Intercambiador de calor.Tabla de valores y mediciones efectuadas

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Ya habiendo calculado la razón de transferencia de calor real en todas las corridas se nos facilita poder calcular la efectividad de la transferencia de calor, lo que se traduce a la eficiencia del intercambiador de calor como:

[pic 6]

Donde el Qreal ya lo hemos calculado, y el Qmáximo es la transferencia de calor máxima que puede ejecutarse dentro del intercambiador de calor la cual se da a una máxima diferencia de temperatura la cual es entre las temperaturas de entrada de los fluidos caliente y frío:

[pic 7]

El fluido con la razón de capacidad calorífica menor experimentara un cambio más grande en la temperatura, en cuyo punto se suspenderá la transferencia de calor.

Por lo tanto la máxima razón de transferencia de calor posible en un intercambiador de calor es:

[pic 8]

Ya que para calcular la efectividad de transferencia de calor o la eficiencia del intercambiador de calor es necesaria solo una corrida, procederemos a tomar los datos de cualquier corrida:

Línea de vapor

Línea de agua

Corrida

Tv1

Tv2

Flujo másico (Kg/s)

cp

tw1

tw2

Flujo másico (Kg/s)

cp

1

107

72

0,0032

1993

24

62

0,9921

4179

[pic 9]

Y tomando el Qreal como la razón de transferencia de calor que transfirió el vapor tenemos:

[pic 10]

Obviamente tomamos la razón de transferencia de calor como positivo ya que es el valor absoluto la magnitud para determinar la eficiencia. Entonces tenemos:

[pic 11]

Obteniendo así para este intercambiador de calor una eficiencia de un 42,16%.

Otro de los objetivos de esta práctica es poder calcular el coeficiente de transferencia de calor total (U), pero este se calcula antes calculando los coeficientes de transferencia de calor por convección de cada fluido (agua y vapor), lo cual para calcular estos coeficientes convectivos, dependemos de un número adimensional (el número de Nusselt) el cual está en función del número adimensional de Prandlt y el número adimensional de Reynolds. Las ecuaciones se seleccionan dependiendo el número de Reynolds y el de Prandlt, y obviamente también del tipo de flujo que se presente en cada tramo (tubos y coraza).

Por lo anteriormente dicho, es necesario y primordial calcular el número de Reynolds de la siguiente forma:

[pic 12]

Donde D es el diámetro de los tubos (para la coraza sería Dh el cual es el diámetro anular comprendido entre la coraza y los tubos), v es la velocidad media del fluido dentro del tubo y es la viscosidad cinemática del fluido.[pic 13]

Procederemos primero a calcular el número de Reynolds para el agua que circulaba dentro de los tubos. Tomaremos un solo tubo para calcular el número de Reynolds ya que suponemos que en el resto de tubos se dará el mismo patrón de flujo con el mismo Reynolds. La guía del laboratorio suministrada por el profesor Crisóstomo Peralta nos indica en la descripción del equipo que el intercambiador de calor posee 18 tubos de cobre con diámetros exterior e interior de 0,375 y 0,25 pulgadas y una longitud de 2,642 pies.

Procederemos a calcular la velocidad media, teniendo en cuenta el caudal de la primera corrida, de la siguiente manera:

[pic 14]

Donde A es el área transversal del tubo por donde circuló el agua, y esta área se calcula en función del diámetro interno del tubo.

[pic 15]

[pic 16]

[pic 17]

Ya teniendo el diámetro de la tubería y habiendo calculado la velocidad media del fluido (agua) que circulaba por esta, procedemos a buscar la viscosidad cinemática. Ya que la viscosidad cinemática es función de la temperatura, podemos tomarla a una temperatura promedio entre las temperaturas reales de trabajo sin cometer mucho error.

[pic 18]

Calculando del número adimensional de Reynolds:

[pic 19]

Como podemos apreciar por el número adimensional de Reynolds, nuestro patrón de flujo es flujo turbulento. De las tablas del apéndice A del libro de transferencia de calor y masa de Cengel, encontramos el número adimensional de Prandlt a una temperatura promedio.

[pic 20]

Seleccionamos la siguiente ecuación de Nusselt en función del número de Reynolds y de Prandlt ya que esta se utiliza para régimen turbulento y cumple con las condiciones límite de número de Reynolds y Prandlt.

[pic 21]

[pic 22]

Ya habiendo calculado el coeficiente convectivo del agua que circulaba por los tubos, procederemos a calcular el coeficiente convectivo del vapor que circulaba por la coraza de manera similar. Lo único diferente en este caso es al momento de calcular el número de Reynolds, ya que el diámetro será distinto. El diámetro por donde circulará el vapor dentro de la coraza será la diferencia entre el diámetro interno de la coraza y los diámetros de todos los tubos dentro de esta.

Según la guía proporcionada por el profesor Peralta el diámetro nominal de la coraza de acero es de 6 pulgadas, por lo tanto el diámetro interno de la coraza es 154,1mm o 0,1541m.

Calculamos