intercambiador de calor aire agua

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA
ASIGNATURA: TRANSFERENCIA DE CALOR
TEMA:
INTERCAMBIADORES DE CALOR AIRE - AGUA
OBJETIVO:
Determinar la rata de transferencia de calor en intercambiadores de simple fase,
con flujo paralelo y en contracorriente.
TEORIA:
Un intercambiador de calor de simple fase es un recuperador de calor, consistente
en una superficie de transferencia de calor que separa los dos fluidos que fluyen
simultáneamente a través del intercambiador de calor sin cambiar de fase.
Las configuraciones de flujo que ocurren en un intercambiador son: flujo paralelo,
contracorriente,
flujo
cruzado
simple
paso
o
flujo
cruzado
multipaso.
En la figura No.1, se muestra las trayectorias de la temperatura (cambios de
temperatura) que se tienen en un simple paso de flujo paralelo y contracorriente.
1
La diferencia de temperatura entre os fluidos caliente y frio varia con la posición a
lo largo de la trayectoria del fluido.
Para simplificar el análisis de transferencia de calor es aconsejable definir una
diferencia media logarítmica de temperatura (DMLT).
𝐷𝑀𝐿𝑇 =
∆𝑇𝑒𝑛𝑡 − ∆𝑇𝑠𝑎𝑙
⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡(1)
∆𝑇𝑒𝑛𝑡
)
ln⁡(
∆𝑇𝑠𝑎𝑙
Donde para flujo en contracorriente:
∆𝑇𝑒𝑛𝑡 = 𝑇1 − 𝑡2
∆𝑇𝑠𝑎𝑙 = 𝑇2 − 𝑡1
𝑇1 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜⁡𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒⁡(℃)
𝑇2 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎⁡⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜⁡𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒⁡(℃)
2
𝑡1 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎⁡⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜⁡𝑓𝑟𝑖𝑜⁡(℃)
𝑡2 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎⁡⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜⁡𝑓𝑟𝑖𝑜⁡(℃)
Para flujo paralelo:
𝐷𝑀𝐿𝑇 =
∆𝑇𝑒𝑛𝑡 − ∆𝑇𝑠𝑎𝑙
⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡(2)
∆𝑇
ln⁡( 𝑒𝑛𝑡 )
∆𝑇𝑠𝑎𝑙
∆𝑇𝑒𝑛𝑡 = 𝑇1 − 𝑡1
∆𝑇𝑠𝑎𝑙 = 𝑇2 − 𝑡2
El balance de calor vendría a ser:
0 = ℎ𝐴⁡(𝐷𝑀𝐿𝑇)
Donde:
ℎ = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒⁡𝑑𝑒⁡𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
𝐴 = 𝐴𝑟𝑒𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
Cuando un fluido fluye por un conducto que tiene sección diferente a la
circular; tal como un anillo, es conveniente expresar los coeficientes de calor
y factores de fricción, mediante los mismos tipos de ecuación y curvas
usadas para tuberías o tubos. Para permitir este tipo de representación para
transferencia de calor en ánulos, se encuentra ventajoso emplear un
diámetro equivalente De.
𝑟ℎ = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜⁡ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐𝑜 = ⁡
𝐴𝑟𝑒𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜⁡ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜
𝐴𝑟𝑒𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 = 𝜋(𝐷22 − 𝐷12 )
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜⁡ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜 = ⁡𝜋𝐷1
3
𝐷𝑒 = ⁡
𝐷22 − 𝐷12
𝐷1
Donde:
𝐷2 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜⁡𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑡𝑢𝑏𝑜⁡𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟
𝐷1 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜⁡𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑡𝑢𝑏𝑜⁡𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟
En intercambiadores de doble tubo se acostumbra a usar la superficie
exterior del tubo interior como la superficie de referencia en 𝑄̇ = 𝐻𝑜⁡𝐴⁡∆𝑡 y
puesto que ha determinado para Ai y no para Ao, -ha debe corregirse.
