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CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL DE LAS
VARIABLES DE CONTROL DEL
INTERCAMBIADOR DE PLACAS UTILIZADO
EN EL SISTEMA TÉRMICO SOLAR DE UNA
PISCINA EN SOGAMOSO.
Autor
DIEGO ALBERTO PÉREZ RIVAS
Directora
CLAUDIA PATRICIA PARRA MEDINA
M.Sc. Ingenieŕıa Mecánica
Co-Director
ARIEL REY BECERRA BECERRA
Ph.D. En F́ısica
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA,
MECATRÓNICA E INDUSTRIAL
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA
Universidad de Pamplona
Pamplona, 21 de junio de 2016
CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL DE LAS
VARIABLES DE CONTROL DEL
INTERCAMBIADOR DE PLACAS UTILIZADO
EN EL SISTEMA TÉRMICO SOLAR DE UNA
PISCINA EN SOGAMOSO.
Autor
DIEGO ALBERTO PÉREZ RIVAS
1125549071
E-mail:dialperi@hotmail.com
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al t́ıtulo de:
INGENIERO MECÁNICO
Directora
CLAUDIA PATRICIA PARRA MEDINA
M. Sc. Ingenieŕıa Mecánica
E-mail:claudypame@gmail.com
Co-Director
ARIEL REY BECERRA BECERRA
PhD. En F́ısica
E-mail:arik@fisica.ru
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA,
MECATRÓNICA E INDUSTRIAL
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
Pamplona, 21 de junio de 2016
Dedicatoria
Este trabajo de grado se lo dedico a Dios quién
me gúıo por el camino correcto para poder llegar
al final de la meta en mi formación profesional.
Con mucho cariño, se lo dedico a mis padres
Eulalia Rivas Cano y Neftali Pérez Sánchez
quienes me dieron la vida y siempre han estado
apoyándome. Gracias infinitas por su amor,
condescendencia, entrega total, sus enseñanzas y
los valores inculcados que me hicieron la persona
que soy. Los Amo.
A mi hermano Carlos Alexi Pérez Rivas, por
su compañ́ıa, por las risas, las lágrimas, por
los buenos momentos que me has brindado los
últimos 22 años.
y también lo dedico a una gran y maravillosa
mujer, Kenlly Y. Barrientos Navarro, quien
en los últimos cuatro años me ha brindado cariño,
amor, apoyo y ánimo en el d́ıa a d́ıa para alcanzar
mis metas, tanto profesionales como personales.
Tu motivación y amor por el estudio fueron de
gran importancia para no flaquear en el intento
por terminar la carrera profesional.
Agradecimientos
Agradezco ante todo a Dios, por brindarme la oportunidad de llevar a feliz término
este trabajo para optar al t́ıtulo profesional.
A mis queridos padres y hermano, por su enorme apoyo incondicional, quienes me han
respaldado en todo momento sin importar las circunstancias y jamás dejaron de creer
en mi.
A Kenlly Y. Barrientos Navarro, por su cariño, amor, comprensión, consejos y ayu-
da, quien ha inculcado en mi el amor por el estudio y ha estado como un pilar en los
momentos adversos que se presentaron.
A mi tutora la M.Sc. Claudia P. Parra M. por sus aportes en conocimiento a lo lar-
go de la carrera. Además, por sus consejos, esfuerzo, colaboración y orientación en el
transcurso del proyecto, siempre comprometida con sus alumnos y la academia.
Al Dr. Ariel R. Becerra B., codirector en este trabajo, por sus aportes, tutoŕıa y apoyo
desinteresado en la realización del trabajo.
A la empresa HELIOTERMICA, por el acompañamiento, asesoŕıa y colaboración.
Al CURI, por permitir la toma de datos experimental.
A la Universidad de Pamplona, por su apoyo económico y por los aportes en conoci-
miento durante mi instancia en el alma máter.
A mis compañeros y colegas, Yimer P., Camilo B., Johana H., Andrés P., Carlos G.,
Oscar S., Lizeth V., Jonathan P., Brayan C., Ricardo C., Jorge P., Jessael M.; gracias
por todos los buenos y malos momentos que pasamos en estos años de carrera, por las
bromas, risas e incluso enojos. Les digo ¡Lo Logramos!.
Y a todos los docentes del programa de Ingenieŕıa Mecánica que han dado un gran
aporte en conocimiento, experiencias y buenos consejos tanto para la vida profesional
cómo la personal.
ix
Resumen
Los intercambiadores de calor son elementos cruciales para la transmisión de la enerǵıa
térmica sin mezclar materiales de trabajo. En el presente trabajo se analiza el comporta-
miento térmico de un intercambiador de calor de placa soldada, instalado en un sistema
de enerǵıa solar para ambientación de piscina. Se tiene en cuenta el comportamiento
de variables como flujo, velocidad del ĺıquido, temperaturas y se evalúa su rendimiento.
Se observa que el rendimiento del intercambiador analizado vaŕıa de acuerdo al flujo
de entrada del ĺıquido de trabajo, en concordancia con la teoŕıa. Se obtiene un flujo
determinado para el mejor rendimiento del intercambiador. Se introduce además la
teoŕıa relacionada con el comportamiento térmico de este tipo de intercambiadores.
Palabras clave: Intercambiador de placas chevron, eficiencia térmica, calenta-
miento de piscinas, sistema térmico solar.
Abstract
Heat exchangers are crucial for transmitting heat energy without mixing elements wor-
king materials. In this work the thermal behavior of a welded heat exchanger plate,
installed in a solar energy system for setting pool is analyzed. behavior is taken into
account variables such as flow velocity of the liquid, temperature, and its performan-
ce is evaluated. It is observed that the performance of the analyzed exchanger varies
according to the inflow of a working liquid, in agreement with theory. a given flow for
the best performance of the heat exchanger is obtained. related theory the thermal
behavior of such exchangers is also introduced.
