LABORATORIO DE TÉRMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA PRESENTACION EXÁMEN RÁPIDO FORMATO CALCULOS RESULTADOS 5% 25% 10% 20% 20% NOMBRE DISCUSION DE RESULTADOS 10% MATRICULA CONCLUSIONES 10% TOTAL 100% Práctica 3 Transferencia de Calor Análisis de Intercambiadores de Calor PROFESOR INSTRUCTOR Introducción Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo utilizado para transferir calor de un líquido procesado a otro. Los Intercambiadores de Calor pueden ser clasificados en tres categorías importantes: 1.- Regeneradores: Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a través del mismo espacio seguido de uno frío en forma alternada, con tan poca mezcla física como sea posible entre las dos corrientes. Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y del fluido de las corrientes fluidas, y con la geometría del sistema, son cantidades que deben conocer para analizar o diseñar los regeneradores. 2.- Intercambiadores de tipo abierto: Son dispositivos en los que las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cámara abierta, y ocurre una mezcla física completa de las corrientes. Las corrientes caliente y fría que entran por separado a este intercambiador salen mezcladas en una sola. El análisis de este tipo de intercambiadores, involucra la ley de la conservación de la masa y la primera ley de la termodinámica. 3.- Intercambiadores de tipo cerrado o recuperadores: Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre si. La transferencia de calor ocurre por convección, desde el fluido más caliente a la superficie sólida, por conducción a través del sólido y de ahí por convección desde la superficie sólida al fluido más frío. Tipos de Intercambiadores Tenemos cuatro tipos de configuraciones más comunes en la trayectoria del flujo: En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro extremo. En la distribución en contracorriente, los fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas. En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido. .Autor: Ing. Gloria López 1 LABORATORIO DE TÉRMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido. Objetivos 1.- Conocer las características y el funcionamiento de un intercambiador de calor de dos pasos, doble tubo, operando en flujos paralelos y flujos encontrados. 2.- Analizar el flujo de calor del intercambiador para flujos paralelos y flujos encontrados. 3.- Evaluar el coeficiente global de transferencia de calor en forma teórica y experimental. Marco Teórico En la determinación de coeficientes fílmicos de transferencia de calor, se pueden encontrar un sinnúmero de correlaciones empíricas. A continuación se listarán algunas correlaciones que pueden servir para predecir el coeficiente global de transferencia de calor. A. Flujo turbulento en tubos. Tanto para el calentamiento como enfriamiento de la mayor parte de los fluidos normales (0.7<Pr<700) en flujo completamente turbulento Re>10,000, y con las propiedades físicas medidas en las condiciones del seno del fluido. f VDi 0.8 f Cp 1 / 3 f 0.14 hiDi Di 0.023[1 ( ) 0.7 ]( ) ( ) ( ) Kf L f Kf w (1) B. Régimen de transición del flujo en tubos: 2100<Re<10,000 f VDi 2 / 3 f Cp 1 / 3 f 0.14 hiDi Di 0.116[1 ( ) 2 / 3 ][( ) 125]( ) ( ) Kf L f Kf w (2) C. Flujo Laminar en tubos a) Flujo Laminar no desarrollado (Gz=RePrDi/L) Gz<100 f 0.14 hiDi 0.085Gz [3.66 ]( ) Kf 1 0.047Gz 2 / 3 w (3) b) Flujo laminar desarrollado (Gz>100) f hiDi Gz1 / 3 ( ) 0.14 Kf w (4) D. Sección Anular: Para flujo de calor hacia la pared del tubo interior. .Autor: Ing. Gloria López 2 LABORATORIO DE TÉRMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA f VDo 0.8 f Cp 1 / 3 Do 0.53 hoDe (5) 0.02( ) ( ) ( ) Kf f Kf Di Coeficiente Global de transferencia de Calor 1 1 Ao Ao