UNIVERSIDAD VERACRUZANA

1

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE

INTERCAMBIADORES DE CALOR PARA

TÚNELES DEL METRO DE LA CIUDAD DE

MÉXICO

Universidad Veracruzana

Facultad de Ingeniería

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERÍA

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO

P R E S E N T A:

EDSON GUZMÁN VELÁZQUEZ

ASESOR:

DR. CARLOS OCTAVIO RIVERA BLANCO

3 DEDICATORIAS

A Dios

En primer lugar por darme vida y salud, por cuidarme en todo momento y por darme la sabiduría necesaria para poder concluir mis estudios.

A Mis Padres

Al Sr. David Guzmán Hernández y la Sra. Ernestina Velázquez Lázaro; por apoyarme incondicionalmente siempre, por todos los sacrificios que hicieron, y por el gran amor incondicional que me tienen, LOS AMO PADRES.

A Mi Hermano Omar Guzmán Velázquez

Que me escucha cuando tenía problemas, que me aconsejaba y por ser mi ejemplo, gracias hermano te quiero mucho.

A Mis Amigos

Gracias a todos, porque fueron mi otra familia desde que comencé la universidad; gracias por todo.

A Mi Novia Lizbeth Pavón Valencia Desde que comenzamos me has apoyado, no dejas hacerme para atrás, ya que con tus palabras siempre me impulsas. TE AMO.

4 AGRADECIMIENTOS

A mi asesor el Dr. Carlos Octavio

Rivera Blanco, por haberme

ofrecido la oportunidad de participar en éste proyecto y por proponerme un tema relacionado al mismo. Gracias por su apoyo y amistad.

Al Dr. Jorge Alberto Andaverde Arredondo que fungió como uno de mis co-asesores y me apoyó en situaciones extra escolares.

Gracias por todo.

El M.C. Oscar Fernando Silva Aguilar quien fue mi segundo co-asesor, que me brindo amplios conocimientos en el área de la construcción, quien demostró por la paciencia que me otorgo, ser una gran persona. Muchas gracias.

Mis más sincero agradecimientos al CONACyT, quién mi financio parte del proyecto

El M.C. Natividad Lara Jiménez, quien me auxilió en varias ocasiones cuando tenía dudas con respecto al tema, así como

brindarme su amistad

5 ÍNDICE

6

INDICE

1.1. Intercambiadores de calor ... 13

1.2. Tipos de intercambiadores ... 13

1.2.1 Carcaza y tubo ... 13

1.2.2 Plato ... 14

1.2.3 Intercambiadores de tubería doble ... 15

1.2.4

1.3.

1.3.1.

1.3.2.

1.3.3.

1.4. Intercambiadores combinados ... 19

1.4.1. Intercambiador de un solo paso y pasos múltiples ... 19

1.4.2. Intercambiadores regenerativos y no-regenerativos ... 20

1.5. Aplicaciones de los intercambiadores de calor ... 21

1.5.1. Precalentador ... 21

1.5.2. Radiador ... 21

1.5.3. Aire acondicionado, evaporador y condensador ... 22

1.5.4. Condensador de vapor ... 22

CAPÍTULO II ECUACIONES GOBERNANTES DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR ... 25

2.1. Convección ... 26

2.2. Conducción ... 26

2.3. Radiación ... 27

2.4. Coeficiente global de transferencia ... 28

7 2.5.1. Concepto de diferencia logarítmica media de temperaturas

(LMTD) ... 30

2.5.2. LMTD aplicado a dos fluidos ... 32

2.6.

2.6.1.

2.6.2.

2.6.3.

2.6.4.

2.7.

2.8.

CAPÍTULO III DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMA EXPERIMENTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR... 40

3.1.

3.2.

3.2.1.

3.2.2.

CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ... 66

4.1.

4.2.

4.3.

CONCLUSIONES ... 75

8 INTRODUCCIÓN

9 INTRODUCCION

El STC Metro de la ciudad de México transporta un promedio diario de 4.5 millones de pasajeros, el servicio es subsidiado por las autoridades del DF ya que a decir de los directivos del Sistema, el costo real de cada pasaje está alrededor de los 8 pesos, siendo que actualmente se pagan 3. Una preocupación de las autoridades es la de mejorar las condiciones de confort de los usuarios; actualmente, en época de calor, los valores de la temperatura aumentan considerablemente en los vagones y andenes registrándose diferencias de temperatura entre la calle y el interior de hasta 9ºC, esta diferencia hace que los usuarios se sientan incómodos y con calor mientras esperan en los andenes y más aún cuando viajan en los vagones.

Aunado a esto, los ventiladores instalados en los techos de los vagones, solo causan molestias cuando son encendidos ya que soplan en un área muy pequeña y prácticamente el aire solo lo siente la persona que está colocada debajo del ventilador, la eficiencia de estos ventiladores es muy baja. En diferentes recorridos realizados por el equipo de trabajo de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Veracruzana quien está a cargo del proyecto 120829 CONACYT-Gobierno del DF “Generación Eólica en Túneles” se notó que cuando hay calor los ventiladores están apagados y en otras ocasiones están funcionando cuando el tren viaja por la superficie y la temperatura no requeriría que se pusieran a trabajar.

Este problema no se puede solucionar con la instalación de sistemas de aire acondicionado, ya que el costo de instalación sería altísimo así como su costo de operación, elevándose en una forma considerable el consumo energético, lo que también elevaría el costo real del pasaje; aunado a lo anterior, el daño ambiental que indirectamente se ocasionaría por la alta demanda de energía eléctrica sería grande. Por lo antes expuesto, el grupo de trabajo del proyecto 120829 ha llevado a cabo estudios de las temperaturas que se registran a diferentes profundidades de la tierra con el fin de realizar una propuesta de intercambio de calor entre el interior de la superficie terrestre y los andenes y túneles del Metro con el fin de proponer un sistema de enfriamiento cuasi

pasivo colocando intercambiadores de calor en puntos estratégicos para refrescar los túneles y los andenes, lo que traería como consecuencia que el interior de los vagones también registre una disminución de la temperatura.

Los estudios realizados en un pozo geotérmico construido ex profeso para este fin y perforado en la llamada zona geológica de transición donde corren la mayor parte de las líneas subterráneas del Metro, muestran que la temperatura de la tierra a una profundidad de 5 a 30 m es muy estable durante todo el año y sus valores solo varían entre los 20 y 21°C.

Aprovechando la estabilidad térmica, se pretende mediante el uso de intercambiadores de calor refrescar el ambiente al interior de andenes y túneles y disminuir la temperatura

10 entre 3 y 5ºC lo cual mejoraría notablemente el confort de los usuarios, respetando al medio ambiente sin casi incrementar el consumo energético del STC.

