UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MORELOS.

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍAS.

DISEÑO DE EQUIPO.

TEMA:

INTERCAMBIADORES DE CALOR.

NOMBRE DEL EQUIPO:

BAHENA BAHENA ALMA KRIZIA.

GOMEZ CABRERA NORA DALIA.

FECHA: 15 DE JUNIO DE 2012

ÍNDICE.

APÉNDICE A. LISTA DE FIGURAS. 3

APÉNDICE B. DATOS TÉCNICOS. 4

RESUMEN. 5

ANTECEDENTES. 5

JUSTIFICACIÓN. 5

OBJETIVO. 5

MARCO TEÓRICO. 6

TIPOS DE INTERCAMBIADORES SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN. 7

TIPOS DE INTERCAMBIADORES SEGÚN SU OPERACIÓN. 9

FUNCIONAMIENTO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR. 16

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DEL LOU 17

PUESTA EN MARCHA Y OPERACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE

CALOR

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DESARROLLO 24

RESULTADOS EXPERIMENTALES. 24

RECOMENDACIONES PARA EL USO ADECUADO DEL EQUIPO. 27

MODELOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR 28

CONCLUSIONES. 29

BIBLIOGRAFÍA. 30

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APÉNDICE A. LISTA DE FIGURAS.

Figura 1 Intercambiador de calor de tubo doble. Figura 2 Intercambiador de calor de carcasa y tubos.Figura 3 Intercambiador de calor de tipo plato.Figura 4 Intercambiador de calor de flujo paralelo.Figura 5 Intercambiador de Contraflujo.Figura 6 Intercambiador de calor de flujo cruzado.Figura 7 Intercambiador de un solo paso e intercambiador de múltiple paso.Figura 8 Intercambiadores enfriados por aire.Figura 9 Intercambiadores de tipo placa.Figura 10 Intercambiador regenerativo e Intercambiador no-generativo.Figura 11 Estructura del equipo.Figura 12 Esquema de proceso del intercambiador de calor. Figura 13 Inter cambiador de calor. Figura 14 Resistencia térmica. Figura 15 Tubos concéntricos. Figura 16 Diagrama de flujos.Figura 17 Caja de distribución.Figura 18 Sensor de temperatura del depósito de agua caliente. Figura 19 Tomas de agua de acoplamiento rápido.Figura 20 Termopares.Figura 21 interruptor general. Figura 22 Pirómetro.Figura 23 Red de suministro de agua fría para el intercambiador de calor.

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Apéndice B.

Datos técnicos

Dimensiones 1000x600x300mm

Peso aprox. 80Kg

Deposito de agua, cantidad 10L

Bomba 127v, 60Hz

Caudal 540l/h

Altura de elevación 25m

Calefactor 3000W

Termostato 0 a 80 ºC

Superficie de intercambiador de calor

Lado caliente 0.0197m2

Lado frio 0.0259m2

Logarítmica media 0.0227m2

RESUMEN.

Podemos establecer los siguientes puntos que resumen el tipo de intercambiadores de calor.• Existen dos métodos para la construcción de intercambiadores de calor: Tipo Plato y Tipo Tubo.• En un intercambiador de flujo paralelo el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen en la misma dirección.• En un intercambiador de Contraflujo el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen en con la misma dirección pero en sentido contrario.

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• En un intercambiador de flujo cruzado el fluido con mayor temperatura y el fluido con menor temperatura fluyen formando un ángulo de 90◦ entre ambos, es decir perpendicular uno al otro.

ANTECEDENTES.

Desde hace algunos años la industria Química y de procesos ha tenido la necesidad de contar con equipos para enfriar o calentar algunas sustancias vía transferencia de calor, para lo cual se han utilizado los intercambiadores de calor, de los cuales hay una gran variedad en la industria. Lo que ha llevado a la investigación de nuevos diseños y el aumento de eficiencia en las operaciones de los procesos ya establecidos.

La simulación se ha desarrollado como una de las herramientas más importantes en el análisis de procesos y se refiere a la operación de un equipo.

JUSTIFICACIÓN.

