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Prueba de la eficiencia de transferencia de calor de un intercambiador de calor de tubo finlandés
 

Prueba de la eficiencia de transferencia de calor de un intercambiador de calor de tubo finlandés

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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, 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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