Paper Intercambiadores de Calor

 

Universidad Politécnica Salesiana

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Intercambiadores De Calor M. Serrano, F. Vargas, J. Vergara, C. Zhumi 

 Abstract   — In In the present work the concepts of concentration of

heat exchangers arethe determined, as also well analyzed, as the types. A practical case applicable to industry is a proposal is made based on the technical criteria and through numerical analysis, the calculations are carried out for later analysis and conclusions.  Index Terms —  Heat  Heat

exchanger, heat, flow, equation, software.

II.  MARCO TEÓRICO   A.  Tipos de intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor son tan importantes y tan ampliamente utilizados en la industria, que su diseño ha experimentado un gran desarrollo, existiendo en la actualidad normas ideadas y aceptadas que especifican con detalle los materiales, métodos de construcción, técnicas de diseño y sus dimensiones. [1]

I.  I NTRODUCCIÓN  n un proyecto de ingeniería de equipamiento térmico son importantes no sólo las características de eficiencia térmica, sino también las referentes a la economía del sistema, más importantes, y que habrá que conjugar

E

adecuadamente. El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y de materias primas necesarias para cumplir una determinada función. Cuando un intercambiador de calor se instala y pone en funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un determinado gradiente de temperatura para que se  pueda efectuar la transmisión del calor; la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando un intercambiador mayor,  pero esto a su vez implica un mayor coste, tanto de tipo económico, como energético. Consideraremos como parte del conjunto de los intercambiadores de calor, no sólo los clásicos formados por la carcasa y tubos, sino también otros, como los de lecho fluido, o los que aprovechan la energía solar, o las tuberías de calor, etc.

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Fig.1. Intercambiador simple de tubos concéntricos. Fuente:[1]

El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo dentro de otro tubo, este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en contracorriente como en equicorriente, circulando el fluido caliente o el frío a través del espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubería interior.   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. Las dos configuraciones difieren según el fluido que se mueve sobre mezcladoporque o no mezclado. dice que el fluido losnotubos está esté mezclado las aletasse 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 e y. Por el contrario, para el conjunto de tubos sin aletas 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.

 

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Fig.2. Intercambiadores de flujo cruzado. Fuente:[2]

Otra configuración común es el intercambiador de calor de tubos y carcasa. Las formas específicas difieren de acuerdo con el Fig.5. Intercambiadores compactos: a) Tubos circulares con aletas circulares; b) número de pasos por tubos y carcasa, y la forma for ma más simple, que placa; c) Aletas de placa (multipaso o de un solo implica un solo paso por tubos y carcasa. Normalmente se Tubos circulares con aletas de  paso). Fuente:[2] instalan deflectores para aumentar el coeficiente de convección del fluido del lado de la carcasa al inducir turbulencia y una componente de la velocidad de flujo cruzado. III.  MODELO MATEMÁTICO   A.   Ejercicio propuesto

11-169 Se usa un intercambiador de calor de tubo doble a , para enfriar un flujo de líquido contraflujo, con    ) a razón de 10.0 kg/s, con una temperatura de (  líquido a la entrada a 90°C. El refrigerante (  )

   = 9.0   = 3.15  ∙ 

Fig.3. Intercambiador de calor de tubos y carcasa (1 paso por tubos y uno por

  = 4.2 / ∙ 

carcasa) a contraflujo cruzado. Fuente:[2]

entra al intercambiador kg/s, con una temperatura de entrada de 10°C. losa razón datos de de 8.0 la planta dieron la ecuación En la siguiente figura se muestran intercambiadores de calor con siguiente para el coeficiente total de transferencia de calor, en . , donde . y ℎ. son .  deflectores con un paso por carcasa y dos por tubos y con dos    ℎ  pasos por carcasa y cuatro pasos por tubos, respectivamente. gastos del flujo frio y del caliente , en kg/s, respectivamente. a) Calcule la razón de transferencia de calor y las temperaturas de los flujos a su salida para este intercambiador. b) Se van a reemplazar unidades del intercambiador existente. Un vendedor está ofreciendo un descuento muy atractivo sobre intercambiadores idénticos que, en la actualidad, se encuentran . Debido a en existencia en su almacén, cada uno con  que los diámetros de los tubos en el intercambiador interca mbiador existente y en os nuevos son los mismos, se espera que la ecuación antes dada  para el coeficiente de transferencia de calor también sea valida  para los nuevos intercambiadores. El vendedor está proponiendo

