Intercambiador de calor de flujo paralelo || Sus 3 preguntas frecuentes importantes ||

CONTENIDO

¿Qué es el intercambiador de calor de flujo paralelo?

Un tipo de intercambiador de calor de transferencia directa en el que tanto el fluido caliente como el fluido frío fluyen en la misma dirección para intercambiar energía térmica entre ellos sin transferir ninguna energía del ambiente. 

Teoría del intercambiador de calor de flujo paralelo

El intercambiador de calor se define como un flujo constante adiabático sistema abierto. El flujo de ambos fluidos (fluido caliente y fluido frío) está en la misma dirección para intercambiar calor entre ellos. Es un intercambiador de calor categorizado como de transferencia directa en el que los fluidos no tienen ningún contacto físico entre ellos. La presión del fluido frío y caliente permanece constante.
La pérdida de entalpía del líquido caliente es igual a la ganancia de entalpía del líquido frío. La variación de temperatura entre el fluido caliente y el fluido frío en la dirección del flujo siempre disminuye.
Fig: 1 Flujo en intercambiador de calor de flujo paralelo (Crédito de la imagen: wikimedia)

Dónde,

Th, en: Temperatura de entrada de fluido caliente

Th, fuera: Temperatura del fluido enfriado de salida 

Tc, en: Temperatura del fluido frío de entrada

Tc, fuera: Temperatura de salida del fluido caliente

Ventajas del intercambiador de calor de flujo paralelo

La pérdida de presión es muy baja.
Es de construcción simple y barata de construir.

Intercambiador de calor de placas de flujo paralelo

Un grupo de placas se colocan de manera sistemática una encima de la otra para la formación de una serie de canales para que el flujo del fluido intercambie energía térmica entre ellos. El aumento de la superficie de las placas permite una mayor transferencia de calor entre los dos fluidos.
Archivo: เครื่อง แลกเปลี่ยน ความ ร้อน แบบ แผ่น. Png
Fig: 2 Intercambiador de calor tipo placa (Crédito de la imagen: wikimedia)

Intercambiador de calor de flujo paralelo vs intercambiador de calor a contracorriente

La variación de temperatura entre el fluido caliente y el fluido frío con respecto a la dirección del flujo es más pronunciada en el intercambiador de calor de flujo paralelo. La entropía del intercambiador de calor de tipo de flujo paralelo es mayor en comparación con el intercambiador de calor de tipo contador. El intercambiador de calor de contraflujo es más eficiente que el intercambiador de calor de flujo paralelo. Por lo tanto, para la misma tasa de transferencia de calor requerida en ambos casos, el intercambiador de calor de contraflujo ocupa un área de transferencia de calor menor o un tamaño más compacto que el intercambiador de calor de flujo paralelo.

¿Cuál es la efectividad del intercambiador de calor de flujo paralelo?

«La eficacia (ϵ) de un intercambiador de calor se define como la relación entre la transferencia de calor real y la máxima transferencia de calor posible».
Transferencia de calor real (Q) = mh*Cph* (Th1 - Th2
= mc*Cpc* (Tc2 - Tc1)
Máxima transferencia de calor posible (Qmax) = Ch(Th1 - Tc1)

Experimento de intercambiador de calor de flujo paralelo y contraflujo

Objetivo: Determinar la efectividad del intercambiador de calor en flujo paralelo y contraflujo.
La configuración del experimento consta del siguiente componente,
  • Calentador
  • Tacón
  • Entrada y salida de agua caliente
  • Entrada y salida de agua fría
  • Sensor de temperatura
  • Regulador de flujo

Procedimiento:

Primero, tenemos que encender el aparato de prueba, luego encender el calentador y ajustar la temperatura del calentador de agua. Tenemos que esperar a que la temperatura del agua suba hasta el punto de ajuste. Encienda la bomba para agua fría y caliente. Establezca el caudal másico de agua fría y caliente con una perilla reguladora de flujo. Se registran todas las temperaturas de entrada y salida. Primero, configure el intercambiador de calor en una configuración paralela y anote las lecturas.

Capacidad específica de fluido caliente: _________

Capacidad específica de fluido frío: _________

  1. Caudal másico ajustado de fluido caliente (mh) son grabados
  2. Caudal másico ajustado de fluido frío (mc) son grabados
  3. Configure la temperatura de entrada. de fluido caliente se registran (Th1)
  4. La temperatura de salida. de fluido caliente se registran (Th2)
  5. Temp. De entrada De fluido frío se registran (Tc1)
  6. Temperatura de salida de líquido frío se registran (Tc2)

Aplicación del intercambiador de calor de flujo paralelo

Se utiliza para el precalentamiento del aire del horno, que intercambia calor entre el aire frío fresco y los gases de combustión efluentes del horno.
El tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubo en el barco utilizaba un intercambiador de calor de flujo paralelo.

Un intercambiador de calor de flujo paralelo de tubería doble de pared delgada

Disposición en la que un fluido fluye dentro de una tubería y el otro fluido fluye entre la superficie exterior de la primera tubería y la superficie interior de otra tubería que rodea la primera. Estos tubos son de naturaleza concéntrica. 

