Intercambiadores de Calor
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Experiencia 5: INTERCAMBIADORES DE CALOR
“
ESTUDIANTES:
CURSO:
”
AGUILAR MENDOZA JOSE LUIS
20092563A
ESTRADA SOTO AYRTON JUNIOR
20090124K
HERRERA AGREDA CRISTOPHER
20091045G
HERNANDEZ HUAYANAY ROBERTO
20091090B
MAYO URRUTIA CRISTOPHER
20092112J
LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III
SECCIÓN: HORARIO:
A MARTES 13 - 15
FECHA DE ENTREGA: PROFESOR:
04/06/13
ING. PINTO
2013-I
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Índice Introducción…………………………………………………………………….3 Objetivos………………………………………………………………………..4 Fundamento Teórico ………………………………………………………… ..5 Procedimiento – Metodología del Laboratorio …………………………… ..18 Datos del Laboratorio ……………………………………………………… ....19 Resultados………………………………………………………………………20 Conclusiones………………………………………………………………… ...24 Bibliografía………………………………………………………………………25
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INTRODUCCION El proceso de intercambio de calor entre dos fluido que están a diferentes temperaturas y separado por una pared sólida, ocurre en muchas aplicaciones de ingeniería. El dispositivo que se utiliza para llevar a cabo este intercambio se denomina intercambiador de calor, y las aplicaciones específicas se pueden encontrar en calefacción de locales y acondicionamiento de aire, producción de potencia, recuperación de calor de desecho y algunos procesamientos químicos. En este laboratorio hemos de considerar los principios de transferencia de calor necesarios para diseñar y/o evaluar el funcionamiento de un intercambiador de calor.
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OBJETIVO
La presente experiencia tiene por objetivo el análisis térmico existente entre fluidos (aire y agua) en un intercambiador de calor de flujo paralelo y contra flujo. Además, se busca distinguir cuál de ellos es más eficiente.
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FUNDAMENTO TEORICO Intercambiador de Calor: 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 refrigeración, acondicionamiento, producción de energía y procesamiento químico. Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera 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.
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Los intercambiadores normalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción. El intercambiador de calor más simple es aquel en que los fluidos caliente y frío se mueven en la misma dirección o en direcciones opuestas en una construcción de tubos concéntricos (o doble tubo). En el arreglo de flujo paralelo de la figura 1a, los fluidos caliente y frío entran por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el mismo extremo. En el arreglo de contra flujo de la figura 1b, los fluidos entran por extremos opuestos, fluyen en direcciones opuestas, y salen por extremos opuestos.
Figura 1.
(a) Flujo Paralelo
(b) Contraflujo
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De manera alternativa, los fluidos se pueden mover en flujo cruzado (perpendiculares entre sí), como se muestra mediante los intercambiadores de calor tubulares con aletas y sin aletas de la figura 2. Las dos configuraciones difieren según el fluido que se mueve sobre los tubos esté mezclado o no mezclado. En la figura 2a, se dice que el fluido no está mezclado porque las aletas impiden el movimiento en una dirección (y) que es transversal a la dirección del flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido varía con x y y. Por el contrario, para el conjunto de tubos sin aletas de la figura 2b, es posible el movimiento del fluido en la dirección transversal, que en consecuencia es mezclado, y las variaciones de temperatura se producen, en principio, en la dirección del flujo principal. En el intercambiador con aletas, dado que el flujo del tubo no es mezclado, ambos fluidos están sin mezclar mientras que en el intercambiador sin aletas un fluido está mezclado y el otro sin mezclar. La naturaleza de la condición de mezcla puede influir de manera significativa en el funcionamiento del intercambiador de calor.
Figura 2 Intercambiadores de calor de flujo cruzado. (a) Con aletas y ambos fluidos sin mezclar. (b) Sin aletas con un fluido mezclado y el otro sin mezclar.