/  ∙ : = 600/1/̇  + 2/̇ 

  ̇   ̇

   = 5

que los en dostalintercambiadores nuevos seprocese puedanexactamente operar en  paralelo, forma que cada uno de ellos la mitad del gasto de cada uno de los flujos caliente y frio, a Fig.4. Intercambiadores: a) Un paso por carcasa y dos por tubos; b) Dos contraflujo; así, juntos satisfarían (o sobrepasarían) la necesidad  pasos por carcasa y cuatro por tubos. Fuente:[2] actual de la planta con respecto a la transferencia de calor. Dé su Los llamados intercambiadores de calor compactos se emplean recomendación, con los cálculos que la apoyen, sobre esta    para conseguir un área superficial de transferencia de calor por  propuesta de reemplazo. unidad de volumen muy grande (    700 m2/ m3); poseen complejos arreglos de tubos con aletas o placas y se emplean  B.   Datos normalmente cuando al menos uno de los fluidos es un gas, y en   Refrigerante consecuencia se caracteriza por un coeficiente de convección      pequeño. Los tubos pueden ser planos o circulares, y las aletas  pueden ser de placa o circular.

  = 9   = 3.15  ∙   = 4.2 / ∙ ̇  = 10 /  = 8 /       = 90°  = 10°

 

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 = 90 −20.39  = 69.6°  =  ∗  ∆   −  −  ∆ =  −ln ln   −−  

C.   Desarrollo

 

 

Ecuación de transferencia de calor:

 = 600  ̇1. +   ̇2 ℎ.

 

 Necesito llegar:

    =    =  ∗   =  −   =  ∗   = 10  3150     ∙  = 3150 °    = min  ∗   8  4200     ∙   = 33600    = ( − )    = 2,520.000 = 2,52 − exp[− −1 − ]  =  11 − − [[− −1 − ]   ∙  ∗ 9   1 185      =    = 31500    = 0.3385    =  31500 = 0.9378  =  33600 −1 − −  ]  =  1 − exp[− exp[ exp[1−0,−[3−0, 385 3853385 [1− −10,−0, 9375 375 ] ]] = 0,2549  [ − 1 9−375  = 1−  10,−9375 385 375  ̇ =  ∗   = 642348  ̇  =  ∗  ̇  −  642348 = = 84200 4200 − 10 10  = 29,11 °  ̇  =  ∗  ̇  −    

∆ = 90 −lnln 29.190− 9069 .−6 −2929.69. 6910.1.6 −10 − 10 69. ∆ = 60.24° 60.244  = 1185 11859960.  = 642459,6 

 

 

 

 

b)

  = 5   = 3.25   ∙   = 4,2 / ∗ º  

 

 

 

 

 

 

642348642348 =31500   ̇ 1010  3150 =3150 9900 −90 90−   

 

 

 

 

 

 ̇  = 5=/ 90º = =4/ 20º   600  = 680.45     =     1 600   =   2    + .  ̇  ̇ .ℎ  4  ̇1.. + 5  ̇2..   =     ̇  =  ∗  ̇  −   ̇    − 10 449568 = 44 444200 4200 10  =  440.3360368  + 10  = 33.38 º  =  ∗  −   = 25 253150 31509090 −  449568  = 9090 −  31500  = 90 −24,27  = 75,73 º  =  ∗ ∗  ∗ ∆∆   −   −  −  ∆ = ln ln  −    

 

 

 

   

 

 

refrigerante  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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∆ = 66.17 º  = 680.4555 ∗ 2 266. 66.177  = 450253 450253   =  ∗    = 5 ∗ 2 23150 3150 = 31500 /º  = ̇  ∗  

Datos de Entrada

 

Fluido cca alienteLiquido(c)   = 3150 J/kg  · K 5 Kg/s ̇ =   = 90 °C A 5   mˆ2

 

 

 

Fluido F Frrío "R "Refrigerante" (f)   = 4200 J/kg · K 4 kg/s ̇ =   = 10 °C

Coeficiente Total de Transferencia de Calor 

formula: U=

 