Keywords: Chevron plate heat exchanger, thermal efficiency, pool heating, solar
thermal system)
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
Contenido
Agradecimientos VII
Resumen IX
Lista de śımbolos XIII
Introducción 1
1. EL PROBLEMA 4
1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1. GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2. Espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. JUSTIFICACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4. ALCANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5. LIMITACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. ESTADO DEL ARTE 7
2.1. ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. MARCO TEÓRICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1. Transferencia de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2. Intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2.1. Tipos de intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . 12
2.2.2.1.1. Por configuraciones geométricas de flujo,[?]: . 12
2.2.2.1.2. Por aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2.1.3. Para piscinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3. Intercambiadores de calor de placas . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3.1. Intercambiadores de placas unidas por empaques . . . 17
2.2.3.2. Intercambiador de placas soldadas . . . . . . . . . . . 18
2.2.3.3. Intercambiador de placas con doble pared . . . . . . . 18
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
CONTENIDO xi
2.2.3.4. Intercambiador de placas soldadas unidas por empaques 19
2.2.3.5. Placas corrugadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3.6. Materiales usados para la construcción de intercambia-
dores de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3.7. Caracteŕısticas de los intercambiadores de placas. . . . 22
2.2.3.8. Ventajas del uso del intercambiador de calor de placas. 22
2.2.3.9. Transferencia de calor en intercambiadores de placas . 23
2.2.3.9.1. Transferencia de calor por conducción. . . . . 23
2.2.3.9.2. Transferencia de calor por convección . . . . . 24
2.2.3.9.3. Coeficiente de transferencia de calor por con-
vección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3.9.4. Cálculo de la efectividad del intercambiador
de placas B3-105A-140. . . . . . . . . . . . . 26
2.2.4. Piscina el CURI en Sogamoso-Boyacá . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3. ASPECTOS LEGALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3. MARCO METODOLÓGICO 35
3.1. METODOLOGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1. Tipo de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2. Tipo de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2. INSTRUMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1. Flujómetro ultrasónico TDS 100H . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1.1. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1.2. Aplicaciones comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2. Termómetro digital Fluke 52 Serie II . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.3. Cámara termográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3. MÉTODO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1. Revisión y recopilación de la información cient́ıfica . . . . . . . 44
3.3.2. Experimentación con el intercambiador de placas . . . . . . . . 44
3.3.3. Análisis e interpretación de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE DATOS 46
4.1. RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2. CÁLCULOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 59
5.1. CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2. RECOMENDACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
xii CONTENIDO
A. Anexo: Nombrar el anexo A de acuerdo con su contenido 60
B. Anexo: Nombrar el anexo B de acuerdo con su contenido 62
C. Anexo: Nombrar el anexo C de acuerdo con su contenido 63
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
Lista de Figuras
2-1. Diagrama esquemático de una unidad de ’Solasyphon’, [?]. . . . . . . . 9
2-2. Placas con patrón tipo: Chevron, Washboard y Cupcake respectivamente,[?]. 10
2-3. Intercambiador de calor Hi Flow de Pahlén, [?]. . . . . . . . . . . . . . 15
2-4. Intercambiador de calor Maxi-Flow de Pahlén, [?]. . . . . . . . . . . . . 15
2-5. Intercambiador de calor Waterheat de Astalpool, [?]. . . . . . . . . . . 16
2-6. Intercambiador de calor multitubular QP, [?]. . . . . . . . . . . . . . . 16
2-7. Intercambiador de calor Climexel, [?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2-8. Intercambiador de calor por Placas, [?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2-9. Empaque con detalle del tipo Clip-on, [?]. . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2-10.Intercambiador de placas soldadas, [?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2-11.Esquema de intercambiador de placas de doble pared, [?]. . . . . . . . . 19
2-12.Sección transversal de placas soldadas y unidas por empaques, [?]. . . . 19
2-13.Cuatro tipos diferentes de corrugado en placas, [?]. . . . . . . . . . . . 20
2-14.Arreglos de flujo en serie, en paralelo y con múltiples pasos respectiva-
mente, [?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2-15.Flujo de calor a través de una pared,[?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2-16.Distribución de colectores solares en la terraza del CURI, [?]. . . . . . . 28
2-17.Tanque de almacenamiento de 10.000 litros, [?]. . . . . . . . . . . . . . 28
2-18.Bombas que env́ıan agua a los colectores, Fuente: Autor. . . . . . . . . 29
2-19.Bomba de 3/4HP, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2-20.Bomba que impulsa agua hacia la piscina e intercambiador, Fuente: Autor. 30
2-21.Bombas impulsoras de fluido caliente hacia el intercambiador, Fuente:
Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2-22.Bombas de calor, [?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2-23.Sistema de control: Izq: Tablero digital con luces indicadoras. Der: Dis-
tribución eléctrica, [?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2-24.Intercambiador de placas Hrale implementado en la piscina el CURI, [?]. 33
3-1. Flujometro ultrasónico TDS 100H, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . 36
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
xiv LISTA DE FIGURAS
3-2. Cables transmisores de la señal, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . 37
3-3. Vista frontal del caudaĺımetro TDS 100H,[?]. . . . . . . . . . . . . . . . 37
3-4. Vista superior del caudaĺımetro TDS 100H,[?]. . . . . . . . . . . . . . . 38
3-5. Vista inferior del caudaĺımetro TDS 100H,[?]. . . . . . . . . . . . . . . 38
3-6. Transductores tipo S1, M1 y L1,[?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3-7. Instalación método V,[?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3-8. Instalación método W,[?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3-9. Instalación método Z,[?]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3-10.Termómetro digital fluke 52 series II.[?] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3-11.Termopares usados para leer temperatura. [?] . . . . . . . . . . . . . . 41
3-12.Componentes del termómetro fluke 52 series II. [?] . . . . . . . . . . . . 42
3-13.Cámara termográfica MTV-2010, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . 43