Intercambiador de calor de contraflujo y flujo paralelo

Tanto el intercambiador de calor de flujo paralelo como el de contador son intercambiadores de calor de tipo transferencia directa.
La dirección del flujo del fluido caliente y de los terrones en el caso de un intercambiador de calor de tipo contador es opuesta entre sí, mientras que en el caso de un flujo paralelo la dirección de los fluidos fríos y calientes es la misma.
La diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) de es mayor en el caso de contraflujo en comparación con el intercambiador de calor de flujo paralelo, por lo que los intercambiadores de calor a contraflujo son más pequeños para la misma transferencia de energía.

Cálculos de intercambiadores de calor de flujo paralelo

Cuando tanto el fluido caliente como el frío ingresan al intercambiador de calor desde el mismo lado, el flujo en una dirección paralela y la salida del mismo lado se conoce como intercambiador de calor de flujo paralelo.
Fig 3: Gráfico para intercambiador de calor de flujo paralelo
El objetivo es calcular la tasa de transferencia de calor total (Q) entre fluidos fríos y calientes en el intercambiador de calor de flujo paralelo.
Dónde,
Thi es la temperatura de entrada del fluido caliente
The es la temperatura de salida del fluido caliente
Tci es la temperatura de entrada del fluido frío
Tce es la temperatura de salida del fluido frío 
ΔTi = Diferencia de temperatura de entrada
     = Thi - Tci
ΔTe = Diferencia de temperatura de salida
     = El - Tce
Q = U x A x ΔTm
Dónde,
U = Coeficiente de transferencia de calor global
A = área total de transferencia de calor del intercambiador de calor
ΔTm= Logaritmo de diferencia de temperatura media

Intercambiador de calor de flujo paralelo de doble tubo

Tiene una construcción simple en la que un tubo se inserta de forma concéntrica al otro. El fluido caliente y el fluido frío ingresan al intercambiador de calor por el mismo lado y también fluyen en la misma dirección para intercambiar entalpía entre ellos.

En el caso de un intercambiador de calor de flujo paralelo, ¿cuál es el valor de máxima eficacia?

"La eficacia de un intercambiador de calor se define como la relación entre la tasa de transferencia de calor real que tiene lugar entre el fluido frío y caliente y la tasa de transferencia de calor máxima posible entre ellos".
El valor de máxima eficacia en un flujo paralelo puede ser del 50%.

Derivación del intercambiador de calor de flujo paralelo

Derivar una ecuación para la diferencia de temperatura media (MTD) y la tasa de transferencia de calor total (Q) del intercambiador de calor de flujo paralelo.
Considere el área de transferencia de calor diferencial ΔA del intercambiador de calor de longitud Δx a través de la cual la tasa de transferencia de calor diferencial entre los fluidos fríos y calientes es dq.
Entonces, dq = U x ΔT x dA
Donde dA = B * dx y ΔT = Th - Tc = f (x)
Condiciones de borde,
En x = 0 (es decir, entrada) ΔT = ΔTi = Thi - Tci
En x = L (es decir, salida) ΔT = ΔTe = The - Tce
También, trabaja para
dq = -mh*cph* dt
   = + mc*cpc* dt
ΔT = Th - Tc
d (ΔT) = dTh - dTc
d (ΔT) = -dq [(1 / mh*cph) + (1 / mc*cpc)]
dq = U * (dA) * ΔT 
    = U * ΔT * (BdX)
dq = -U * (dA) * ΔT * [(1 / mh*cph) + (1 / mc*cpc)]
Integrando ambos lados separando variable

Diagrama del intercambiador de calor de flujo paralelo

Archivo: Intercambiador de calor de tubo recto de 2 pasos.PNG
Fig 4: Intercambiador de calor de flujo paralelo (crédito de la imagen: wikimedia)

Ecuaciones del intercambiador de calor de flujo paralelo

La ecuación para el calor total intercambiado
Dónde,
U = Coeficiente de transferencia de calor global
A = área total de transferencia de calor del intercambiador de calor
봗 m = Logaritmo de la diferencia de temperatura media
La ecuación para la diferencia de temperatura media logarítmica.
Dónde,
Esta es la temperatura de entrada del fluido caliente
Es la temperatura de salida del fluido caliente
Tci es la temperatura de entrada del fluido frío
Tce es la temperatura de salida del fluido frío 
ΔTi = Diferencia de temperatura de entrada
     = Thi - Tci
ΔTe = Diferencia de temperatura de salida
     = El - Tce

Ejemplo de intercambiador de calor de flujo paralelo

Carcasa y tubo
Tubo doble
Tipo de plato

Gráfico del intercambiador de calor de flujo paralelo

 

Fig 5: Gráfico de distribución de temperatura

Ventajas y desventajas del intercambiador de calor de flujo paralelo

Ventaja:

Es de construcción simple y barata de construir.
Recuperaciones rápidas
Baja pérdida de presión

Desventaja:

Menor efectividad
El tamaño es más grande para la misma transferencia de calor

Identificar las características de los intercambiadores de calor de flujo paralelo.

