FACULTA FACUL TAD D DE ING INGENIE ENIERÍA RÍA MECÁ MECÁNICA NICA
LABORATORIO N°5 INTERCAMBIADOR DE CALOR PROFESOR: Ing. Pinto Espinoza, Hernán Josué SECCIÓN: “D” INTEGRANTES
Código
Moreno Concepción, Fidel E.
20150247F
Soel Huamani, Juan Diego
20152003G
Machuca Huaranga, Bryan
20154014F
Vasquez Pachas, Luis
20102597K 20102597 K
Rímac, 15 de noviembre del 2017
2017-2
INDICE
INTRODUCCIÓN
3
OBJETIVOS
4
FUNDAMENTO TEÓRICO
5
EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS
12
PROCEDIMIENTO
13
CALCULOS Y RESULTADOS
15
CONCLUSIONES
20
OBSERVACIONES
21
RECOMENDACIONES
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22
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INTRODUCCIÓN En este experimento haremos uso de la teoría de la transferencia de calor aplicado a un intercambiador de calor del cual hallaremos sus características correspondientes luego de algunas pruebas. La transmisión de calor es necesaria en los procesos industriales actuales, mediante esta transmisión se consiguen ahorros de costos energéticos y máximo aprovechamiento de la energía ya disponible en el sistema. Los fluidos, por tanto, se calientan o refrigeran para seguir siendo aprovechados dentro del proceso industrial gracias a los intercambiadores. Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres • Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos
fluidos. • Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. •Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua. • Calentador : Aplica calor sensible a un fluido. •Re-hervidor : Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor
de re-ebulición que se necesita para la destilación. • Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.
Un intercambiador de calor es un dispositivo usado para transferir energía térmica (entalpia) entre dos o más fluidos, entre una superficie sólida y un fluido, o entre partículas sólidas y un fluido a diferentes temperaturas y en contacto térmico. Las aplicaciones típicas involucran calentamiento o enfriamiento de una corriente de fluido que puede involucrar evaporación o condensación de cor rientes de fluidos simples o multi componente. En otras aplicaciones, el objetivo podría ser recuperar o rech azar calor, pasteurizar, destilar, concentrar, cristalizar o controlar un fluido de proceso.
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OBJETIVOS
Estudiar los diferentes tipos de intercambiadores de calor y sus diferentes aplicaciones en el mundo industrial.
Determinar el correcto funcionamiento de los intercambiadores de calor.
Resaltar la importancia de los intercambiadores de calor al momento de economizar ahorros en costos energéticos
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FUNDAMENTO TEORICO Un intercambiador de calor es un equipo mecánico, construido para trasferir calor entre dos fluidos a diferente temperatura. Cuando la diferencia de temperatura es pequeña se desprecia la transferencia de calor por radiación y el intercambiador de calor se calcula aplicando las correlaciones de trasferencia de calor por conducción y convección.
Imagen 1.0
Se pueden hacer diferentes clasificaciones según su funcionalidad:
Según las características constructivas Carcasa y tubo Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la carcasa por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de la cáscara.
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Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones 3 más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de soporte (support plates) mostradas en figura también actúan como bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.
Imagen 2.0
Plato El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la Imagen 3.0, con siste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno 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, las placas proveen un área extremadamente grande de transferencia de térmica 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 calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos para la misma capacidad de intercambio de calor.
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Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente debido a la inhabilidad de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas. Debido a este problema, el tipo intercambiador de la placa se ha utilizado solamente para aplicaciones donde la presión es pequeña o no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para máquinas. Actualmente se cuentan importantes avances que han mejorado el diseño de las juntas y sellos, así como el diseño total del intercambiador de placa, esto ha permitido algunos usos a gran escala de este tipo de intercambiador de calor. Así, es más común que cuando se renuevan viejas instalaciones o se construyen nuevas instalaciones el intercambiador de la placa está substituyendo paulatinamente a los intercambiadores de carcaza y tubo.