 = 4 ∗ =2 24200 4200    = 33600 /º   −    =  31500 315009090 − 10 10   = 2520000 = 2,52 − exp[− −1 − ]  =  11 − − [− −1 − ]  = ∗ 4555 ∗2∗ 2   = 0,2158  = 680.31500    =    1500 = 0.9375  = 333600 − exp[ exp[− −1 − ]  =  11 − − [[− −1 − ] exp[ exp[−0.2158 1581 − 0.9375 375]  = 0.0977  = 1−  10.−9375[ 375[−0.2158 1581 −0.9375 375]  = 0.1784

680,5

2

W/m ·K

FORMULAS A UTILIZAR

 

Efectividad

 

 

 

Razón máxima posible de transfere transferencia ncia de calor

 

 

qmax=

2520000 W

capacidad calorifica

 

 

Cf Cc

33600 31500

w/°k w/°k

Cc= min

c=

 

 

NTU=

0,2160

formula de la relacion efectividad contraflujo

 

 

  = 0. 1̇ =784 ∗∗2520000  = 449568 

 D.   Desarrollo mediante software software

  0,1786

ε=

razon de tranferencia de calor real

qreal=

Fig.6. Intercambiador de calor

450152,2 W

0,9375

 

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5

temperatura fria de salida

Tf sale=

23,40

°C

transferencia transferen cia de calor total

q=

450253,765 W temperatura caliente de salida

Tc sale=

75,71

variacion de la temperatura media logaritmica contracorriente

DMTL=

66,16

Fig. 8. Gráfica Efectividad-NTU. Fuente: autores

°C

Literal b)

°C

 E.  Gráficas obtenidas

Fig. 9. Gráfica T-L. Fuente: autores

Fig. 7. Gráfica T-L. Fuente: autores

Fig. 10. Gráfica Efectividad-NTU. Fuente: autores

 

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Resultados IV.  CONCLUSIONES    Se han determinado las características de un intercambiador de calor, así como sus tipos.  

Se ha calculado la razón de transferencia de calor y las temperaturas de los flujos a la salida del intercambiador.

 

Se ha realizado una propuesta con criterio técnico acerca de la recomendación del vendedor de intercambiadores de calor

 

A pesar de una mayor área de transferencia de calor, la nueva transferencia de calor es aproximadamente un 30% menor. Esto se debe a una U mucho más baja, debido a los caudales reducidos a la mitad. Por lo tanto, la recomendación del vendedor no es aceptable. La unidad del proveedor hará el trabajo siempre que estén conectados en serie. Entonces las dos unidades tendrán la misma U que en la unidad existente







Fig. 11. Gráfica T-L. Fuente: autores 

Fig. 12. Gráfica T-L. Fuente: autores

Fig. 13. Gráfica Efectividad-NTU. Fuente: autores

 

Universidad Politécnica Salesiana EFERENCES  R EFERENCES  Basic format for books: [1]  Y. A. Çengel & A. J. J . Ghajar, TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA, vol. 4, MEXICO, Ciudad de Mexico: McGRAWHILL/INTERAMERICANA HILL/INTERAMERICA NA EDITORES, S.A. DE C.V., 2011. [2]  «(DOC) INTERCAMBIADORES DE CALOR | jose manuel ramirez vera Academia.edu». [En línea]. Disponible en: https://www.academia.edu/11795417/INTERCA

Germania Macarena Serrano Siguenza , was born in Azogues, province of Cañar on October 15, 1995. She completed her  primary studies at the "Rafael María García" School, and later obtained her  bachelor's degree de gree in mathematical physics at the "Luis Cordero" school, currently studies "Mechanical Engineering" at the Salesiana Polytechnic University. Fernando Vargas. 

He was born in Portovelo, Ecuador. He graduated from the "Joint National College on May 13" and is now studying mechanical engineering at theautomotive "Salesian University".

Juan Carlos Vergara Calle,

University.

was born in Biblián province of Cañar, on May 23, 1992. He completed his primary studies at the School "INEBHYE", later obtained his  bachelor's degree in common sciences at the school "BENIGNO MALO", currently studying " Automotive Mechanical Engineering "at the Salesian Polytechnic

Cristian Leonardo Zhumi Balarezo was

 born in Cuenca on January 23, 1993. Primary studies Tax School ¨Tomas Ordoñez¨. Secondary Studies, Technical College ¨Julio Maria Matovelle¨. He is currently attending the Atomotry Engineering Career at the Universidad Politecnica Salesiana Cuenca.

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