El presente trabajo es un avance de lo que al final deberá ser una propuesta concreta. Aquí se presentan los resultados de pruebas experimentales llevadas a cabo en el Laboratorio de Energía de la Facultad de Ingeniería de la UV. Los resultados servirán para llevar a cabo el diseño de los intercambiadores de calor y situar sus puntos de instalación. Se implementaron pruebas en 3 tipos de intercambiadores de calor, el intercambiador tipo recto, el serpentín y el espiral, en cada uno se le realizaron pruebas y mediciones. El trabajo presenta la metodología seguida en los experimentos y los resultados obtenidos.

ANTECEDENTES

Para hablar de la transferencia de calor necesitamos conocer un poco acerca del calor. El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.

Hasta el siglo XIX se explicaba el efecto del ambiente en la variación de la temperatura de un cuerpo por medio de un fluido invisible llamado calórico. Este se producía cuando algo se quemaba y, además, que podía pasar de un cuerpo a otro. La teoría del calórico afirmaba que una sustancia con mayor temperatura que otra, necesariamente, poseía mayor cantidad de calórico.

Benjamín Thompson y James Prescott Joule establecieron que el trabajo podía convertirse en calor o en un incremento de la energía térmica determinando que, simplemente, era otra forma de la energía.

La transferencia de calor, es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en distinto nivel energético. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.

11 JUSTIFICACIÓN

En este trabajo se pretende desarrollar un sistema de intercambiadores en una estación de metro de tal forma que se logre transferir el calor entre la estación y la tierra. En algunas ocasiones la temperatura de la estación será mayor que la de la tierra y en otras ocurre lo contrario.

El proyecto constará de un sistema de tuberías de forma transversal al túnel que van hacia la tierra, esto esperando que el calor y la humedad que se encuentran en este pase por este sistema de tuberías y a la vez que el aire que regrese sea con la temperatura que tiene la tierra la cual es más estable (aprox. 24°C) y con menos humedad. La forma en la que se pretende hacer esto es realizando simulaciones en un programa el cual nos mostrara la forma más viable a seguir para lograr dicho objetivo.

OBJETIVO

Lograr la transferencia de calor dentro de los túneles con la tierra a través de intercambiadores de calor.

HIPÓTESIS

En base a la construcción del sistema experimental de transferencia de calor realizar las simulaciones con la que se demuestre que es posible lograr una temperatura en las estaciones de mejor confort para los pasajeros del metro.

12 CAPITULO I

13 CAPITULO I

GENERALIDADES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

1.1.

Intercambiadores de calor

En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a otro o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores son dispositivos que permiten realizar dicha tarea. Un entendimiento básico de los componentes mecánicos de los intercambiadores de calor es necesario para comprender cómo estos funcionan y operan para un adecuado desempeño.

1.2.

Tipos de intercambiadores de calor según su construcción

Los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y tamaños, la construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las siguientes categorías:

 Carcaza y tubo

 Plato

 Intercambiadores de tubería doble

 Intercambiadores enfriados por aire

Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos presenta ventajas o desventajas en su aplicación.

1.2.1. Carcaza y tubo.

La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo y carcaza se muestran en la figura (1). Estos tipos de intercambiadores están constituidos por un conjunto de tubos en un contenedor que recibe el nombre de carcaza. El fluido dentro de los tubos se le llama comúnmente flujo interno; y aquel que fluye dentro del interior del contenedor se le conoce como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos el fluido interno es separado del fluido externo de la carcaza por las placas del tubo. Los tubos se encuentran sujetados o soldados a una placa para proporcionar un sello adecuado.

14 En algunos sistemas donde la diferencia de presiones de los dos fluidos es grande, por lo general el fluido con mayor presión se hace circular por los tubos mientras que el de menor presión se hace circular por la carcaza. Esto es debido a los costos de materiales, los tubos del intercambiador se pueden fabricar para soportar altas presiones que la carcaza del cambiador con costos más bajos. Las placas de soporte mostradas en la figura (1) actúan para dirigir el flujo del líquido dentro de la carcaza hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.

1.2.2. Plato

Este tipo de intercambiador, como se muestra en la figura (2), consiste en placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frio. Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada una de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un área superficial muy grande, estas proveen un área muy grande de transferencia de calor a cada uno de los líquidos.

Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de carcaza y tubos con volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los tubos. El intercambiador de plato, debido a su alta eficacia de transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos para la misma capacidad de intercambio de calor.

15 1.2.3. Intercambiadores de tubería doble

Están constituidas por tubos concéntricos, un fluido circula por el tubo interior y el otro por el ánulo que queda entre ambos tubos (figura 3), la transferencia se realiza a través de la pared del tubo interior.

Fig.2.- Intercambiador de calor de tipo plato *INTERCAMBIADORES DE CALOR. O.A. Jaramillo; Centro de Investigación en Energía, UNAM

Fig.3.- Intercambiador de tubería doble *INTERCAMBIADORES DE CALOR. O.A. Jaramillo; Centro de Investigación en Energía, UNAM

16 Están constituidos por juegos de tubos concéntricos, conectores “T”, cabezales de retorno y codos en “U” según el esquema siguiente. El esquema de la figura 4 representa una “horquilla”. Los intercambiadores de calor de doble tubo están construidos por varias horquillas interconectadas para obtener el área de transferencia.

1.2.4. Intercambiadores de calor enfriados por aire

Están compuestos por un haz de tubos aletados externamente, montados sobre dos cabezales que hacen las funciones de colector y distribuidor de fluido. Otro elemento primordial son los ventiladores que fuerzan la circulación del aire a través de los tubos aletados. Hay dos tipos: de tiro forzado y tiro inducido.

 Intercambiadores de tiro forzado: Son los intercambiadores en los cuales los ventiladores se encuentran colocados antes del paso de aire por los tubos.

 Intercambiadores de tiro conducido: Son aquellos en los que los ventiladores se encuentran colocados después del paso de aire por los tubos.

La ventaja de estos equipos es que se pueden usarse en los lugares en los que el agua escasea o su tratamiento químico es muy costoso.

1.3.

Tipos de intercambiadores según su operación

Los intercambiadores de calor se presentan en una gran variedad, ya sea en sus formas, tamaños, materiales de construcción o modelos, estos son clasificados de acuerdo con características comunes. Una de las características más comunes es la de la dirección que existe entre los dos flujos. Existen tres tipos de categorías de los tipos de flujos que son:

 Flujo paralelo  Contraflujo  Flujo cruzado

Fig.4.- Esquema de intercambiador de doble tuvo *INTERCAMBIADORES DE CALOR. O.A. Jaramillo; Centro de Investigación en Energía, UNAM

17 1.3.1. Flujo paralelo

Se dice que existe flujo paralelo cuando el flujo interno de los tubos y el flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa (Figura 5). Ya que el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura al de menos temperatura, las temperaturas de estos se aproximan la una a la otra, esto es que uno disminuye su temperatura mientras que el otro la aumenta, tratando de alcanzar un equilibrio térmico entre ellos. Se aclara que el fluido con la temperatura mas baja nunca alcanza la temperatura alta del otro fluido.