Imagen 3.0
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Según la disposición de los fluidos Flujo paralelo Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa 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. Como el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.
Imagen 4.0
Contracorriente Se presenta una contracorriente cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos. Ya que el fluido con menor temperatura sale en contracorriente del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados anteriormente. LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA
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En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contracorriente puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.
Imagen 5.0
Flujo cruzado En el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90°. Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor. En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son comúnmente una combinación de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La razón de incluir la combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las restricciones propias del diseño, que son: tamaño,
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costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos, temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la complejidad del intercambiador.
Imagen 6.0
Funcionamiento de los intercambiadores de calor Existen por tanto tres intercambios de calor que necesitan ser descritos: 1.- Transferencia de calor convectiva del fluido hacia la pared interna del tubo. 2.- Transferencia de calor conductiva a través de la pared del tubo. 3.- Transferencia de calor convectiva desde la pared externa del tubo hacia el fluido exterior. Existen dos flujos en un intercambiador de calor, el fluido caliente, y el fluido frío.
1: Entrada del intercambiador
T: Temperatura caliente
2: Salida del intercambiador
t: Temperatura fría
Ch: Capacidad calorífica del fluido caliente C c: Capacidad calorífica del fluido frío
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Esta ecuación es una representación ideal donde no se considera pérdidas de calor.
Sh: Área de la superficie
de calor
U h: Coeficiente global de transferencia
θ: Diferencia de temperaturas en operación
η: Eficacias de intercambio de aleta
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EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS EQUIPO DE CONTROL AUTOMATIZADO PARA LA MEDICION DE FLUJO Y TEMPERATURAS
COMPUTADORA CON EL SOFTWARE DEL CONTROLADOR AUTOMATICO
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PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Se procedió a la correcta conexión del sistema de control con la computadora para luego mediante el software correspondiente se encendió el equipo dándole los valores correspondientes de caudal de agua fría y caliente y la temperatura del agua caliente a la entrada.
Fig.1 En la imagen se aprecia el valor de las temperaturas en cada salida y entrada del fluido y sus respectivos caudales.
2. Este proceso se repitió para los dos tipos de intercambiador en paralelo y en contracorriente de calor tomando 5 muestras con diferentes condiciones.
Fig 2. Espacio de transferencia de calor mediante 7 tubos en el sistema de Control. LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA
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3. Finalmente se procedió a apagar el sistema luego de guardar los datos tomados en cada experiencia en un archivo excel donde se indican los datos de temperatura y caudal que nos mostraba el sistema de control.
Fig 3.Tanque de almacenamiento de agua donde es calentada por medio de una resistencia eléctrica y donde se controla la potencia y la temperatura y el nivel de líquido.