En lo que lleva el equipo en el laboratorio de operaciones unitarias no se han llevado a cabo pruebas para ver qué tan eficiente puede ser in intercambiador de calor, tampoco se avisto si los termopares están calibrados o requieren de una calibración, tampoco han llevado pruebas para ver que realmente sea más eficiente el intercambiador de calor trabajando a flujos en contra corriente que en flujos paralelos por tal motivo en el presente trabajo se correrán pruebas para ver la eficiencia del equipo.

OBJETIVO.

Evaluar experimentalmente el intercambiador de calor para ver que te tipo de intercambiador es más eficiente.

LOU: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS.UAEM: UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE MORELOS.

MARCO TEÓRICO.INTERCAMBIADORES DE CALOR.

Los intercambiadores de calor son dispositivos donde dos corrientes de flujo en movimiento intercambian calor sin mezclado. Los intercambiadores de calor se usan ampliamente en varias industrias y su diseño es variado.

La forma más simple de un intercambiador de calor es un intercambiador de calor de tubo doble (conocido también como de tubo y coraza), como el que

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podemos observar en la figura 1 y que se compone de dos tubos concéntricos de diámetros distintos. Un fluido corre por el tubo interno mientras otro lo hace en el espacio anular entre ambos tubos. El calor se transfiere del fluido caliente al frio a través de la pared que los separa.

Figura 1 Intercambiador de calor de tubo doble.

Intercambiadores de Calor.

En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea. Un entendimiento básico de los componentes mecánicos de los intercambiadores de calor es necesario para comprender cómo estos funcionan y operan para un adecuado desempeño.El objetivo de esta sección es presentar los intercambiadores de calor como dispositivos que permiten remover calor de un punto a otro de manera específica en una determinada aplicación. Se presentan los tipos de intercambiadores de calor en función del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo cruzado. Además se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base en su construcción: tubo y carcasa; placas, y se comparan estos. Se presentan también los intercambiadores de paso simple, de múltiples pasos, intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calor no regenerativo. Al final se incluyen algunas de las posibles aplicaciones de los intercambiadores de calor.Como hemos mencionado, un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:

• Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.• Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.• Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura.• Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío.• Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.

Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de

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menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.

Tipos de intercambiadores de calor según su construcción

Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y tamaños, la construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las dos siguientes categorías: carcasa y tubo o plato. Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos presenta ventajas o desventajas en su aplicación.

Carcasa y tubo

La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo y carcasa que se muestra en la figura 2.

Figura 2 Intercambiador de calor de carcasa y tubos.

Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcasa. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcasa o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la carcasa por la placa del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de la cáscara. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de soporte (support plates) mostradas en figura 2 también actúan como bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.

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Plato

El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la figura 3, consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente grande de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos. Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de carcasa y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos. El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de carcasa y tubos para la misma capacidad de intercambio de calor.

Figura 3 Intercambiador de calor de tipo plato.

Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente debido a la inhabilidad de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas. Debido a este problema, el tipo intercambiador de la placa se ha utilizado solamente para aplicaciones donde la presión es pequeña o no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para máquinas. Actualmente se cuentan importantes avances que han mejorado el diseño de las juntas y sellos, así como el diseño total del intercambiador de placa, esto ha permitido algunos usos a gran escala de este tipo de intercambiador de calor. Así, es más común que cuando se renuevan viejas instalaciones o se construyen nuevas instalaciones el intercambiador de la placa está substituyendo paulatinamente a los intercambiadores de carcasa y tubo.

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Tipos de intercambiadores de calor según su operación

En este punto se realiza una descripción de los tipos de intercambiadores que son.

• Intercambiadores de tubería doble• Intercambiadores enfriados por aire• Intercambiadores de tipo placa• Intercambiadores de casco y tubo

Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas, tamaños, materiales de manufactura y modelos, estos son categorizados de acuerdo con características comunes. Una de las características comunes que se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos de fluido. Las tres categorías son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.

Intercambiadores de tubería doble.

Consiste en un tubo pequeño que está dentro de otro tubo mayor, circulando los fluidos en el interior del pequeño y entre ambos.Estos intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de área de transferencia son pequeños.

Flujo paralelo.

Como se ilustra en la figura 4, existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.