3-14.Imagen térmicas, visibles y con mezcla, [?]. . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3-15.Imagen térmicas, visibles y con mezcla,[?]. . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4-1. Caudal vs temperatura de entrada de fluido caliente y salida de fluido
fŕıo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4-2. Caudal y temperatura de entrada fluido caliente y salida fluido fŕıo en
las posiciones 1 y 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4-3. Caudal y temperatura de entrada fluido caliente y salida fluido fŕıo en
las posiciones 2 y 3, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4-4. Caudal y temperatura de entrada fluido caliente y salida fluido fŕıo en
las posiciones 3 y 4, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4-5. Caudal y temperatura de entrada fluido caliente y salida fluido fŕıo en
las posiciones 4 y 5, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4-6. Caudal y temperatura de entrada fluido caliente y salida fluido fŕıo en
las posiciones 5 y 6, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4-7. Caudal y temperatura de entrada fluido caliente y salida fluido fŕıo en
las posiciones 6 y 7, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4-8. Caudal y temperatura de entrada fluido caliente y salida fluido fŕıo en
las posiciones 7 y 8, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4-9. Caudal y temperatura de entrada fluido caliente y salida fluido fŕıo en
las posiciones 8 y 9, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4-10.Caudal vs temperatura de entrada y salida de fluido caliente y salida
fluido fŕıo, Fuente: Autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
A-1. Ficha técnica del intercambiador de placas B3-105A-140. . . . . . . . . 61
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
Lista de Tablas
2-1. Clasificación de intercambiadores de calor de acuerdo a su aplicación,[?]. 14
2-2. Materiales para los empaques de las placas y su temperatura de opera-
ción máxima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2-3. Caracteŕısticas del intercambiador B3-105A-140 . . . . . . . . . . . . . 32
4-1. Datos tomados en el CURI: Posición llave, Caudal y Velocidad. Fuente:
Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4-2. Datos tomados en el CURI: Posición llave, Temperatura y Presión. Fuen-
te: Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4-3. Cálculos de transferencia de calor real para todas las posiciones de la llave. 57
4-4. Razón de capacidad caloŕıfica. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4-5. Cálculos de transferencia de calor máxima posible para todas las posi-
ciones de la llave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4-6. Efectividad de la transferencia de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
Lista de śımbolos
Śımbolos con letras latinas
Śımbolo Término Unidad SI
A Área m2
As Área superficial m
2
C Capacidad caloŕıfica kW/K
Cc Capacidad caloŕıfica fluido caliente kW/K
Cf Capacidad caloŕıfica fluido fŕıo kW/K
Cp Calor especifico del fluido kJ/Kg.K
D Diámetro m
h Coeficiente de transferencia de calor por convección W/m2oC
k Coeficiente de conductividad térmica del material W/m.oC
L Longitud m
Lc Longitud caracteŕıstica m
ṁ Flujo de masa kg/s
P Peŕımetro m
Q̇ Rapidez de transmisión de calor kW
T Temperatura ◦C o K
Ts Temperatura de la superficie
oC
Tce Temperatura entrada caliente
oC
Tcs Temperatura salida caliente
oC
Tfe Temperatura entrada fŕıa
oC
Tfs Temperatura salida fŕıa
oC
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
LISTA DE TABLAS xvii
Śımbolos con letras griegas
Śımbolo Término Unidad SI
α Difusividad térmica m2/s
µ Viscosidad dinámica del fluido Kg/m.s
ρ Densidad del fluido kg/m3
ν Viscosidad cinemática m2/s
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
INTRODUCCIÓN
La problemática del calentamiento de piscinas está presente en los asuntos actuales
de la ingenieŕıa y la construcción y se relaciona directamente con instituciones de
recreación, hoteles, instituciones educativas y entidades privadas, enfocándose princi-
palmente en los costos de los combustibles utilizados para este fin. Últimamente se ha
sumado también la problemática del daño ambiental que generan estos combustibles.
La enerǵıa solar se torna como una alternativa viable para reemplazar los sistemas de
calentamiento convencionales, los cuales principalmente se basan en las calderas. La
implementación de sistemas solares se hace cada vez más frecuente gracias a que los
costos de estos sistemas han venido bajando, haciéndolos más competitivos, hasta el
punto, que un sistema de enerǵıa solar térmica para calentamiento de piscinas puede
ahorrar costos muy significativos a mediano y largo plazo.
El uso de enerǵıas limpias para calentamiento de piscinas tiene factores no menos im-
portantes que el económico y son los bajos costos de mantenimiento, la estabilidad del
sistema, la simplicidad de sus componentes y la durabilidad. Por otra parte, el cuidado
del medio ambiente es un factor que no debe estar de lado. Las emisiones de dióxido
de carbono pueden reducirse considerablemente al utilizar estos sistemas, tanto aśı,
que en el mejor de los casos (para piscinas semioĺımpicas) las reducciones pueden ser
equivalentes a las emitidas por cientos de automóviles.
Básicamente un sistema de calentamiento de piscinas con enerǵıa solar se compone de
los siguientes subsistemas: subsistema de captación, subsistema de bombeo, subsistema
de intercambio y subsistema de almacenamiento.
En el caso del Centro Urbano Recreacional Infantil (CURI) el sistema de calefacción
se encuentra diseñado de la siguiente manera: El subsistema de captación está com-
puesto por una serie de colectores solares térmicos, donde cada colector se constituye
por 40 tubos al vaćıo. La estructura del tubo evacuado está conformada por dos tubos
concéntricos de vidrio, uno exterior y uno interior, con vaćıo entre ellos para disminuir
las pérdidas por conducción y convección. El tubo interior generalmente lleva un recu-
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
2 Introducción
brimiento de tres capas (Cobre, Aluminio y Nitrato de Aluminio principalmente) que
permiten convertir la radiación solar en calor aprovechable. El subsistema de bombeo
consiste en una serie de bombas encargadas de llevar los fluidos de trabajo o de aumen-
tar la presión. Dos bombas conectadas en paralelo son las que env́ıan parte del agua
depositada en el tanque de almacenamiento hasta los colectores que se encuentran 12
metros por encima del tanque, otra parte del agua que almacenada es llevada hasta el
intercambiador de placas, usando dos bombas conectadas en serie que se encarga de
hacer pasar el fluido por el intercambiador y enviarlo al tanque nuevamente;aśı mismo
para el agua proveniente de la piscina hay una bomba que se encarga de despachar agua
hacia el intercambiador y la piscina simultáneamente. El subsistema de intercambio de
calor tiene como principal función transferir la enerǵıa caloŕıfica acumulada en el fluido
que proviene de los colectores solares hacia el fluido que se encuentra acumulado en la
piscina, los fluidos utilizados tanto en el caso del primario como del secundario son el
agua. En términos generales se pueden encontrar intercambiadores de calor de varios
tipos, como lo son:
Intercambiador de calor de doble tubo:
• Flujo paralelo.