ℎ𝑎1 = ℎ𝑎⁡
𝐴𝑖
𝐷𝑖
= ℎ𝑎⁡
𝐴𝑜
𝐷𝑜
𝐷𝑖 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜⁡⁡𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟⁡⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑡𝑢𝑏𝑜⁡𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜
𝐷𝑜 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜⁡⁡𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟⁡⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑡𝑢𝑏𝑜⁡𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜
Para el caso de tubos concéntricos, las resistencias encontradas son:
1
1
1
= 1+
ℎ𝑜 ℎ𝑎
ℎ𝑤
Los
coeficientes
de
transferencia
de
calor
separadamente.
 Lado del aire (hi)
𝑄̇ = ℎ𝑖⁡𝐴𝑖⁡(𝐷𝐿𝑀𝑇)⁡𝑎
ℎ𝑖 =
4
𝑄̇
𝐴𝑖⁡(𝐷𝐿𝑀𝑇)𝑎
se
calculan
también
Donde:
𝑄̇ = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟⁡𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜⁡𝑝𝑜𝑟𝑒𝑙⁡𝑎𝑖𝑟𝑒
ℎ𝑖 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒⁡𝑑𝑒⁡𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑐𝑜𝑙𝑜𝑟⁡𝑎𝑖𝑟𝑒 − 𝑡𝑢𝑏𝑜⁡(𝐾𝐽⁄𝑚2 ⁡ℎ℃)
𝐴𝑖 = 𝐴𝑟𝑒𝑎⁡𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙⁡𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑡𝑢𝑏𝑜⁡𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟⁡⁡𝑚2
(𝐷𝑀𝐿𝑇)𝑎 = 𝐷𝐼𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎⁡𝑙𝑜𝑔𝑎𝑟𝑖𝑡𝑚𝑖𝑐𝑎⁡𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎⁡(℃)⁡𝑎𝑖𝑟𝑒 − 𝑡𝑢𝑏𝑜
 Lado de Agua (ho)
ℎ𝑤 =
𝑄̇
𝐴𝑜⁡(𝐷𝐿𝑀𝑇)𝑤
Donde:
𝑄̇ = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟⁡𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜⁡𝑝𝑜𝑟⁡𝑒𝑙⁡𝑎𝑔𝑢𝑎
𝐴𝑜 = 𝐴𝑟𝑒𝑎⁡𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙⁡𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎⁡𝑑𝑒𝑙⁡𝑡𝑢𝑏𝑜⁡𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(𝑚2 )
(𝐷𝑀𝐿𝑇)𝑤 = 𝐷𝐼𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎⁡𝑙𝑜𝑔𝑎𝑟𝑖𝑡𝑚𝑖𝑐𝑎⁡𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎⁡⁡𝑎𝑔𝑢𝑎
− 𝑡𝑢𝑏𝑜⁡(℃).
ℎ𝑤 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒⁡𝑑𝑒⁡𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎⁡𝑑𝑒⁡𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟⁡𝑎𝑔𝑢𝑎 − 𝑡𝑢𝑏𝑜⁡(𝐾𝐽⁄𝑚2 ⁡ℎ⁡℃)
EQUIPO UTILIZADO:
Para esta práctica se utiliza el equipo de transferencia de calor aire-agua TD 37.
El aparato es esencialmente un intercambiador de calor de tubo concéntrico, en el
cual fluye aire caliente por el tubo central y es enfriado por agua que fluye en el
anillo.
Un ventilador de velocidad variable suministra aire filtrado. Un calentador eléctrico
de control variable suministra el calor el aire.
5
El tubo central es de cobre, el cual esta centrado dentro de un tubo de latón, para
formar el anillo. Se provee de termocuplas de cobre constantano, dos para medir
la temperatura del aire a la entrada y a la salida de la longitud de prueba y dos
conectadas en los mismos puntos anteriores para medir la temperatura del tubo de
cobre. Estas termocuplas van conectadas a un termómetro electrónico. Dos
termómetros de Hg miden la temperatura del agua a la entrada y salida.