1.3.2. Contraflujo

Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero con sentidos opuestos. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos (Figura 6). Ya que el fluido con menor temperatura sale por el lado de la entrada del fluido de mayor temperatura, la temperatura del fluido más frio se aproximara a la temperatura de entrada del fluido de temperatura elevada.

En contraste con el intercambiador de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frio y la temperatura mas baja en el fluido caliente ya una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.

Fig.5.-

*INTERCAMBIADORES DE CALOR. O.A. Jaramillo; Centro de Investigación en Energía, UNAM

18 1.3.3. Flujo cruzado

En un intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, es decir uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90° (Figura 7). Los intercambiadores de flujo cruzado son usados comúnmente donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por lo tanto se tiene un fluido que esta pasando por el intercambiador en dos fases (bifásico).

Fig.6.-

Fig.7.-

*INTERCAMBIADORES DE CALOR. O.A. Jaramillo; Centro de Investigación en Energía, UNAM

*INTERCAMBIADORES DE CALOR. O.A. Jaramillo; Centro de Investigación en Energía, UNAM

19

1.4.

Intercambiadores combinados

En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores no son de un solo tipo; estos son comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de intercambiadores. Un intercambiador con los dos o tres tipos de intercambiadores es muy difícil de analizar, la razón por la cual se incluyen varios tipos en un solo es para maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las restricciones del propio diseño.

1.4.1. Intercambiadores de un solo paso (paso simple) y de múltiples pasos.

Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permita mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple.

Cuando los fluidos de un intercambiador intercambian calor más de una vez, se dice que es un intercambiador de múltiples pasos. Si el fluido intercambia calor una sola vez se denomina intercambiador de calor de paso simple (Figura 8).

Comúnmente un intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de “U” en los extremos, es decir, los dobleces en forma de “U” permiten al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador (Figura 8). Otro método para llevar a cabo múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del intercambiador.

Fig.8.-

*INTERCAMBIADORES DE CALOR. O.A. Jaramillo; Centro de Investigación ne Energía, UNAM

20 1.4.2. Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos

Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y frio es el mismo (figura 9)). Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores regenerativos son utilizados comúnmente en sistemas con temperaturas altas donde una porción del fluido del sistema se remueve y este es posteriormente integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido del proceso principal contiene energía, el calor del fluido que abandona el sistema se usa para recalentar (regenerar) el fluido de regreso en lugar de expeler hacia un medio externo más frio lo que mejora la eficacia del intercambiador. En un sistema no regenerativo (figura 9), el fluido con mayo temperatura es enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía (calor) es removida y no regresa al sistema.

Fig.9.-

*INTERCAMBIADORES DE CALOR. O.A. Jaramillo; Centro de Investigación en Energía, UNAM

21

1.5.

Aplicaciones de los intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos sistemas químicos y mecánicos. Algunas de las aplicaciones más comunes se encuentran en calentamiento, ventilación, sistemas de acondicionamiento de espacios, radiadores en máquinas de combustión interna, calderas, condensadores y precalentadores o enfriamientos de fluidos. A continuación se presentara una descripción de las diferentes aplicaciones de los intercambiadores de calor.

1.5.1. Precalentador

En sistemas de vapor de gran escala, o en sistemas donde se requieren grandes temperaturas, el fluido de entrada es comúnmente precalentado en etapas, en lugar de tratar de calentar dicho fluido en una sola etapa desde el ambiente hasta la temperatura final. El precalentador en etapas incrementa la eficiencia de la planta y minimiza el choque térmico de los componentes, que es el caso de inyectar fluido a temperatura ambiente en una caldera u otro dispositivo operando a alta temperatura.

En el caso de un sistema de generación de vapor, una porción del vapor generado es sustraído y utilizado como fuente de calor para recalentar el agua de alimentación en etapas. En este tipo de intercambiador de calor, el nivel de fluido del lado de la carcaza es muy importante en la determinación de la eficiencia del intercambiador de calor, ya que el nivel de fluido del lado de la carcaza determina el número de tubos expuestos al vapor caliente.

1.5.2. Radiador

Los intercambiadores de calor están pensados como dispositivos liquido-a-liquido solamente. Pero un intercambiador de calor es cualquier dispositivo que transfiere calor a partir de un fluido a otro fluido. Algunas plantan dependen de intercambiadores de calor aire/liquido. El ejemplo más familiar de un intercambiador de calor aire-a-liquido es un radiador de automóvil (Figura 10). El líquido refrigerante fluye por el motor y toma el calor expelido y lo lleva hasta el radiador.

El líquido refrigerante fluye por los tubos que utilizan aire fresco del ambiente para reducir la temperatura del líquido refrigerante. Ya que el aire es mal conductor del calor, el área de contacto térmico entre el metal del radiador y el aire se debe maximizar. Esto se logra usando aletas en el exterior de los tubos. Las aletas mejoran la eficacia de un intercambiador de calor y se encuentran comúnmente en la mayoría de los intercambiadores de calor aire/líquido y algunos intercambiadores líquido/líquido de alta eficacia.

22 1.5.3. Aire acondicionado, evaporador y condensador

Todos los sistemas de aire acondicionado contienen por lo menos dos intercambiadores de calor, generalmente llamados evaporador y condensador. En cualquier caso, el evaporador o el condensador, el refrigerante fluye en el intercambiador de calor y transfiere el calor, ya sea ganándolo o expeliéndolo al medio frío. Comúnmente, el medio frío es aire o agua.

En el caso del condensador, el gas refrigerante caliente de alta presión se debe condensar a en un líquido subenfriado. El condensador logra esto enfriando el gas al transferir su calor al aire o al agua. El gas enfriado es entonces condensado en líquido. En el evaporador, el refrigerante subenfriado fluye en el intercambiador de calor, y el flujo del calor se invierte, con el refrigerante relativamente frío se absorbe calor el cual fue absorbido del aire más caliente que fluye por el exterior de los tubos. Esto enfría el aire y hace hervir al refrigerante.

1.5.4. Condensador de vapor

El condensador de vapor, mostrado en la siguiente figura, es un componente importante del ciclo de vapor en instalaciones de generación de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para ceder su calor latente de la vaporización. Es un componente necesario del ciclo de vapor por dos razones. La primera, convierte el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua alimentación. Esto baja el costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentación, y resulta más fácil bombear un líquido que el vapor.