• Contraflujo.
Intercambiador de calor compacto o de flujo cruzado.
Intercambiador de calor de tubos y coraza.
Intercambiador de calor de placas y armazón.
Intercambiador de calor regenerativo,[?].
El subsistema de almacenamiento es el encargado de mantener la enerǵıa caloŕıfica
captada por los colectores solares; en las instalaciones solares térmicas se hace indis-
pensable el uso de una unidad de almacenamiento ya que la cantidad de agua caliente
que se requiere es mayor que la cantidad de agua caliente que se está generando. Es
necesario tener el cálculo respectivo para que la unidad de almacenamiento cumpla con
el requerimiento de temperatura necesaria para la utilización de la piscina.
El presente proyecto tiene como finalidad la caracterización del intercambiador de calor
utilizado en el Centro Urbano Recreacional Infantil (CURI) de Sogamoso, y establecer
la relación flujo-temperatura de intercambio. Esta caracterización se hace importante
en el proceso de configuración y ajustes del sistema de calentamiento instalado en este
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
Introducción 3
centro recreacional. Un intercambiador de placas es un dispositivo diseñado espećıfica-
mente para transferir calor entre dos secciones que pueden o no estar conectadas entre
śı. Cada intercambiador es un mundo propio por su diseño y operación, haciéndolos
particularmente atractivos para su estudio, por medio de la experimentación se podŕıa
conocer detalladamente su funcionamiento y a su vez realizar los cálculos necesarios
para una minuciosa caracterización.
Con el actual avance tecnológico y la utilización de la enerǵıa solar para diferentes
procesos, el Centro Recreacional implementó el sistema de colectores solares, los cuales
permiten que la radiación solar sea absorbida, transformada en calor y transmitida al
agua para elevar la temperatura, con bombas de calor como sistema de respaldo per-
mitiendo mantener la temperatura de la piscina a una temperatura deseada durante
todo el tiempo.
En este caso en especial para la caracterización del intercambiador el fluido que se
utiliza por las dos tubeŕıas es el agua, sin llegar a producirse un cambio de fase.
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
Caṕıtulo 1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Los intercambiadores de calor son equipos muy utilizados en la industria donde se re-
quiere trasmitir calor de un fluido a otro, bien sea para que uno se enfrié y luego se
utilice o por el contrario se caliente el fluido que se usará en determinada aplicación.
De acuerdo a la necesidad es importante tener identificado el tipo de intercambiador,
los tipos de fluidos a utilizar y las cantidades de flujo que estarán pasando por el in-
tercambiador de calor para que su eficiencia sea la más óptima.
En el Centro Urbano Recreacional Infantil (CURI) se utiliza un sistema térmico solar
para calentar el agua de una piscina, por medio de colectoressolares en donde se
capta la radiación del Sol y se calienta el agua que luego será transportada hasta el
intercambiador donde se hará la transferencia de calor al agua que está depositada en
la piscina. El rendimiento del intercambiador de placas vaŕıa de acuerdo a los flujos
que pasen por él, de ah́ı la importancia de la caracterización del intercambiador para
encontrar el mejor rendimiento, estudiando el flujo más adecuado para que el agua
de la piscina se encuentre a una temperatura aceptable para el cuerpo humano (entre
28oC y 32oC).
Se pretende analizar el intercambiador como pieza clave en la transmisión de calor desde
el área de captación hacia la piscina. Esta caracterización se hace importante para la
investigación, pues ya instalado el sistema, puede estudiarse el comportamiento del
intercambiador con las condiciones del lugar y de la instalación, permitiendo conocer
más detalladamente sus variaciones de rendimiento y las relacionadas principalmente
con el flujo (el cual puede ser regulado, mediante una válvula tipo mariposa) y aśı
optimizar el intercambio de calor y hacer el sistema por consiguiente más eficiente.
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
1.2 OBJETIVOS 5
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. GENERAL
Caracterizar experimentalmente las variables de control del intercambiador de placas
utilizado en un sistema térmico solar de una piscina en Sogamoso.
1.2.2. Espećıficos
Revisar la bibliograf́ıa cient́ıfica relacionada con el intercambio de calor en siste-
mas térmicos solares.
Elaborar un diseño de experimentos para la toma de datos que permita caracte-
rizar las variables de control del intercambio de calor.
Realizar la toma de datos del modelo experimental y compararlos con los cálculos
teóricos.
Socializar los resultados y conclusiones obtenidas en el desarrollo del trabajo.
1.3. JUSTIFICACIÓN
Ante el avance tecnológico y la problemática energética, se ha venido buscando la
implementación de enerǵıas renovables para muchos procesos, evitando el uso de com-
bustibles contaminantes que tienen un alto impacto negativo en el medio ambiente.
De ah́ı parte la implementación de un sistema solar térmico para calentar el agua del
Centro Urbano Recreacional Infantil (CURI).
La caracterización del intercambiador del Centro Recreacional, permitirá conocer de
manera experimental el comportamiento de éste y a su vez del sistema de calenta-
miento en general, permitiendo configurar su flujo y su optimización durante el tiempo
de funcionamiento, lo que conlleva a economizar costos relacionados con el bombeo y
con la efectividad del intercambio energético. Si bien es cierto, que las caracteŕısticas
y parámetros de funcionamiento del intercambiador están en las fichas técnicas, éstas
fueron generadas en condiciones de laboratorio y resulta interesante e importante es-
tudiar el comportamiento in situ de estos parámetros con las condiciones del entorno
y en las cuales está instalado este aparato.
