Introduccion En los intercambiadores de calor los fluidos pueden circular en direcciones ortogonales entre s, de manera que el flujo caliente y el flujo fro se cruzan (flujo cruzado).El flujo cruzado se clasifica en mezclado (uno de los fluidos fluye libremente en direccin ortogonal al otro sin restricciones) y en no mezclado (se disponen unas placas para guiar el flujo de uno de los fluidos).El flujo del fluido exterior puede realizarse mediante conveccin forzada o libre; el gas que circula por el exterior de los tubos se considera de tipo de mezcla, mientras que el fluido del interior de los tubos se considera sin mezclar; el flujo del gas exterior es con mezcla porque puede moverse libremente entre los tubos cuando intercambia calor, mientras que el fluido del interior de los tubos est confinado y no puede mezclarse con ningn otro flujo o corriente durante el proceso de intercambio de calor.GENERALIDADESEn el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a travs de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ngulo de 90. Los intercambiadores de flujo cruzado son comnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifsico. Un ejemplo tpico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensacin de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fra que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y ste se condensa y forma agua lquida. Se pueden condensar grandes volmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.Intercambiador de calor de flujo cruzado: En la actualidad, la mayora de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son comnmente una combinacin de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La razn de incluir la combinacin de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las restricciones propias del diseo, que son: tamao, costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos, temperaturas y presiones de operacin, que permiten establecer la complejidad del intercambiador.OBJETIVOS Conocer el funcionamiento bsico del intercambiador de flujo cruzado y comprender la importancia de este tipo de intercambiador en el uso prctico. Seleccionar y aplicar la correlacin apropiada para calcular tericamente el coeficiente global de transferencia de calor.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALEquipoMaterialServicios

Intercambiador de calor de flujo cruzado ubicado en LEM Termmetro Anemmetro Guantes Aire Vapor

Intercambiador de Calor de Flujo Cruzado

Encender el equipo

Verificar que los servicios estn disponibles y abrir las vlvulas de entrada (Vapor), y cerrar las de salida del equipo.

Accionar las RPM del aire para medir la temperatura de entrada

Abrir la vlvula del vapor y regularla (que no sobrepase 1 kg/cm2)

Cuando el equipo este estable, tomar lecturas de temperaturas, cantidad de flujo de aire y presin de trabajo

Variar de 5 en 5 las RPM del equipo y a cada RPM esperar 5 minutos a que el equipo se estabilice, hasta llegar a 70 RPM

Cerrar vlvula de vapor en primera instancia, dejar circular el aire, cerrar todas las vlvulas del equipoDejar limpio y fro el equipo

RESULTADOS

En la actividad experimental se midi la velocidad de entrada del aire mediante un anemmetro, as como la temperatura de entrada y salida de ste al intercambiador.

Datos del Aire

Corrida% revoluciones/minVelocidad [ft/s]Tentrada (t1) [C]Tsalida (t2) [C]

14010.166661939

24513.022161940

35017.355552042

45519.622782144

56022.077832145

Con los datos de la velocidad del aire y teniendo en cuenta el valor del dimetro interno del tubo de la entrada del aire calculamos el caudal del aire mediante la siguiente frmula.

Diametro tubo [in]5.8

Area (at) [ft2]0.1834774845

CorridaFlujo volumtrico [ft3/s]

11.8653543033

22.38927316

33.184343535

43.60003383

54.050784712

Despus para obtener el flujo msico se determina la densidad a la temperatura de entrada mediante la siguiente ecuacin obtenida del Manual de Ingeniera Qumica Experimental: LEM I y II a cada corrida, ya despus solo se multiplica el flujo volumtrico por la densidad obteniendo as el flujo msico:

Donde T debe estar en C.

Corridaaire[lb/ft3]Flujo msico [lb/s]

10.058221690.10860406

20.058221690.13910752

30.18477010

40.057827410.20818063

50.057827410.23424638

Para determinar el rea exterior de contacto se investigaron el dimetro interior y la superficie por pie lineal.Tubos internos

BWG16

Nmero de tubos (Nt)20

Longitud de tubos (Lt) [ft]0.4721

Di [in]0.62

Do [in]0.75

Superficie externa por pie lineal (At) [ft2]0.1963

Posteriormente se obtuvo el rea exterior de contacto multiplicando el rea externa por pie lineal por la longitud de transferencia y el nmero de tubos realizando las conversiones adecuadas para el anlisis dimensional

Para determinar la LMTD se emple la siguiente formula

Donde

Donde minscula son del fluido frio (aire) y mayscula del fluido caliente (vapor) respectivamente, el subndice 1 indica la medicin a la entrada y el subndice 2 a la salida, por lo tanto para el sistema analizado.