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CALCULOS Y RESULTADOS
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CALCULOS Y RESULTADOS Para Intercambiador en Contraflujo: Los Cálculos se realizaron con las formulas expuestas en clase y pasado directamente al excel Temp T1 [°C]
Temp T2 [°C]
Temp T3 [°C]
Temp T4 [°C]
Caudal caliente [l/min]
Caudal frio [l/min]
Caudal caliente [l/s]
Caudal frio [l/s]
Densidad del flujo caliente [kg/m³]
Densidad del flujo frio [kg/m³]
35,1
33,2
22,7
24,0
0,9
1,55
0,0153
0,0258
994,3
997,5
34,9
33,3
22,7
24,3
1,2
1,60
0,0208
0,0267
994,3
997,4
34,9
33,6
22,8
24,5
2,0
1,60
0,0328
0,0267
994,3
997,4
35,0
33,8
22,9
24,8
2,2
1,65
0,0370
0,0275
994,2
997,3
35,0
34,0
22,9
25,1
2,6
1,59
0,0437
0,0264
994,2
997,3
flujo de masa caliente [Kg/s]
flujo de masa fria [Kg/s]
Potencia calor emitido (Qe) [W]
Potencia calor absorbido (Qa) [W]
Potencia calor perdido (Qf) [W]
Temp eficiencia del fluido caliente (nh) [%]
Temp eficiencia del fluido frio (nc) [%]
Temp eficiencia media (nm) [%]
0,02
0,03
123,5
136,4
-12,9
15,7
10,2
0,02
0,03
137,2
173,2
-36,0
13,0
0,03
0,03
185,6
194,8
-9,3
0,04
0,03
184,8
226,8
0,04
0,03
194,7
236,3
∆T1
∆T2
[ºC]
[ºC]
13,0
10,4
11,1
12,8
12,9
10,6
10,7
11,2
14,4
12,8
10,8
10,4
-42,0
9,9
16,4
13,1
10,9
10,1
-41,6
8,8
17,7
13,3
11,0
10,0
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Qmax [W]
Efectividad
LMTD
Coeficiente general de transferencia de calor (U)
NUT
742,280273
0,166
10,76
604,04
183,31
1098,80859
0,125
10,63
678,85
137,34
1349,37746
0,138
10,58
922,74
151,21
1386,80098
0,133
10,52
924,87
147,07
1335,38983
0,146
10,50
976,31
161,23
Método ᶓ − NUT Efectividad del intercambiador de calor ᶓ =
,
(0 ≤ ᶓ ≤ 1)
Que es la razón de la transferencia de calor real a la máxima transferencia de calor que puede ser posible si se tratara de un intercambiador de contraflujo.
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Qmax [W]
Efectividad
LMTD
Coeficiente general de transferencia de calor (U)
NUT
742,280273
0,166
10,76
604,04
183,31
1098,80859
0,125
10,63
678,85
137,34
1349,37746
0,138
10,58
922,74
151,21
1386,80098
0,133
10,52
924,87
147,07
1335,38983
0,146
10,50
976,31
161,23
Método ᶓ − NUT Efectividad del intercambiador de calor ᶓ =
,
(0 ≤ ᶓ ≤ 1)
Que es la razón de la transferencia de calor real a la máxima transferencia de calor que puede ser posible si se tratara de un intercambiador de contraflujo.
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Número de unidades de transferencia de calor
≡
Donde el número de unidades de transferencia de calor es una medida del tamaño del intercambiador.
E VS NUT 0.180 0.160 0.140 0.120 y = 0.0009x + 0.0056
0.100 E
0.080 0.060 0.040 0.020 0.000 100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
NUT
Series1
Linear (Series1)
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Número de unidades de transferencia de calor
≡
Donde el número de unidades de transferencia de calor es una medida del tamaño del intercambiador.
E VS NUT 0.180 0.160 0.140 0.120 y = 0.0009x + 0.0056
0.100 E
0.080 0.060 0.040 0.020 0.000 100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
NUT
Series1
Linear (Series1)
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Para intercambiador en Flujo Paralelo:
Temp T1 [°C]
Temp T2 [°C]
Temp T3 [°C]
Temp T4 [°C]
Hot Water Flowrate Fhot [l/min]
Cold Water Flowrate Fcold [l/min]
Caudal hot [l/s]
Caudal cold [l/s]
Density Hot Fluid
Density Cold Fluid
[kg/m³]
[kg/m³]
32,8
35,0
21,5
23,3