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6 1 EL PROBLEMA
Al tener identificado el rendimiento con el cual el intercambiador de placas trabaja
en su mayor eficiencia, se simplifica la búsqueda de un intercambiador adecuado de
acuerdo al volumen de agua que se va a manejar, teniendo en cuenta que se necesita
llevar el agua a una temperatura confortable para su posterior uso.
1.4. ALCANCES
Este trabajo busca caracterizar experimentalmente las variables de control del inter-
cambiador de placas utilizado en el sistema térmico solar del CURI de Sogamoso-
Boyacá, para la cual se realizará el diseño y la implementación de un modelo experi-
mental para la toma de datos que permita caracterizar cada una de las variables de
control.
Posteriormente se realizará la toma de datos del modelo experimental y se comparará
con los cálculos teóricos a fin de validar los datos obtenidos.
1.5. LIMITACIONES
El intercambiador de calor que se busca caracterizar hace parte del sistema térmico
solar del centro urbano recreacional infantil (CURI) de Sogamoso-Boyacá, por tanto,
la implementación del modelo experimental y la toma de datos se debe hacer in situ,
por lo cual se hace necesario desplazarse a la ciudad de Sogamoso al menos durante
dos semanas, situación que pudiera demandar recursos económicos extras que aunque
han sido contempladas en el presupuesto pudieran extenderse en el tiempo, dado que
no podemos manejar ni prever las condiciones climáticas del lugar.
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Caṕıtulo 2
ESTADO DEL ARTE
2.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Cuando se tienen los equipos de intercambio de calor en funcionamiento es imprescin-
dible experimentar con ellos para determinar la mejor configuración con cada una de
sus variables.
En el trabajo: “Determinación experimental del coeficiente de convección y el factor
de fricción de un intercambiador de placas”, [?], se realizó el estudio experimental del
coeficiente de convección tanto fŕıo como en caliente y el factor de fricción de Fanning
para un intercambiador de placas, en la Universidad Carlos III de Madrid, en don-
de se comprobaron los resultados obtenidos experimentalmente con los obtenidos por
otros autores en estudios similares. La caracterización del intercambiador de calor se
hizo cuando se encontraba en funcionamiento el sistema y para ello se debió realizar el
seguimiento a cada uno de los diferentes componentes del mismo, también se realiza-
ron los cálculos pertinentes para hallar el coeficiente de convección utilizando métodos
como el de Wilson modificado, luego se hizo el análisis teórico para posteriormente rea-
lizar el procedimiento experimental y por medio de un software matemático resolver el
método de Wilson para finalmente aplicar un criterio conocido como Chauvenet, el cual
es usado como un criterio estad́ıstico para excluir los resultados que en su momento
parezcan ser errados; y como éste fue un trabajo experimental se hizo necesario calcular
la incertidumbre del coeficiente de convección. Luego, se procedió a realizar el cálculo
del factor de fricción por medio de un procedimiento experimental, se calculó el flujo
de la bomba y se utilizó el software para determinar el factor de fricción de Fanning,
se aplicó el criterio de Chauvenet y se halló la incertidumbre del dicho factor. Las
incertidumbres obtenidas para el coeficiente de convección y para el factor de fricción
fueron pequeñas dando a entender que son confiables; en cuanto a la comparación de
resultados con otros autores se notó cierta divergencia.
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8 2 ESTADO DEL ARTE
Sobre los efectos que tiene la mala distribución del flujo sobre el rendimiento de un
intercambiador de calor, Meng Chin expone en su trabajo titulado: “On the adverse
influence of higher statistical moments of flow maldistribution on the performance of
a heat exchanger”[?], como baja el rendimiento térmico y como aumenta la cáıda de
presión del fluido a medida que la eficiencia térmica baja. En todos los intercambia-
dores de calor se evidencia la mala distribución del flujo que tiene que ver con razones
como el diseño y su acoplamiento con otros elementos que integran el sistema, también
se puede considerar el efecto de la temperatura. Mas aún, alĺı se considera que la prin-
cipal razón para que el rendimiento de un intercambiador de calor se vea atenuado es
debida a la relación del coeficiente de transferencia de calor por convección y la cáıda
de presión que sufre el fluido. Los autores realizan un modelo matemático donde se tie-
nen en cuenta el deterioro que sufre el rendimiento térmico y el rendimiento hidráulico
mediante una serie de ecuaciones, a partir de dichos cálculos se hace un análisis de
las mismas, donde se sugiere estudiar el problema que tiene la mala distribución por
medio de un perfil de velocidad normalizada. En el primer casoencuentran efectos en la
forma del perfil de la mala distribución, para los otros casos se obtienen efectos opues-
tos. La mala distribución la encuentran en el flujo de aire, mientras que en el flujo de
agua caliente detectan una distribución uniforme al fluir por los tubos. Mediante datos
estad́ısticos como la media, la desviación estándar y el sesgo, se intenta dar respuesta
al comportamiento que sufre un intercambiador de calor, cuando su rendimiento se
ve afectado por la mala distribución y lo demostraron matemáticamente por medio
de la serie de Taylor. Concluyen dando a conocer tres momentos fundamentales para
reducir los efectos que tienen la mala distribución de los intercambiadores de calor, en
los porcentajes del factor de deterioro térmico y del factor de potencia de bombeo, los
momentos son: (vaŕıa como la tercera potencia de la media, vaŕıa como el cubo de la
desviación estándar y vaŕıa linealmente con la inclinación).