Fig. 10.- Esquema de un radiador

23 La segunda razón, aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que este funcione operando con los gradientes más grandes posibles de temperatura y presión entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de calor (condensador). Condensando el vapor del extractor de la turbina, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor.

Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina, por conversión de poder mecánico. Ya que ocurre condensación, el calor latente de condensación se usa en lugar del calor latente de vaporización. El calor latente del vapor de la condensación se pasa al agua que atraviesa los tubos del condensador. Después de que el vapor condensa, el líquido saturado continúa transfiriendo calor al agua que se enfría al ir bajando hasta el fondo del condensador. Algunos grados de subenfriado previenen la cavitación de la bomba.

Hay diversos diseños de condensadores, pero el más común, por lo menos en las instalaciones de generación de potencia, es el condensador de paso transversal simple (Figura 11). Este diseño de condensador proporciona agua fría que pasa a través de los tubos rectos de una cavidad llena de agua en un extremo hacia otra cavidad llena de agua en el otro extremo. Ya que el agua fluye una sola vez a través del condensador se le denomina de un solo paso. La separación entre las áreas de las cavidades con agua y el área donde condensa el vapor se hace mediante una tapa donde se colocan los tubos. Los condensadores tienen normalmente una serie de bafles que vuelven a dirigir el vapor para reducir al mínimo el choque directo en los tubos de agua de enfriamiento. El área inferior del condensador se localiza el pozo del condensado. Ahí es donde el vapor condensado se recoge mediante una bomba de succión. Si se acumulan gases sin condensar en el condensador, el vacío disminuirá y la temperatura de saturación con la cual el vapor se condensa incrementará.

Los gases no condensables también cubren los tubos del condensador, provocando así la reducción del área superficial para la transferencia térmica del condensador. Esta área superficial puede también ser reducida si el nivel condensado aumenta sobre los tubos inferiores del condensador. Una reducción en la superficie en el intercambio térmico tiene el mismo efecto que una reducción en el flujo del agua de enfriamiento. Si el condensador está funcionando muy cerca de su capacidad de diseño, una reducción en el área superficial efectiva resulta en la dificultad de mantener el vacío del condensador.

La temperatura y el caudal del agua de enfriamiento que pasa por el condensador controlan la temperatura del vapor condensado. Esto alternadamente controla la presión de saturación (vacío) del condensador.

24 *INTERCAMBIADORES DE CALOR. O.A. Jaramillo; Centro de

25 CAPITULO II

26 CAPITULO II

ECUACIONES GOBERNANTES DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR

2.1. Convección

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Estos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

Donde dQ/dt es la diferencial de calor con respecto al tiempo, h es el coeficiente de convección, A es el área de contacto del cuerpo con el fluido, Ts

superficie del cuerpo y T_inf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

2.2.

Conducción

En todos los procesos de transporte (flujo de calor, electricidad, fluidos, etc.) se encuentra que la cantidad de lo que fluye es directamente proporcional a la diferencia de potencial e inversamente proporcional a la resistencia. Esta diferencia de potencial en el caso de flujo de calor es la diferencia de temperaturas. En cuanto a la resistencia en el flujo de calor se debe a la rigidez de las moléculas que obstaculizan la vibración o a presencia de huecos en el material. En 1822 Fourier estudió los fenómenos de transferencia de calor y estableció la ecuación de la conducción, explicándola con la siguiente figura (Fig. 12).

27 Ecuación de transferencia de calor por conducción

Q = Calor transmitido por conducción. x = Espesor del material.

A = Área normal al flujo calórico.

k = Conductividad térmica del material. = Tiempo.

T = Temperatura

2.3.

Radiación

La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita. Sin importar la forma de la materia, la radiación se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos. La energía del campo de radiación es transportada por ondas electromagnéticas. La transferencia por radiación ocurre de manera más eficiente en el vacío.

La radiación que una superficie emite se origina a partir de la energía térmica de la materia limitada por la superficie y la velocidad a la que libera energía por unidad de área (W/m2); a esto se le denomina potencia emisiva superficial E. hay un límite superior para la potencia emisiva, la cual es dada por la ley de Stefan-Boltzmann.

Donde T, es la temperatura absoluta (K) de la superficie y σ es la constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5.67x10-8_W/m2_.K4_{). Dicha superficie se llama radiador ideal o cuerpo}

negro.

El flujo de calor emitido por una superficie real es menor que la de un cuerpo negro a la misma temperatura y viene dado por:

Donde ε es una propiedad radiactiva de la superficie denominada emisividad. Con valores 0≤ε≤1, esta propiedad proporciona una medida de la eficiencia con que una superficie emite energía en relación con un cuerpo negro.

28

2.4.

El coeficiente global de transmisión

Cuando hay conducción y convección combinadas en un cierto proceso de transferencia de calor, puede interesarnos el coeficiente global de transferencia de calor en función de las temperaturas de los fluidos convectores. Se entiende por coeficiente global de transferencia U al valor que se obtiene al dividir el calor total transferido q por el producto del área de transferencia A y la diferencia global de temperaturas ΔT. Es decir q = UAΔT y por tanto U = q/AΔT.

En el caso de una placa plana (figura 13) de espesor e expuesta en ambos lados por dos fluidos convectores a temperaturas constantes T1 y T2 respectivamente la deducción del

coeficiente global será la siguiente ya que las resistencias convectivas son 1/h y la conductiva es e/k, por lo tanto tenemos que:

Por lo consiguiente obtenemos que el valor del coeficiente global es:

( )

El calor total transferido en estas condiciones será q = UA(ΔT), siendo ΔT la diferencia de temperatura de los dos fluidos.

En el caso de flujo de calor en sistemas radiales la ecuación es igualmente distinta ya que el área de transmisión depende del radio. El caso más característico es el de un tubo

29 (figura 14) cuando por su interior fluye un fluido a temperatura constante T1 respecto al

cual el coeficiente de convección es h1 mientras por su exterior fluye otro fluido a

temperatura constante T2 respecto al cual su coeficiente de convección es h2. Las

resistencias térmicas convectivas serán:

Y la resistencia de la conductividad queda dada por la siguiente ecuación:

La resistencia total en un sistema radial queda de la siguiente manera:

(

〈 〉

)

Los dos valores del coeficiente global (U) referido al radio interior r1 y al exterior r2 del

tubo estarán dado por:

⁄ ⁄ ⁄

De las formulas obtenidas anteriormente se desprende que el valor numérico del coeficiente global de transmisión U es sistemas radiales se requiere la definición previa de a que superficie se está refiriendo, ya que los valores no serán lo mismo para la superficie

30 interior del tubo que para la exterior, al ser así mismo diferentes las aéreas por unidad de longitud en uno y otro caso. Sin embargo la diferencia entre estos será pequeña, incluso despreciable, en tubos en los que el espesor sea pequeño en comparación con su radio medio.

