UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS - ESPEDEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

INFORME DE LABORATORIO DE DISEÑO TÉRMICO

Integrantes.- Luis Aguirre Christian Aguirre Aníbal Abedrabbo Damián Hong Diego Bohórquez

Fecha: 2014-05-06

1. TEMA: “BANCO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR ACEITE – AGUA”

2. OBJETIVOS:

Objetivo General: Determinar la rata de calor presente en el intercambiador de tubos

concéntricos en flujo paralelo aceite-agua.

Objetivos Específicos: Demostrar por medio de la práctica que los datos obtenidos corresponden a

las fórmulas existentes para el diseño de intercambiadores de calor. Determinar el valor del coeficiente global de transferencia de calor para un

intercambiador de calor agua-aceite

3. MARCO TEÓRICO

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido caloportador, calentado por la acción del motor, se enfría por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

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Sección de un intercambiador de calor de tipo haz tubular.

ClasificaciónLos intercambiadores de calor pueden clasificarse según como sea:

Intercambiadores de contacto directo: son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.

Intercambiadores de contacto indirecto:1. Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla

entre los fluidos es despreciable.2. De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de

una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto

los cambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido) los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas)

Clasificación de los intercambiadores de calor de superficieLos intercambiadores de flujos paralelos, se utilizan generalmente para el intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio líquido-gas.

Intercambiadores de calor tubularesEl cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricos; consta de dos tuberías concéntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubería interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente).

Transmisión de calor por conducciónLa conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel de energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que tenga lugar movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor por conducción no hay movimiento de materia. La conducción es el método más habitual de transmisión de calor en procesos

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de calentamiento/enfriamiento de materiales sólidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendrá lugar una transmisión de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que está a temperatura más baja. El flujo de calor será proporcional al gradiente de temperatura.

Transmisión de calor por convecciónCuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el interior de una tubería, si existe una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de calor se debe al mecanismo de convección. El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos son los ejemplos más habituales de transmisión de calor por convección. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (también llamada natural). La convección forzada implica el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.

Importancia del aislamiento en la disminución de las pérdidas de calor en los equiposLos equipos para el procesamiento de alimentos se suelen aislar para minimizar las pérdidas de calor hacia el entorno. Si no se aíslan, los equipos pueden tener pérdidas de calor por cualquiera de los tres mecanismos de transmisión de calor: conducción, convección o radiación. Las pérdidas de calor por conducción a través del aire serán pequeñas debido a su baja conductividad (kaire=0.0258 W/m.K a 30 ºC). Las pérdidas de calor por convección serán las más importantes, pues las corrientes de convección se desarrollarán fácilmente si existe una diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno. Es necesario aislar para disminuir el flujo de calor entre un objeto y sus alrededores. El material aislante debe tener baja conductividad térmica y capacidad para frenar las corrientes de convección. Los materiales más utilizados para aislar incluyen el corcho, la magnesia, la lana de vidrio y el poliestireno expandido. En el pasado se utilizó mucho el asbesto por sus buenas propiedades aislantes, pero la fibra de asbestos se mostró causante del cáncer y ya no se utiliza. Actualmente se fabrican piezas de magnesia y otros aislantes de fácil instalación sobre tuberías y otros equipos.

Coeficiente global de transmisión En transferencia de calor se determina el valor del coeficiente global de transmisión, tanto para el caso de pared plana, como cilíndrica o esférica, así como en el caso de tubo aleteado; dada la importancia que presentan en el cálculo de cambiadores de calor, se indican a continuación las ecuaciones correspondientes al coeficiente global de transmisión de una pared cilíndrica de una sola capa Fig. 3.1, de radio interior ri y exterior ro, y conductividad térmica k, por cuyo interior circula un fluido, con coeficiente de transmisión superficial hi , mientras que por el exterior lo hace otro fluido con coeficiente de transmisión superficial h.

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Así como la correspondiente al caso de que esta misma tubería estuviera dotada con un número de aletas/metro de tubos n, de radio extremo r1 y espesor W, Ecu. 3.2, Expresión en la que representa la efectividad de las aletas anulares, mientras que Ai expresa el área interior del tubo y Ao el área exterior del tubo aleteado, siendo L la longitud del tubo aleteado.

Como puede observarse, tanto la ecuación 3.1, como la 3.2 indican el coeficiente global de transmisión referido a la superficie exterior del tubo, ya se liso o aleteado, debiendo destacar que es una aproximación del valor real, aproximación suficiente por otra parte.