En el trabajo que lleva por titulo: “Experimental characterisation of a novel heat ex-
changer for a solar hot water application under indoor and outdoor conditions” [?],
los autores realizarón un estudio de la caracterización de un intercambiador de calor
en una aplicación novedosa de un sistema solar de agua caliente en condiciones de
exterior e interior, alĺı se estudió el desempeño operativo del sistema bajo condiciones
al aire libre y con un tanque de almacenamiento de agua de doble bobina, para dicho
estudio utilizaron el sistema desarrollado por Willis Heating & Plumbing Co. Ltda
llamado “Solasyphon” como se muestra en la Figura 2-1. En este trabajo se diseñaron
y desarrollaron tres instalaciones de pruebas diferentes (2 al interior y 1 al exterior del
laboratorio), las cuales les permitieron realizar la investigación experimental del siste-
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2.1 ANTECEDENTES 9
ma “Solasyphon”. La prueba interior requirió de dos etapas: la primera consistió en la
simulación de la ganancia de calor solar por medio de un tanque de almacenamiento
de agua que se encontraba precalentada, y en la segunda, la ganancia de calor se ob-
tiene mediante un colector solar. La prueba de exterior se realiza en una sola etapa,
instalando los equipos en el techo del edificio donde se encuentra el laboratorio que
utilizaron para desarrollar la investigación. Además, programaron la prueba en las tres
etapas correspondientes y los resultados que obtuvieron fueron los siguientes:
El sistema “Solasyphon” aumenta la temperatura del agua a mayor velocidad
que los sistemas de bobina, cualquiera sea la condición (interior o exterior).
El sistema “Solasyphon” provee agua caliente con mejor eficacia que los sistemas
de bobinas en aplicaciones internas.
Con bajos niveles de radiación solar diaria los sistemas de bobinas pierden calor
en mayor proporción que el sistema “Solasyphon”.
Figura 2-1: Diagrama esquemático de una unidad de ’Solasyphon’, [?].
Como resultado se obtuvo que el sistema “Solasyphon” es más eficiente y más barato
que un sistema de bobinas.
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10 2 ESTADO DEL ARTE
Por otra parte, en el trabajo titulado: “Análisis numérico de tres tipos de intercambia-
dores de calor de placas”,[?], el autor plantea un modelado y el posterior análisis de
tres diferentes tipos de placas corrugadas (Chevron, Washboard y Cupcake) mostradas
en la Figura2-2, que son usadas en intercambiadores de calor de placas en la industria
de alimentos para el proceso de pasteurización de la leche.
Figura 2-2: Placas con patrón tipo: Chevron, Washboard y Cupcake
respectivamente,[?].
El primer paso que se realizó en este trabajo fue diseñar en un software CAD ”Solid-
Works”los diferentes modelos de placas y se usa un paquete llamado ”Flow Simula-
tion”para simular el paso de la leche por cada una de las placas. Para la solución del
problema se usaron modelos de turbulencia ya que la mayoŕıa de flujos en este tipo de
aplicaciones son de naturaleza turbulenta, también se usó métodos numéricos como el
de volúmenes finitos y el mallado computacional en cada uno de los tipos de placas.
Como resultados se obtuvo que para la placa con corrugado tipo Chevron existen zo-
nas en la placa que tienen mayor velocidad y unas pequeñas zonas con baja velocidad,
debido a la forma en que el flujo se desplaza entre dos placas y también se encontró co-
mo resultado la concentración de mayor temperatura en la parte intermedia de la placa.
En la placa con patrón Washboard se obtuvo que en las zonas donde no hay patrón
de corrugado, la velocidad aumentó, por ende los coeficientes de transferencia de calor
son bajos comparándolos con el patrón Chevron pero la cáıda de presión es baja en
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2.2 MARCO TEÓRICO 11
comparación con la Chevron. Para la última placa con patrón de corrugación tipo Cup-
cake, las mas utilizadas en la industria de lácteos; dio como resultado una distribución
de velocidades uniforme y la distribución de la temperatura presentó un modelo más
general en toda la placa.
En este trabajo se concluir que el patrón o la forma del corrugado de las placas altera
la transferencia de calor en los intercambiadores y de los tres patrones estudiados el
que mejores resultados obtuvo fue el tipo Chevron.
2.2. MARCO TEÓRICO
2.2.1. Transferencia de calor
La transferencia de calor se da entre cuerpos calientes y fŕıos comúnmente llamados
fuente y recibidor,[?].
Existen tres mecanismos de transferencia de calor, donde este puede pasar de la fuente
al recibidor. Los cuales se exponen a continuación:
Conducción: La transferencia de calor por conducción es el mecanismo utilizado
en medios sólidos, este se da a través de una pared estacionaria, llevando siempre
una dirección en ángulos rectos a la pared y la transmisión de calor va desde la
zona de mayor temperatura hasta la de menor temperatura. Por ende, la canti-
dad de calor transferido es proporcional al área de la pared y a la diferencia de
temperatura a través del espesor de la pared, la ecuación que rige el mecanismo
de conducción es conocida como la ley de conducción de calor de Fourier:[?].
Q̇cond = −kA
(
dT
dx
)
(2-1)
Convección: Es la transferencia de calor causada por el movimiento de las
part́ıculas en un fluido o gas, donde las moléculas con mayor enerǵıa se extienden
hasta la región más fŕıa hasta que la temperatura se encuentre en equilibrio, a
esto se le conoce como convección natural o libre. Pero si existe una agitación ex-
terna inducida, el proceso se llama convección forzada, la transferencia de calor
por convección se expresa por la ley de Newton del enfriamiento como:[?].
Q̇conv = hAs(Tw − T∞) (2-2)
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12 2 ESTADO DEL ARTE
Radiación: En ésta se involucra la transferencia de enerǵıa radiante emitida en
forma de ondas electromagnéticas desde un cuerpo, todos los sólidos, ĺıquidos y
gases pueden emitir, absorber o transmitir radiación a diversos grados, la super-
ficie idealizada que emite radiación a su máxima razón se llama el cuerpo negro.
Las demás superficies emiten radiación en menor proporción que la del cuerpo ne-
gro, la ley de Stefan-Boltzmann rige la radiación que puede emitir un cuerpo
y se expresa como:[?].
Q̇emitida = εσAsT
4
s (2-3)
2.2.2. Intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor son equipos diseñados para facilitar la transferencia de
calor entre fluidos que están separados por una barrera o que se encuentran en contacto,
donde uno se encuentra a una temperatura mayor y el otro esta a una temperatura
más baja. Dicha transferencia siempre va del fluido con mayor temperatura hacia el de
menor temperatura.
