¡Descarga Diseño de un intercambiador de calor de flujo contracorriente en Excel y más Apuntes en PDF de Ingeniería de Procesos solo en Docsity!
Bella Mariel Castro Alonzo Diana Patricia Fuentes Reyes Roberto Gutiérrez Nava Edna Paola Graciela González Ortega
Autores
Manuel de Jesús De la Torre Núñez Gil Eduardo Cerros Rivera Carlos Eduardo Ramírez Castruita Oscar Antonio Arias Delgadillo
INSTITUTO
TECNOLÓGICO DE LA
LAGUNA
Algoritmo de intercambiador de
calor de doble tubo
Algoritmo de intercambiador de
calor de doble tubo
B L V D. R E V O L U C I Ó N Y , A V. I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O D E L A L A G U N A S / N , P R I M E R O D E C O B I Á N C E N T R O , 2 7 0 0 0 T O R R E Ó N , C O A H.
Se diseñ, en el programa Excel, un sistema de solución de un problema de intercambiador de calor de flujo contracorriente, determinando parámetros clave como área y longitud, y el coeficiente global de transferencia de calor. Con el uso de este programa se diseño el esquema general del proceso de resolución de dicho problema, permitiendo la variación de la mayoría de las variables involucradas en el proceso, cumpliendo con éxito el objetivo de modelar y resolver problemas de intercambiadores de calor que permite una flexibilidad significativa en la variación de datos, y la optimización del diseño. Palabras clave: Intercambiador de calor, Excel, flujo contracorriente, transferencia de calor, proceso. A system for solving a countercurrent flow heat exchanger problem was designed in the Excel program, determining key parameters such as area and length, and the global heat transfer coefficient. With the use of this program, the general scheme of the process of solving said problem was designed, allowing the variation of most of the variables involved in the process, successfully meeting the objective of modeling and solving heat exchanger problems that allows a Significant flexibility in data variation, and design optimization. Keywords: Heat exchanger, Excel, countercurrent flow, heat transfer, process.
R E S U M E N
A B S T R A C T
I N T R O D U C C I Ó N
Los intercambiadores de calor de doble tubo a contracorriente son dispositivos fundamentales en numerosos procesos industriales, permitiendo una transferencia eficiente de calor entre dos fluidos sin mezclarse. La configuración a contracorriente maximiza la diferencia de temperatura promedio entre los fluidos a lo largo del intercambiador, optimizando así la eficiencia térmica en comparación con arreglos de flujo paralelo. Los intercambiadores de calor son empleados en los procesos industriales para recuperar calor entre dos fluidos de proceso. Entre los intercambiadores de calor más empleados en la industria moderna se encuentran los de doble tubo, debido fundamentalmente a su simplicidad de diseño y su capacidad para manejar fluidos a altas temperaturas y presiones.
M A T E R I A L E S Y M E T O D O S
2.1 Planteamiento del proceso
El proceso descrito involucra un intercambiador de calor de doble tubo, diseñado para el enfriamiento de diversos fluidos mediante una corriente de agua que se introduce a una temperatura constante de 30°C. En este sistema, los fluidos a ser enfriados circulan por un tubo interno, mientras que el agua a 30°C fluye a través del tubo externo, permitiendo así la transferencia de calor entre los dos medios. Las propiedades termofísicas de los fluidos, como el calor específico, la densidad, la viscosidad y la conductividad térmica, están documentadas en tablas y se utilizan para los cálculos necesarios en el diseño y análisis del intercambiador de calor. Estas propiedades se emplean en la determinación de coeficientes de transferencia de calor, área del intercambiador y otros parámetros críticos que afectan la eficiencia y el rendimiento del intercambiador. Los cálculos aseguran que el diseño cumple con los requisitos de transferencia térmica para enfriar los fluidos a las temperaturas deseadas, optimizando el proceso de intercambio de calor y garantizando la operación eficiente del sistema. 2.2 Diseño en Excel En el libro de Excel, que consta de seis hojas de cálculo:
- Diagrama
- Modelo matemático
- Tablas de conversión
- Cálculos
- Tuberías
- Sustancias En la pantalla donde se encuentra el diagrama, se encuentran cuatro ventanas donde el usuario debe proporcionar los datos a utilizar.
A continuación se presetan las propiedades físicas de los fluidos disponibles a enfriar:
M A T E R I A L E S Y M E T O D O S
En la corriente donde el fluido caliente entra, la celda para introducir el fluido que se va a enfriar, tiene un selector, con el cual se muestran los fluidos que se pueden enfriar, en este caso se disponen de cuatro: metanol, agua, isobutano y glicerina. 1.- Agua^ 2.-Metanol
M A T E R I A L E S Y M E T O D O S
Las fórmulas requeridas para la operación numérica, que indica el modelo matemático, se aplican en cada celda de la hoja de cálculo. En la hoja de cálculo denominada “Modelo matemático” se encuentra el proceso detallado de las formulas y operaciones involucradas en el cálculo de las variables a determinar
D I S C U S I Ó N Y R E S U L T A D O S
Se tienen dos tablas con datos de cálculos de tuberías, las cuales son variables dependientes que cambian con respecto a los datos de entrada al sistema y que a su vez están ligadas a tablas de constantes termodinámicas. Sin embargo los pocos cálculos impuestos fueron realizados por las variables expuestas en el modelo matemático. Inicialmente se tienen una serie de datos de entrada organizados en tablas y a su vez ligados a las casillas de la primer hoja de calculo “Diagrama”, en los cuales se puede seleccionar el tipo de fluido que queremos calentar; así como también se puede modificar el fluido con el que queremos enfriar, aunque lo recomendable en este caso es dejar como fluido fijo el agua de enfriamiento. Además especifica como datos generales que el intercambiador analizado es a contraflujo y de doble tubo.
