Intercambiador de calor de placas Plate heat exchanger. Alvares Montes Jesús David 1, López Henríquez José David 2, Peralta Herrera Marianela 3, Taborda Higuera Jhon Fredy 4, Urueta Trocha Brayan Aldair 5. Universidad del Atlántico ,Barranquilla, Colombia; marianela0199@hotmail.com  Resumen— en este informe se realizó un análisis del funcionamiento de un intercambiador de calor de placas proporcionado por la empresa EDIBON, el estudio se llevó a cabo con una configuración de flujo en contracorriente y flujo en paralelo, aplicando balances de energía, hallando la eficiencia del intercambiador, las diferencias de temperaturas logarítmicas, el coeficiente global y representando la distribución de temperaturas del sistema. El intercambiador contaba con 20 placas de acero inoxidable, sensores de temperatura y sensores de caudal, y como siempre, la bomba, resistencia y el depósito de agua. Palabras clave: temperaturas logarítmicas,coeficiente global,eficiencia del intercambiador,placas térmicas, placas no térmicas. Abstract— In this report, an analysis of the operation of a plate heat exchanger provided by the company EDIBON was carried out. The study was carried out with a counter-current flow and parallel flow configuration, applying energy balances, finding the efficiency of the exchanger. , the logarithmic temperature differences, the global coefficient and representing the temperature distribution of the system. The exchanger had 20 stainless steel plates, temperature sensors and flow sensors, and as always, the pump, resistance and the water tank Keywords: logarithmic temperatures, global coefficient, exchanger efficiency, thermal plates, non-thermal plates. Lista de abreviaturas ST(°c): sensor de temperatura V: válvula SC(l/min): medidor de caudal h (J/s): flujo de calor del fluido caliente(calor cedido) c(J/s) : flujo de calor del fluido frío (calor absorbido) p(J/s): pérdida entre calor cedido y calor absorbido h(kg/s) : flujo másico del fluido caliente c (kg/s): flujo másico del fluido frío ℇ: eficiencia Cph(J/kg) :calor específico del fluido caliente Cpc (J/kg): calor específico del fluido frio ρ(kg/m3): densidad del fluido V(m/s): velocidad del fluido Q(m3/s): caudal Vel: Velocidad As(m2): área de intercambio térmico Rt(K/W): resistencia térmica T1(K): temperatura de entrada fluido caliente T2(K): temperatura de salida de fluido frio t1(K): temperatura de entrada de fluido caliente t2 (K): temperatura de salida de fluido frio hlg (J/kg): calor latente de condensación ΔTml (K): diferencia media logarítmica de temperatura Δt1(K): diferencia de temperatura por el lado del intercambiador por el cual entra el fluido caliente Δt2(K): diferencia de temperatura por el lado del intercambiador por el cual sale el fluido caliente U: coeficiente global de la transferencia de calor T∞,h(K): temperatura media del fluido caliente T∞,c(K): temperatura media del fluido frio A(m2): área del intercambiador N: número de placas térmicas a(m2): área de la placa L(m): altura de la placa en la dirección del flujo W(m) : ancho de la placa Introducción El intercambiador de calor de placas es un conjunto de placas metálicas corrugadas con orificios que permiten el paso de los dos fluidos a diferente temperatura, por lo cual, se da la transferencia de calor. Las placas metálicas están fijadas entre una placa y se sellan mediante pernos. El conjunto de placas tapa la periferia y llevan el fluido por diferentes canales alternos. Se dice que el número de placas de un intercambiador depende del caudal del mismo, de las propiedades físicas, perdida de carga máxima y las temperaturas que se manejen. Las placas metálicas son corrugadas debido a que esto favorece la turbulencia del fluido y ayuda a que las placas resistan las presiones. El principio de funcionamiento de un intercambiador de placas es regido por los canales y orificios de las esquinas que están dispuestos de manera que los fluidos circulen por canales alternos, puesto que el calor se transfiere por la placa entre los canales. Como ya se dijo, la corrugación de las placas provoca un flujo turbulento que aumenta la eficiencia de intercambio.