Programa de ingeniería mecánica – Intercambiador de tubos concéntricos sistematizado

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PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA – TRANSFERENCIA DE CALOR

CÓDIGO 72202/715030

GUIA DE LABORATORIO N°1: Intercambiador de tubos concéntricos sistematizado (EDIBON).

Fabián De Ávila, Miguel Peñaloza, Leonardo Chica, Alejandro Atencía.

Profesor: Crisóstomo Peralta. 03-08-2024

Laboratorio de Transferencia de calor  I, Universidad Del Atlántico, Barranquilla

Resumen

En este informe se pretende analizar, entender y comparar la razón de transferencia de calor que se puede dar en un intercambiador de calor de tubos concéntricos sistematizados si se cambia la dirección del flujo en su interior, ya sea, flujo en contracorriente o flujo en paralelo. Con la finalidad de optimizar el proceso de refrigeración y disminuir la energía térmica en fluidos que lo requieran.

Palabras claves: Calor, intercambiador, flujo, concéntrico, convección.

Abstract

This report aims to analyze, understand and compare the reason for heat transfer that can occur in a heat exchanger of systematized concentric tubes if the direction of the flow to its interior is changed, either countercurrent flow or parallel flow. In order to optimize the cooling process and reduce thermal energy in fluids that requires it.  

Keywords: Heat, exchanger, flow, concentric, convection.

1.  Introducción

En la experiencia desarrollada se analizan como son los cambios de temperatura del fluido internos y externos,  a través del intercambiador de calor de tubos concéntricos. En la experiencia se realizaron ocho ensayos, cuatro con la configuración en paralelo y cuatro con la configuración en contracorriente, cada ensayo se realizó con un caudal del fluido caliente (interno) constante, mientras que se iba variando el caudal del fluido frío (externo) para así analizar los resultados de la transferencia de calor en este intercambiador, las cuales son Convección y Conducción.

En la configuración de flujo en paralelo los fluidos se mueven en la misma dirección entrando por el mismo extremo del intercambiador. La diferencia de temperatura se maximiza al comienzo, pero desciende gradualmente, y la temperatura final de los fluidos se aproximan una a otra, pero la temperatura de salida del fluido frío nunca alcanza la temperatura de salida del fluido caliente.

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Figura 1. Perfil de temperaturas en disposición de flujo paralelo [1] 

Para la configuración en contracorriente los dos fluidos entran al intercambiador por extremos opuestos moviéndose en direcciones contrarias. En condiciones estables, se puede afirmar que la diferencia de temperaturas que actúa como el impulsor del flujo de calor se mantiene constante entre ambos fluidos a lo largo del intercambiador. En contraste con la disposición anterior, en un intercambiador a contraflujo se puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en la salida del equipo, como se puede observar en la figura 4. El perfil de temperatura de dicha figura muestra que la temperatura de salida del fluido frío es, efectivamente, mayor que la temperatura de salida del fluido caliente en condiciones óptimas.

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 Figura 2. Perfil de temperaturas en flujo a contracorriente [1] 

En un intercambiador de tubos concéntricos, los mecanismos de transferencia de calor presentes son convección a la pared interna del tubo interior, conducción hasta la pared externa de la tubería interna y convección hacia el fluido frío que fluye por el encamisado.

3.  Metodología  

Para la obtención de datos se empezó comprobando que las válvulas estuvieran abiertas y con una configuración en flujo contracorriente. Se ajustó el caudal de agua fría hasta alcanzar las condiciones de operación estacionarias, manteniéndose la temperatura fijada en el depósito constante. Luego, se completó la tabla de datos. con las medidas de temperaturas y caudales de acuerdo con las condiciones indicadas. En cada caso, esperamos a que el equipo haya alcanzado el estado estacionario.

La asociación de los mecanismos de transferencia de calor y los cambios de temperatura de ambos fluidos conlleva el planteamiento de balances de energía tanto para el fluido frío como para el fluido caliente.

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                                                   (3)

                                                                 (4)[pic 6]

Siendo  la razón de transferencia de calor del flujo. El subindice h significa que es del flujo caliente y el subindice c del frío. Entre los puntos a las temperaturas  y . Además,  es el gasto másico y  es el calor específico.[pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11]

Teniendo en cuenta las pérdidas de energía en el sistema: 

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                                                                 (5)

El número de Nusselt es importante para el estudio de la transferencia de calor por convección. Este depende del régimen de flujo, entonces hay diferentes relaciones dependiendo del régimen de flujo y el número de Prandtl

Para un rango de transición de Re mayor o igual a 2000 y un Pr entre 0.7 y 120 se usa

 Para un laminar totalmente desarrollado se usa un número de Nusselt de 3.66.       [pic 13]

Y procediendo a la determinación del coeficiente global de transferencia de calor:

                                                                         (7)[pic 14]

A su vez se calculó el coeficiente global de transferencia de calor con la siguiente ecuación.

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Se realizaron los cálculos número de unidades de transferencia de calor mediante la siguiente ecuación.

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La ecuación usada de efectividad por medio del método de NTU es la siguiente.

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