Corridat1 [F]t2 [F]T1=T2 [F]T1T2LMTD

166.2102.2241.1991174.999138.999156.308669

266.2104241.1991174.999137.1991155.3332641

368107.6241.1991173.199133.5991152.5433404

469.8111.2241.1991171.3991129.9991149.7465009

569.8113241.1991171.3991128.1991148.7550898

Flujo msico [lb/s]t1 [F]t2 [F]LMTD

0.1086040666.2102.2156.308669

0.1391075266.2104155.3332641

0.1847701068107.6152.5433404

0.2081806369.8111.2149.7465009

0.2342463869.8113148.7550898

Despus calculamos el calor con los datos experimentales, utilizando un valor de Cp ledo graficamente y usando los datos del flujo msico y las temperaturas de entrada y salida se puede determinar la carga trmica.CpAire [Btu/lb F]0.24

Finalmente se determin el coeficiente global de transferencia de calor experimental mediante la siguiente igualdad:

A continuacin se muestran los resultados obtenidos transformando a horas las unidades del tiempo del coeficiente global de transferencial de calor.CorridaQ [Btu/s]Uexp [Btu/s F ft2]Uexp [Btu/ h F ft2]

10.93833900.00321007811.5562808

21.261983420.00438333715.780132

31.756055030.00621098322.3595388

42.068482740.007452652926.8295504

52.42866640.00880868931.7112804

Consecutivamente se obtuvo el coeficiente de transferencia global terico mediante la siguiente frmula

En el que es el coeficiente individual de pelcula del fluido que se transporta por fuera del tubo interior (aire) y es el coeficiente individual de pelcula del fluido que se transporta por dentro del tubo interior referido al rea exterior (vapor).

El coeficiente individual del vapor fue definido su valor por el profesor el cual es

Para el clculo de se determina mediante la siguiente ecuacin:

Para el caso del clculo de utilizamos la siguiente formula:

De donde

Al igual que

Donde B y n dependen del valor de ReReBn

0.4-40.8910.33

4-400.8210.385

40-40000.6150.466

4000-400000.1740.618

40000-40000000.02390.805

El dimetro equivalente () se determin mediante la siguiente ecuacin.

Donde:: Distancia entre centros de tubos en la direccin al flujo: Distancia entre centros de tubos normal al flujoComo lo indica el manual, el arreglo de los tubos es triangular y estn separados una pulgada por lo que:

Por lo que

La velocidad msica se determina mediante la siguiente ecuacin

Se muestran a continuacin las propiedades del aire obtenidas de la literatura e interpolaciones en donde fue necesario, a diferentes temperaturas. CorridaT promedio [F] [cp] [lb / ft h]k [ft/h ft F]Flujo msico [lb/s]

184.20.0184852270.0447342490.0152470.10860406

285.10.01850916720.0447921850.01526850.13910752

387.80.0185809880.0449659920.0153330.18477010

490.50.01865280870.0451397970.01539750.20818063

591.40.0186767490.0451977330.0154190.23424638

A continuacin se muestra una sntesis de los clculos realizados para los dems clculos obteniendo as el coeficiente global de transferencia de calor terico:

CorridaGm [lb ft2/s]ReUnho [Btu/h ft2 F]U terico [Btu/h ft2 F]