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Otra configuración común es el intercambiador de calor de tubos y coraza. Las formas específicas difieren de acuerdo con el número de pasos de tubos y coraza, y la forma más simple, que implica un solo paso por tubos y coraza, se muestra en la figura 3. Normalmente se instalan deflectores para aumentar el coeficiente de convección del fluido del lado de la coraza al inducir turbulencia y una componente de la velocidad de flujo cruzado. En las figuras 4a y 4b se muestran intercambiadores de calor con deflectores con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos y con dos pasos por la coraza y dos pasos por los tubos y con dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos, respectivamente.
Figura 3 Intercambiador de calor de tubos y coraza con un paso por la coraza y un paso por los tubos (modo de operación de contraflujo cruzado).
Figura 4 Intercambiadores de calor de tubos y coraza. (a) Un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. (b) Dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos.
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Una clase especial e importante de intercambiadores de calor se usa para conseguir un área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen muy grande (700 m2/m3). Denominados intercambiadores de calor compactos, estos dispositivos tienen complejos arreglos de tubos con aletas o placas y se usan normalmente cuando al menos uno de los fluidos es un gas, y en consecuencia se caracteriza por un coeficiente de convección pequeño. Los tubos pueden ser planos o circulares, como en las figuras 5a y 5b, 5c, respectivamente, y las aletas pueden ser de placa o circular, como en las figuras 5a, 5b y 5c, respectivamente. Los intercambiadores de calor de placas paralelas pueden ser con aletas o corrugadas y se pueden usar en modos de operación de un solo paso (figura 5d) o multipaso (figura 5e). Los pasos de flujo asociados con intercambiadores de calor compactos normalmente son pequeños (Dh 5mm), y el flujo es por lo general laminar.
Figura 5 Cubiertas de intercambiadores de calor compactos. (a) Tubo con aletas (tubos planos, aletas de placa continuas). (b) Tubo con aletas (tubos circulares, aletas de placa continuas). (c) Tubos con aletas (tubos circulares, aletas circulares). (d) Aletas de placa (un solo paso). (e) Aletas de placa (multipaso).
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ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR: USO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA.
Para diseñar o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, es esencial relacionar la transferencia total de calor con cantidades tales como las temperaturas de entrada y salida del fluido, el coeficiente global de transferencia de calor, y el área superficial total para transferencia de calor. Dos de tales r elaciones se pueden obtener fácilmente al aplicar balances globales de energía a los fluidos calientes y frío, según se muestra en la figura 6. En particular, si q es la transferencia total de calor entre los fluidos calientes y frío y hay transferencia de calor insignificante entre el intercambiador y sus alrededores, así como cambios de energía potencial y cinética despreciables, la aplicación de un balance de energía, da qm h ( ih ,i ih ,o )
(1a)
qm c ( ic ,i ic ,o )
(2a)
y
donde i es la entalpía del fluido. Los subíndices h y c se refieren a los fluidos caliente y frío, en tanto que i y o designan las condiciones de entrada y salida del fluido. Si los fluidos no experimentan un cambio de fase y se suponen calores específicos constantes, estas expresiones se reducen a qm hc p ,h ( T h ,i T h ,o )
(1b)
qm c c p ,c ( T c ,o T c ,i )
(2b)
y
donde las temperaturas que aparecen en las expresiones se refieren a las temperaturas medias del fluido en las posiciones que se señalan. Advierta que las ecuaciones 1 y 2 son independientes del arreglo del flujo y del tipo de intercambiador de calor.
Se puede obtener otra expresión útil al relacionar la transferencia total de calor q con la diferencia de temperaturas T entre los fluidos caliente y frío, donde T T h T c
(3)
Tal expresión sería una extensión de la ley de enfriamiento de Newton, con el uso del coeficiente global de transferencia de calor U en lugar del coeficiente único de convección h.
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Figura 6 Balances globales de energía para los fluidos caliente y frío de un intercambiador de calor de dos fluidos.