Coeficiente de transferencia de calor superficial Hay una gran cantidad de superficies de calor que no entran dentro de las categorías discutidas en los manuales de convección. Los más destacados son los compactos, que alcanzan un área superficial por unidad de volumen muy grande. Estos cambiadores se adaptan mejores a las aplicaciones en las que se tiene corrientes gaseosas y valores bajos de h. Kays y London han estudiado muy extensamente estos tipos de

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cambiadores, y en la Fig. 3.2 se muestran cuatro configuraciones. En la (a) se muestra un cambiador de tubos planos con aletas, la (b) muestra un conjunto circular de tubos con aletas y la (c) y (d) ofrecen modos de alcanzar áreas superficiales muy grandes por ambos lados del cambiador. Estas dos últimas configuraciones tienen aplicaciones en procesos en los que está implicada la transferencia de calor de un gas a otro gas.

Ejemplos de configuraciones de calor compactos, Kays y London.

En las Fig. 3.3 y 3.4 se muestra la transferencia de calor y el factor de fricción de dos intercambiadores compactos típicos. Los números de Stanton y de Reynolds se basan en los flujos másicos por unidad de área en la sección transversal de la corriente de mínima área y en un diámetro hidráulico establecido en la figura.

G = m/Ac σ = Ac/A St = h/GCp Re = DhG/μ

Donde:

m.- Es el flujo másico.

Ac – Es el área de la corriente libre.

A – Es el área frontal.

Dh – Diámetro hidráulico.

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6

4. PROCEDIMIENTOIdentificación de los equipos a utilizar

El alumno debe conocer con anterioridad cada uno de los equipos a ser utilizados para manipularlos de la mejor manera para que su uso sea seguro para el operador y para el cuidado del equipo.

Preparación de sistemasLa preparación de sistemas requiere su encendido con anticipación a la iniciación de las prácticas para que los fluidos calo portadores lleguen a la temperatura requerida.Sistemas de refrigeración: en este sistema se tiene un interruptor encendido el cual se encuentra en el panel de control donde al cerrar el circuito comenzará el proceso de enfriamiento del fluido que se encuentra en el depósito de agua el cual por medio de un evaporador conectado al sistema de refrigeración de 6447,26W. Genera un intercambio de calor entre el refrigerante R – 134ª y el agua creando un banco de hielo para llegar a la temperatura del agua alrededor de 2ºC temperatura requerida para ingresar al intercambiador de calor de este fluido.Sistema de calentamiento: el sistema de calentamiento depende de una resistencia que se encuentra dentro del tanque de aceite sumergida completamente de 1,5kW de potencia la cual se encargará de incrementar por medio de conducción térmica por contacto a 60ºC, temperatura requerida para ingresar al intercambiador de calor y ser regularizada por un termostato que no permitirá que sobrepase el valor requerido.Encendido del sistema de circulación: el sistema de circulación consta principalmente de bombas las cuales realizaran el proceso de movimiento del fluido por medio de la tubería desde los recipientes de almacenamiento de flujo hasta los intercambiadores de calor, de los cuales es muy importante hacer circular un minuto antes la bomba de circulación de agua que la del aceite ya que el flujo de mayor masa será el fluido frío.

5. TABLA DE DATOSDespués de tener estable los fluidos por medio de los caudalímetros entonces se puede tomar los datos con una separación de tiempo de no más de 8 minutos para realizar la toma de seis datos por situación en caso de mantener un fluido a caudal constante y variar el otro.

TUBO CONCÉNTRICO FLUJO PARALELOTEMPERATURA [°C] FLUJO MÁSICO

[Kg/seg]TIEMPO

[minutos]Nº Thi Tho Tci Tco mh mc t

1 44,8 34,4 9,6 14,6 1 4 82 46,2 37,8 10 7,3 1 6 83 46,8 39,4 10,1 7,2 1 8 84 49,2 41,2 10,1 6,1 1 10 85 53,2 40,1 7,3 21,3 1 4 86 53,2 39,9 7,5 21,8 2 4 87 53,7 51 7,6 22,3 3 4 88 55 55,5 7,8 22,8 4 4 8

7

6. CÁLCULOS

Calor Específico Densidad Viscosidad Conductividad Térmica Prandtl Temperaturas de Entrada y Flujo Másico Número de Nusselt Coeficiente de Transferencia de Calor h Coeficiente Global de Transferencia de Calor DMLT Ecuación General de Intercambiador de Calor

CAMBIO DE UNIDADES

Temperatura [°K] Flujo Másico [m^3/seg]Ti agua To agua Ti aceite To aceite m agua m aceite

