1.5: Intercambiadores de Calor

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Objetivos de aprendizaje

Operar la Planta en plena capacidad de generación y estudiar el efecto del área de superficie del intercambiador de calor utilizando el Calentador de Alimentación de Baja Presión 3.

Teoría

Un intercambiador de calor es un equipo en el que el intercambio de calor tiene lugar entre dos medios de trabajo que entran y salen a diferentes temperaturas. La función principal del intercambiador de calor es eliminar el calor de un medio de trabajo caliente o agregar calor a los medios de trabajo fríos. Dependiendo de la dirección del flujo de fluido de medios de trabajo, el intercambiador de calor es intercambiador de calor de flujo paralelo (concurrente) o intercambiador de calor de contraflujo (vea las figuras a continuación).

Flujo concurrente.

Flujo de contracorriente.

Los términos están relacionados con la forma en que el fluido fluye a través de sus respectivos pasajes de flujo entre sí. Si los fluidos fluyen en la misma dirección como en la Figura 1 se le designa flujo paralelo. Si los fluidos fluyen en direcciones opuestas como en la Figura 2, se le da el nombre de contraflujo.

El flujo paralelo en los intercambiadores de calor ocurre cuando ambos fluidos ingresan al intercambiador de calor a su mayor diferencia de temperatura. La diferencia de temperatura disminuye a lo largo de la longitud del intercambiador de calor. En el intercambiador de calor de contraflujo, los fluidos ingresan por extremos opuestos y por lo tanto en diferentes extremos de la escala de temperatura Figura 2. La diferencia de temperatura entre dos fluidos es relativamente constante a lo largo del intercambiador.

El proceso de transferencia de calor que ocurre en cualquier intercambiador de calor se puede describir mediante las siguientes ecuaciones.

$Q_ {caliente} = m_ {caliente} c_ {p caliente}\ Delta T_ {caliente}$
$Q_ {frío} = m_ {frío} c_ {p frío}\ Delta T_ {frío}$

Considerando la superficie involucrada en la transferencia de calor, la Ley de enfriamiento de Newton establece que la tasa de pérdida de calor es proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y su entorno y dada por,

$Q =\ área alfa\ Delta T$

donde α se denomina coeficiente de transferencia de calor [W/m ² K], el área se toma en m ² y ΔT es la diferencia de temperatura.

Además Q, el calor transferido entre el agua caliente y el agua fría se puede calcular de la siguiente manera:

$Q =\ frac {F (LMTD)} {R_ {T}}$

$Q = F (UA) (LMTD)$

donde F es el factor de corrección que es igual a 1 para este SIMLAB (toma valores entre 0.5 y 1). R _T es la resistencia general, U, coeficiente de transferencia de calor global y LMTD es la diferencia de temperatura media logarítmica.

Las resistencias totales se pueden calcular usando:

$R_ {T} =R_ {hf} +R_ {w} +R_ {cf}$

$R_ {hf} =\ frac {1} {A_ {1}\ alfa_ {h}}$

$R_ {w} =\ frac {ln\ frac {D_ {2}} {D_ {1}}} {2\ pi L\ lambda_ {w}}$

$R_ {cf} =\ frac {1} {A_ {2}\ alfa_ {c}}$

Los coeficientes de transferencia de calor ah y ac se pueden calcular usando la siguiente expresión para el número de Nusselt para agua caliente y fría:

Para refrigeración

$\ alpha_ {h} =\ frac {Nu_ {h}\ lambda_ {h}} {D_ {h}}$

$Nu_ {h} = 0.3Re_ {h} ^ {0.8} Pr_ {h} ^ {0.3}$

Para calefacción

$\ alpha_ {c} =\ frac {nu_ {c}\ lambda_ {c}} {D_ {c}}$

$Nu_ {c} = 0.3Re_ {c} ^ {0.8} Pr_ {c} ^ {0.3}$

Y el LMTD viene dado por la siguiente correlación donde 1 y 2 presenta los extremos del intercambiador de calor:

$\ Delta T_ {LMTD} =\ frac {\ Delta T_ {1} -\ Delta T_ {2}} {ln\ frac {\ Delta T_ {1}} {\ Delta T_ {2}}}$

Efectividad del intercambiador de calor

Recuérdese del Laboratorio de Eficiencia de Calderas que la eficiencia tiene que ver con minimizar el desperdicio y la efectividad para hacer con maximizar la producción. Aquí definimos la efectividad del intercambiador de calor como la relación entre la tasa de transferencia de calor real y la tasa de transferencia de calor máxima posible para las temperaturas dadas.

$\ épsilon =\ frac {Q} {Q_ {max}}$

$Q_ {max} = C_ {min} (T_ {hi} -T_ {ci})$

Donde C _min se define por fluido frío o caliente, lo que sea más pequeño y se define por:

$C_ {h} = m_ {h} c_ {ph}$

$C_ {c} = m_ {c} c_ {pc}$

Instrucciones de laboratorio

Ejecute la condición inicial I10 230 MW_OIL_AUTO y las tendencias de configuración para

Factor de área de calor	C34201
Q	Q34228
T _cold1	T24214
T _frío2	T34214
m _frio	G34213
T _caliente1	T34204
T _hot2	T34227
m _caliente	G34203

Factor de Área de Calor establecido en 0.5: Usando MD420 y Lista Variable 4210 establece C34201 en 0.5. Ejecuta el simulador con esta configuración durante 15 minutos. Congele e imprima las dos tendencias.
Factor de área de calor establecido en 1: Como en el paso 1, establezca C34201 en 1. Esta es la configuración predeterminada para el Factor de área de calor (coeficiente de transferencia de calor x área). Después de 15 minutos de ejecutar el simulador, congelar simulador e imprimir las dos tendencias.
Factor de área de calor establecido en 1.5: Esta vez, establezca C34201 en 1.5. Ejecuta el simulador con esta configuración durante 15 minutos. Congele e imprima las dos tendencias.

Sugerencias y consejos

Como siempre, etiquete tus tendencias usando nombres descriptivos. En este laboratorio, está cambiando el Factor de Área de Calor (coeficiente de transferencia de calor x área) del Calentador de Alimentación LP 3 y comparando los datos de temperatura. Su evaluación se basará en los valores LMTD y Efectividad del Intercambiador de Calor.

MD420 Calentador de Alimentación LP 3

Lista Variable 4210.

Entregables

Su informe de laboratorio debe incluir lo siguiente:

Parcelas de tendencia: Suministre todas las parcelas tomadas para este laboratorio, asegúrese de que estén etiquetadas correctamente.
Computación: Utilice MATLAB o MS Excel y calcule los valores de efectividad de LMTD e Intercambiador de Calor para las 3 pruebas.
Conclusión: Escriba un resumen (máx. 500 palabras, en un cuadro de texto si usa Excel) comparando sus resultados y sugerencias para un estudio posterior.

Lectura adicional:

Termodinámica Aplicada para Tecnólogos de Ingeniería por T. D. Eastop y A. McConkey: Transferencia de Calor.