Dos manómetros miden la presión estática del aire a la salida del tubo (rango 0 a
300mm H2O) y la caída de presión del aire a través de longitud de prueba (rango
0 a 200 mm H2O).
Para medir flujo de agua se utiliza un vaso graduado y un cronometro.
Un tanque con agua colocado en la parte superior provee de un flujo constante de
agua.
6
Cuadro Nº 1
INTERCAMBIADOR DE CALOR: AIRE- AGUA.
Nº DE PRUEBA
TIPO DE FLUJO:………………. PARALELO:…..
PARAMETRO
SIMBOLOGIA
Temperatura del aire de
entrada.
Temperatura del aire de
salida.
Temperatura del tubo a la
entrada.
Temperatura del tubo a la
salida.
Temperatura del agua de
entrada.
Temperatura del agua de
salida.
Volumen de agua.
Tiempo de recolección.
Presión estática del aire a la
salida.
Caída de presión del aire a lo
largo del tubo.
Amperaje.
Voltaje
Temperatura del ambiente.
T1
UNIDAD
℃
T2
℃
To1
℃
To2
℃
t1
℃
t2
℃
𝑉̅
t
P1
lts.
S
mmH2O
P
mmH2O
I
Volt.
Ta.
A
V
℃
7
1
2
3
4
5
6
7
Cuadro Nº 2
INTERCAMBIADOR DE CALOR: AIRE- AGUA.
Nº DE PRUEBA
TIPO DE FLUJO:………………. PARALELO:…..
PARAMETRO
SIMBOLOGIA
Temperatura del aire de
entrada.
Temperatura del aire de
salida.
Temperatura del tubo a la
entrada.
Temperatura del tubo a la
salida.
Temperatura del agua de
entrada.
Temperatura del agua de
salida.
Volumen de agua.
Tiempo de recolección.
Presión estática del aire a la
salida.
Caída de presión del aire a lo
largo del tubo.
Amperaje.
Voltaje
Temperatura del ambiente.
T1
UNIDAD
℃
T2
℃
To1
℃
To2
℃
t1
℃
t2
℃
𝑉̅
t
P1
lts.
S
mmH2O
P
mmH2O
I
Volt.
Ta.
A
V
℃
8
1
2
3
4
5
6
7
Cuadro Nº 3
INTERCAMBIADOR DE CALOR: AIRE- AGUA.
Nº DE PRUEBA
TIPO DE FLUJO:………………. PARALELO:…..
PARAMETRO
Flujo de aire
Flujo de agua.
Calor transferido o ganado.
SIMBOLOGIA
𝑚𝑎
̇
𝑚𝑤
̇
UNIDAD
𝐾𝑔⁄𝑠
𝐾𝑔⁄𝑠
𝑄
𝐾𝐽⁄𝑠
Reynolds para el aire
𝑅𝑒𝑎
Reynolds para el agua.
𝑅𝑒𝑤
Prandtl para el aire.
𝑃𝑟𝑎
Diferencia logarítmica media
de temp. agua
Diferencia logarítmica media
de temp. aire
Diferencia logarítmica media
de temp. Tubo.
Coeficiente
transferencia
calor aire-tubo.
Coeficiente
transferencia
calor agua-tubo.
Coeficiente
transferencia
calor aire-agua.
Nusselt para aire.
9
𝐷𝐿𝑀𝑇𝑤
℃
𝐷𝐿𝑀𝑇𝑎
℃
𝐷𝐿𝑀𝑇𝑇
℃
ℎ𝑎
𝑘𝑤⁄𝑚2 ℃
ℎ𝑤
𝑘𝑤⁄𝑚2 ℃
ℎ𝑜
𝑘𝑤⁄𝑚2 ℃
𝑁𝑢𝑎
1
2
3
4
5
6
7
Cuadro Nº 4
INTERCAMBIADOR DE CALOR: AIRE- AGUA.