2.2.2.1. Tipos de intercambiadores de calor
2.2.2.1.1. Por configuraciones geométricas de flujo,[?]:
Una sola corriente: Son intercambiadores donde cambia la temperaturade un
solo fluido, careciendo de importancia la dirección que pueda tener el flujo. Como
ejemplo de este tipo de intercambiadores se encuentran los condensadores y las
calderas simples.
Dos corrientes en flujo paralelo: Para este caso los dos fluidos van en el mismo
sentido y en direcciones paralelas, este tipo de intercambiadores está compuesto
por dos tubos concéntricos, comúnmente se conocen como intercambiador de co-
raza y tubos, que es utilizado para ĺıquidos y altas presiones.
También se encuentran algunos de tipo placa, donde las placas van separadas por
sellos siendo estos lo más usuales para gases a bajas presiones, se conoce como
intercambiador de corrientes paralelas.
Dos corrientes en contracorriente: Para este caso los fluidos van en direcciones
paralelas pero en sentidos opuestos.
Los más utilizados en esta configuración son los intercambiadores de coraza y
tubos y también los de placas, como ejemplo para este tipo de intercambiadores
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2.2 MARCO TEÓRICO 13
de calor se tienen los precalentadores de agua de alimentación para calderas y los
enfriadores de aceite para aviones.
Dos corrientes en flujo cruzado: En este caso las corrientes de fluido van en
direcciones perpendiculares, generalmente el fluido caliente va en el interior de
los tubos y el fŕıo a través de ellos en forma perpendicular, un claro ejemplo para
esta configuración es el radiador de un automóvil.
Dos corrientes en contraflujo cruzado: Para esta configuración se encuentran los
casos de dos pasos y de cuatro pasos, pero también se puede usar un número
mayor de pasos.
Dos corrientes a pasos múltiples: En un intercambiador de coraza y tubos, los
tubos se encuentran dispuestos en uno o más pasos en el interior de la coraza, en
algunos de los pasos se encontrará un flujo paralelo mientras que en otros estará
un flujo a contracorriente.
Regeneradores: En este tipo de configuración las dos corrientes de fluido se alter-
naran a través de una matriz de gran capacidad de almacenamiento de calor.
El fluido caliente cede su calor el cual es almacenado en la matriz, teniendo como
efecto el aumento de la temperatura de la misma, la cual posteriormente será
transferida al fluido fŕıo cuando este pasa por la matriz.
2.2.2.1.2. Por aplicaciones Los intercambiadores de calor también se pueden cla-
sificar de acuerdo a la aplicación necesaria.
En la (Tabla 2-1),[?], se muestra la clasificación de los intercambiadores de acuerdo
con la aplicación que se necesita.
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14 2 ESTADO DEL ARTE
Tabla 2-1: Clasificación de intercambiadores de calor de acuerdo a su aplicación,[?].
Tipo Aplicaciones
Tubo y Carcaza Multiuso. Prácticamente se amolda a cualquier servicio, por lo general es el primer inter-
cambiador que se considera en una determinada aplicación.
Doble Tubo Se utilizan cuando se requieren áreas de transferencia de calor pequeñas (100 a 200 ft2).
Son muy útiles en operaciones a altas presiones.
Láminas empacas:
PHE con empacaduras
Muy utilizado en la industria alimenticia, sobre todo con fluidos viscosos. Cuando se
requieren condiciones sanitarias extremas.
Láminas empacas:
PHE sin empacaduras
Manejo de fluidos viscosos y sobre todo peligrosos o a altas presiones.
Enfriadores con Aire y
Radiadores
Se emplean mucho cuando el costo del agua es elevado o cuando se requiere de una torre
de enfriamiento para el agua.
Espiral No presentan problemas de expansión diferencial. Muy empleados en servicios criogénicos
y cuando se manejan fluidos muy viscosos, lodos o ĺıquidos con sólidos en suspensión
(industria del papel).
Enfriadores de cascada Para enfriar fluidos de proceso muy corrosivos.
Enfriadores de peĺıcula
descendente
Enfriamientos especiales.
Enfriadores de ser-
pent́ın
Enfriamientos de emergencia.
Condensadores ba-
rométricos
Se emplean cuando no se mezclan el agua y el fluido de proceso a enfriar.
2.2.2.1.3. Para piscinas Mantener la temperatura del agua en una piscina en un
rango que sea de confort para los bañistas es de vital importancia, en los sistemas
utilizados para tal fin se hace indispensable el uso de un intercambiador de calor, los
más utilizados se mencionan a continuación,[?].
Hi Flow de Pahlén: Es una alternativa muy útil a la hora de calentar el agua
de una piscina en ambientes con grandes posibilidades de corrosión, ya que su
cuerpo y serpent́ın están hechos de Titanio, Figura2-3.
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2.2 MARCO TEÓRICO 15
Figura 2-3: Intercambiador de calor Hi Flow de Pahlén, [?].
Maxi-Flow Pahlén: Es del tipo de carcaza y tubos, diseñado y construido en acero
inoxidable con 37 tubos internos con restrictores de flujo para que la transferencia
de calor sea de alta capacidad, Figura2-4.
Figura 2-4: Intercambiador de calor Maxi-Flow de Pahlén, [?].
Waterheat de Astralpool : Utilizado ampliamente en el calentamiento de agua pa-
ra piscinas y spa, trabaja en presiones entre 3 y 10 bares, Figura2-5.
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16 2 ESTADO DEL ARTE
Figura 2-5: Intercambiador de calor Waterheat de Astalpool, [?].
Multi-tubular QP : Diseñado exclusivamente para la calefacción o refrigeración de
piscinas, sin importar si encuentran al aire libre o en interiores, contando con una
idoneidad para bombas de calor, neveras, calentadores de gas, bombas de calor y
paneles solares, Figura2-6.
Figura 2-6: Intercambiador de calor multitubular QP, [?].
