Overview
Fuente: Michael G. Benton y Kerry M. Dooley, Departamento de Ingeniería Química, Universidad Estatal de Luisiana, Baton Rouge, LA
Los intercambiadores de calor transfieren calor de un fluido a otro. Existen varias clases de intercambiadores de calor para satisfacer diferentes necesidades. Algunos de los tipos más comunes son intercambiadores de carcasas y tubos e intercambiadores de placas1. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubo utilizan un sistema de tubos a través del cual fluye el fluido1. Un conjunto de tubos contiene el líquido que se va a enfriar o calentar, mientras que el segundo conjunto contiene el líquido que absorberá el calor o lo transmitirá1. Los intercambiadores de calor de placas utilizan un concepto similar, en el que las placas se unen estrechamente junto con un pequeño espacio entre cada uno para que el líquido fluya1. El fluido que fluye entre las placas alterna entre caliente y frío para que el calor entre o salga de las corrientes necesarias1. Estos intercambiadores tienen grandes superficies, por lo que suelen ser más eficientes1.
El objetivo de este experimento es probar la eficiencia de transferencia de calor de un intercambiador de calor de tubo aleteado (Figura 1) y compararlo con la eficiencia teórica de un intercambiador de calor sin aletas. Los datos experimentales se medirán para tres caudales diferentes de monoetilenglicol (MEG). Se utilizarán dos caudales de agua diferentes para cada caudal MEG. Utilizando el método de trazado Wilson, los coeficientes de transferencia de calor se determinarán a partir de los datos experimentales. Además, el número del Reynold y la cantidad de calor transferido se compararán para el flujo con y sin las aletas para evaluar la eficiencia de transferencia de calor.
Figura 1: Intercambiador de calor de tubo finlandés. 1) Temperatura de salida MEG 2) temperatura de entrada de agua 3) temperatura de entrada MEG 4) temperatura de salida de agua 5) medidor de agua 6) MEG acumulación de vidrio/ cilindro.
Principles
Los intercambiadores de calor transfieren calor entre dos o más fluidos. Los intercambiadores utilizan especies fluidas que fluyen en un espacio separado de una corriente opuesta que está proporcionando calor. Las aletas se pueden añadir al área de flujo para facilitar una mayor transferencia de calor, ya que aumentan el área de superficie disponible para la transferencia. Las aletas añadidas disminuyen el área a través de la cual fluye la especie y proporcionan más superficies en las que se pueden formar capas límite, lo que resulta en un flujo menos turbulento. Cuanto menos turbulento sea un flujo, mayor será la capa límite que tendrá. Una capa límite inhibe la transferencia de calor, por lo que con menos flujo turbulento se transfiere menos calor. Cuando la capa límite es laminar, hay muy poca mezcla.
La relación entre el área a través de la cual el calor puede fluir y el coeficiente de transferencia de calor se utiliza para calcular el calor total transferido. Esta relación se calcula a través de la Ecuación 1:
(1)
donde Q se transfiere al calor (Btu/hr), U es el coeficiente de transferencia de calor global, A es el área a través de la cual se transfiere el calor (ft2),elLM t es la diferencia de temperatura media logarítmica.
La ecuación general del coeficiente de transferencia de calor es:
(2)
donde Ab es el área de superficie de la tubería interior desnuda, Af es la superficie de las aletas, UnLM es la diferencia de área media logarítmica, A es el área de superficie de la tubería (o - exterior, i - interior), x espesor de la tubería, k es conductividad térmica de la tubería, h - Coeficiente de transferencia de calor individual. (o-fuera, i-inside)
El método de trazado Wilson utiliza datos experimentales para encontrar UoAo del equilibrio de energía típico en el flujo MEG y trazar su recíproca a 1/Re0.8 de la tubería interior. Al ajustar una línea recta y encontrar la intercepción y, que está relacionada con el coeficiente de transferencia de calor y se describe en los dos primeros términos a la derecha de la ecuación anterior. Una ecuación típica de eficiencia de aleta de perfil rectangular longitudinal se utiliza como la segunda ecuación para resolver el coeficiente de transferencia de calor y la eficiencia de la aleta minimizando la suma de cuadrados de una función objetiva. Este método se aplica a las condiciones de flujo MEG con diferentes caudales de agua.
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor, se utiliza el número de Reynolds, que se da por la siguiente ecuación:
(3)
donde G es la velocidad de masa del flujo de fluido, D es el diámetro de la tubería donde fluye el fluido (Deq, el diámetro equivalente reemplazará D para los cálculos con aletas), y es la viscosidad del fluido. La ecuación de eficiencia de la aleta para una aleta de perfil rectangular longitudinal es:
(4)
donde m es (2h/kt), h es el coeficiente de transferencia de calor, k es conductividad térmica de la tubería, t es espesor de aleta, y b es la altura de la aleta.
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Procedure
1. Determinación de la velocidad de inicio y flujo
- Abra la válvula de carga situada debajo del generador de vapor.