ln( Ro / Ri ) U ho Aihi 2kL (6) Notas: De (Diámetro Equivalente) De=Do-Di A (Área de Transferencia de Calor) A=pi*D*L S (Area del Flujo) S= (pi/4)(Di)^2 o S= (pi/4)(Do^2-Di^2) Procedimiento: Distribución de Temperatura en un intercambiador de tubos concéntricos con flujos paralelos: Distribución de temperatura en un intercambiador de tubos concéntricos con flujos encontrados. .Autor: Ing. Gloria López 3 LABORATORIO DE TÉRMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Equipo a Utilizar Intercambiador de Calor de tubos concéntricos. Dimensiones del Intercambiador: Longitud Diámetro Tubo interior Diámetro Tubo exterior Espesor Interior Espesor Experior 1.86 mts 1.6 cm 2.9 cm 0.00101 mts 0.00127 mts Procedimiento 1. Abrir las válvulas 13 y 14, y así mantenerlas durante toda la práctica. 2. Para fijar el flujo de agua fría asegurándose que todas las válvulas de la parte inferior del equipo estén cerradas (son 4 válvulas). Posteriormente verificar que las válvulas 2 y 5 estén cerradas y con la válvula de paso que esta debajo del intercambiador (casi pegada a la pared) regular el flujo de agua fría en aproximadamente de 2 a 4 GPM. El agua fría se va a fijar y no hay necesidad de cerrarla hasta que se termine la práctica. 3. Para fijar el flujo de agua caliente abrir las válvulas 1, 4 y 7, verificar que la válvula 8 esté cerrada. Con la llave de paso que esta al lado derecho del intercambiador se va a regular en aproximadamente el doble del flujo de agua fía, NO ABRA ESTA VALVULA HASTA QUE YA ESTE TODA LA CONFIGURACION DE VALVULAS DEL INTERCAMBIADOR LISTA. Nota: Las unidades del rotámetro de agua caliente son CFM (pies cúbicos por minuto). Para seleccionar que la configuración se va a usar, si flujos paralelos o flujos cruzados solo hay que manipular las siguientes válvulas: Flujos Paralelos: Abrir Válvulas 10 y 12 Cerrar Válvulas 9 y 11 Flujos Cruzados: Abrir Válvulas 9 y 11 Cerrar Válvulas 10 y 12 .Autor: Ing. Gloria López 4 LABORATORIO DE TÉRMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA 4. Una vez que ya todas las válvulas están listas para la configuración deseada fijar el flujo de agua caliente y dejar que fluya por lo menos un minuto y medio hasta que se estabilicen las temperaturas, verificar en el display que la temperatura de entrada de agua caliente ya no varía (termopar 4 para flujos paralelos y termopar 5 para flujos encontrados) entonces hacer las mediciones en todos los puntos utilizando el selector de termopares. 5. Una vez terminada la corrida cerrar la válvula de agua caliente y esperar por lo menos 20 minutos para que el agua se caliente de nuevo. Temperaturas Para Flujos Encontrados: Entrada (oC) Salida (oC) Caliente Fría Temperaturas Para Flujos Paralelos: Entrada (oC) Salida (oC) Caliente Fría Reportar: 1.- Coeficiente Global de transferencia de calor teórica y experimental para cada combinación de flujo: Uo (W/m2-K) Teórico Experimental Flujos Paralelos Flujos Encontrados 2.- Obtener el flujo de calor para cada combinación de flujo, usando el coeficiente teórico y experimental. Q (W) Teórico Experimental Flujos Paralelos Flujos Encontrados 3.- Hacer dos gráficas de temperatura contra área total para cada combinación de flujos 4.- DECIR (EN LA PARTE DE CONCLUSIONES) EN QUE TIPO DE FLUJOS (PARALELOS O ENCONTRADOS) SE TIENE MAYOR TRANSFERENCIA DE CALOR Y EXPLICAR POR QUE. Nota: La práctica debe de entregarse según lo establece el formato. Agregar cálculos, resultados teóricos y experimentales, discusión de resultados y conclusiones. Bibliografía Cengel, Yunus A. and Turner, Robert. Fundamentals of Thermal Fluid Sciences. McGraw Hill. 2001. Pág. 229 – 233. Incropera and DeWitt, Introduction to Heat Transfer, Ed. Wiley, 3a ed., 1996. .Autor: Ing. Gloria López 5