Sin embargo, como T varía con la posición en el intercambiador de calor, es necesario trabajar con una ecuación de flujo de forma q UA T m
(4)
donde T m es una diferencia de temperaturas media apropiada. La ecuación 4 se puede usar con las ecuaciones 1 y 2 para llevar a cabo un análisis de intercambiador de calor. Antes de que se pueda realizar, sin embargo, se debe establecer la forma específica de T m . Considere primero el intercambiador de calor de flujo paralelo.
Intercambiador de calor d e flujo paralelo
Las distribuciones de temperaturas caliente y fría asociadas con un intercambiador de calor de flujo paralelo se muestran en la figura 7. La diferencia de temperaturas T es grande al principio, pero decae rápidamente al aumentar x, y se aproxima a cero de forma asintótica. Es importante señalar que, para tal intercambiador, la temperatura de salida del fluido frío nunca excede la del fluido caliente. En la figura 7 los subíndices 1 y 2 designan los extremos opuestos del intercambiador de calor. Esta convención se usa para todos los tipos de intercambiadores de calor considerados. Para un flujo paralelo, se sigue que T h,i T h,1 ,T h,o T h,2 ,T c,i T c,1 ,T c,o T c,2 .
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La forma de T m se puede determinar mediante la aplicación de un balance de energía para elementos diferenciales en los fluidos caliente y frío. Cada elemento es de longitud dx y área superficial de transferencia de calor dA, como se muestra en la figura 7. Los balances de energía y el análisis subsiguiente están sujetos a las siguientes suposiciones:
1.
El intercambiador de calor está aislado de sus alrededores, en cuyo caso el único intercambio de calor es entre los fluidos caliente y frío.
Figura 7 Distribuciones de temperatura para un intercambiador de calor de flujo paralelo.
2. 3. 4. 5.
La conducción axial a lo largo de los tubos es insignificante. Los cambios de energía potencial y cinética son despreciables. Los calores específicos del fluido son constantes. El coeficiente global de transferencia de calor es constante.
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Los calores específicos pueden cambiar, por supuesto, como resultado de variaciones de temperatura, y el coeficiente global de transferencia de calor también podría modificarse debido a variaciones en las propiedades del fluido y condiciones de flujo. Sin embargo, en muchas aplicaciones tales variaciones no son significativas, y es razonable trabajar con valores promedio de c p,c, cp,h y U para el intercambiador de calor. Al aplicar un balance de energía a cada uno de los elementos diferenciales de la figura 7, se sigue que: dq m h c p ,h dT h C h dT h
(5)
dq m c c p ,c dT c C c dT c
(6)
y
donde Ch y Cc son las capacitancias térmicas de los flujos caliente y f río, respectivamente. Estas expresiones se pueden integrar a lo largo del intercambiador de calor para obtener los balances globales de energía dados por las ecuaciones 1b y 2b. La transferencia de calor a través del área superficial dA también se puede expresar como
(7)
dq U TdA
donde T T h T c es la diferencia de temperaturas local entre los fluidos caliente y frío. Para determinar la forma integrada de la ecuación 7, comenzamos por sustituir las ecuaciones 5 y 6 en la forma diferencial de la ecuación 3
d ( T ) dT h dT c
para obtener 1
d ( T ) dq
C h
1
C c
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Al sustituir para dq de la ecuación 7 e integrar a lo largo del intercambiador de calor, obtenemos
2
1
1 1 d ( T ) U dA T C h C c 1 2
o 1 T 1 UA T C h C c
ln
(8)
2
1
Al sustituir para Ch y Cc de las ecuaciones 1b y 2b, respectivamente, se sigue que
T T T T T UA UA h ,i h ,o c ,o c ,i ( T h ,i T c ,i ) ( T h ,o T c ,o ) q q q T
ln
2
1
Al reconocer que, para el intercambiador de calor de flujo paralelo de la figura 7, T ( T h ,i T c ,i ) y T ( T h ,o T c ,o ) , obtenemos entonces 1
2
q UA
T T ln( T / T ) 2
1
2
1
Al comparar la expresión anterior con la ecuación 4, concluimos que la diferencia de temperaturas promedio apropiada es una diferencia de temperaturas media logarítmica, T ml . En consecuencia, podemos escribir q UA T ml
(9)
donde T ml
T T T T ln( T / T ) ln( T T ) 2
1
2
1
1
2
2
(10)
1
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Recuerde que, para el intercambiador de flujo paralelo,
T T h , T c , T h ,i T c ,i T T T T T h , c , h ,o c ,o 1
2
1
1
2
2
(11)
Intercambiador de calor de contraflujo
Las distribuciones de temperatura de los fluidos caliente y frío asociados con un intercambiador de calor en contraflujo se muestran en la figura 8. En contraste con el intercambiador de flujo paralelo, esta configuración mantiene transferencia de calor entre las partes más calientes de los dos fluidos en un extremo, así como entre las partes más frías en el otro.