- Encienda la unidad y espere 15 minutos para que el vapor comience a formarse.
- Calcular el caudal de agua
- Inicie un cronómetro y monitoree el medidor que muestra el volumen de agua.
- Detenga el reloj después de 30 s y registre el volumen total de agua que se muestra en el medidor.
- Divida el volumen de agua por el tiempo para determinar el caudal volumétrico.
- Registre el caudal MEG desde el medidor de flujo.
- Observe la temperatura de los termopares y registre los valores.
2. Variación del caudal y apagado
- Para recopilar datos para 6 corridas diferentes, establezca el caudal de agua a un caudal alto o bajo y ejecútelo con un caudal alto, medio o bajo de MEG.
- Como referencia, se han utilizado los caudales anteriores: 0.0439, 0.0881 y 0.1323 gal/seg para los caudales bajos, medios y altos de MEG, respectivamente.
- Como anterior, registre los caudales volumétricos y la diferencia de temperatura en el termopar para cada carrera.
- Cuando haya terminado, apague el instrumento.
- Cierre las válvulas para detener el flujo de vapor, monoetilenglicol y agua.
- Apague el interruptor principal.
3. Cálculos
- Utilice la Ecuación 1 para calcular el calor total transferido, Q, con la diferencia de temperatura leída de los termopares (dispositivos utilizados para medir la temperatura) y las dimensiones físicas conocidas del intercambiador de calor (que se encuentra en el manual del usuario para la unidad que se está operando ). Las diferencias de temperatura se pueden tomar de las lecturas de temperatura de cada carrera.
- Calcule el calor transferido para cada ejecución de prueba única y utilice el método de trazado Wilson para encontrar los coeficientes de transferencia de calor para los tres caudales MEG.
- Compare el calor calculado transferido y el número de Reynolds con los valores teóricos del intercambiador de calor sin aletas.
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, incluyendo intercambiadores de carcasas y tubos e intercambiadores de tubos aleteados. Para estos se utiliza una serie de tubos y aletas para transferir calor del fluido caliente al fluido frío. Una comprensión de la eficiencia de la transferencia de calor es importante para la optimización del diseño del intercambiador 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 para un intercambiador de calor de tubo aleteado 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 fluidas en estrecho contacto que están separadas por una barrera física. Pueden fluir en paralelo o contrarrestándose actualmente 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 entran en el intercambiador de calor saldrá con una temperatura reducida, mientras que el más frío saldrá con un aumento de la temperatura. La eficiencia de transferencia de calor se puede aumentar mediante la adición de aletas al área de flujo 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 las capas de contorno. Una capa límite es la capa delgada de líquido 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 descompone y pasa a un flujo turbulento donde el fluido a granel se mezcla de manera más eficaz. Durante la operación de 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 el calor Superficie. UA es la conductividad general y es una medida de la capacidad de transferencia de calor de un intercambiador de calor. El coeficiente global de transferencia de calor está determinado por 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 la gráfica Wilson que traza la recíproca de la conductancia general frente a una 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 sin dimensiones es la ración de las fuerzas de inercia a 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 masa del fluido y Mu es la viscosidad del fluido. Un número más alto de Reynold indica un flujo más turbulento, una mayor mezcla de fluidos y una mayor transferencia de calor. Ahora que usted entiende cómo calcular los coeficientes de transferencia de calor y los números de Reynold, vamos a evaluar la eficiencia de transferencia de calor de un intercambiador de calor de tubo aleteado variando los caudales de agua y monoetilenglicol.
Antes de empezar, familiarícese con el aparato de intercambiador de calor de tubo aleteado. Abra la válvula de carga, encienda la unidad y espere a que el vapor comience a formarse. Usando un cronómetro y el medidor, determine el caudal de agua. Encienda el cronómetro y monitoree 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 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 para seis ejecuciones únicas. Cada carrera consiste en un caudal de agua y MEG establecido. Establezca el caudal de agua en alto o bajo y ejecútelo con un caudal alto, medio o bajo de MEG para un total de seis corridas. Repita el mismo procedimiento anterior para cada caudal para registrar los caudales volumétricos del agua y EL MEG y la diferencia de temperatura del termopar. Cuando haya terminado, apague el instrumento. Cierre las válvulas para el vapor, el glicol y el flujo de agua. A continuación, apague el interruptor principal.
Para calcular el calor total transferido, Q, para cada carrera, utilice las diferencias de temperatura obtenidas de cada experimento y los parámetros físicos de monoetilenglicol. A continuación, determine el número del Reynold para cada carrera única utilizando las dimensiones de la tubería y la velocidad de masa y la viscosidad del agua.