282,6 287,6 317,8 307,40,0002523

3 6,30833E-05283 280,3 319,2 310,8 0,0003785 6,30833E-05

283,1 280,2 319,8 312,40,0005046

7 6,30833E-05

283,1 279,1 322,2 314,20,0006308

3 6,30833E-05

280,3 294,3 326,2 313,10,0002523

3 6,30833E-05

280,5 294,8 326,2 312,90,0002523

30,00012616

7

280,6 295,3 326,7 3240,0002523

3 0,00018925

280,8 295,8 328 328,50,0002523

30,00025233

3

CÁLCULOS PARA EL LADO CALIENTE (LC)

Tm=Tiacetie+¿aceite2

Tm=317,8+307,42

Tm=312,6 ° K

Con ésta temperatura vamos a tablas y calculamos la densidad (ρ), la viscosidad (μ), Prandalt (Pr) y coeficiente de conducción (k).

D [m ]=0,0315ℜ=4∗ρ∗maceit eμ∗D∗π ℜ=4∗868,02∗6,3∗10

−5

0,1048∗0,0315∗πℜ=21,119→FlujoLaminar

8

DL

=0,0768

D∗ℜ∗PrL

=0,0768∗21,119∗1486,2=2411,49

Nusselt=3,66+

0,0668∗D∗ℜ∗PrL

1+0,04∗(D∗ℜ∗PrL )

23

Nusselt=3,66+ 0,0668∗2411,49

1+0,04∗2411,4923

=23,321

hi= Nu∗kD

hi=23,321∗0,14170,0315

hi=104,9386 [ W

m2 ° K ]CALCULOS PARA EL LADO FRIO (LF)

Tm=Tiagua+¿agua2

Tm=282,6+287,62

Tm=285,1 ° K

Con ésta temperatura vamos a tablas y calculamos la densidad (ρ), la viscosidad (μ), Prandalt (Pr) y coeficiente de conducción (k).

D=0,0345 mDe=0,03m

ℜ=4∗ρ∗maguaμ∗De∗π

ℜ= 4∗1∗0,00025230,0014∗0,003∗π

ℜ=72,385→Flujo Laminar

DeL

=0,007317

De∗ℜ∗PrL

=0,007317∗72,385∗11,044=5,8494

Nusselt=3,66+

0,0668∗D∗ℜ∗PrL

1+0,04∗(D∗ℜ∗PrL )

23

Nusselt=3,66+ 0,0688∗5,8494

1+0,04∗5,849423Nusselt=4,016

ho=Nu∗kDe

ho=4,016∗0,57880,03

ho=774,856

CÁLCULOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

hio=hi∗DaceiteDagua

hio=104,9386∗0,03150,0345

hio=95,8135

Uc=hio∗hoho+hio

Uc=95,8135∗774,85695,8135+774,856

Uc=85,269

9

UD=(U c−1+0,0002 )−1UD=(85,269−1+0,0002 )−1UD=83,8398

ΔT 1=Ti aceite−Ti aguaΔT 1=317,8−282,6ΔT 1=35,2ΔT 2=¿aceite−¿agua

ΔT 2=307,4−287,6ΔT 2=19,8

ΔTml= ΔT 1−ΔT 2

ln( ΔT 1ΔT 2 )ΔTml=35,2−19,8

ln( 35,219,8 ) ΔTml=26,76° K

A=Daceite∗π∗0,41A=0,0315∗π∗0,41A=0,0405m2

Q=UD∗A∗ΔTmlQ=83,839∗0,0405∗26,76Q=91,0485 [W ]

7. TABLA DE RESULTADOS

LADO CALIENTE

Tm [°K]ρ

[Kgr/m^3]μ

[Ns/m^2]D [m] Re

Tipo de Flujo

312,6 868,02 0,1048

0,0315

21,119452116986

laminar

315 867,81 0,102821,52512756708

2laminar

316,1 867,99 0,104621,15910216478

6laminar

318,2 867,87 0,103421,40170314064

7laminar

319,65 867,95 0,104821,11774897460

6laminar

319,55 867,98 0,102843,05868848175

4laminar

325,35 868,01 0,104663,47876912195

8laminar

328,25 868,04 0,103485,62358138526

3laminar

D/L Pr(D*Re*Pr))/

LNusselt k [W/m°K]

hi [W/m^2°K]