Figura 8 Distribuciones de temperatura para un intercambiador de calor en contra flujo.
Por esta razón, el cambio en la diferencia de temperaturas, T T h T c , con respecto a x no es tan grande en ningún lugar como lo es para la región de entrada del intercambiador en flujo paralelo. Tenga presente que la temperatura 14
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de salida del fluido frío puede exceder ahora la temperatura de salida del fluido caliente. Las ecuaciones 1b y 2b se aplican a cualquier intercambiador de calor y por tanto se pueden usar para el arreglo en contraflujo. Además, de un análisis como el que se llevó a cavo en para el caso de flujo paralelo, se puede mostrar que las ecuaciones 9 y 10 también se aplican. Sin embargo, para el intercambiador en contraflujo las diferencias de temperaturas en los puntos extremos se deben definir ahora como
T T h , T c , T h ,i T c ,o T T T T T h , c , h ,o c ,i 1
1
1
2
2
2
(12)
Advierta que, con las mismas temperaturas de entrada y salida, la diferencia de temperaturas media logarítmica para el contraflujo excede la del flujo paralelo, T ml ,CF T ml , FP . Por consiguiente el área superficial que se requiere para efectuar una transferencia de calor establecida q es más pequeña para el contraflujo que para el arreglo en flujo paralelo, suponiendo el mismo valor de U. Nótese también que Tc,o puede exceder T h,o para contraflujo pero no para flujo paralelo.
ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR: MÉTODO DE EFICIENCIA 15
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NUT. Es fácil usar el método de la diferencia de temperaturas media logarítmica (DTML) del análisis del intercambiador de calor cuando se conocen las temperaturas de entrada del fluido y las temperaturas de salida se especifican o determinan con facilidad a partir de las expresiones de balance de energía, ecuaciones 1b y 2b. El valor de T ml para el intercambiador se puede entonces determinar. Sin embargo, si sólo se conocen las temperaturas de entrada, el uso del método DTML requiere un procedimiento iterativo. En tales casos es preferible utilizar un método alternativo, que se denomina método de eficienciaNUT.