12786.39324.78932116.2975394716.26571801

20.738935383564.3869827.80353747.073238347.00331198

30.981493774716.1108432.42083258.282723248.22776509

41.105849875293.18661334.818213288.9326138248.868728128

51.244310435948.35113737.42194449.6140067469.540040605

Analisis de Resultados Cuando observamos los resultados obtenidos apartir del numero de Reynolds , notamos que empezamos con un Re4000 el cual correspondia a un regimen de flujo turbulento Pudimos observar un comportamiento diferente graficamente en el cual el coeficiente global experimental de transferencia de calor del aire fue mayor en comparacion al reportado teoricamente , esta variacion pudo haber sido por errores de medicion experimentales como las temperaturas marcadas por los termmetros bimetlicos , sin embargo en las verificamos con un termmetro de bulbo de mercurio, las diferencias fueron entre 1 a 2C otro factor de este comportamiento pudo ser el sobrecalentamiento del equipo En este caso para el clculo del coeficiente global se utilizaron las mediciones del fluido a calentar el cual fue el aire y no lo realizamos con el vapor, en primera por que la medicin del condensado no se poda llevar a cabo y en segunda porque experimentalmente podemos decir que el fluido que nos interesa saber la ganancia de calor y que tanto se pudo calentar es el aire y en el caso del vapor experimentalmente existen muchas prdidas por lo cual no es tan factible los resultados que podramos obtener con esas lecturas del fluido que calienta. El comportamiento es como el esperado teoricamente y el principio basico de Transferencia de calor el cual es al aumentar el flujo aumenta el nmero de Reynolds y por lo cual aumenta el Coefieiente global (U) significando una mayor transferencia de calor de el Vapor al Aire.

Memoria de clculo

Los clculos mostrados se realizan con la corrida 2 (%rev=60), a excepcin de aquellos que sean generales.Clculos realizados con el aire.No hicimos ninguna conversion ya quela velocidad del aire estaba expresada en Determinando el rea transversal al flujo de entrada con el dimetro interno del tubo.Dimetro tubo [in]5.875

Ahora solo para calcular el flujo volumtrico multiplicamos el rea por la velocidad dando lo siguiente:

Para pasarlo a flujo msico se busc el valor de las densidades a la temperatura de entrada del aire que para el caso de la corrida 2 es la siguiente:

Ahora solo se multiplica este valor por el flujo volumtrico para obtener el flujo msico.

Para la carga trmica se investig el Cp del aire a la temperatura de trabajo que es:

Y posteriormente la carga trmica

Determinando la LMTD

Calculando el coeficiente global de transferencia de calor experimental

Clculo del coeficiente global de transferencia de calor terico.Determinando la velocidad msica

Usando el dimetro equivalente ya antes obtenido el cual es 0.720210388 in y la viscosidad a la temperatura promedio.Determinacin del nmero de Reynolds

2786.39Determinacin del nmero de Nu

De la tabla mostrada

Ahora para calcular el coeficiente de pelcula exterior que es igual:

Sacando de tablas la conductividad la cual para la temperatura promedio es igual a:k [ft/h ft F]

0.015247

El coeficiente individual del vapor fue definido su valor por el profesor el cual es

Para el clculo de se determina mediante la siguiente ecuacin:

Donde nos result:

Clculo del coeficiente global de transferencia de calor terico

CONCLUSIONES

De acuerdo a nuestros objetivos logramos operar el intercambiador de calor de una forma correcta y este caso para un sistema aire-vapor como en casos anteriores a una mayor velocidad y por lo tanto un mayor flujo del fluido a calentar la transferencia de calor es mayor, aunque los valores obtenidos calculados tanto de forma experimental como terica nos indican que ya en la prctica tiene una mayor eficiencia el intercambiador respecto a la construccin de diseo.Es importante destacar la importancia de este tipo de intercambiadores los cuales se pueden utilizar como calefaccin ya sea como un servicio para la comodidad propia o de servicio incluso para algn tipo de proceso el cual sea necesario mantener una temperatura ms elevada a la normal todo esto respecto al calentamiento del aire como fue el caso del intercambiador utilizado en esta prctica.Si se observan y se comparan las dos graficas obtenidas, tanto la experimental como la terica, nos daremos cuenta claramente que los valores experimentales son superiores a los tericos. Esto es porque en el clculo terico para el diseo de equipo se toman varios parametros que a la hora de la experimentacin se despreciam y que se ven reflejadas en la diferencia de valores ,esto podria ser una explicacion . El comportamiento es como el esperado teoricamente y el principio basico de Transferencia de calor el cual es al aumentar el flujo aumenta el nmero de Reynolds y por lo cual aumenta el Coefieiente global (U) significando una mayor transferencia de calor de el Vapor al Aire.

Bibliografa:

Perry RH, y col, Manual del Ingeniero Qumico, Mc Graw Hill, 7 edicin , Espaa (2003) Crane. Flujo de fluidos en vlvulas, accesorios y tuberas Mc Graw Hill Mxico (1987). Kern Q. Donald. Procesos de transferencia de calor. Primera edicin. Mxico, 1965. Mc. Compaa Editorial Continental, S.A. Welty J. R., Wicks C. E., Wilson R.E., Transferencia de Momento, Calor y Masa, Limusa, Mexico, (1985). Welty James. Transferencia de Calor aplicada a la Ingeniera Editorial Limusa. Mxico, Mxico (1994)