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Figura 4 Intercambiador de calor de flujo paralelo.

Contraflujo

Como se ilustra en la figura 5, se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo 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 el intercambiador.

Figura 5: Intercambiador de Contraflujo

Flujo cruzado

En la figura 6 se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90◦ Los intercambiadores de flujo cruzado

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son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico.

Figura 6: Intercambiador de calor de flujo cruzado.

Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.

En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La razón de incluir la combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las restricciones propias del diseño, que son: tamaño, costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos, temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la complejidad del intercambiador.

Intercambiadores de un solo paso (o paso simple) y de múltiple pasos.

Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple.

Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiple pasos. Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. En la figura 7 se muestra un ejemplo de estos intercambiadores. Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U “en los extremos, es decir, el doblez en forma de "U" permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador.

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Un segundo método para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del intercambiador.

Figura 7 Intercambiador de un solo paso e intercambiador de múltiple paso.

Intercambiadores enfriados por aire.

Consisten en una serie de tubos situados en una corriente de aire, que puede ser forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener aletas para aumentar el área de transferencia de calor.

Pueden ser de hasta 12 m de largo y anchos de 2,5 a 5 m.

La selección de un intercambiador enfriado por aire frente a uno enfriado por agua es una cuestión económica, hay que consideran gastos de enfriamiento del agua, potencia de los ventiladores y la temperatura de salida del fluido un intercambiador de aire, tiene una diferencia de temperatura de unos 8 ºC. Con agua se obtienen diferencias menores, en la figura 8 se muestra un intercambiador enfriado por aire.

Figura 8 Intercambiadores enfriados por aire.

Intercambiadores de tipo placa.

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Llamados también intercambiadores compactos. Pueden ser de diferentes tipos:

• Intercambiadores de tipo placa y armazón similares a un filtro prensa.• Intercambiadores de aleta de placa con soldadura.Admiten una gran variedad de materiales de construcción, tiene una elevada área de intercambio en una disposición muy compacta. Por la construcción están limitados a presiones pequeñas, como se muestra en la figura 9

Figura 9 Intercambiadores de tipo placa.

Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos

Los intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su función en un sistema particular. Una clasificación común es

• Intercambiador regenerativo.• Intercambiador no-regenerativo.

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Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo) como se muestra en lo figura 8. Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y éste es posteriormente integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido del proceso principal contiene energía (energía interna, mal llamado calor), el calor del fluido que abandona el sistema se usa para recalentar (regenerar) el fluido de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frío lo que mejora la eficacia del intercambiador. Es importante recordar que el término "regenerativo/no-regenerativo" sólo se refiere a "cómo" funciona el intercambiador de calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador (carcasa y tubo, plato, flujo paralelo, contraflujo).

En un intercambiador regenerativo, como se muestra en la figura 10, el fluido con mayor temperatura en enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía (calor) removida y no es regresaba al sistema.

Figura 10 Intercambiador regenerativo e Intercambiador no-generativo

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Las cuatro principales componentes de un intercambiador son

Tubos Plato o tubo Carcaza Bafle

Los intercambiadores de un solo paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro una sola vez.

Los intercambiadores de múltiple paso tienen fluidos que transfieren calor de uno a otro más de una vez a través del uso de tubos en forma de "U" y el uso de bafles.

Los intercambiadores de calor regenerativos usan el mismo fluido para calentar y enfriar.

Los intercambiadores de calor no-regenerativos usan fluidos separados para calentar y enfriar.

FUNCIONAMIENTO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR.

Como hemos visto hasta ahora, la función general de un intercambiador de calor es transferir calor de un fluido a otro.Los componentes básicos de los intercambiadores se puede ver como un tubo por donde un flujo de fluido está pasando mientras que otro fluido fluye alrededor de dicho tubo. Existen por tanto tres intercambios de calor que necesitan ser descritos:Transferencia de calor convectiva del fluido hacia la pared interna del tuboTransferencia de calor conductiva a través de la pared del tuboTransferencia de calor convectiva desde la pared externa del tubo hacia el fluido exterior.Para desarrollar la metodología para el análisis y diseño de un intercambiador de calor, atendemos primero el problema de la transferencia de calor del fluido interno en el tubo hacia el fluido externo en la carcaza.Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres:• Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos.• Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.• Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.• Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.• Re hervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de rebullicio que se necesita para la destilación. (Los hay de termosifón, de circulación forzada, de caldera).• Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.