Relaciones de eficiencia-NUT
Para cualquier intercambiador de calor se puede demostrar que C f NUT , mín C máx (13) donde Cmín/Cmáx es igual a Cc/Ch o Ch/Cc, dependiendo de las magnitudes relativas de las capacitancias térmicas de flujo del fluido caliente y frío. El número de unidades de transferencia (NUT) es un parámetro adimensional que se usa ampliamente para el análisis del intercambiador de calor y se define como NUT
UA C mín
(14)
Para determinar una forma específica de la relación de eficiencia, ecuación 13, considere un intercambiador de calor de flujo paralelo para el que C mín=Ck. Se puede obtener
T h ,i T h ,o T h ,i T c ,i
(15)
y de las ecuaciones 1b y 2b se sigue que C mín C máx
hc p ,h m c c p ,c m
T c ,o T c ,i T h ,i T h ,o
(16)
Considere ahora la ecuación 8, que se puede expresar como 16
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T h ,o T c ,o UA 1 C mín T T C mín C máx h ,i c ,i
ln
o de la ecuación 14 C exp NUT ,1 mín T h ,i T c ,i C máx
T h ,o T c ,o
luego de reacomodar, obtenemos para el intercambiador de calor de flujo paralelo
NUT 1 C mín / C máx 1 C mín / C máx
1 exp
(17)
Dado que se puede obtener precisamente el mismo resultado para C mín=Cc, la ecuación 17 se aplica para cualquier intercambiado de calor en flujo paralelo, sin importar la capacitancia térmica de flujo mínima se asocia con el fluido caliente o con el frío. Para el caso del arreglo en contraflujo obtendríamos la siguiente ecuación
NUT 1 C mín / C máx (18) 1 C mín / C máx exp NUT 1 C mín / C máx 1 exp
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PROCEDIMIENTO-METODOLOGIA DEL LABORATORIO:
Instrumentos Utilizados
Intercambiador de calor (contra flujo – flujo paralelo) Ventilador Calentador eléctrico Termocuplas Cronómetro Probeta
Procedimiento (Explicación del profesor)
Preparar el intercambiador para un paso de los fluidos en contra flujo Tomar datos de Temperaturas (aire y agua) a la salida y entrada del intercambiador, así como el flujo del agua; para una posición dada del calentador del aire y del ventilador. Variar la posición del calentador manteniendo constante la posición del ventilador, tomar datos.
Variar la posición del ventilador y repetir los dos pasos anteriores.
Desarrollar el mismo procedimiento para un arreglo de flujos paralelos.
Simbología: Tea= Temperatura a la entrada del agua Tsa= Temperatura a la salida del agua T1= Temperatura a la entrada del aire T2= Temperatura lado derecho del intercambiador T3= Temperatura lado izquierdo del intercambiador T4= Temperatura a la salida del aire V= volumen del agua
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Datos del Laboratorio: FLUJO PARALELO Punto
Q
Tea (°C)
Tsa T1 T2 T3 (°C) (°C) (°C) (°C)
T4 (°C)
V(ml)
Tseg
1
80
21
25
33
24
28
29
300
45
2
100
21
26
51
25
28
31
300
50
3
120
21
28
68
27
30
35
300
52,5
4
140
21
29
88
28
32
39
300
53
Q
Tea (°C)
Tsa (°C)
T1 (°C)
T2 (°C)
T3 (°C)
T4 (°C)
V(ml)
Tseg
80
20
24
50
27
21
27
300
66
100
20
26
59
31
21
29
300
67
120
20
28
65
34
23
31
300
68
140
20
31
89
38
22
35
300
68
CONTRAFLUJO Punto 1 2 3 4
19
Resultados del Laboratorio: FLUJO PARALELO
(kg/hora)
(Kcal/H)
(kg/hora)
Coef. global Eficiencia NUT (U) E
Reynold (aire)
Reynold (agua)
ΔT
1 23.923
95.454
99.431
250.211 268.472 137.101
0.333
0.602 99170.6895 167.151
3.64
21.531
107.386
22.372
96.227
314.08
75.694
0.666
1.477 22313.405
150.436
10.65
20.505
143.181
18.078
79.87
331.87
65.839
0.702
1.59
18031.034
143.272
17.10
20.312
162.092
13.783
62.709 289.758 52.626
0.731
1.667 13747.188
141.92
24.67
2 3 4
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CONTRAFLUJO
(kg/hora)
(Kcal/H)
(kg/hora)
Coef. global Eficiencia NUT (U) E
Reynold (aire)
Reynold (agua)
ΔT
1 16.311
65.082
11.79
49.097 301.713 42.914