(figura 1) Un intercambiador de calor de placas está conformado por: placa bastidor, boquillas, placas, juntas. Un intercambiador de placas es usado en servicios generales de calefacción y refrigeración, calentamiento por vapor. [1] Figura 1: principio de flujo de un intercambiador de placas.[1] De acuerdo con a la trayectoria de los fluidos que trabajan en el sistema , un intercambiador de placas se puede clasificar en dos: intercambiador con flujos en paralelo e intercambiador con fljos en contracorriente.El flujo en paralelo se da cuando el fluido caliente y el frio recorren el circuito en la misma dirección y sentido, mientras que el flujo en contracorriente se da cuando ambos fluidos tienen la misma dirección pero sentidos opuestos.[2] Para esta practica nuestro intercambiador de calor de placas contaba con las siguientes herramientas y especificaciones: 11 sensores de temperatura (ST16, ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6, ST7, ST8, ST9, ST10), miden la temperatura en °C Dos medidores de caudal, un medidor de caudal de agua caliente y un medidor de agua fría, SC1 y SC2 respectivamente. Miden el caudal en l/min una bomba centrifuga, un computador, una resistencia, un depósito de agua caliente, cuatro válvulas de bola, una resistencia eléctrica y por supuesto entradas y salidas del fluido. 20 placas desmontables de acero inoxidable corrugado. Las placas tienen un alto de 112mm, un ancho de 283mm, la separación entre placas es de 1.8mm. el patrón de corrugado es chevron. Agua A continuación, se observa una imagen del intercambiador de placas que se estudió. Figura 2. Intercambiador de calor de placas de EDIBON Objetivos. Hallar la eficiencia del intercambiador en cada ensayo Hallar la diferencia media logarítmica de temperatura en cada ensayo Calcular el coeficiente global de transferencia de calor del intercambiador Calcular la resistencia térmica total del intercambiador Representar la distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador para cada fluido en cada ensayo. Para cumplir con los objetivos, se hizo uso de ecuaciones que facilitan los cálculos de las variables del sistema. Las variables y constantes fueron declaradas en la página 1 de este documento. Fórmulas balance de energía en un intercambiador h = h Cph (T1-T2) (1) c = c Cpc (T2-T1) (2) p = h -c (3) ℇ= (4) Método de la diferencia media logarítmica de temperatura Q= U AS ΔTml (5) ΔTml = intercambiador en contraflujo (6) ΔTml = intercambiador en paralelo (7) Figura 3. Esquema de un intercambiador de calor contracorriente(a) y paralelo(b).[3] ΔTml = expresión general (8) Coeficiente global de coeficiente de transferencia de calor Q= =U A ( (9) Rt = (10) Área del intercambiador A= N*a= N*L*W (11) Metodología Bien es sabido, la práctica 3 del laboratorio denominada: intercambiador de calor de placas, no se pudo realizar de manera presencial debido a la emergencia sanitaria por la cual atraviesa gran parte del mundo, sin embargo, el docente guía se encargó de proporcionar todo acerca del laboratorio, sus datos, definiciones, descripciones y problemáticas; para esto hizo uso de las diferentes herramientas comunicativas. Siendo así, se cuenta con los conocimientos mínimos para desarrollar cada una de las fases del laboratorio. Como primer paso debemos verificar los sensores de caudal y temperatura estén conectados a la unidad de control y que esta ultima se encuentre conectada al computador. Encendemos el ordenador y entramos al software de control y adquisición de datos. Mientras tanto en nuestro intercambiador revisaremos las válvulas y la configuración en la que deseamos trabajar. Comprobamos el depósito. Segundo, encendemos la bomba y la resistencia. Tercero, fijamos las temperaturas caudales de tan forma que obtengamos condiciones estacionarias , es decir, la temperatura en el depósito permanezca constante. Por último, anotamos temperaturas y caudales. este proceso se realizo 4 veces en flujo paralelo y 4 veces en flujo contracorriente. Resultados Propiedades de agua T promedio de ensayos 1,2,3,4 Propiedad Caliente(°C) Frio (°C) E1 E2 E3 E4 E1 E2 E3 E4 T prom (°C) 51.85 49.35 46.7 44.5 42.2 42.4 41.5 40.25 Densidad (kg/m3) 987.03 988.36 989.42 990.3 991.22 991.14 991.5 992 Flujo masico (kg/s) 3.29x10-2 3.29x10-2 3.29x10-2 3.3x10-2 8.26x10-3 1.65 x10-2 2.48 x10-2 3.3x10-2 