El intercambiador de calor de flujo paralelo se caracteriza por un intercambiador de calor de flujo directo en el que la dirección del flujo es la misma para el fluido frío y caliente durante la transferencia de energía.

Ecuación LMTD para intercambiador de calor de flujo paralelo

Es el parámetro que tiene en cuenta la variación de ΔT (diferencia de temperatura del lado de entrada y del lado de salida del intercambiador de calor) con respecto a la dirección del flujo de fluido caliente promediando todo a lo largo de la longitud del intercambiador de calor desde la entrada hasta la salida.
La diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) es la relación entre la diferencia entre la diferencia de temperatura de entrada y la diferencia entre la temperatura de salida y el logaritmo de la relación entre la diferencia entre la temperatura de entrada y la diferencia entre la diferencia de temperatura de salida.
Dónde,
Esta es la temperatura de entrada del fluido caliente
Es la temperatura de salida del fluido caliente
Tci es la temperatura de entrada del fluido frío
Tce es la temperatura de salida del fluido frío 
ΔTi = Diferencia de temperatura de entrada
    = Thi - Tci
ΔTe = Diferencia de temperatura de salida
    = El - Tce

Optimización del intercambiador de calor de flujo paralelo

El intercambiador de calor de flujo paralelo de tipo carcasa y tubo se puede optimizar mediante un nuevo tipo de deflector de sujeción antivibración. El parámetro geométrico como la distancia del deflector y el ancho del deflector también influyen en su rendimiento. El tipo de flujo es un parámetro importante a considerar para la optimización del intercambiador de calor.

Definir gradiente de temperatura en caso de intercambio de calor de flujo paralelo

La diferencia de temperatura entre la diferencia de temperatura en el lado de entrada y el lado de salida del intercambiador de calor se conoce como gradiente de temperatura. En el caso de un intercambiador de calor de flujo paralelo, no es uniforme y disminuye gradualmente en la dirección del flujo.
Fig 6: Gradiente de temperatura en flujo paralelo (crédito de imagen: wikimedia)

¿En qué condiciones debemos utilizar un intercambiador de calor de flujo paralelo?

El límite de la temperatura de salida del fluido frío es la temperatura de salida del fluido caliente en caso de intercambiador de calor de flujo paralelo. Por lo tanto, se utiliza principalmente cuando se recomienda limitar la transferencia de calor.

Pregunta numérica:

Que: El agua caliente a 46 ℃ entra al intercambiador de calor para aumentar la entalpía del agua que entra a 10 ℃ y sale del intercambiador de calor a 38 ℃. El caudal másico de fluido caliente es de 25 l / s, y el caudal másico de fluido frío es de 19 l / s. Si no se producen pérdidas de calor durante la transferencia de calor, ¿cuál es la temperatura del fluido caliente a la salida?

Sol: Dada la temperatura de entrada del fluido caliente (T1) = 46 ℃

     Dada la temperatura de entrada del fluido frío (T3) = 10 ℃ 

     Dada la temperatura de salida del fluido frío (T4) = 38 ℃

     Para encontrar la temperatura de salida del fluido caliente (T2) = X

     Densidad del agua () = 1000 kg / m3

     Caudal másico de fluido caliente (mh) = 25 l / s

     Caudal másico de fluido frío (mc) = 19 l / s

     Capacidad calorífica del agua (c) = 4186 J / kg-K

El calor perdido por el agua caliente es el mismo que el calor ganado por el fluido frío.

mh * c * (T1-T2) = mc * c * (T3 - T4)

25 (46 - T2) = 19 (38 - 10)

T2 = 24.72 ℃

La temperatura de salida del agua caliente es de 24.72 ℃

Preguntas frecuentes / notas breves

¿Dónde se utiliza el intercambiador de calor de flujo paralelo?

El intercambiador de calor de flujo paralelo se utiliza principalmente cuando se recomienda una transferencia de calor limitada. El límite de la temperatura de salida del fluido frío es la temperatura de salida del fluido caliente en el caso de un intercambiador de calor de flujo paralelo.

Intercambiador de calor de flujo cruzado vs flujo paralelo

Para la misma tasa de transferencia de calor requerida en ambos casos, el intercambiador de calor de contraflujo ocupa un área de transferencia de calor menor o un tamaño más compacto que el intercambiador de calor de flujo paralelo.

 

Cuando el agua se calienta y el aceite se enfría en un intercambiador de calor. ¿Seguirá una ruta de flujo en contracorriente o una ruta de flujo paralelo?

Se pueden usar ambos tipos de intercambiadores de calor, pero el intercambiador de calor de tipo contraflujo ocupará menos espacio en comparación con el intercambiador de calor de tipo flujo paralelo.

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Sobre Krishna Singh

Soy Krishna K Singh trabajando como científico de proyectos. Posee 5 años de experiencia industrial en el dominio de Cross Mechanical. Actualmente, estoy trabajando en proyectos de minería de aguas profundas que son de importancia internacional. Me complace ser parte de la familia Lambdageeks y quiero ayudar a los estudiantes con un conocimiento profundo de Mecánica y Térmica.
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