0,0768292 1486,2 2411,496309 23,321352 0,14174 104,9386806

10

7

1459,6 2413,82780523,329232

50,14167 104,9222974

1482,4 2409,84627123,315771

70,14173 104,9061689

1467,2 2412,48349723,324689

40,14169 104,9166742

1465,3 2377,39239923,205466

40,141685 104,3767146

1461,88 4836,14394829,630831

30,141676 133,2691319

1458,46 7112,94935833,743405

70,141667 151,7564144

1455,04 9571,83092637,255023

70,141658 167,5387982

LADO FRIO

Tm [°K]ρ

[Kgr/m^3]μ [Ns/m^2] D [m]

De [m]

ReTipo de

Flujo

285,1 1 0,0014795

0,0345

0,003

72,3849901

Laminar

281,65 1 0,0015025 106,9154 Laminar281,65 1 0,0014795 144,76998 Laminar281,1 1 0,0015117 177,10788 Laminar287,3 1 0,0015117 70,843152 Laminar

287,65 1 0,0015190670,499909

7Laminar

287,95 1 0,0015264270,159977

5Laminar

288,3 1 0,0015337869,823307

7Laminar

De/L Pr (D*Re*Pr))/L Nusseltk

[W/m°K]ho

[W/m^2°K]0,00731707

311,044 5,849413393

4,016186083

0,5788 774,8561683

10,946 8,5631412714,16465346

80,5792 804,0557629

11,044 11,69882679 4,327320236

0,5788 834,8843174

11

11,024 14,286126354,45553240

40,57888 859,7395328

11,044 5,7248178314,00917105

40,5788 773,5027353

10,946 5,646526913 4,0047534 0,5792 773,1843898

11,044 5,6696106684,00605670

90,5788 772,9018743

11,024 5,6321864174,00394340

60,57888 772,6009196

TRANSFERENCIA DE CALOR

Transferencia de Calorhio

[W/m^2°K]Uc

[W/m^2°K]UD

[W/m^2°K]ΔT1[°K

]ΔT2[°K

]ΔTml[°K

]A

[m^2]Q [W]

95,81 85,27 83,84 35,20 19,80 26,77

0,04

91,05

95,80 85,60 84,16 36,20 30,50 33,27113,6

0

95,78 85,93 84,47 36,70 32,20 34,40117,9

1

95,79 86,19 84,73 39,10 35,10 37,06127,4

2

95,30 84,85 83,43 45,90 18,80 30,36102,7

7

121,68 105,13 102,97 45,70 18,10 29,80124,5

0

138,56 117,50 114,80 46,10 28,70 36,72171,0

1

152,97 127,69 124,51 47,20 32,70 39,51199,5

8

8. GRÁFICAS DE COMPORTAMIENTO

12

83.84 84.16 84.47 84.73 83.43 102.97 114.80 124.510

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0.0007

FLUJO MASICO DE AGUA VS. COEF. GLOBAL

m agua

83.84 84.16 84.47 84.73 83.43 102.97 114.80 124.510

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

FLUJO MASICO DE ACEITE VS. COEF. GLOBAL

m aceite

ANALISISEn la etapa en la que solo se vario el caudal de agua se puede observar que hay una clara dependencia lineal, por lo que se puede decir que el flujo de agua interviene de una manera muy importante al coeficiente global de transferencia de calor, sin embargo en la etapa en que se vario el flujo másico del aceite también este cambio altero el coeficiente global de transferencia de calor.

13

91.05

113.60

117.91

127.42

102.77

124.50

171.01

199.580.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

COEF. GLOBAL VS. CALOR

UD [W/m^2°K]

ANALISISLa transferencia de calor muestra una dependencia del coeficiente global de transferencia de calor, entre más alto el coeficiente global de transferencia de calor, será más alta la tasa de transferencia de calor.

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los distintos aceites térmicos poseen distintas características, y estas pueden

diferir de los distintos procesos en los que vayan inmersos. La transferencia de calor que se obtiene al realizar un proceso con flujo

paralelo es menor que cando se la realiza a contracorriente. El coeficiente global de transferencia de calor depende directamente del flujo

másico tanto del agua como del aceite. Procurar que todas las conexiones del equipo estén bien realizadas para evitar

fugas. Que las termocuplas estén correctamente colocadas para que la medida sea

correcta y no tenga errores debido a muchos factores.

10. REFERENCIAS https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/

Documento15.pdf http://www.hydac.com/de-es/productos/intercambiadores-de-calor-

refrigeradore/intercambiador-de-calor-aceite-agua.html http://www.jpilan.com/intercamb_agua.php

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