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DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DEL LOU.

El intercambiador de calor WL110 se encuentra en el laboratorio de operaciones unitarias (LOU), de la UAEM. Este equipo está adecuado para le enseñanza técnica.

El equipo contiene todos los dispositivos de alimentación como son la bomba, indicadores de valores de medición y deposito de agua.

La estructura del equipo esta configurada como se muestra en la figura 11 que a continuación se describe.

Figura 11 Estructura del equipo

Caja de distribución

1.- Interruptor primario

3.- Termostato

4.- Interruptor por aumento de presión para válvula de alimentación de agua fría

5.- Indicador de falta de agua en el depósito

9.- Conexión para la tarjeta de datos de medición en Pc

10.- 2 Tomas de agua fría con acoplamiento rápido

11.- 2 Tomas de agua caliente con acoplamiento rápido

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12, 13, 15.- Indicadores de temperatura en el circuito de agua fría y en el de agua caliente temperatura de entrada, temperatura en el intercambiador de calor y temperatura de salida

14.- Conmutador de indicador de circuito de agua fría/caliente

17.- Válvula de caudal de agua fría

18.- Válvula de caudal de agua caliente

18 Indicador de caudal en el circuito de agua fría y caliente

19.- Salida del depósito, alimentación y evacuación de agua fría

Esquema del proceso.

En la figura 12 se muestra el esquema del proceso del intercambiador de calor.

Figura 12 Esquema de proceso del intercambiador de calor

El Funcionamiento es de la siguiente manera.

La bomba centrifuga funciona de un numero de revoluciones constante, transporta el agua desde el deposito de reserva y la hace pasar por el circuito de agua caliente. Unas válvulas permiten ajustar los caudales Vv(del circuito de agua caliente) y Vk (del circuito de agua fría). Dentro del intercambiador de calor el agua caliente transmite parte de su energía inherente a agua fría del circuito de agua fría y vuelve a fluir al interior del depósito. Una calefacción eléctrica colocada en el depósito se encarga de calentar el agua. El circuito de agua fría se puede alimentar a través de la red local o de la red del laboratorio. Las temperaturas en el lado del agua caliente y en el lado de agua fría del intercambiador de calor se registran en puntos de medición de la temperatura situados en la entrada y salida de agua fría y caliente.

Componentes del equipo

El equipo tiene los siguientes componentes

En la figura 13 se muestra el intercambiador de calor

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Figura 13 Intercambiador de calor

En el intercambiador de calor se cuenta con una resistencia térmica que nos sirve para el calentamiento del agua que se encuentra en el depósito figura 14

Figura 14 Resistencia térmica

El intercambiador de calor es de tubos concéntricos y puede trabajar en flujo paralelo o en contra corriente y la superficie del intercambiador de calor es para el lado frio 0.0259m2 y para el lado caliente es de 0.0197m2 en la figura 15 se pueden apreciar los tubos.

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Figura 15 Tubos concéntricos

El equipo cuenta con un diagrama que nos indica como conectar las entradas y salidas de los flujos del agua caliente y fría para poder trabajar ya sea en flujo paralelo o en contra flujo este diagrama se muestra en la figura 16

Figura 16 Diagrama de flujos

En el equipo de el intercambiador de calor se cuenta con una caja de distribución la cual esta digitalizada y se puede conectar a una computadora por medio de un puerto en la figura 17 se observa la caja de distribución, en esta caja se pueden observar las temperaturas de entrada, temperaturas medias y de salida tanto del fluido caliente como frio y los flujos de cada fluido

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Figura 17 Caja de distribución

El equipo también cuenta con un sensor de temperatura en el depósito de agua calienta este esta conectado a un pirómetro para mantener la temperatura constante para poder trabajar el equipo en condiciones de operación del estado estable en a figura 18 se muestra el sensor de temperatura