Al ingresar estos valores en la base de datos, los cálculos se realizan automáticamente de acuerdo con las fórmulas establecidas en el modelo matemático. Los resultados obtenidos se plasman en la tabla de resultados ubicada en la primera hoja de cálculo denominada “Diagrama”. Con estos valores previamente definidos, el algoritmo realiza automáticamente los cálculos utilizando las ecuaciones establecidas. Existe una tabla específica que detalla los resultados cuando varía la temperatura de salida de la corriente fría y se conoce la temperatura de salida de la corriente caliente. Estos cálculos se encuentran en la hoja de cálculo denominada "Cálculos". Se pueden observar cambios en los valores de las tuberías interior y exterior, ya que las propiedades físicas y químicas de los fluidos varían dependiendo del tipo de fluido utilizado. Estas propiedades son esenciales para los cálculos del número de Reynolds, número de Prandtl y los coeficientes de transferencia de calor. En este primer caso, se utiliza glicerina como fluido caliente y agua como fluido frío. Los resultados se presentan de la siguiente manera:
D I S C U S I Ó N Y R E S U L T A D O S
En la hoja “Cálculos” se encuentran 3 tablas donde se calcularon las variables descritas anteriormente, con las formulas establecidas en el modelo matemático. Formulas
Formulas
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Con estos valores previamente definidos, el algoritmo realiza automáticamente los cálculos utilizando las ecuaciones establecidas. Existe una tabla específica que detalla los resultados cuando varía la temperatura de salida de la corriente caliente y se conoce la temperatura de salida de la corriente fría. Estos cálculos se encuentran en la hoja de cálculo denominada "Cálculos". Se pueden observar cambios en los valores de las tuberías interior y exterior, ya que las propiedades físicas y químicas de los fluidos varían dependiendo del tipo de fluido utilizado. Estas propiedades son esenciales para los cálculos del número de Reynolds, número de Prandtl y los coeficientes de transferencia de calor. En este segundo caso, se utilizo metanol como fluido caliente y agua como fluido frío. Los resultados se presentan de la siguiente manera: Al ingresar estos valores en la base de datos, los cálculos se realizan automáticamente de acuerdo con las fórmulas establecidas en el modelo matemático. Los resultados obtenidos se plasman en la tabla de resultados ubicada en la primera hoja de cálculo denominada “Diagrama”.
D I S C U S I Ó N Y R E S U L T A D O S
D I S C U S I Ó N Y R E S U L T A D O S
Ya una vez teniendo los datos anteriores, se proceden a calcular de manera automática los valores de velocidad de transferencia de calor y el coeficiente de transferencia de calor. Como se puede observar estos valores previamente mencionados son mas altos en comparación con el caso 1, esto es debido al ajuste de temperaturas que se efectuaron para que este caso 2 se lleve a cabo y, al existir un cambio de temperatura significativo con el caso 1, vamos a tener un MLDT menor y esto es debido a que la diferencia de temperaturas (T2-T1), da un valor de 63.13°C. Por último se efectúan los cálculos del área de transferencia y la longitud con los datos calculados previamente con la nueva temperatura de Tc2 ( °C) y el nuevo fluido de entrada al intercambiador de calor (metanol).
C O N C L U S I O N E S
Durante el desarrollo de este algoritmo se encontraron diferentes problemáticas con respecto a la aplicación de fórmulas en Excel, acreditado por la falta de experiencia en en uso del programador, se realizó prueba y error para cada una de las variables estáticas seleccionadas dentro del programa, aun así y pese a las dificultades se obtuvo un planteamiento satisfactorio donde se explaya en cada una de las hojas del algoritmo el procedimiento para llegar a los resultados
( 8 ) S o n i , J. R. , a n d K h u n t , J. B. ( 2 0 1 5 ). C F D A n a l y s i s a n d P e r f o r m a n c e E v a l u a t i o n o f C o n c e n t r i c T u b e i n T u b e H e a t E x c h a n g e r. I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o r I n n o v a t i v e R e s e a r c h i n S c i e n c e & T e c h n o l o g y , 2 ( 1 ) , 1 8 - 2 1. ( 9 ) S w a m e e , P. K. , A g g a r w a l , N. , & A g g a r w a l , V. ( 2 0 0 8 ). O p t i m u m d e s i g n o f d o u b l e p i p e h e a t e x c h a n g e r. I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H e a t a n d M a s s T r a n s f e r , 5 1 , 2 2 6 0 – 2 2 6 6.
R E F E R E N C I A S