Las formulas anteriores son generalizables a los casos de varias capas, solamente se añaden los sumandos adicionales que le corresponden, ya que las resistencias están en serie, que es lo más frecuente. La aplicación más inmediata de estas resistencias adicionales son las resistencias conductivas las cuales son generadas por el ensuciamiento del intercambiador, ya que cualquiera de estos en funcionamiento real está sujeto al ensuciamiento de la superficie del intercambio de calor en mayor o menor medida dependiendo con los fluidos que trabaje.

El efecto del progresivo ensuciamiento de la superficie de transmisión de calor es que se forman dos paredes adicionales que añaden dos resistencias conductivas más a las ya presentes en el proceso, ya que a medida que el ensuciamiento aumenta, aumentan así mismo ambas resistencias de modo que el intercambiador va perdiendo eficiencia progresivamente. Esta falta de eficiencia es doble, ya que por un lado aumenta la potencia necesaria de bombeo al disminuir la sección neta de paso de fluido y por otro disminuye el calor total transferido aun cuando se conserve la diferencia global de temperaturas.

2.5.

La diferencia logarítmica media de temperaturas

Cuando se calcula el coeficiente global de transmisión U se ve que interviene la diferencia global de temperaturas ΔT entre los dos fluidos convectores. Cuando esta diferencia sea constante, por ser la de ambos fluidos, la determinación de U no se torna tan difícil. Pero en los procesos de intercambio de calor entre dos fluidos es evidente que las temperaturas de estos van a ir variando a lo largo del proceso; con lo que se tendrá que determinar el valor de ΔT para la ecuación básica de q = UA(ΔT) para poder utilizarla.

2.5.1. Concepto de Diferencia Logarítmica Media de Temperatura (LMTD)

El valor de ΔT puede deducirse de un proceso simple de intercambio de calor entre un tubo y el aire circundante. Si se supone que por un tubo que cuenta con un diámetro exterior D y una longitud L, el cual su coeficiente de convección con respecto al aire es h circula un fluido cuya temperatura T(x) va variando a lo largo del tubo, mientras que la temperatura del T0 del aire se supone que es constante (figura 15).

31 En un elemento diferencial de longitud de tubo dx, el calor cedido al aire por el elemento del tubo será igual al calor perdido por el fluido, luego llamando c a la capacidad térmica específica de este:

También se sabe que el flujo másico del fluido vale AVρ, siendo A la sección transversal del tubo, V la velocidad media del fluido y ρ su densidad. Por lo tanto:

Ya dada esta última ecuación, la integramos entre los dos extremos del tubo (x=0 y x=L):

[ ] [ ]

Expresando ahora el calor total cedido por el fluido:

Y si utilizamos la expresión que obtuvimos antes se deduce que el valor de q es:

32 Ahora si comparamos la expresión obtenida con la ecuación básica Q=UA(ΔT) se deduce de forma evidente que el valor aceptable a ΔT para que la ecuación básica de la transferencia de calor siga siendo aplicable es la siguiente:

A esta ecuación se le conoce como la Diferencia Logarítmica Media de Temperatura DLMT (también conocida en inglés como LMTD Logarithmic Mean Temperature Difference) del proceso. El significado físico de esto es el valor de la diferencia de temperaturas que debemos tomar en los problemas en los que ΔT no sea constante para que sigan siendo aplicables las ecuaciones básicas de la transferencia.

2.5.2. LMTD aplicado a dos fluidos

Si consideramos ahora el caso de dos fluidos a y b circulando en contracorriente por dos tubos concéntricos (Figura 16) de longitud L, y se expresa que el calor global q cedido por el fluido a tiene que ser igual al ganado por el fluido b:

Si esto lo aplicamos en un elemento diferencial de longitud de tubo dx, llamando U al coeficiente global de transferencia de un fluido al otro podemos establecer nuevamente las igualdades anteriores:

⁄

⁄

33 ( )

( )

Al integrar esta ecuación entre los extremos del tubo x=0 y x=L nos da como resultado lo siguiente:

⁄ ⁄ Por otro lado de las ecuaciones iníciales se deduce que:

⁄ ⁄

Ya obtenido esto se sustituye la expresión y se despeja “q” y nos da lo siguiente:

34 Ahora ya con esto, si comparamos esta expresión con la ecuación básica q=UAΔT se deduce que el valor aceptable para ΔT sería nuevamente la LMTD la cual quedaría como:

2.6.

La eficiencia y números de unidades de transferencia (NUT)

Para hablar de la efectividad y NUT tomaremos como referencia un intercambiador de tubos coaxiales el cual es la forma más sencilla. En este un fluido circula por el interior de un tubo y el otro circula por el espacio anular comprendido entre el tubo anterior y otro de mayor diámetro coaxial con este (Figura 17). En este caso el flujo puede ser contracorriente o en concurrencia.

2.6.1. Efectividad de un intercambiador

Un parámetro que se utiliza para medir la eficacia de un proceso de intercambio de calor es la relación entre el cambio de temperatura de uno de los dos fluidos y la diferencia máxima de temperaturas en el intercambiador. Esta relación se suele representar por P y su interpretación física podría ser la eficacia termodinámica del proceso de calentamiento (o enfriamiento) que se lleva a cabo en el intercambiador, por lo que suele llamarse efectividad de temperatura o calentamiento.

Se sabe que la diferencia máxima de temperaturas en cualquier intercambiador es siempre la entrada del fluido caliente menos la entrada del fluido frio; las expresiones de efectividad de enfriamiento y calentamiento son las siguientes:

35 Los valores de P están siempre definidos y comprendidos entre 0 y 1. En el caso de que no haya cambio de temperatura en los fluidos el valor de P será 0; en los casos en que el fluido caliente salga a la temperatura de entrada del frio o que el fluido frio salga a la temperatura de entrada del fluido caliente entonces P=1.

