

TEMA : INTERCAMBIADOR DE CALOR

EN FLUJO PARALELO Y CONTRAFLUJO

PROFESOR : ING. JOSE PINTO ESPINOZA

INTEGRANTES

AVILA VALENZUELA, DENIS CLAUDIO.

BERROSPI PADILLA, IVAN.

REYES BENITES, MIGUEL.

INDICE

1. INTRODUCCIÓN

2. OBJETIVOS

3. MARCO TEÓRICO

4. EQUIPOS E INSTRUMENTOS

5. PROCEDIMIENTO

6. TOMA DE DATOS

7. MODELO DE CALCULO

8. DIAGRAMAS

9. CONCLUSIONES

10.BIBLIOGRAFIA

1. INTRODUCCIÓN

Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo utilizado para transferir calor

de un líquido procesado a otro. En un tipo de intercambiador, los hidrocarburos

procesados circulan a través de tubos rodeados por aire o agua fría, de forma

similar al radiador de un automóvil.

El intercambio de calor por radiación entre varias superficies depende de sus

diferentes características radiantes, geometrías y orientaciones. El análisis

exhaustivo del fenómeno no es operativo por ser demasiado largo y complejo, por

lo que en la práctica se deben asumir algunas simplificaciones para poder abordar el

estudio:

o Todas las superficies son grises ó negras.

o Los procesos de emisión y reflexión son difusos.

o Las superficies tienen temperaturas y propiedades uniformes en toda su

extensión.

o La absortancia es igual a la emitancia e independiente del tipo de radiación

incidente.

o La sustancia que exista entre las superficies radiantes no emite ni absorbe

radiación.

2. OBJETIVOS

Estudio del comportamiento de un intercambiador de calor.

Analizar, conocer la manera, en como los fluidos intercambian energía entre

si, en este caso calor.

Determinación de su coeficiente global de transmisión de calor, DMLT,

efectividad, NUT, y pérdidas de carga.

3. MARCO TEÓRICO

El papel de los intercambiadores térmicos ha adquirido una creciente importancia

recientemente al empezar a ser conscientes los técnicos de la necesidad de ahorrar

energía. En consecuencia se desea obtener equipos óptimos, no sólo en función de

un análisis térmico y rendimiento económico de lo invertido, sino también en

función del aprovechamiento energético del sistema

Un cambiador de calor consiste en un límite sólido, buen conductor, que separa dos

fluidos que se intercambian energía por transmisión de calor.

Una de las primeras tareas en el análisis térmico de un cambiador de calor s

consiste en evaluar el coeficiente global de transmisión de calor entre las dos

corrientes fluidas. Por corrientes fluidas tenemos: Corrientes fluidas en paralelo y

en contra-flujo:

En el caso de intercambiadores de carcasa y tubos, el coeficiente global de

transmisión de calor (U) se basa en la superficie exterior Ae de los tubos.

Como la pared es delgada y de material buen conductor del calor, su resistencia

térmica es despreciable (a menos que esté recubierto de costra o suciedad).

TIPOS DE INTERCAMBIADORES:

TUBO DOBLE.

Es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido por dos tubos

concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de

menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. En

este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto a la

dirección del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuración

en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo entremo y fluyen en el

mismo sentido. En la configuración en contraflujo los fluidos entran por los

extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos.

-- En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del

fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido

caliente.

-- En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del

fluido frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El

caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la

temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido

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

COMPACTOS.

Son intercambiadores diseñados para lograr un gran área superficial de

transferencia de calor por unidad de volumen. La razón entre el área superficial

de transferencia de calor y su volumen es la densidad de área b. Un

intercambiador con b > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. Ejemplos de

intercambiadores de calor compactos son los radiadores de automóviles, los

intercambiadores de calor de cerámica de vidrio de las turbinas de gas, el

regenerador del motor Stirling y el pulmón humano.

-- En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en

direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración de flujo recibe el nombre de

flujo cruzado. El fljujo cruzado se clasifica a su vez en mezclado ( uno de los

fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones ) y no

mezclado ( se disponen una placas para guiar el flujo de uno de los fluidos ). En la

figura siguiente se muestran esquemas de ambos tipos de flujo:

CASCO Y TUBOS.

Es el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales.

Este tipo de intercambiadores están compuestos por gran cantidad de tubos ( a

veces varios cientos ) contenidos en un casco. Los tubos se disponen con sus ejes

paralelos al eje del casco. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de

los fluidos se mueve por el interior de los tubos mientras que el otro se mueve por

fuera de éstos, por el casco. Este tipo de intercambiadores se clasifican por el

número de pasos por el casco y por el número de pasos por los tubos. En la

figura siguiente se muestran dos ejemplos:

4. EQUIPOS E INSTRUMENTOS

a) Tanque de agua.

b) Válvula reguladora de caudal de agua.

c) Vaso graduado para medición de volumen de agua.

d) Motor eléctrico.

e) Selector de voltaje y de amperaje.

f) Termostato.

g) Manómetro de Columna inclinado.

