Intercambiador de calor (caso 2) PDF

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Reporte de resultados de práctica con intercambiador de calor de placas...

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Aumento del rendimiento de intercambio de calor en un intercambiador con configuración de placas con tres placas de calentamiento y una de regeneración

Por Karen Acosta Nicolás Garzón Laura Martínez Laura Montilla

Laboratorio de ingeniería de los fenómenos de transporte Profesor José Fernando Callejas

Asignado: octubre 2, 2019 Entregado: octubre 9, 2019

Contenido RESUMEN........................................................................................................................................3 INTRODUCCIÓN............................................................................................................................3 MARCO TEORICO........................................................................................................................4 EQUIPO Y PROCEDIMIENTO.....................................................................................................5 PLAN DE TRABAJO......................................................................................................................6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN.......................................................................................................6 CONCLUSIONES............................................................................................................................8 TABLA DE NOMENCLATURA.....................................................................................................9 REFERENCIAS.............................................................................................................................10

RESUMEN Los procesos de intercambio de calor entre dos fluidos que poseen distintas temperaturas, pero evitando la mezcla de dichos fluidos, es la tarea principal de un intercambiador de calor. Este proceso de conducción-convección puede realizarse con distintos diseños del mismo equipo, ya que de esta manera se posee una amplia gama de posibilidades para poder encontrar el diseño que más se adapte al caso particular que se está tratando. Esta decisión se toma con base a criterios ingenieriles, en este caso se determinó que dicho criterio sería la relación de calor sobre el cambio de presión dentro del equipo y que entre mayor fuera dicha relación mayor sería el rendimiento del equipo. En concreto, se presentó en el caso de estudio la búsqueda para aumentar el rendimiento de intercambio de calor en un proceso, para el cual se tenían disponibles dos alternativas de diseño principalmente, placas y tubos y coraza, aunque de estas alternativas se desprenden otras como lo son la posibilidad de regulación. Para poder encontrar la solución a este, en primer lugar, se escogieron las 4 alternativas que parecían más factibles al caso según la literatura, los cuales fueron, tubos y corazas en contra corriente y paralelo, placas con tres placas de calentamiento, una de regeneración y en paralelo, y en contracorriente. De estas cuatro alternativas se realizó un simulador para cada una, que tenía como objetivo determinar, según el parámetro ya establecido como el trabajo obligatorio de la capacidad de la bomba al 30%, la temperatura del fluido caliente menos a 50°C y un delta en la temperatura de entrada del fluido caliente de 20°C, cual era mejor para el caso de estudio para, además, definir los parámetros de operación. Después de realizar este proceso de selección, se determinó que el intercambiador de placas con tres placas de calentamiento, una de regeneración y en paralelo, era la mejor alternativa para este proceso, por lo cual, fue el diseño que se llevó a cabo en la práctica experimental.

INTRODUCCIÓN El caso de estudio se definió como la búsqueda de la mejor configuración de un intercambiador de calor que presente el mejor rendimiento para un proceso de intercambio agua-agua en el cual se establecieron como parámetros principales una limitación en la potencia de la bomba, 30% de su capacidad, y una temperatura máxima para el fluido caliente de 50ºC. La característica principal del proceso que ocurre en el intercambiador de calor es la presencia de procesos de transferencia de calor de un lugar a otro, o específicamente, de un fluido a otro, este proceso también se puede presentar como un proceso en el cual se

remueve calor a un fluido para una aplicación especifica como calentar otro (Jaramillo A., 2007) Por lo cual, para analizar este problema se tuvo que tener en cuenta las distintas configuraciones posibles según los equipos disponibles en el laboratorio, en primer lugar, se debió observar entre tubos y corazas y placas, teniendo en cuenta que el intercambiador de placas da la posibilidad de agregar una sección de regeneración, lo cual genera en el proceso un medio de transporte extra de calor. Además, se debió seleccionar si dicha configuración se realiza en contracorriente o en paralelo. La investigación para este caso de estudio permitió comparar en términos de rendimiento las distintas configuraciones de intercambiadores de calor, profundizando en la transferencia de calor que presentan y la presión en estos. Este proceso se realizó únicamente de manera teórica, para así llevar a practica experimental la configuración con mayor rendimiento y dar solución al caso de estudio planteado.

MARCO TEORICO Los intercambiadores de calor presentan una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y optimización, dado que posee una función en el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y materias primas necesarias para cumplir una determinada función, por esta razón son los equipos que más se encuentran en la industria. Dentro de la industria es más común encontrar intercambiadores de tipo de tubo y coraza, mientras que el intercambiador de placas es un modelo innovador el cual consta de muchas placas acanaladas de acero inoxidable separadas por juntas o empaques, fijadas en un armazón de acero. Los portales interiores y ranuras de entrada en las arandelas dirigen el fluido frío y caliente en los espacios alternados entre las placas (McCabe, Smith, Harriott, 2007). Además, estos intercambiadores pueden poseer una región de regeneración, en la cual se utiliza el mismo fluido para calentar y enfriar, lo cual representa un medio almacenamiento de calor temporal. Para realizar el análisis de un intercambiador de calor, cuando se poseen las temperaturas de entrada y de salida, se utiliza el método de LMTD ya que este facilita la determinación de parámetros como el flujo de calor y el área superficial, teniendo en cuenta que en este caso de estudio no se cuenta con una definición para todas las temperaturas de entrada y salida es necesario realizar un proceso iterativo. Por esta razón, se efectúa un análisis basado en la efectividad, la cual posee la siguiente definición:

Este parámetro permite una comparación entre las velocidades de transferencia térmica real y la máxima, es decir la que podría transmitirse en un intercambiador de superficie infinita, mientras que para la capacidad de transferencia de calor del intercambiador se utiliza NUT (número de unidades de transferencia térmica), por lo cual es el parámetro que marca la tendencia del intercambiador a su valor máximo termodinámico (Reyes, s.f.). Para poder llegar a este parámetro se debe tener en cuenta la diferencia de temperaturas a lo largo del intercambiador, el cual puede depender del tipo de flujo que se presenta, para el flujo en paralelo

Mientras que, para un fujo en contracorriente se presenta

Estas fórmulas se utilizan con el fin de encontrar la transferencia total de calor en el intercambiador utilizando las siguientes formulas

EQUIPO Y PROCEDIMIENTO El intercambiador utilizado para este caso de estudio fue el HT30XC, este es extremadamente versátil y suele utilizarse en industrias alimentarias y químicas debido a las amplias posibilidades que presenta para organizar las placas según la aplicación que se requiera. Este presenta opciones de organización para hasta 1 a 4 secciones de calentamiento, o de 1 a 3 si se posee una sección de regeneración (Armfield, 2011). Teniendo en cuenta los resultados obtenidos teóricamente con el simulador se decidió utilizar una configuración con 3 placas de calentamiento y una de regeneración, dado que esta configuración era la que presentaba una mayor relación entre el calor y el cambio de presión a lo largo del intercambiador, lo cual se traduce en un mejor rendimiento con respecto a las demás configuraciones.

PLAN DE TRABAJO Para la configuración seleccionada, se realizó el siguiente plan de trabajo: En primer lugar, se realizó el ensamble del equipo, teniendo en cuenta que se colocaron 5 placas para las tres secciones de calentamiento y en la sección de regeneración se colocaron seis placas, en medio de estos arreglos de placas se ubicaron los termopares según las indicaciones expuestas en el manual y se aseguró todo este conjunto en el equipo con ayuda del perno. Seguido a este proceso de ensamblaje se conectó cada termopar con su enchufe correspondiente y también las mangueras de entrada según la configuración en paralelo ya establecida, no sin antes realizar la configuración del caudal que se determinó con el simulador como el que aumentaría el rendimiento del intercambiador, después de esto se ubicaron los tubos de salida del agua caliente y agua fría a un proceso de reflujo y a un drenaje adecuado, respectivamente. Por último, se asegura que el regulador de presión este configurado, al igual que suministro eléctrico y la conexión de la unidad con el PC Con este proceso terminado se inicial el funcionamiento del equipo y la toma de temperaturas a lo largo del mismo por parte de las termocuplas previamente conectadas y se inicia también el proceso de reflujo, el cual consistió en enfriar con ayuda de hielo el agua fría que salía del intercambiador y manualmente volverla a ingresar en este cuando ya presentara de nuevo una temperatura lo suficientemente baja para ingresar como fluido frío.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Teniendo en cuenta los resultados arrojados por el tratamiento matemático de los datos experimentales recolectados a lo largo del desarrollo integral del procedimiento planteado para el análisis de un intercambiador de calor de placas con regeneración, es posible afirmar que dicho procedimiento empírico, basado en los valores teóricos resultantes del uso de un simulador de dicho equipo, cuyo objetivo inicial se fundamentó en la elección

más idónea de un intercambiador de calor bajo condiciones experimentales sujetas a especificaciones planteadas inicialmente por la empresa interesada en la compra de este sistema de intercambio de energía en forma de calor, cumplió con los requerimientos primarios del proceso, es decir, temperatura de entrada de los fluidos involucrados y caudal (establecido mediante el simulador a dichas condiciones), resultando así en un fluido fríocaliente con un incremento promedio de la temperatura de aproximadamente 14,9 °C, respecto a su temperatura inicial, el cual fue incorporado nuevamente al equipo, posterior a un proceso de enfriamiento (haciendo uso de hielo), para evitar un incremento significativo en la temperatura de operación de este, permitiendo así una mejor eficiencia del proceso. A partir de dichas consideraciones preliminares se empleó un análisis estadístico de los valores arrojados por el equipo durante su funcionamiento bajo los parámetros establecidos en un rango aproximado de 100 datos, en los cuales la variación de la temperatura de entrada del fluido caliente es mínima, es decir, se encuentran en un intervalo de 38-42°C. Posteriormente, se hace uso de la prueba t-Student para el rechazo de datos atípicos dentro de nuestro conjunto de interés (no se descartó ningún valor), resultando así en 100 datos considerados confiables. A continuación, se realizó un promedio estadístico de la temperatura medida en cada termocupla para facilitar la determinación del calor transferido, la caída de presión en el sistema y los perfiles de temperatura para este sistema de intercambio de calor. Los resultados obtenidos se muestran a continuación

Figura 1 Perfil de temperatura.