Para complementar lo anterior, se define como efectividad del intercambiador el cociente entre su carga térmica real y el máximo intercambio de calor posible en él. La carga térmica Q o intercambio térmico real es la energía ganada o cedida por el lado frio o caliente respectivamente, es decir:

Y el intercambio máximo de calor posible será el correspondiente a un cambio de temperatura de uno de los dos fluidos igual a la máxima diferencia de temperaturas posible. El único fluido que podría sufrir esta variación tiene que ser necesariamente el que tenga un menor valor del producto mc, producto el cual se puede representar también con la letra C, por lo tanto quedaría de la siguiente manera:

Dado que el fluido de menor producto mc puede ser tanto como el caliente como el frio podremos definir la efectividad ε del intercambiador en cualquiera de los dos lados. Independientemente de que el flujo sea en concurrencia o en contracorriente queda en cualquier caso:

Se observa que los valores de P y ε están íntimamente relacionados, hasta el punto en el

que coinciden para el fluido de C_min sea éste el caliente o el frio, mientras que para el fluido de Cmax la relación entre ambas es muy sencilla:

⁄

Tanto P como ε tienen en común una característica muy útil: en su definición y cálculo

solo interviene una temperatura de salida, lo que les hace de gran ayuda en ciertos problemas. Se sabe cuándo en un intercambiador se conocen las cuatro temperaturas del programa térmico su estudio mediante la diferencia logarítmica media de temperaturas es muy práctico, pero en la realidad es frecuente solo conocer dos temperaturas, que suelen ser las de entrada y salida de uno de los dos lados, o solamente las de entrada o salida de ambos fluidos. Lo que complica el cálculo de la LMTD.

Se necesitamos calcular las dos temperaturas restantes se requiere un proceso iterativo, el cual resume en suponer una de las dos temperaturas desconocidas, después se

36 determina la segunda, calcular la LMTD y obtener el valor de la temperatura supuesta, corrigiendo el valor según proceda y reiterar el cálculo hasta llegar a la precisión requerida. Sin embargo si conociéramos la efectividad de un intercambiador podríamos despejar la temperatura de salida y calcularla directamente sin necesidad de iteraciones. La obtención de las expresiones de efectividad es relativamente sencilla en algunos casos, pero por lo general es un proceso complejo y no siempre conduce a soluciones cerradas. Si suponemos un intercambiador anular en concurrencia en el que el lado de menor C sea el del fluido caliente, la simple igualación de la energía cedida por el lado del fluido caliente y la ganada por el fluido frio nos da:

En un elemento diferencial de longitud del doble tubo dx, al que le corresponde una determinada dA de transferencia, llamando U al coeficiente global de transferencia de un fluido al otro, podemos establecer la siguiente igualdad:

⁄ ⁄

Y por lo consiguiente dTf

–

(

)

( )

Dada esta ecuación si la integramos entre los extremos del tubo (x=0 y x=L) y recalcando que el flujo es en concurrencia, da como resultado lo siguiente:

( ) ( )

Después de esto, usamos estas mismas ecuaciones deducimos con facilidad que:

( )

37 Ya sustituyendo todo esto nos queda:

[ ⁄ ⁄ ] ⁄

Ya con esto tenemos el valor de la efectividad del intercambiador en función de dos parámetros de uso muy frecuente en análisis de intercambiadores: UA/Cmin y Cmin/Cmax.

2.6.2. NUT y relación de capacidades

El valor de la fracción adimensional UA/Cmin es el llamado número de unidades de

transferencia del intercambiador y se representa por las siglas NUT y este es un indicador de su tamaño, mientras que la relación de capacidades Cmin/Cmax se suele representar

por R. Con estas convenciones y si nos referimos a un intercambiador tipo anular con el flujo en concurrencia la formula finalmente nos quedaría como:

[ ]

El análisis de un intercambiador es para demostrar que la efectividad está en función del

NUT, de la relación de capacidades R y de la geometría del intercambiador. Por lo tanto, para las geometrías más normales, se puede deducir en cada caso la fórmula que relacione la efectividad con el NUT y la relación de capacidades R.

2.6.3. Eficiencia de un intercambiador

La eficiencia ψ del intercambiador está definida como la relación entre su efectividad y su

NUT. Dado el caso si tratamos de temperatura puede definirse también como la relación entre su LMTD y la máxima diferencia de temperaturas:

Los valores de la eficiencia ψ se pueden encontrar tabulados o en graficas en función de R y la efectividad. Utilizando los valores de la efectividad que se obtuvieron se usan para intercambiadores anulares y flujo en concurrencia y en contracorriente respectivamente las relaciones siguientes:

[ ]

[ ] [ ]

38 2.6.4. Relaciones ε-NUT en intercambiadores anulares

 Flujo en contracorriente

[ ] [ ]

Se observa que para cualquier valor de R la efectividad tiende a uno a medida que crece el NUT. También se deduce que para un NUT dado cuanto más bajo es R más alta es la efectividad. Hay dos tipos de casos cuando R= 0 y R=1, el primer caso puede corresponder a intercambiadores con cambio de fase, en los que al ser la temperatura constante en el lado del cambio de fase es R=0. Esto también puede ser el caso de intercambiadores agua-aire en los que por general Cagua>>Cairecon lo que se supone que

R=0.

El segundo caso es más común en intercambiadores regenerativos gas-aire en los que

CgasCaire. La expresión de la efectividad queda indeterminada, pro aplicando la regla de

I’Hôpital se resuelve la indeterminación. Las formulas de la ε en éstos dos casos quedan de la siguiente forma:  Flujo concurrente La fórmula es la siguiente: [ ]

Para los dos casos cuando R=0 y R=1 quedaría lo siguiente:

Se observa ahora que para el caso de R=0 el valor asintótico de la efectividad al crecer NUT es siempre menor que la unidad. Para el caso R=1 la máxima efectividad es de 0.5, la mitad que en el mismo caso de R=1 pero con flujo en contracorriente. Se deduce que para valores altos de R la eficiencia es comparable en concurrencia y en contracorriente.

2.7.

Flujo másico

La cantidad de masa que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo se conoce como flujo másico y se denota por ̇. Un fluido entra o sale comúnmente de un volumen de control a través de tuberías o ductos. El flujo másico diferencial del fluido que

39 pasa por un pequeño elemento de área dAc en una sección transversal de flujo

proporcional a dAc, la densidad del fluido ρ y el componente de la velocidad de flujo

normal a dAc, que se denota como Vny se expresa como:

̇

Para un flujo por un anillo de radio interno r1 y radio externo r2, es decir:

∫ Y el flujo másico total a través del anillo quedaría como:

∫ ̇ ̇

Para valores conocidos de r1 y r2, el valor de la integral dAc es fijo, pero éste esto no

ocurre con la integral de ̇. El flujo másico a través del área de la sección transversal de un tubo o un ducto se obtiene mediante la siguiente integración:

̇ ∫ ̇ ∫

Esta ecuación es válida todo el tiempo, pero no siempre es práctica para el análisis de la ingeniería como resultado de la integral.

2.8.