Nº DE PRUEBA
TIPO DE FLUJO:………………. PARALELO:…..
PARAMETRO
Flujo de aire
Flujo de agua.
Calor transferido o ganado.
SIMBOLOGIA
𝑚𝑎
̇
𝑚𝑤
̇
UNIDAD
𝐾𝑔⁄𝑠
𝐾𝑔⁄𝑠
𝑄
𝐾𝐽⁄𝑠
Reynolds para el aire
𝑅𝑒𝑎
Reynolds para el agua.
𝑅𝑒𝑤
Prandtl para el aire.
𝑃𝑟𝑎
Diferencia logarítmica media
de temp. agua
Diferencia logarítmica media
de temp. aire
Diferencia logarítmica media
de temp. Tubo.
Coeficiente
transferencia
calor aire-tubo.
Coeficiente
transferencia
calor agua-tubo.
Coeficiente
transferencia
calor aire-agua.
Nusselt para aire.
10
𝐷𝐿𝑀𝑇𝑤
℃
𝐷𝐿𝑀𝑇𝑎
℃
𝐷𝐿𝑀𝑇𝑇
℃
ℎ𝑎
𝑘𝑤⁄𝑚2 ℃
ℎ𝑤
𝑘𝑤⁄𝑚2 ℃
ℎ𝑜
𝑘𝑤⁄𝑚2 ℃
𝑁𝑢𝑎
1
2
3
4
5
6
7
El sistema esta protegido por un termostato, como precaución y corta el suministro de
anergia al calentador si la temperatura del aire a la entrada del tubo excede de los
260℃.
A continuación se presenta un esquema del equipo.
Sección A-A
Fig. Nº. 2: Esquema del Equipo.
11
PROCEDIMIENTO:
La disposición de los equipos para la entrada y salida del agua es diferente,
dependiendo del tipo de flujo que se requiera analizar.
1. Encerar manómetros.
2. Comprobar baterías de termómetros electrónicos y encerarlo.
3. Abrir suministro de agua, con el flujo máximo por unos tres minutos, elegir el
sentido del mismo. A asegurarse del sangrado de las tuberías.
4. Cerrar los desagües.
5. Abrir válvula de entrada de agua.
6. Conectar interruptor, cuidando que el reóstato del calentador se halle en sui
posición as baja.
7. Incrementar paulatinamente la velocidad en ventilador.
8. Asegurar que el agua este fluyendo y el ventilador soplando antes de accionar
el control variable del calentador. La temperatura del aire no debe exceder de
los 260℃.
9. Ajustar el flujo de agua con el fin de obtener una elevación apreciable de
temperatura.
10. Inicialmente dejar de 20 a 30 minutos para que las temperaturas se estabilicen,
antes de tomar cualquier dato.
11. Dar nuevas condiciones de prueba y esperar 15 minutos para que las
condiciones se estabilicen.
12. Una vez terminada la practica retornar a cero la carga del calentador y permitir
que el ventilador gire a su máxima velocidad de 5 a 10 minutos, de manera que
el aparato se haya enfriado. Finalmente, drenar toda el agua del aparato.
TABULACION DE DATOS:
Registrar los datos en las Tablas No.1 y No.2.
12
CALCULOS, RESULTADOS Y GRAFICOS

Utilizando las fórmulas de cálculo correspondientes determine el valor de cada
parámetro en las Tablas No.1 y No.2.

Presentar un ejemplo de cálculo con el número de prueba correspondiente.

Registrar los valores calculados en las Tablas No.3 y No.4.
PREGUNTAS:
1. Con la ayudad de gráficos, realice una comparación energética de los lujos
paralelos y a contracorrientes.
2. Comente sobre el coeficiente de transferencia térmica global
3. Haga un análisis de los efectos de la caída de presión a través de los
elementos de un intercambiador de calor.
CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES:
13