Tabla 1. Valores promedios de temperatura. Temperatura promedio Número de sección Temperatura promedio Número de sección

Fluido caliente 40,2 34,3 0 (entrada) 1 Fluido frío 15,5 22,1 0 (entrada) 1

33 2

32,9 3

24,7 2

31,5 3

Tabla 2. Resultados obtenidos.

ΔTln (°C) Q (W) ∆P (Pa) Q (KW)/∆P (Kpa)

9,623 3082,54 24571,40 0,1254

Posterior al análisis detallado de la organización de las termocuplas empleadas para la toma de temperatura durante el proceso experimental para una disposición del intercambiador de calor en paralelo, debido a que dicha configuración presentó mejores resultados teóricos que las demás configuraciones abordadas (intercambiador de placas contracorriente con regeneración, intercambiador de tubos en contracorriente y paralelo), el perfil de temperatura procedente de estas temperaturas registradas por el equipo y consignadas en una hoja de cálculo para facilitar su tratamiento, tiene una similitud significativa respecto al comportamiento de dicho sistema según la literatura, mostrando así que el procedimiento planteado y las condiciones asignadas al proceso para cumplir el objetivo establecido fueron las correctas. Respecto a los resultados obtenidos, se tiene que al comparar el Q experimental con el Q simulado (Qsim= 6,5 kW), el valor experimental fue aproximadamente la mitad de lo esperado, por otra parte, hablando sobre la caída de presión, es posible notar que ocurre el mismo fenómeno, en donde el valor de ∆P experimental es aproximadamente la mitad del simulado (∆Psim = 40,51 kPa), esto puede deberse a algún cálculo o valor erróneo dentro de la simulación. Finalmente, vemos que las variaciones anteriores no afectaron de forma significativa la relación Q/∆P, ya que éste fue aproximado al valor simulado (Q/∆Psim =0,16) debido a que la variación en los dos parámetros fue semejante.

CONCLUSIONES A través del presente trabajo se estableció que el mayor rendimiento en el intercambiador de calor utilizando Q/∆Psim como el criterio para establecerlo, a las condiciones trabajadas por el grupo como temperatura de entrada tanto para el fluido caliente como para el fluido frío, 40,2°C y 15,5°C, dicho rendimiento fue de 0,1254. Esta misma medida realizada en el simulador para el mismo intercambiador fue de 0,16, por lo tanto, se puede decir que los cálculos obtenidos durante la practica experimental concuerdan con los obtenidos teóricamente.

Además de esto, el hecho de tener un reflujo contribuye a que la entrada del fluido frío no presente un choque térmico entre el fluido frío que sale y el que entrar, lo cual evita que se generen variaciones amplias en la toma de datos por los cambios de temperatura. En cuanto al perfil de temperatura se puede observar en el gráfico 1 que es evidente el arreglo en paralelo si se compara dicho gráfico con uno teórico es semejante, así como también se observa la transferencia de calor debido al aumento de temperatura en el fluido frío y la disminución en la temperatura del fluido caliente, lo cual genera un equilibrio térmico entre estos.

TABLA DE NOMENCLATURA Símbolo Definición

Unidades

di

diámetro interno

del tubo

m

do

diámetro externo del tubo

m

dm

diámetro medio aritmético del tubo

m

L

longitud de transmisión de calor

m

A

área de transmisión de calor

m2

Cphot

calor especifico fluido caliente

J/kg K

Cpcold

calor específico fluido frío

J/kg K

T1

temperatura entrada fluido caliente

°C

T2

temperatura salida fluido caliente

°C

T3

temperatura entrada fluido frío

°C

T4

temperatura salida fluido frío

°C

Δ t1

Disminución en la temperatura del fluido caliente °C

Δ t2

Incremento en la temperatura del fluido frío

°C

Q

Calor perdido (o ganado)

W

U

Coeficiente global de transferencia de calor

μ

Viscosidad cinemática

N/m2 s

K

Coeficiente conductividad térmica

W/m K

Pr

Número de Prandtl

Reh

Número de Reynolds

Nuh

Número de Nussel

hh

W/m2 °C

W/m2 K

REFERENCIAS 1. Jaramillo, A. (2007), Intercambiadores de Calor, Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México. 2. Reyes, H. (s.f.), Caracterización de los bancos de prueba de intercambio de calor concéntrico y de régimen turbulento, laboratorio de térmicas de la UAC. Universidad autónoma del Caribe. 3. Armifield (2011), Extended Plate Heat Exchanger, Instruction Manual. 4. McCabe, Smith, Harriott (2007), Operaciones unitarias en ingeniería química, McGraw-Hill Interamericana, México....