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Los intercambiadores de calor transfieren calor entre dos especies y se utilizan para una amplia variedad de aplicaciones, desde radiadores de automóviles hasta plantas químicas a gran escala. Hay muchos diseños de intercambiadores de calor, incluidos intercambiadores de carcasa y tubos e intercambiadores de tubos con aletas. Para estos, se utiliza una serie de tubos y aletas para transferir el calor del fluido caliente al fluido frío. La comprensión de la eficiencia de la transferencia de calor es importante para la optimización del diseño de los intercambiadores de calor y su integración en sistemas más grandes. Este video ilustrará los principios de los intercambiadores de calor, demostrará cómo calcular el coeficiente de transferencia de calor y la eficiencia de un intercambiador de calor de tubos con aletas y discutirá las aplicaciones relacionadas.
Ahora, veamos cómo funcionan los intercambiadores de calor y examinemos los principios que rigen su eficiencia. La transferencia de calor en un intercambiador de calor es generada por especies de fluidos en estrecho contacto que están separadas por una barrera física. Pueden fluir en paralelo o en sentido contrario entre sí. El intercambio de calor es impulsado por las diferencias de temperatura locales entre los fluidos. El más caliente de los dos fluidos que ingresan al intercambiador de calor saldrá con una temperatura reducida, mientras que el más frío saldrá con una temperatura aumentada. La eficiencia de la transferencia de calor se puede aumentar mediante la adición de aletas al área de flujo, lo que aumenta el área de superficie disponible para la transferencia de calor. Sin embargo, las aletas añadidas también disminuyen la región a través de la cual fluye el fluido, proporcionando más superficies para que se formen capas límite. Una capa límite es la capa delgada de fluido en contacto con la superficie que se ve afectada por las fuerzas de cizallamiento. Cuando la capa límite es laminar, hay muy poca mezcla y se inhibe la transferencia de calor. A caudales más altos, o distancias más largas, el flujo laminar se rompe y pasa a un flujo turbulento donde el fluido a granel se mezcla de manera más efectiva. Durante el funcionamiento en estado estacionario, el calor total transferido, Q, se puede calcular utilizando el coeficiente de transferencia de calor general, U, el área a través de la cual fluye el calor, A y delta TLM, la diferencia de temperatura media logarítmica entre el flujo de fluido a granel y la superficie de calor. UA es la conductancia general y es una medida de la capacidad de transferencia de calor de un intercambiador de calor. El coeficiente de transferencia de calor general se determina mediante esta ecuación que tiene en cuenta las áreas superficiales de la tubería y las aletas, los coeficientes de transferencia de calor y la conductividad térmica y el espesor de la tubería. El coeficiente de transferencia de calor se estima a partir de datos experimentales utilizando métodos gráficos como el diagrama de Wilson, que traza el recíproco de la conductancia general frente a uno sobre el Reynolds elevado a la potencia de ocho décimas. La regresión lineal se utiliza para resolver los coeficientes de transferencia de calor. El número de Reynold adimensional es la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas y se utiliza para describir el patrón de flujo. Donde D es el diámetro equivalente de la tubería, G es la velocidad de la masa del fluido y Mu es la viscosidad del fluido. Un número de Reynold más alto indica un flujo más turbulento, una mayor mezcla de fluidos y una mayor transferencia de calor. Ahora que comprende cómo calcular los coeficientes de transferencia de calor y los números de Reynold, evaluemos la eficiencia de transferencia de calor de un intercambiador de calor de tubos con aletas variando los caudales de agua y monoetilenglicol.
Antes de comenzar, familiarícese con el aparato intercambiador de calor de tubos con aletas. Abra la válvula de carga, encienda la unidad y espere a que comience a formarse vapor. Con un cronómetro y el manómetro, determine el caudal de agua. Encienda su cronómetro y controle el medidor que muestra el volumen de agua. Detenga el cronómetro después de 30 segundos. Registre el volumen total de agua en el medidor y divida el volumen por el tiempo medido. A continuación, lea el caudal de MEG en la pantalla. Cuando hayan pasado los 30 segundos para el cálculo del caudal, registre la temperatura de los termopares.
Ahora, varíe los caudales para obtener datos de seis ejecuciones únicas. Cada tramo consta de un caudal establecido de agua y MEG. Ajuste el caudal de agua a alto o bajo y hágalo funcionar con un caudal alto, medio o bajo de MEG durante un total de seis carreras. Repita el mismo procedimiento anterior para cada caudal para registrar los caudales volumétricos de agua y MEG y la diferencia de temperatura del termopar. Cuando termine, apague el instrumento. Cierre las válvulas para el flujo de vapor, glicol y agua. A continuación, apague el interruptor principal.
Para calcular el calor total transferido, Q, para cada ejecución, utilice las diferencias de temperatura obtenidas de cada experimento y los parámetros físicos del monoetilenglicol. Luego, determine el número de Reynold para cada tramo único, utilizando las dimensiones de la tubería y la masa, la velocidad y la viscosidad del agua.
Ahora comparemos los resultados con los valores teóricos del intercambiador de calor sin aletas. Se utilizó un diagrama de Wilson para determinar los coeficientes de transferencia de calor trazando uno sobre UA, frente a uno sobre el número de Reynold elevado a la potencia de ocho décimas y relacionando el ajuste lineal con la ecuación para el coeficiente de transferencia de calor general. Las líneas azul, roja y verde indican los caudales de monoetilenglicol altos, medios y bajos en el experimento. En comparación con un tubo sin aletas, el tubo con aletas no alcanzó un flujo turbulento. Las aletas proporcionan superficies adicionales para que las capas límite formen y mantengan el monoetilenglicol en un régimen de flujo más laminar. Sin embargo, al comparar el calor transferido entre el intercambiador con y sin aletas a diferentes caudales de MEG, está claro que un tubo con aletas transfirió más calor que un tubo sin aletas con los mismos ajustes de funcionamiento. La transferencia de calor es más efectiva con una mayor área de superficie, a pesar de que los tubos con aletas inducen flujo laminar, su eficiencia térmica fue mucho mayor que para el tubo sin aletas.
Los intercambiadores de calor se utilizan en una variedad de entornos para transferir calor de una especie a otra. En todos los edificios, los intercambiadores de calor forman parte de los sistemas de calefacción y aire acondicionado para regular la temperatura. También se utilizan para controlar la temperatura central del paciente en entornos de cuidados intensivos, como después de un paro cardíaco, fiebre neurogénica o cirugía. Los intercambiadores de calor también se utilizan a pequeña escala en la desnaturalización y precipitación de calor de proteínas de extractos de plantas. Esta técnica se utilizó en la extracción de una vacuna candidata contra la malaria a partir de plantas de tabaco transgénicas para reducir la concentración de proteínas de la célula huésped.
Acabas de ver la introducción de JoVE a los intercambiadores de calor de tubos con aletas. Ahora debe comprender los principios de la transferencia de calor, ser capaz de evaluar la eficiencia térmica y conocer varias aplicaciones de los intercambiadores de calor en varios procesos. Gracias por mirar.