Figura 18 Sensor de temperatura del depósito de agua caliente

Tomas de agua para acoplamiento rápido, estas tomas sirve para manipulas el tipo de intercambiador (en paralelo ó contra corriente) estas tomas se encuentran tanto para el lado frio como para el caliente, se encuentran en la entrada y salida del flujo frio y caliente, se puede observar como son en la figura 19

Figura 19 Tomas de agua de acoplamiento rápido

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Termopares se cuenta con seis termopares en la unidad de intercambiador de calor colocados en la entrada, salida y en un punto medio para observar el comportamiento de las temperaturas de los flujos y así poder obtener datos de interés, en la figura 20 se muestra como están acoplados al equipo.

Figura 20 Termopares

El intercambiador de calor tiene un interruptor general este sirve para prender el equipo y ponerlo en marcha, hay que ponerlo en on para que empiece a operar el intercambiador del equipo y hay que recordar ponerlo en la posición de off cuando se termine la practica por si que da prendida la resistencia no se queme, la figura 21 muestra como es el interruptor principal del intercambiador de calor

Figura 21 interruptor general

El intercambiador de calor, cuenta con un pirómetro el cual sirve para controlar la temperatura deseada y que el equipo no se caliente o enfrié demasiado, a la hora de estar corriendo pruebas esto con la finalidad de que se tenga un mejor control y una mejor operación del mismo, la figura 22 muestra el pirómetro con que se cuenta en el equipo del intercambiador de calor.

Datos técnicos

Dimensiones 1000x600x300mmPeso aprox. 80Kg

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Depósito de agua, cantidad 10LBomba 127v, 60HzCaudal 540l/hAltura de elevación 25mCalefactor 3000WTermostato 0 a 80 ºCSuperficie de intercambiador de calorLado caliente 0.0197m2

Lado frio 0.0259m2

Logarítmica media 0.0227m2

Figura 22 Pirómetro

El intercambiador de calor requiere de una fuente de alimentación de agua fría, esta es suministrada por medio de la red de agua del laboratorio (LOU). Esta red esta ubicada en el LOU y es como se enseña en la figura 23

Figura 23 Red de suministro de agua fría para el intercambiador de calor

PUESTA EN MARCHA Y OPERACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR Puesta en marcha

1.- Se abre la llave de suministro de agua fría

2.- Se coloca el interruptor general en la posición on

3.- se llena el tanque de almacenamiento de agua caliente (hasta que el indicador de nivel se apague)

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4.- Colocar el equipo en el tipo de intercambiador que queremos (paralelo ó contra corriente)

5.- Poner la temperatura que se desea en el pirómetro

6.- Prender la resistencia del depósito de agua de calentamiento

7.- Prender la bomba de agua de calentamiento

8.- Colocar los flujos con los que se va a trabajar (fluido caliente y fluido frio)

9.- Esperar que el equipo se estabilice

PARO DEL EQUIPO

1.- Apagar la resistencia

2.- Apagar la bomba del circuito de al agua caliente

3.- Cerrar las válvulas de los flujos

4.- Cambiar la posición del interruptor general a off

5.- Cerrar llave de suministro de agua fría

6.- Esperar a que se en fríe el tanque de almacenamiento

7.- Vaciar el tanque de almacenamiento

DESARROLLO

Las pruebas experimentales fueron realizadas con agua, todas las pruebas fueron realizadas aplicando las metodologías de puesta en marcha, operación y paro del equipo, donde cada una de las pruebas fue registrada en una bitácora de experimentos, que contiene la siguiente información.

Tipo de operación (paralelo ó contracorriente)Caliente

EntradaMedia Salida Flujo Tría

Entrada Media Salida Flujo Todos los datos fueron tomados a mano.

RESULTADOS EXPERIMENTALES.

Las pruebas experimentales fueron realizadas con diferentes temperaturas.

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En la gráfica 1 se muestran la relación del flujo fio con respecto a la temperatura de salida del flujo caliente, se puede observar que cuando aumentamos el flujo frio sin cambiar la temperatura de entrada, y el flujo de el fluido caliente la temperatura de salida disminuye del fluido caliente, se observa que se tiene una relación directamente proporcional de la temperatura con respecto al fluido caliente.