Calor especifico (J/kg. K) 4181.74 4180.87 4180.34 4179.9 4179.44 4179.48 4179.3 4179.05 Se realizó 4 ensayos en el flujo paralelo y 4 ensayos en flujo contracorriente. dichos ensayos nos arrojan temperaturas en cada uno de nuestros sensores y caudal en los dos medidores. A continuación, se presenta los datos obtenidos. Sensor E1 E2 E3 E4 ST-16(°C) 59.9 59.3 59.3 59.4 ST-1(°C) 53.8 52.2 51.6 51 ST-2(°C) 50.4 46.8 44.1 42.7 ST-3(°C) 50.3 46.5 43.6 42.3 ST-4(°C) 50.8 47 44.1 42.7 ST-5(°C) 50.3 46.6 43.7 42.3 ST-6(°C) 31.9 32 32.1 32.2 ST-7(°C) 49.8 46 43 41.5 ST-8(°C) 50 46.2 43.4 41.9 ST-9(°C) 49.4 45.7 42.9 41.5 ST-10(°C) 48.7 45.3 42.5 41.2 SC-1(l/min) 2.1 2.1 2.1 2.1 SC-2(l/min) 0.5 1.0 1.5 2.0 Tabla 1. Datos obtenidos con flujo en paralelo Sensor E1 E2 E3 E4 ST-16(°C) 59.6 59.6 59.4 59.2 ST-1(°C) 53.8 54 53 51.5 ST-2(°C) 53.6 53.4 51.3 48.4 ST-3(°C) 53.6 53.2 50.3 46.7 ST-4(°C) 53.9 52.0 47.4 43.4 ST-5(°C) 49.9 44.7 40.4 37.5 ST-6(°C) 53.7 53.8 51.8 49.4 ST-7(°C) 53.5 52.7 49.0 45.4 ST-8(°C) 53.3 51.7 47.2 43 ST-9(°C) 51.4 47 41.7 37.9 ST-10(°C) 30.7 31 31.2 31.1 SC-1(l/min) 2.0 2.0 2.0 2.0 SC-2(l/min) 0.5 1.0 1.5 2.0 Tabla 2. Datos obtenidos con flujo en contracorriente. Para el intercambiador con flujo en contracorriente hallamos las propiedades del agua a temperatura promedio (tabla 3), la densidad , flujo masico y el calor especifico se obtuvo haciendo uso de las tablas termodinámicas para el agua saturada A-9 del libro transferencia de calor y masa 4ta ed. De Cengel-McGraw-Hill página 878. También se halló los flujos de calor de cada ensayo, se hizo uso de las ecuaciones (1),(2) dependiendo la temperatura del fluido. La diferencia media logarítmica en contracorriente se buscó mediante la ecuación (6), el coeficiente global se despejo de la ecuación(5) y posteriormente se halló la resistencia térmica total con la ecuación (10). (tabla 4) Tabla 3. Propiedades de agua a temperaturas promedios ensayos 1-2-3-4 en flujo contracorriente Propiedad E1 E2 E3 E4 Qc (W) 794 1572.32 2135.12 2523.73 Qh (W) 536.56 962.85 1732.91 1931.11 Eficiencia 1.48 1.63 1.23 1.3 Dif. Media logarítmica de temperatura (K) 3.63 3.19 3.83 3.58 Resistencia térmica total (W/K) 6.76x10-3 3.31x10-3 2.21x10-3 2x10-3 Coeficiente global de transferencia de calor (W/m2 K) 246.35 503.05 754.1 835.98 Tabla 4. Otras Propiedades de ensayo 1-2-3-4 en flujo contracorriente Para el intercambiador con flujo en paralelo hallamos las propiedades del agua a temperatura promedio (tabla 5), la densidad , flujo masico y el calor especifico se obtuvo haciendo uso de las tablas termodinámicas para el agua saturada A-9 del libro transferencia de calor y masa 4ta ed. De Cengel-McGraw-Hill página 878. También se halló los flujos de calor de cada ensayo, se hizo uso de las ecuaciones (1),(2) dependiendo la temperatura del fluido. La diferencia media logarítmica en contracorriente se buscó mediante la ecuación (7), el coeficiente global se despejo de la ecuación(5) y posteriormente se halló la resistencia térmica total con la ecuación (10). (tabla 6) Propiedades de agua T promedio de ensayos 1,2,3,4 Propiedad Caliente(°C) Frio (°C) E1 E2 E3 E4 E1 E2 E3 E4 T prom (°C) 52.05 49.4 47.75 46.65 42.3 38.65 37.3 36.7 Densidad (kg/m3) 986.88 988.34 989.04 989.44 991.98 992.61 993.12 993.35 Flujo masico (kg/s) 3.45x10-2 3.45x10-2 3.46x10-2 3.46x10-2 8.26x10-3 1.65 x10-2 2.48 x10-2 3.31x10-2 Calor especifico (J/kg. K) 4181.84 4180.88 4180.53 4180.33 4179.06 4178.78 4178.46 4178.34 Tabla 5. Propiedades del agua a T promedio ensayos 1-2-3-4 en flujo paralelo Propiedad E1 E2 E3 E4 Qc (W) 579.91 917 1077.7 1244.72 Qh (W) 490.53 807.74 1142.7 1258.36 Eficiencia 1.18 1.13 0.94 0.99 Dif. Media logarítmica de temperatura (K) 7.9 6.89 6.56 6.23 Resistencia térmica total (W/K) 1.61x10-2 8.52x10-3 5.7x10-3 4.95x10-3 Coeficiente global de transferencia de calor (W/m2 K) 103.48 195.39 290.32 336.64 Tabla 6. Otras Propiedades de ensayos 1-2-3-4 en flujo paralelo Por otro lado, se tienen unas gráficas que arrojan la distribución de temperatura a lo largo del intercambiador para cada fluido, para cada ensayo. Recordemos que en el eje x encontramos a “L(m)” la cual es la longitud que hay en cada sensor de temperatura dependiendo el fluido y en el eje Y