Esquema de instalación:

El selector 1 es un variador de tensión con el cual se controla la velocidad de giro del

motor eléctrico y ventilador, es decir se consigue variaciones de caudal de aire que

circula por el interior del ICC.

El selector 2 es otro variador de tensión con el cual se controla la potencia eléctrica

suministrada al calefactor del aire que ingresa al ICC.

Un tanque de agua a cierta altura es el encargado de suministrar el agua que circula por

la región anular del ICC. La alimentación (caudal) es regulada por una válvula y el

volumen de agua es medido en un vaso graduado, en el momento de la descarga.

La parte exterior del ICC se encuentra cubierta con fibra de vidrio, de tal forma que se

considera despreciable la pérdida de calor hacia el exterior, y que todo el calor

transferido es del aire hacia el agua.

Para poder definir el perfil de temperaturas a lo largo del ICC, se toman datos de las

siguientes temperaturas: T e, agua ;T s ,agua ;T 1;T 2;T 3 yT 4 .

5. PROCEDIMIENTO.-

a) Se inicia el experimento con el encendido de la bomba que impulsa el aire

alrededor del intercambiador.

b) Una vez iniciado el recorrido del aire, se abre la válvula del paso de agua. Se

abre de tal manera que se consiga un caudal pequeño y casi constante.

c) Con ayuda del selector 1, se fija un flujo de aire.

d) Igualmente, con la ayuda del selector 2 y el termostato, se fija la temperatura

de ingreso del aire hacia el intercambiador.

e) Una vez que se consigue las condiciones de estado estable, se procede a

tomar el 1er juego de datos.

f) Para el 2do juego de datos, varia solo el paso d), fijando otra temperatura de

ingreso del aire.

g) En total se tomarán 3 juegos de datos, tanto para contra-flujo y para flujo en

paralelo.

h) La conexión a contra-flujo o paralelo, se consigue solo cambiando de

posición al tubo que da el ingreso de aire al intercambiador.

6. TOMA D E DATOS.-

Existen datos que se encuentran fijos y que se van usar para el modelo de calculo de

los valores, los cuales son:

CONEXIÓN A CONTRA-FLUJO:

T °1

(ºC)

T °2

(ºC)

T °3

(ºC)

T °4

(ºC)

T °e . H 2 o T ° s. H 2 o t

seg.

Vol

mlts

1 43.7 32 28 35.2 30 32 43 70

2 53.1 35 29 38.3 30 33 44 70

3 59 38 29 40 30 35 43 70

Donde:

T °e .aire=T °1

T °lado derecho=T °2

T °ladoizquierdo=T °3

T ° s. aire=T °4

CONEXIÓN A FLUJOS PARALELOS:

T °1

(ºC)

T °2

(ºC)

T °3

(ºC)

T °4

(ºC)

T °e . H 2 o T ° s. H 2 o t

seg.

Vol

mlts

1 39.8 26 23 28.9 21 21.5 35 80

2 47.5 29 24 32.1 21 25 35 80

3 52.8 31 25 34.1 21 26 34 80

4 58.2 33 26 36.1 21 27 36 80

7. MODELO DE CÁLCULO.-

Haremos la demostración para un juego de datos como ejemplo, en la conexión a

contra-flujo, luego ampliaremos con los mismos pasos para los demás juegos de

datos, obviando claramente el proceso de cálculo, puesto es el mismo para todos.

T °1

(ºC)

T °2

(ºC)

T °3

(ºC)

T °4

(ºC)

T °e . H 2 o T ° s. H 2 o t

seg.

Vol

mlts

1 57 37 24 35 23 34 60 110

I. Temperatura Promedio de cada fluido

Para el aire: T °b . aire=(57+35 )

2=46 ° C=46+273=319 K

Para el agua: T °b . agua=(23+34 )

2=28.5 °C

II. Propiedades físicas

Agua a la presión atmosférica:

T (°C ) ρ( kg

m3) C p(

kJKg . K

)

20 998.23 4.1818

22 997.79 4.1808

24 997.33 4.18

26 996.81 4.1794

28 996.26 4.1788

30 995.67 4.1785

Aire a la presión atmosférica:

T (K ) ρ( kg

m3) C p(

kJKg . K

)

250 1.3947 1.006

300 1.1614 1.007

350 0.9950 1.009

400 0.8711 1.014

Datos interpolados:

Para agua: ρag=996.12kg

m3 C p .agua=4.1786kJ

Kg . K

Para aire: ρaire=1.1313kg

m3 C p .aire=1.00736kJ

Kg . K

III. Flujo másico de agua

magua=ρagua xvolumen

t=996.12

kg

m3∗110∗10−6

60=1.826∗10−3 kg

s

IV. Calor transferido

q=magua∗C p .agua∗(T sa .agua−T entr .agua)=1.826∗10−3 kgs

∗4.1786kJ

Kg . K∗(34−23 )=83.93 w

V. Flujo masico de aire

ma=q

[c p . aire∗(T1−T 4 ) ]= 83.93

[1007.36∗(57−35 ) ]=3.7871∗10−3 kg

s

VI. Coeficiente pelicular en el aire:ha

q=ha∗A1∗DTMLa

Donde:

A1=π∗D1∗L=104.779∗10−3m2

DTMLa=∆ T1 a−∆ T 2 a

ln (∆ T 1a−∆ T2 a )=

(57−37 )−(35−24 )

ln ( 57−3735−24

)=15.05° C

Despejando:

ha=53.223w

m2 .K

VII. Coeficiente pelicular del agua:hagua

q=hagua∗A2∗DTMLagua

A2=π∗D2∗L=118.496∗10−3 m2

DTMLagua=∆ T 1 agua−∆ T2 agua

ln ( ∆ T1 agua−∆ T 2 agua)=

(37−34 )−(24−23)

ln( 37−3424−23

)=1.8204 ° C

Despejando:

hagua=389.086w

m2 . K

VIII. Coeficiente global: U

U= 1(A2∗∑ R i)

∑ Ri=1

(ha∗A1)+ ln( D2

D1

2 π∗k∗L )+ 1(hagua∗A2)

∑ Ri=0.1793+2.79∗10−5+0.02168=0.201

Reemplazando: U =41.9855w

m2 . °C

IX. Efectividad del ICC: ε

ε= qqMAX

= q

[CMIN∗(T 1−T entr .agua ) ]

Cagua=magua∗C p . agua=76.30wK

=CMAX

Ca=ma∗Cp . a=3.815wK

=CMIN

Entonces: ε=0.64705

X. Numero de Unidades de Transferencia: NUT

NUT=U∗A2

CMIN

=1.30409

Hicimos el cálculo para la toma de datos de ejemplo, para una conexión a

contra-flujo, para la conexión a paralelo se aplicarán los mismos pasos,

entonces, calculando para los 3 juegos de datos en ambas conexiones,

tenemos:

CONTRA-FLUJO PARALELO

1 2 3 1 2 3

T °b . aire 46 51 43.5 30.5 34.5 45.5

ρa 1.106 1.189 1.17 1.163 1.147 1.108

c p . a 1.00*103 1.00*103 1.00*103 1.00*103 1.00*103 1.00*103

T °b . agua 28.5 35 29 27 30 30

ρagua 996.1 994 993.7 995.78 995.72 995.72

c p . agua 4.18*103 4.18*103 4.18*103 4.18*103 4.18*103 4.18*103

magua 1.82*10−3 1.57*10−3 5.79*10−3 1.17*10−3 1.97*10−3 1.89*10−3

maire 3.79*10−3 5.23*10−3 9.32*10−3 2.87*10−3 1.26*10−3 5.84*10−3

q 84.028 158 29.097 28.963 11.642 11.751

∆ T 1a 20 16 9 1 7 21

∆ T 2a 11 11 2 -7 -8 -4

DTMLa 15.054 13.344 4.654 - - -

∆ T 1agua 3 3 15 6 9 11

∆ T 2agua 1 2 3 7 1 3

DTMLagua 1.820 2.457 7.4526 - - -

ha 52.865 112.83 59.67

hagua 389.429 540.593 33.012 37.961 27.0126 152.93

R 0.201 0.1 0.4216 - - -

U 42.02 84.31 20.27 - - -

CMIN 3.8126 5.276 0.94 4.859 0.826 5.867

ε 64.590 69.82 85.93 85.65 87.436 59.386

NUT 1.3056 1.902 2.549 - - -

8. DIAGRAMAS:

Realizaremos el 1er diagrama para la conexión a contra flujo:

OBSERVACIONES:

En los datos tomados en el experimento del intercambiador de calor, obtuvimos

ciertos valores, el cual correspondían a cada posición del intercambiador, en la tabla

de calculo de valores, en la parte de conexión a paralelo, observamos ciertos valores

que se encuentran con el signo negativo, estos valores negativos sin duda va

influenciar en el cálculo de ciertos parámetros, como es el caso del DTML tanto

para agua y para aire, puesto este involucra el Ln, el que no se encuentra definido

para un valor negativo. Esto conlleva a una serie de valores que no se podrían

calcular.

La única respuesta razonable a este hecho es el error al momento de tomar los datos

en el intercambiador, puesto el intercambiador se encuentra en buen estado, el cual

se descarta la posibilidad de un equipo deficiente.

Entonces, se debe tomar en cuenta que los datos calculados en el laboratorio para

una conexión en paralelo de flujos, están errados.

9. CONCLUSIONES

Se conoció de manera interactiva el Intercambiador de Calor, entendiendo paso a

paso el proceso de funcionamiento.

Se pudo calcular de manera sencilla los parámetros del intercambiador de calor,

para así luego conocer de que manera varía la temperatura a lo largo del equipo.

Mediante la gráfica efectividad vs NTU, se ve la tendencia del trabajo del equipo

mientras varia el NTU.

10.BIBLIOGRAFIA

Pag. Internet:

http://www.directindustry.es/cat/maquinas-y-equipos-hornos-intercambiadores-

refrigeracion/intercambiadores-de-calor-fluido-fluido-P-566.html

http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/intercambiadores.htm