Grafica 1 Calor de salida con respecto al flujo caliente (en contra corriente).

En la gráfica 2 tenemos el comportamiento del intercambiador de calor con respecto al flujo de calentamiento y de enfriamiento, con respecto a la salida del agua de enfriamiento, cuando se tienen los mismos flujos y una temperatura alta se obtiene a la salida del flujo frio una temperatura relativamente alta y la salida del flujo caliente no pierde tanta energía para el caso en paralelo.

Grafica 2 comportamiento del intercambiador de calor con respecto al flujo de calentamiento y de enfriamiento

En la gráfica 3 se puede observar que para ganar calor del lado del flujo frio sin perder demasiado calor del flujo caliente se puede hacer pasar mayor cantidad de flujo caliente y que el flujo frio sea menor con esto obtenemos una ganancia relativamente grande sin perder mucho calor del flujo caliente.

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Grafica 3 flujo caliente vs Ts flujo frio

La grafica 4 se puede ver como la temperatura de salida es muy parecida para el caso del intercambiador en contrasentido y paralelo, esto se debe a que el flujo de enfriamiento en el intercambiador de corrientes en paralelo es mas grande que el del flujo del intercambiador a corrientes paralelas, con esto también se puede ver que el intercambiador a contra corriente es mas eficiente que el de corrientes en paralelo.

Grafica 4 flujo vs temperatura

DATOS EN EXCEL.

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RECOMENDACIONES PARA EL USO ADECUADO DEL EQUIPO.

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A Continuación se presentan las siguientes recomendaciones para mejorar y obtener mejores resultados, del intercambiador de calor.

1.- Acoplarlo a una computadora esto con el fin de que los resultados se obtengan en menor tiempo y sean más confiables como también las gráficas se puedan obtener más rápido.

2.- Calibrar los termopares para verificar que estén en buenas condiciones de operación.

3.- Invertir el área de transferencia de los flujos para ver cómo se comporta y también ver cómo afecta a la eficiencia del equipo.

4.- Probar que potencia tiene verdaderamente la resistencia térmica.

5.- Ponerle una bomba al sistema de enfriamiento para ver en cuanto puede subir la eficiencia del equipo.

MODELOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

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CONCLUSIONES.

Después de analizar los resultados de las pruebas experimentales en la bomba de calor se tienen las siguientes conclusiones:

El diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor.

Los intercambiadores de calor en flujo en contra corriente son más eficientes que los que trabajan con flujos en paralelo.

Los intercambiadores de calor nos sirven tanto para extraer calor de un medio caliente para bajarle la temperatura ó se puede utilizar para suministrar calor a otro medio para elevar su temperatura, dependiendo de la operación que se desee y para el fin que queremos.

Si lo que se desea es calentar un fluido si perder mucho calor lo que se recomienda es que el flujo caliente que va a calentar al fluido frio tenga en mayor flujo que el fluido frio y que el flujo sea lo mas chico posible, así no se genera una perdida de calor en el fluido calienta muy grande.

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Si por el contrario se quiere que el fluido frio no gane mucho calor pero que retire la mayor cantidad de calor del flujo caliente lo que se tiene a hacer es pasar un mayor flujo de fluido frio en contracorriente y que el flujo sea lo mas pequeño posible.

BIBLIOGRAFIA.

Miguel Aguilar C. (2001) Análisis, modelado y validación de un intercambiador de coraza y tubos en u en dos fases, tesis de maestría, UAEM.

Barroso C.M.J. (2003) Diseño y construcción de un sistema portátil de purificación de agua integrado a un transformador de calor, Tesis de licenciatura, UAEM.

Yunus A. Cengel and Michael A. sexta edición Termodinámica editorial MG Greaw Hill.

Kennth Wark and Donald.E, sexta edición, Termodinámica, editorial MG Greaw Hill.

Fahrenberd 14 Manual de experimentos WL 110 unidad de intercambiador de calor.

Yunus A. Cengel Segunda edición transferencia de calor editorial MG Greaw Hill.

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Frank P. and David P. Fundamentos de transferencia de calor cuarta edición, editorial Pearson.

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