0.766
1.589 11759.37
113.966
1.82
2
16.067
96.166
13.356
57.489 326.539 49.736
0.769
1.626 13321.435 112.265
2.48
3
15.831
126.336 15.482
71.01
246.337 56.575
0.7555
1.595 15441.802 110.614
4.32
4
15.831
173.713 13.403
59.635 367.306 52.138
0.782
1.698 13368.597 110.614
4
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CONTRAFLUJO
(kg/hora)
(Kcal/H)
(kg/hora)
Coef. global Eficiencia NUT (U) E
Reynold (aire)
Reynold (agua)
ΔT
1 16.311
65.082
11.79
49.097 301.713 42.914
0.766
1.589 11759.37
113.966
1.82
2
16.067
96.166
13.356
57.489 326.539 49.736
0.769
1.626 13321.435 112.265
2.48
3
15.831
126.336 15.482
71.01
246.337 56.575
0.7555
1.595 15441.802 110.614
4.32
4
15.831
173.713 13.403
59.635 367.306 52.138
0.782
1.698 13368.597 110.614
4
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GRAFICAS FLUJO PARALELO
Eficiencia del Intercambiador 0.8 0.7 r 0.6 o d a i b m0.5 a c r e t n I 0.4 l e d a i 0.3 c n e i c i f E 0.2
y = 0,3829ln(x) + 0,5262 R² = 0,9984
eficiencia Log. (eficiencia)
0.1 0 0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1.9
Numero de Unidades de Transferencia de Calor NUT
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GRAFICAS FLUJO PARALELO
Eficiencia del Intercambiador 0.8 0.7 r 0.6 o d a i b m0.5 a c r e t n I 0.4 l e d a i c 0.3 n e i c i f E 0.2
y = 0,3829ln(x) + 0,5262 R² = 0,9984
eficiencia Log. (eficiencia)
0.1 0 0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1.9
Numero de Unidades de Transferencia de Calor NUT
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CONTRAFLUJO
Eficiencia del Intercambiador 0.785
0.78
r o d a 0.775 i b m a c r 0.77 e t n I l e d0.765 a i c n e i 0.76 c i f E
y = 0,1977x + 0,4468 R² = 0,7901 EFECTVIDAD Linear (EFECTVIDAD) Linear (EFECTVIDAD)
0.755
0.75 1.58
1.6
1.62
1.64
1.66
1.68
1.7
1.72
Numero de Unidades de Transferencia de Calor NUT
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CONTRAFLUJO
Eficiencia del Intercambiador 0.785
0.78
r o d a i 0.775 b m a c r 0.77 e t n I l e d0.765 a i c n e i 0.76 c i f E
y = 0,1977x + 0,4468 R² = 0,7901 EFECTVIDAD Linear (EFECTVIDAD) Linear (EFECTVIDAD)
0.755
0.75 1.58
1.6
1.62
1.64
1.66
1.68
1.7
1.72
Numero de Unidades de Transferencia de Calor NUT
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CONCLUSIONES
Se comprueba que la eficiencia de transferencia de calor entre fluidos para una instalación en contraflujo es mayor que la de paralelo, lo que tiene una estrecha relación con la conclusión anterior.
Se puede observar que el coeficiente pelicular para los fluidos (en flujo interno y flujo externo) aumenta con el aumento del número de reynolds, pero tiende a un valor constante para número de reynolds altos (probablemente h sea constante para regímenes turbulentos plenamente desarrollados).
CONCLUSIONES
Se comprueba que la eficiencia de transferencia de calor entre fluidos para una instalación en contraflujo es mayor que la de paralelo, lo que tiene una estrecha relación con la conclusión anterior.
Se puede observar que el coeficiente pelicular para los fluidos (en flujo interno y flujo externo) aumenta con el aumento del número de reynolds, pero tiende a un valor constante para número de reynolds altos (probablemente h sea constante para regímenes turbulentos plenamente desarrollados).
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
BIBLIOGRAFIA
LABORATORIO DEL INGENIERO MECANICO AUTOR: JESSE SEYMOUR DOOLITTLE ED. HISPANO AMERICANA S.A. / BUENOS AIRES, 1971
FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR AUTOR: FRANK P. INCROPERA / DAVID P. DeWITT ED. PRENTICE HALL / MÉXICO, 1996 MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA TOMO III, UNI
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