Informe Proyecto 2 Termicas 2

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA Diseño y construcción de un intercambiador de calor TÉRMICAS II Jhonatan Alexander Bolivar Niño 201910627 Jonathan Stiven Manrique V argas 201914270 José Daniel Maya Cedeño 201912228 Sergio Andrés Núñez Prada 201321 175. Alix Andrea Tibaduiza Barrera 201410784 Resumen: en este informe se documenta la construcción y análisis de un intercambiador de calor de tubos y coraza, donde circularán dos fluidos, uno interno y otro externo separados por un espesor de pared, con el fin de enfriar un líquido caliente y hacer eficiente el proceso de transferencia de temperatura; además, se toma registro del cambio de temperatura del fluido caliente y frío, determinando el coeficiente global de transferencia del intercambiador de calor , describiendo la eficiencia del mismo. I. INTRODUCCIÓN Hoy en día, el intercambio de calor es crucial para el desarrollo de todos los procesos industriales, ya que puede ayudar a reducir el consumo o redirigir la energía y aumentar la velocidad de una reacción, entre otras operaciones importantes que hacen que los productos finales sean distintivos. Por esta razón, se han creado intercambiadores de calor diferentes en diseño, materiales y funcionamiento para este propósito. El intercambiador de tubos concéntricos es una configuración común de intercambiador de calor y es ampliamente utilizado en las industrias debido a su diseño sencillo. El diseño se basa en la incrustación de dos tubos de diferentes diámetros; uno de los fluidos pasa por el tubo de menor diámetro y el otro pasa por el espacio radial de los tubos. II. OBJETIVOS \u25cf Construir un prototipo experimental de un intercambiador de calor de tubos concéntricos. \u25cf Determinar el coeficiente global de transferencia de calor para un intercambiador de tubos concéntricos utilizando la diferencia de temperatura media. III. MARCO TEÓRICO \u25ba Intercambiadores de tubos. En ellos la separación entre los fluidos es siempre la pared de un tubo cilíndrico, por cuyo interior circula uno de ellos, mientras el otro lo hace por el exterior . De los diversos tipos de intercambiadores de calor es el más utilizado en las plantas químicas y refinerías. Figura 1. Intercambiador de calor de tubos concéntricos o doble tubo [1]. 3.2 Cálculo para un intercambiador de calor . El intercambiador más simple y en el que mejor se puede apreciar el intercambio en equicorriente o en contracorriente es el conocido como de «tubo en tubo» o de «tubos concéntricos», que como su nombre indica, consiste en un tubo dentro de otro de mayor diámetro y todo ello con una longitud L. Figura 2. Distribución de temperatura a lo largo de la longitud del intercambiador concéntricos. Esta representación es para flujo en contradirección. Las temperaturas de los fluidos en un intercambiador cambian a medida que avanza la longitud L del aparato, lo que resulta en un coeficiente de película diferente en cada punto y , por lo tanto, un coeficiente global de transmisión diferente. Si representamos la longitud L del intercambiador en el eje de abscisas y las temperaturas (t) en el eje ordenado, obtenemos la curva de distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador , que como se muestra en la figura es una curva logarítmica. Como resultado, la ecuación de transmisión utilizada para calcular es: \ud835\udc44 = \ud835\udc58 * \ud835\udc34 * \u2206\ud835\udc47 \ud835\udc5a\ud835\udc3f\ud835\udc5c\ud835\udc54 (\ud835\udc38\ud835\udc50. 1) donde es el coeficiente de transmisión global \ud835\udc58 de la pared, es la superficie del intercambiador \ud835\udc34 de calor y es la diferencia de \u2206\ud835\udc47\ud835\udc5a\ud835\udc59\ud835\udc5c\ud835\udc54 temperatura media logarítmica, la cual es: \u2206\ud835\udc47 \ud835\udc5a\ud835\udc3f\ud835\udc5c\ud835\udc54 = \ud835\udc47 2 \u2212\ud835\udc47 1 \ud835\udc59\ud835\udc5b \ud835\udc47 2 \ud835\udc47 1 (\ud835\udc38\ud835\udc50. 2) Además, también se puede calcular la tasa de transferencia de calor de un intercambiador mediante el principio de calor: \ud835\udc44 = \ud835\udc5a * \ud835\udc36\ud835\udc5d \ud835\udc64 * \u2206\ud835\udc47 \ud835\udc64 (\ud835\udc38\ud835\udc50. 