tenemos a “T(°C)” la cual es temperatura en cada punto (salida y entrada). Gráfica 1. Distribución de temperaturas, ensayo 1, flujo contracorriente Gráfica 2. Distribución de temperaturas, ensayo 2, flujo contracorriente Gráfica 3. Distribución de temperaturas, ensayo 3, flujo contracorriente Gráfica 4. Distribución de temperaturas, ensayo 4, flujo contracorriente Gráfica 5. Distribución de temperaturas, ensayo 1, flujo paralelo Gráfica 6. Distribución de temperaturas, ensayo 2, flujo paralelo Gráfica 7. Distribución de temperaturas, ensayo 3, flujo paralelo Gráfica 8. Distribución de temperaturas, ensayo 4, flujo paralelo ANÁLISIS DE RESULTADOS Si analizamos la eficiencia para cada configuración y ensayo, se observa que cuando el flujo esta en contraflujo la eficiencia del intercambiador es mayor, debido a que existe un diferencial de temperatura favorable en el sistema. Para la configuración en contracorriente se tiene que la temperatura de entrada del fluido caliente no varia mucho en cuanto a la temperatura de salida del fluido frio. En el flujo paralelo se observa un cambio de temperatura menor. Los gráficos nos representan el perfil de temperatura a lo largo del intercambiador, sabemos que cada placa tiene una separación de 1.8mm, se percibe el flujo contracorriente como el más provechoso, puesto que la diferencia de temperatura se incrementa. En este caso no fue necesario hallar los números de Reynolds se sabe que, debido al diseño de las placas , el cual es corrugado obteníamos flujo turbulento en todos los ensayos, lo que a su vez genera que los coeficientes globales sean mayores. De la literatura sabemos que para que se dé la transferencia de calor máxima el fluido frio se debe calentar hasta la temperatura de entrada del caliente y el fluido caliente se debe enfriar hasta la temperatura de entrada del frio. Por esto se puede afirmar que en el ensayo en contracorriente todo el calor cedido por el fluido caliente es absorbido por el fluido frío generando una eficiencia máxima. Por último, se observan eficiencias mayores al 100% hemos concluido que esto se debe a errores de medidas, recordemos que es fundamental contar con un sistema en estado estacionario, esto no se ha cumplido en su totalidad. El número de pruebas también podría mitigar errores en caso de que se presenten. CONCLUSIONES Cumpliendo con los objetivos de la practica se evidencia una mayor eficiencia para el dispositivo configurado con un flujo en contracorriente, lo cual es similar a lo analizado en las clases teóricas. De los resultados obtenidos observamos el incremento del intercambio térmico por unidad de tiempo para aquellos ensayos en los que hubo un aumento de caudal de agua fría, esto se debe a que el flujo de calor depende de la cantidad de fluido, se comprueba que cuando aumentan los flujos másicos del agua , los coeficientes globales también aumentarán. Es importante resaltar el diseño “corrugado” de las placas, pues esto ocasión un incremento en la eficiencia , debido a la turbulencia de los fluidos que influye de manera favorable en los coeficientes globales. Los intercambiadores de placas son considerados como uno de los mas ideales para procesos de transferencias de energía, este cuenta con la simetría de sus placas, lo cual facilita el proceso térmico y reduce la caída de presión y temperatura. El intercambiador es compacto, se puede incrementar el área de transferencia de calor y con esto las variables “tiempo” y “dinero” se verían favorecidas. REFERENCIAS. [1] intercambiador de calor de placas.(s.f). Recuperado de: http://t-soluciona.com/wcontent/uploads/2013/01/Catalogo-modelo-TS6.pdf [2] Mahuli,A.(s.f).Guía intercambiador carcasa y tubo.[PDF]. Recuperado de: https://operacionesunitarias1.files.wordpress.com/2011/07/unidad-iv-intercambiadores-de-calor.pdf [3] Carrero,J.(1973).Equipos de transferencia de calor: una guía de estudio. Recuperado de : https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/55684 Laboratorio de Transferencia de Calor Laboratorio de Transferencia de Calor Facultad de Ingeniería – Semestre 2020-I Realización: 26 de junio de 2020 • Presentación: 10 de julio de 2020 Intercambiador de calor de placas ? Ingeniería Mecánica Universidad del Atlántico 2020-I