1,0
1,75
0,0165
0,0291
994,4
997,7
33,3
34,9
21,5
23,6
1,5
1,88
0,0246
0,0313
994,3
997,7
33,7
35,1
22,2
24,3
1,8
1,71
0,0297
0,0285
994,2
997,5
33,8
35,1
22,3
24,6
2,3
1,64
0,0382
0,0273
994,2
997,4
33,8
34,9
22,5
24,9
2,6
1,70
0,0429
0,0283
994,3
997,4
flujo de masa hot [Kg/s]
flujo de masa cold [Kg/s]
Heat Power emitted Qe [W]
Heat Power absorbed Qa [W]
Heat Power lost Qf [W]
Temp Efficiency of hot fluid nh [%]
Temp Efficiency of cold fluid nc [%]
Mean Temp Efficiency nm [%]
∆T1
∆T2
[ºC]
Q max [W]
0,0163873
0,02902626
151,2
216,7
-65,5
16,3
13,2
14,8
13,5
9,5
945,55
0,02447831
0,03125799
162,7
271,5
-108,8
11,9
15,5
13,7
13,4
9,7
1337,79
0,02953255
0,02841144
172,3
250,7
-78,4
10,8
16,4
13,6
12,9
9,4
1546,90
0,03802758
0,02719264
196,0
258,3
-62,3
9,7
17,8
13,7
12,8
9,3
1403,71
0,04268155
0,02820573
202,7
283,3
-80,6
9,1
19,3
14,2
12,4
8,9
1492,35
[ºC]
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Para intercambiador en Flujo Paralelo:
Temp T1 [°C]
Temp T2 [°C]
Temp T3 [°C]
Temp T4 [°C]
Hot Water Flowrate Fhot [l/min]
Cold Water Flowrate Fcold [l/min]
Caudal hot [l/s]
Caudal cold [l/s]
Density Hot Fluid
Density Cold Fluid
[kg/m³]
[kg/m³]
32,8
35,0
21,5
23,3
1,0
1,75
0,0165
0,0291
994,4
997,7
33,3
34,9
21,5
23,6
1,5
1,88
0,0246
0,0313
994,3
997,7
33,7
35,1
22,2
24,3
1,8
1,71
0,0297
0,0285
994,2
997,5
33,8
35,1
22,3
24,6
2,3
1,64
0,0382
0,0273
994,2
997,4
33,8
34,9
22,5
24,9
2,6
1,70
0,0429
0,0283
994,3
997,4
flujo de masa hot [Kg/s]
flujo de masa cold [Kg/s]
Heat Power emitted Qe [W]
Heat Power absorbed Qa [W]
Heat Power lost Qf [W]
Temp Efficiency of hot fluid nh [%]
Temp Efficiency of cold fluid nc [%]
Mean Temp Efficiency nm [%]
∆T1
∆T2
[ºC]
Q max [W]
0,0163873
0,02902626
151,2
216,7
-65,5
16,3
13,2
14,8
13,5
9,5
945,55
0,02447831
0,03125799
162,7
271,5
-108,8
11,9
15,5
13,7
13,4
9,7
1337,79
0,02953255
0,02841144
172,3
250,7
-78,4
10,8
16,4
13,6
12,9
9,4
1546,90
0,03802758
0,02719264
196,0
258,3
-62,3
9,7
17,8
13,7
12,8
9,3
1403,71
0,04268155
0,02820573
202,7
283,3
-80,6
9,1
19,3
14,2
12,4
8,9
1492,35
[ºC]
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Overall Heat Transfer Coefficient (U) 698,26 748,23 820,92 945,36 1009,27
LMTD
Efectividad 0,160 0,122 0,111 0,140 0,136
11,39 11,45 11,04 10,91 10,57
NUT 181,63 136,24 124,56 156,48 153,14
E VS NUT
E
0.180 0.160 0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 0.000
y = 0.0009x + 0.0006
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
NUT
Series1
Linear (Series1)
Como se puede apreciar en las gráficas de flujo en contracorriente y en paralelo, la efectividad con respecto al Número de Unidades de Transferencia tiene una tendencia lineal, estos gráficos comparativos normalmente se usan para intercambiadores que usan un sistema computarizado.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Overall Heat Transfer Coefficient (U) 698,26 748,23 820,92 945,36 1009,27
LMTD
Efectividad 0,160 0,122 0,111 0,140 0,136
11,39 11,45 11,04 10,91 10,57
NUT 181,63 136,24 124,56 156,48 153,14
E VS NUT
E
0.180 0.160 0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 0.000
y = 0.0009x + 0.0006
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
NUT
Series1
Linear (Series1)
Como se puede apreciar en las gráficas de flujo en contracorriente y en paralelo, la efectividad con respecto al Número de Unidades de Transferencia tiene una tendencia lineal, estos gráficos comparativos normalmente se usan para intercambiadores que usan un sistema computarizado.