3) donde es el flujo másico, es el coeficiente \ud835\udc5a \ud835\udc36\ud835\udc5d \ud835\udc64 de calor específico del agua a presión constante y es el diferencial de temperatura del fluido. \u2206\ud835\udc47 \ud835\udc64 Como se emplea el flujo másico, cuyas unidades son , en vez de la masa del fluido, las \ud835\udc58\ud835\udc54/\ud835\udc60 unidades resultantes es o , siendo una \ud835\udc3d/\ud835\udc60 \ud835\udc4a unidad de transferencia del calor y pudiendo emplear la ecuación para el cálculo de la eficiencia del intercambiador de calor de tubos concéntricos. IV . FUNCIONAMIENT O El intercambiador de calor consiste en una botella de gaseosa de 3 litros y una manguera. La manguera pasa a través de la tapa de la botella, haciendo giros dentro de la misma. Dos perforaciones en la botella permiten el flujo de agua fría hacia el interior y la salida de agua caliente. Al introducir agua caliente por un extremo de la manguera, se produce un intercambio de calor con el agua fría en la botella, resultando en la salida de agua a una temperatura considerablemente menor . Esta solución ingeniosa y económica demuestra la versatilidad de los intercambiadores de calor en diversas aplicaciones, destacando su importancia en la eficiencia energética y el aprovechamiento de recursos. V . APLICACIÓN Refrigeración de sistemas electrónicos: Los sistemas electrónicos generan calor como resultado de la operación de componentes como procesadores, circuitos integrados, y otros dispositivos. Los intercambiadores de calor pueden utilizarse para disipar eficientemente el calor generado por estos sistemas, ayudando a prevenir el sobrecalentamiento y mejorar su fiabilidad y rendimiento. Climatización de espacios: En aplicaciones de climatización, como sistemas de aire acondicionado y calefacción, los intercambiadores de calor son esenciales para transferir calor entre el aire interior y el aire exterior o entre fluidos. Por ejemplo, en el caso de la calefacción, un intercambiador de calor puede transferir calor desde un sistema de calefacción central a través de radiadores o suelo radiante para calentar el aire en un espacio interior . Procesos industriales de enfriamiento: En numerosos procesos industriales, se generan grandes cantidades de calor como subproducto. Los intercambiadores de calor se utilizan para enfriar estos procesos, evitando el sobrecalentamiento de equipos y garantizando un funcionamiento óptimo. Por ejemplo, en la industria química, los intercambiadores de calor pueden enfriar reacciones exotérmicas para controlar las temperaturas y maximizar la eficiencia del proceso. VI. MA TERIALES Y EQUIPOS \u2756 Una botella de gaseosa de 3 litros vacía y limpia. \u2756 Una manguera de longitud suficiente para pasar por el interior de la botella. \u2756 T apa de la botella con un diámetro adecuado para permitir el paso de la manguera. \u2756 Herramientas como un taladro con brocas, cuchillo o tijeras para hacer perforaciones y cortes. VII. PROCEDIMIENTO 7.1 Preparación de la botella: Se retira la etiqueta y asegúrate de que la botella esté completamente limpia por dentro y por fuera, luego se realizan dos perforaciones en la botella, una cerca de la base y otra cerca del cuello, lo suficientemente grandes para el ingreso de agua fría. Figura 3. orificio superior de la botella agua fría. Figura 4. Orificio inferior de la botella de agua fría. 7.2 Montaje de la manguera: Se inserta un extremo de la manguera a través de la perforación en la base de la botella, asegurándose de que quede bien ajustada y sin fugas. Haciendo giros, se introduce la manguera dentro de la botella de manera que ocupe la mayor parte del espacio interior , sin obstruir completamente el paso del agua. 7.3 Sellado de la tapa: Se coloca la tapa en la botella, asegurándose de que esté bien ajustada para evitar fugas de agua. Si es necesario, se sella alrededor de la tapa con silicona u otro material impermeable para garantizar que no haya filtraciones por ese lado. Figura 5. T apa de botella para entrada de agua caliente al sistema. 7.4 Conexión de la manguera: En el extremo opuesto de la manguera, se conecta un sistema de suministro de agua caliente, como un grifo o una tubería. Se asegura que el suministro de agua caliente esté conectado correctamente y que no haya fugas en las conexiones. 7.5 Prueba del sistema: Se llena la botella con agua fría a través de la perforación cercana al cuello, se abre el suministro de agua caliente y se deja que el agua circule a través de la manguera.Se observa el flujo de agua caliente desde el extremo de salida de la manguera y se verifica que la temperatura del agua haya disminuido significativamente. Figura 6. Ingresó el agua fría a la botella. Figura 7. Ingreso del agua caliente al sistema coloreado para notar su proceso. 