Ahora vamos a comparar los resultados con los valores teóricos del intercambiador de calor sin aletas. Se utilizó una gráfica Wilson para determinar los coeficientes de transferencia de calor trazando uno sobre UA, frente a uno sobre el número del Reynold elevado a la potencia de ocho décimas y relacionando el ajuste lineal con la ecuación para el coeficiente de transferencia de calor global. Las líneas azul, roja y verde indican los caudales de monoetilenglicol altos, medios y bajos en el experimento. En comparación con un tubo no aletas, el tubo aleteado 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 velocidades de flujo MEG, está claro que un tubo aleteado transfiere más calor que un tubo sin aletas en los mismos ajustes de funcionamiento. La transferencia de calor es más eficaz con una mayor superficie, a pesar del hecho de que los tubos aleteados inducen el flujo laminar, su eficiencia térmica fue mucho mayor que para el tubo no-finned.
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 críticos, como después de un paro cardíaco, fiebre neurogénica o cirugía. Los intercambiadores de calor también se utilizan a pequeña escala en la desnaturalidad y precipitación de calor de las proteínas de los extractos de plantas. Esta técnica se utilizó en la extracción de una vacuna antipalúdica candidata de plantas de tabaco transgénicas para reducir la concentración de proteínas de células huésped.
Acabas de ver la introducción de JoVE a los intercambiadores de calor de tubos aleteados. Ahora debe entender los principios de la transferencia de calor, ser capaz de evaluar la eficiencia del calor y conocer varias aplicaciones de intercambiadores de calor en varios procesos. Gracias por mirar.
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Results
El intercambiador de calor de tubo aleteado no alcanzó un flujo turbulento(Figura 2). Las aletas proporcionan superficies adicionales en las que se forman capas de contorno, como se conoce a través de la teoría de flujo laminar y turbulento. Si el fluido no está a una velocidad suficiente, el fluido no alcanzará la turbulencia. Las capas límite entre las aletas se superponen en la región laminar, por lo que el fluido seguirá siendo laminar.
Figura 2:Números deReynolds para cada ajuste.
Se comparó la cantidad de calor transferido, Q, en los tubos con y sin aletas a diferentes caudales de MEG(Figura 3). Los resultados muestran que un tubo aleteado transfiere más calor que un tubo sin aletas en las mismas condiciones de funcionamiento. En este experimento, las aletas mejoraron claramente la transferencia de calor. Esto se debe a que la transferencia de calor es más eficaz cuando hay una mayor superficie disponible. El intercambiador de calor de tubo aleteado transfirió más calor(Figura 3), a pesar del número inferior de Reynolds(Figura 2).
Figura 3: Calor transferido entre intercambiadores con y sin aletas a cada caudal.
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Applications and Summary
Los intercambiadores de calor se utilizan en una variedad de industrias, incluyendo la agricultura, la producción química y HVAC. El objetivo de este experimento era probar la eficiencia de transferencia de calor de un intercambiador de calor de tubo aleteado y compararlo con la eficiencia teórica de un intercambiador de calor sin aletas. Los datos experimentales se midieron para tres caudales diferentes de monoetilenglicol (MEG) y dos caudales de agua únicos para cada caudal MEG utilizado. El número de Reynold se determinó para el flujo con y sin las aletas y se utilizó para calcular el coeficiente de transferencia de calor, el área de superficie y la eficiencia de la aleta para cada prueba única. Estos datos se utilizaron para evaluar si el flujo turbulento es posible sin las aletas y bajo qué conjunto de condiciones de prueba se produce la mayor cantidad de transferencia de calor. Los tubos aleteados no alcanzaron un flujo turbulento. Los resultados mostraron que un tubo de aleta transferirá más calor que un tubo sin aletas en las mismas condiciones de funcionamiento porque el flujo de MEG a través del intercambiador de calor no alcanzará la turbulencia.
En la industria agrícola, los intercambiadores de calor se utilizan en el procesamiento de azúcar y etanol2. Ambos productos se procesan en un zumo, que debe calentarse para ser procesado sin continuación2. Los intercambiadores de calor se utilizan en la calefacción de los jugos para la aclaración2. Una vez que los jugos han sido procesados en jarabes uniformes, es necesario calentar con intercambiadores para continuar el procesamiento y formar melaza2. La melaza se enfría utilizando intercambiadores de calor, después de lo cual se puede almacenar para su posterior procesamiento2.
Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, juntos conocidos como HVAC, hacen uso de intercambiadores de calor3. Las unidades de aire acondicionado y calefacción del hogar hacen uso de intercambiadores de calor3. En entornos más grandes, las plantas químicas, hospitales y centros de transporte hacen uso de HVAC intercambiador de calor similar, a una escala mucho mayor3. En la industria química, los intercambiadores de calor se utilizan para calentar y enfriar una gran variedad de procesos4. La fermentación, la destilación y la fragmentación hacen uso de intercambiadores de calor4. Aún más procesos como la rectificación y la purificación requieren intercambiadores de calor4.
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References
- Types of Heat Exchangers." Types of Heat Exchangers. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
- Heat exchangers for sugar factories and distilleries." Heat exchanger for sugar and ethanol industry. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
- Biotechnology and green chemistry heat exchangers." Heat exchanger for green chemical industry. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
- Heat exchangers for heating and cooling." Heat exchangers for district heating, cooling and HVAC. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