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CONCLUSIONES 1. El intercambiador de calor a contracorriente transmite más energía al fluido frio, que el intercambiador paralelo.
2. El intercambiador de calor de tubos paralelo y contraflujo es uno de los m enos eficientes puesto que el área de contacto es menor comparado con otros intercambiadores.
3. Como observamos en los gráficos ɛ-NUT los datos están distribuidos de manera adecuada, formando casi perfectamente una ecuación lineal. Esto podría deberse a que el error en la toma de datos por la computadora es menor que el error que hubiera surgido al hacerlo manualmente.
4. Se ha podido comprobar que la eficacia de transferencia de calor entre fluidos para una instalación en contra flujo es mayor que la de paralelo, lo que tiene
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CONCLUSIONES 1. El intercambiador de calor a contracorriente transmite más energía al fluido frio, que el intercambiador paralelo.
2. El intercambiador de calor de tubos paralelo y contraflujo es uno de los m enos eficientes puesto que el área de contacto es menor comparado con otros intercambiadores.
3. Como observamos en los gráficos ɛ-NUT los datos están distribuidos de manera adecuada, formando casi perfectamente una ecuación lineal. Esto podría deberse a que el error en la toma de datos por la computadora es menor que el error que hubiera surgido al hacerlo manualmente.
4. Se ha podido comprobar que la eficacia de transferencia de calor entre fluidos para una instalación en contra flujo es mayor que la de paralelo, lo que tiene una relación con la diferencia media logarítmica.
5. Se concluye que la eficiencia es baja debido a la poca diferencia de temperatura entre la máxima temperatura en caliente y la temperatura de agua fría a la entrada del intercambiador, entonces no se transfiere mucho calor con respecto al máximo.
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OBSERVACIONES 1. Se ve que los caudales varían para un caso dado por lo cual el programa toma un dato instantáneo.
2. La temperatura del agua caliente en la entrada no podía sobrepasar los 35ºC, debido a que si no había una falla en la toma de la medición.
3. Se observó que el programa que controlaba el sistema se podía establecer en modo automático, sin embrago las 5 tomas para cada caso se hicieron en forma manual, esto quiere decir que se tuvo que esperar un tiempo de estabilización.
4. Se observó que el dato que se mantuvo constante es el flujo de entrada de agua fría, sin embargo este variaba aunque mínimamente, y el dato variable fue el flujo de entrada al intercambiador del agua caliente, regulando la bomba para que deje pasar un caudal determinado.
5. Se observó también diferentes tipos de intercambiador que no estaban acoplados al sistema, como el de placas y el de tubos.
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RECOMENDACIONES 1. Se necesita cambiar la válvula de entrada de agua al sistema por una que permita regular mejor el caudal de agua.
2. Se debe esperar un tiempo prudencial, dependiendo este de la observación de los cambios de datos en el sistema, para que el sistema se estabilice y así poder
tomar
unos
datos
constantes
para
un
buen
calculo.
3. Se recomienda establecer el sistema para tomar los datos en un tiempo manual, esto debido a que si lo programamos en automático, tomara los datos cada cierto tiempo y puede que este no haya sido el necesario para estabilizar el sistema.
4. Purgar el sistema para que no entren burbujas y nos arroje datos falsos. 5. Se recomienda revisar los componentes del sistema, debido a que el fabricante da como temperatura de funcionamiento del agua caliente 60ºC, sin embargo se tuvo que trabajar con un máximo de 35ºC.
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