7.6 Puesta en marcha y uso continuado: Una vez que el sistema esté funcionando correctamente, se puede utilizar el intercambiador de calor según sea necesario para enfriar el agua caliente antes de su uso, como en una ducha o en el lavado de platos. Se debe realizar un mantenimiento regular del sistema para garantizar su funcionamiento óptimo y prevenir posibles problemas a largo plazo. 7.7 Cálculo de transferencia de calor: Luego de haber realizado la prueba del intercambiador de calor , se tomó la temperatura del agua caliente, la cual es 23.7 °C, y se compara con la temperatura inicial, la cual fue de 49.5 °C. Posterior , hallaremos la transferencia de calor según la teoría de cilindros con el fin de comparar resultados con el cálculo de intercambiadores: Siendo para una manguera \ud835\udc58 = 0. 7 \ud835\udc4a/\ud835\udc5a * °\ud835\udc36 tipo silicona, , y \ud835\udc5f2 = 0. 05 \ud835\udc5a \ud835\udc5f1 = 0. 04 \ud835\udc5a . La transferencia de calor es: \ud835\udc3f = 1. 5 \ud835\udc5a \ud835\udc44 = 0. 7 \ud835\udc4a \ud835\udc5a*°\ud835\udc36 * (2\u03c0\ud835\udc5f\ud835\udc3f) * \ud835\udc47 2 \u2212\ud835\udc47 1 \ud835\udc5f*\ud835\udc59\ud835\udc5b \ud835\udc5f 2 \ud835\udc5f 1 ( ) \ud835\udc44 = 0. 7 \ud835\udc4a \ud835\udc5a*°\ud835\udc36 * (2\u03c0(1. 5 \ud835\udc5a)) * (49.5\u221223.7) °\ud835\udc36 \ud835\udc59\ud835\udc5b 0.05 0.04 ( ) \ud835\udc44 = 762. 78 \ud835\udc4a Luego de haber hallado la transferencia de calor , procedemos a hacer el cálculo con las ecuaciones de intercambiador de calor de tubos concentricos. Hallamos la temperatura media logaritmica para luego encontrar el cálculo de transferencia de calor: \u2206\ud835\udc47 \ud835\udc5a\ud835\udc3f\ud835\udc5c\ud835\udc54 = (49.5 \u2212 23.7) °\ud835\udc36 \ud835\udc59\ud835\udc5b 49.5 23.7 ( ) = 35. 03 °\ud835\udc36 \ud835\udc44 = 0. 7 \ud835\udc4a \ud835\udc5a*°\ud835\udc36 * (2\u03c0(1. 5 \ud835\udc5a)) * 35.03°\ud835\udc36 \ud835\udc59\ud835\udc5b 0,05 0.04 ( ) \ud835\udc44 = 1035. 7 \ud835\udc4a VIII. CONCLUSIONES Se demostró que es posible crear un intercambiador de calor eficiente utilizando materiales cotidianos y a bajo costo. La implementación de esta tecnología puede contribuir significativamente a la eficiencia energética y al ahorro de recursos en diversas aplicaciones. Sin embargo, es importante considerar el diseño y los materiales utilizados para garantizar un funcionamiento seguro y efectivo. La versatilidad de los intercambiadores de calor los hace aplicables en una amplia gama de industrias y contextos, desde la electrónica hasta la industria alimentaria. La eficiencia energética y el ahorro de recursos son beneficios significativos de la implementación de intercambiadores de calor en diferentes aplicaciones, contribuyendo a la sostenibilidad ambiental y económica. IX. RECOMENDACIONES Realizar pruebas exhaustivas de rendimiento para evaluar la eficiencia y la durabilidad del intercambiador de calor en una variedad de condiciones operativas. Implementar sistemas de monitoreo y control para detectar y corregir cualquier anomalía o deterioro en el funcionamiento del intercambiador de calor . Explorar la posibilidad de utilizar materiales de alta calidad y tecnologías de fabricación avanzadas para mejorar la eficiencia y la vida útil del intercambiador de calor . Considerar la viabilidad de optimizar el diseño del intercambiador de calor para maximizar la transferencia de calor y minimizar la resistencia al flujo, lo que puede mejorar aún más su rendimiento. X. BIBLIOGRAFÍA CENGEL, Y . (2007). transferencia de calor y masa, un enfoque práctico. México: McGraw-Hill. KARLEKAR, B. (s.f.). T ransferencia de calor . México: McGraw-Hill. Manrrique, J. (s.f.). T ransmisión de calor . Alfaomega. \u201cIntercambiador de calor | Usos, ventajas y aplicaciones | SACOME\u201d. SACOME. Accedido el 31 de marzo de 2024. [En línea]. https://www .sacome.com/intercambiador-tubul ar-usos-ventajas-aplicaciones/ [1] T ransferencia de Calor y Masa - Y unus A. Cengel - Afshin J. Ghajar 4° Edición, Apéndice, tabla A-3 Propiedades de metales sólidos - página 868. T ransferencia de Calor y Masa - Y unus A. Cengel - Afshin J. Ghajar 4° Edición, Capítulo 5 Métodos numéricos en la conducción de calor- página 295-372

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