Balance de energía

Para empezar a hablar de esto se debe conocer la primera ley de la termodinámica, también conocida como el principio de la conservación de la energía, la cual dice “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. De acuerdo con esto, el principio de la conservación de la energía se expresa como: El cambio neto en la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso. Es decir:

Esta relación es conocida como balance de energía y es aplicable a cualquier tipo de sistema que experimente algún tipo de proceso.

40 CAPÌTULO III

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA EXPERIMENTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

41 CAPÌTULO III

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA EXPERIMENTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

3.1. Diseño del sistema experimental de transferencia de calor

El sistema experimental de transferencia de calor se basó en el siguiente esquema (Figura 18):

En este esquema se representa como está conformado el sistema, el cual empieza con un compresor que es el que suministrará el aire, que será el fluido con el que se trabajará en el intercambiador, a la salida de este se conecta un tanque que se utilizará para almacenar el aire requerido, este llevará acoplado un manómetro que medirá la presión del mismo, a la salida se encuentra un válvula de aguja la cual regulará el aire que entrará a un flujometro el cual dará la cantidad exacta de gasto que se esté utilizando.

Posteriormente se conecta un dispositivo de medición, el cual contará con 2 sensores de mediciones: uno es un termistor que es el que dará la temperatura y otro es un transductor que nos estará midiendo la presión, estas dos mediciones son a la entrada del intercambiador. Lo siguiente es el dispositivo adiabático que contendrá un volumen determinado de agua a temperatura fría o caliente según sea el caso, su temperatura se medirá con la ayuda de dos termopares tipo “J”, en este dispositivo se encontrará sumergido el intercambiador de calor; después de la salida del dispositivo adiabático se encuentra un segundo dispositivo de medición, con las mismas características del primer dispositivo, un termistor y un transductor, que a diferencia del primer dispositivo en este se mide la salida del aire del intercambiador de calor.

42

3.2.

Construcción del sistema experimental de transferencia de calor

Después de haber establecido el diseño del sistema se llevó a cabo la construcción de este, estableciendo los materiales requeridos tales como tuberías y conexiones, así como los dispositivos de mediciones y almacenamiento de fluidos con los cuales se trabajará.

3.2.1.

Los materiales utilizados para la construcción del sistema, son los siguientes:  Tanque de almacenamiento de aire

Se utiliza un tanque que anteriormente contenía refrigerante R-22, el cual resiste una presión de 18 a 23 Kg/cm2, en este venía ya incluida la válvula de aguja que regula la salida. La modificación que se le hizo al tanque fue, adaptarle dos coples: uno de 1/4” que es la entrada para la conexión del compresor y uno de 3/8” que es donde se conectará el manómetro para medir la presión dentro del mismo.

 Flujometro

El flujometro es un dispositivo que se usa para medir el flujo volumétrico con el que se va a estar trabajando, para este sistema de transferencia tenía que ser un flujometro que trabajara con aire, el que se adquirió fue uno de oxígeno, para lo cual se tuvo que hacer una conversión en su escala, multiplicando la medición que nos daba por 1.05 que es un factor de conversión de oxígeno a aire en los flujometros.

43  Dispositivos de medición

Para construir estos dispositivos se utilizó una tubería de policloruro de vinilo (PVC) de 2” cédula 40 y unos tapones con las mismas especificaciones de la tubería. Esta última se cortó en pequeños cilindros y en cada uno de los extremos se les colocó un tapón, estos se unieron con un pegamento especial para las especificaciones de este tipo de tuberías; ya realizado esto se le hicieron cuatro perforaciones una en cada tapón del cilindro y otras dos en la zona cilíndrica, todo esto para después roscarlos para la colocación de conectores tipo bushing de 3/8”.

Fig. 20.- Flujometro

(a)

(b)

44  Válvula de paso

Esta válvula se colocó en la parte inferior del tanque de almacenamiento, la cual se encuentra conectada con el compresor. Se utilizó esta para controlar la entrada de aire del compresor al tanque y a la vez evitar fuga del aire almacenado.

 Dispositivo adiabático

Es aquel que contendrá el fluido con el cual se va a realizar la transferencia de calor, en este caso el fluido será agua; la función de este dispositivo es mantener la temperatura a la que se someta el fluido y que se minimicen las perdidas térmicas con el exterior. La capacidad que se estableció y que contendrá el dispositivo es de 83 L.

Fig. 22.- Válvula de paso

45  Tubería de cobre

La tubería de cobre que se utilizó fue de 1/4” flexible, con este se realizaron los 3 tipos de intercambiadores con los que se trabajó, que fueron el de tipo espiral, serpentín y recto. Para la construcción del intercambiador tipo recto se utilizó 79.7cm de tubo al cual se le hicieron dos dobleces de 90° a 13cm de los extremos con ayuda de un dobla tubo, después en las puntas se les colocó un par de conectores tipo campana de bronce las cuales servirían de ensamble con el resto del sistema, ya colocadas estas se abocino el tubo para evitar que se salieran los conectores tipo campana.

Para el intercambiador tipo serpentín se utilizó 1.475m de tubo, en los extremos se le aplicó el mismo método que en el intercambiador recto, en el resto de la tubería se realizaron medios círculos con un diámetro interno de 6.1cm, después de cada dobles se dejaba una sección recta y luego se le hacia un nuevo doblés al contrario del anterior y así sucesivamente hasta formar el serpentín.

Fig. 24.- Intercambiador recto

46 El intercambiador tipo espiral es el que requirió la utilización de más tubo, este tiene una longitud de 3.251m, la parte de sus extremos es el mismo procedimiento que los dos intercambiadores anteriores, la parte central de este se hizo mediante ir enrollando la tubería de cobre alrededor de un tubo que contaba con un diámetro de 6.1cm, la separación entre una hélice y otra es de 2.54cm, al ir enrollando el tubo de cobre, por cada cuarto de vuelta este se bajaba 0.635cm. Esto se repitió sucesivamente para completar todas nuestras espiras.

 Conectores

Son aquellos que se utilizan para unir una sección de tubería de cobre con otra sección, así como también los dispositivos manejados como: el flujometro, los dispositivos de medición, el dispositivo adiabático, el tanque y el compresor. Los conectores que se utilizaron fueron los siguientes:

a) Dieciocho conectores tipo campana de 1/4” que estaban en todos los extremos de tubería de cobre.

b) Ocho conectores tipo “bushing” (macho-hembra) de 1/4” que se encontraban en los dispositivos medidores.

c) Cinco niples tipo abocinado-NPT de 1/4”, de los cuales cuatro de ellos se encuentran en los dispositivos de medición y el restante está conectado al flujometro.

d) Cuatro niples abocinado por ambos lados de 1/4” que se encuentran en el dispositivo adiabático.

e) Una reducción M-M NPT de 3/8” a 1/4” de bronce que se encuentra conectado al coplee de acero galvanizado de 3/8” que está unido al tanque de almacenamiento de aire. La reducción a la vez se encuentra conectado a un coplee NPT de bronce de 1/4” en el cual se conecta el manómetro.

47 f) Un coplee NPT galvanizado de 1/4” que está unido a la parte inferior del tanque, en el coplee se conecta una reducción de bronce H-M de 3/8” a 1/4”, en esta reducción se encuentra conectada la válvula de paso de 3/8”, la cual en su otro extremo tiene otra reducción de 3/8” a 1/4” H-H con la que se conecta la manguera del compresor.

g) Una conexión de acero de 9/16” abocinado H por 1/4” abocinado M.

 Compresor y manómetro

Se utilizó un compresor con una capacidad de 7Kg/cm2 y su potencia es de 2 ½ HP, este trabaja a un voltaje de 115V a 125V. El manómetro que se requirió para medir la presión dentro del tanque tiene un rango de medición de 0-21 Kg/cm2 o de 0-300 lb/plg2.

48 Después de haber establecido todos los materiales utilizados, se procede a la construcción del sistema experimental de transferencia de calor. El resultado de la misma se muestra en la siguiente figura:

3.2.2.

La instrumentación consta del montaje de los termistores, transductores y termopares tipo “J”. Estos son conectados a través de una tarjeta que se encuentra en el adquisidor de datos. La tarjeta cuenta con 22 canales que es donde se enlazan los sensores; del canal 1 al 20 pueden ir comunicados los termistores o termopares, el 21 y 22 son exclusivamente para los transductores, ya que estos tienen que ser ensamblados a una fuente de corriente externa.

Fig. 28.- Manómetro y compresor

49 La figura anterior muestra como está compuesta la tarjeta en donde se conectan los sensores, cada canal esta denotado con las letras CH y estos son los pequeños cuadros que están en una sola hilera. A continuación se muestra un esquema de como está representado cada canal (figura 31)

Los termistores y los termopares, se vinculan de forma similar, cada uno cuenta con dos cables, el termistor cuenta con uno blanco que va acoplado con la terminal H y uno negro que va a la terminal L; el termopar cuenta con un blanco y un rojo, el blanco al igual que el termistor se encuentra en H y el rojo en L, esta es la forma en la que se ensamblan estos dos tipos de sensores de temperatura.

Fig. 30.- Tarjeta electrónica 3490IA del adquisidor de datos

CH #

H L

Fig. 31.- Esquema de un canal de la tarjeta del adquisidor de datos

50 Negro ((-) común)

(+) (-)

La forma de conectar el transductor se representa en el siguiente esquema:

Observando el diagrama anterior, el cable rojo (+) del transductor se conecta al negativo del eliminador, su cable negro ((-) o común) va a la terminal I del canal 21 o 22 de la tarjeta, esta terminal es la positiva; el negativo del eliminador se conecta a la terminal L que también es negativo. El eliminador se regula a 18V ya que es el voltaje que maneja el transductor.

Ya conectado los sensores, se realiza la conexión con el equipo de cómputo con la consola Agilent 34970A, esto es mediante el software HP VEE 5.0. Antes de empezar a usar el programa es necesario configurar los puertos COM de la computadora y el adquisidor de datos de la siguiente manera:

 Configuración del Agilent 34970A

La consola adquiere los datos de las variables según el mecanismo de transporte del dispositivo, estos valores pueden ser resistencia, voltaje o corriente. El equipo viene programado de fábrica para el puerto de salida RS-232, por ello no es necesario modificar la configuración de este. En el caso de que no estuviera dado de alta este puerto se configura mediante los pasos ilustrados en el manual de la consola.

De la consola el puerto de salida RS-232 se le conecta un adaptador USB, este se conecta a un puerto de la PC. Una vez conectado se identifica la posición del puerto para su posterior rastreo. El siguiente paso es instalar los controladores del adaptador USB. Se instalan todos los complementos y se reinicia la PC

Fig. 32.- Esquema de conexión del transductor Eliminador

+ -

CH #

L I

51



Se instala el CD (IO Libreries For Instrument Control) el cual hace compatible el Agilent 34970ª con dispositivos y programas que trabajan bajo la plataforma de Windows 98, Me, NT 4.0, 2000 y XP profesional. Una vez instalados los controladores aparece en la barra de tareas un símbolo “IO” en letras azules, a este se le da doble clic y se realiza lo siguiente:

Después de darle clic al icono IO se le da clic al botón de auto configuración, esto es para que detecte los dispositivos de entrada en este caso la entrada USB de la consola. Una vez detectados los puertos de entrada, se selecciona el que indica el número de puerto, se da doble clic y se configura con los valores ilustrados en el siguiente esquema (figura 32), esto para estandarizar las velocidades de transferencia de datos.



Programa para la adquisición de datos del sistema experimental de transferencia de calor (Termistores, Termopares tipo J y Transductores). Para dar de alta el canal y el adquisidor de datos, se selecciona la pestaña I/O y se da clic en instrument manager.

RS-232 COM1 1 9600 8 NONE R1 XON/XOFF Para compatibilidad con otros equipos Depende del número de puerto USB, con el se dará de alta desde el programa

52 En la ventana generada se da clic en Add instrument y se configura la entrada en Device Configuration.

Se nombra el dispositivo, se selecciona el puerto (serial) y la dirección (Adress). Posteriormente se selecciona Advanced I/O configuration para activar el puerto y se cambia la opción OFF a ON y se le da OK.

Fig. 34.- Ventana principal del programa

53 Fig. 37.- Configuraciones avanzadas del puerto

Fig. 36.- Configuración del dispositivo y puerto

54 Una vez configurado el puerto se selecciona y se da clic en Direct I/O para crear una ventana en el programa.

Ya creada la ventana de la interfaz y su canal se procede a colocar el comando de inicio del programa (start) seleccionándolo en la opción Flow.

Ya realizado esto se inserta un ciclo, esto para ingresar la frecuencia de toma de datos, esta opción se localiza en la pestaña Flow > Repeat> On cycle. Una vez creado el comando de inicio, los ciclos se unen a la interfaz para realizar la comunicación.

Fig. 39.- Interface del programa

55 El siguiente paso es ingresar los comandos de los diferentes dispositivos a usar, que en este caso son dos termopares tipo “J”, dos termistores y dos transductores de presión. Empezaremos con los termopares, en la ventana de la interface se da clic en el primer renglón marcado para que nos aparezca la pantalla de I/O Transaction que es donde se ingresara el comando para los termopares. El comando para este es el siguiente:

“MEAS:TEMP? TC, J, (@101,102)” Fig. 41.- Ciclo insertado al programa