Climexel : Equipados con placas de titanio, compatibles con los diferentes trata-
mientos de agua, Figura2-7.
Figura 2-7: Intercambiador de calor Climexel, [?].
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2.2 MARCO TEÓRICO 17
Por placas : Los más utilizados en la industria y en la calefacción doméstica, fa-
bricados principalmente en Titanio para soportar los qúımicos que lleva el agua
de la piscina, estos intercambiadores de placas suelen utilizar un caudal muy bajo
entre los 1,5 a 8 metros cúbicos por hora, Figura2-8.
Figura 2-8: Intercambiador de calor por Placas, [?].
2.2.3. Intercambiadores de calor de placas
Los intercambiadores de calor de placas son dispositivos utilizados por la industria
para el enfriamiento o calentamiento de un fluido de acuerdo a la necesidad, básica-
mente están constituidos por un número de placas corrugadas elaboradas en materiales
metálicos con buenos coeficientes de transferencia de calor, separadas una de la otra
por una distancia que está entre 1 y 7 mm, puede ser por empaques colocados en los
bordes o en su defecto separadas por otro método de sujeción como la soldadura. El
tamaño y la cantidad de placas está dado en función del área de transferencia y el calor
deseado, también de las propiedades de los fluidos, de los caudales, las temperaturas
deseadas y de las pérdidas de presión.
En la industria se encuentran diferentes tipos de intercambiadores de calor de placas,
como los siguientes:
2.2.3.1. Intercambiadores de placas unidas por empaques
Este tipo de intercambiadores son los más comunes, debido a que se sus placas se
pueden intercambiar y son de fácil limpieza, usados principalmente en la industria
alimentaria. Los empaques se pueden unir a las placas de dos maneras, con pegamento
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18 2 ESTADO DEL ARTE
o por medio de un clip-on que se sujeta en la hendidura que tiene la placa, como se
muestra en la Figura 2-9, [?].
Figura 2-9: Empaque con detalle del tipo Clip-on, [?].
2.2.3.2. Intercambiador de placas soldadas
Los intercambiadores de calor de placas soldadas fueron diseñados para los procesos
térmicos donde los fluidos se encuentran a altas temperaturas y presiones. Para es-
te caso las placas son soldadas unas con otras, por esta razón son conocidos como
intercambiadores de calor compactos, en la Figura 2-10 se muestra un ejemplo del
intercambiador de placas soldadaso compacto, [?].
Figura 2-10: Intercambiador de placas soldadas, [?].
2.2.3.3. Intercambiador de placas con doble pared
Los intercambiadores de calor de placas con doble pared fueron diseñados para evitar
que los flujos lleguen a contaminarse o que reaccionen al estar en contacto. La disposi-
ción de las placas se hace por pares, sujetadas de tal forma que se encuentre un espacio
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2.2 MARCO TEÓRICO 19
entre ellas por si llega a existir una fuga esta pueda ser evacuada por dicho espacio
hacia el exterior del intercambiador. En la Figura 2-11 se muestra el esquema de la
placas con doble pared, [?].
Figura 2-11: Esquema de intercambiador de placas de doble pared, [?].
2.2.3.4. Intercambiador de placas soldadas unidas por empaques
Este tipo de configuración de las placas se emplea cuando uno de los fluidos de trabajo
es extremadamente corrosivo, dos placas son soldadas formando un espacio entre ellas
por el cual pasará el flujo corrosivo y por el otro lado las placas estarán separadas
por los empaques convencionales que no se verán afectados por el fluido no corrosivo.
En la Figura 2-12 se muestra una sección transversal de placas soldadas y unidas por
empaques, [?].
Figura 2-12: Sección transversal de placas soldadas y unidas por empaques, [?].
2.2.3.5. Placas corrugadas
Las placas son el primordial elemento de los intercambiadores de calor de este tipo,
pues es gracias a ellas que se puede llevar a cabo el proceso de transferencia de calor.
Existen diferentes tipos de corrugaciones lo que permite que se pueda inducir mayor
turbulencia en el fluido y por ende que los coeficientes de transferencia de calor serán
mayores. Para los diferentes tipos de corrugados se muestra un ejemplo en la Figura
2-13, [?].
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20 2 ESTADO DEL ARTE
Figura 2-13: Cuatro tipos diferentes de corrugado en placas, [?].
Es posible realizar diferentes arreglos de flujo dentro del intercambiador, como lo son: en
serie, en paralelo y de múltiples pasos, con el fin de poder suplir la demanda requerida
de transferencia de calor. En la Figura 2-14 se muestran los tres tipos de arreglos de
flujo, [?].
Figura 2-14: Arreglos de flujo en serie, en paralelo y con múltiples pasos respectiva-
mente, [?].
2.2.3.6. Materiales usados para la construcción de intercambiadores de
placas
Para la construcción de intercambiadores de placas se hace necesario conocer los pro-
cesos a los que serán sometidos y el tipo de fluidos de trabajo que circulara por ellos,
a continuación se dan a conocer los diferentes materiales para la elaboración de las
placas, [?]:
Acero Inoxidable AISI 304
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2.2 MARCO TEÓRICO 21
Acero Inoxidable AISI 316
Avesta SMO 254
Titanio, titanio-0.2 %
Tantalio
Inconel 600
Inconel 625
Incoloy 825
Monel 400
Hastelloy B
Hastelloy C-276
Aluminum brass 76/22/2
Cupronickel (70/30)
Diabon F 100
También para los empaques se encuentran diferentes materiales, que vaŕıan de acuerdo
al requerimiento que se tenga. En la Tabla 2-2 se muestran los diferentes materiales
para los empaques de acuerdo a la temperatura de trabajo, [?].
Tabla 2-2: Materiales para los empaques de las placas y su temperatura de operación
máxima
Materiales Máx Temp.
Caucho estireno-butadieno (80oC)
Caucho de nitrilo (140oC)
Caucho etileno-propileno (150oC)
Caucho curado con resina (140oC)
Caucho de fluoro-carbono (180oC)
Fluoro-elastómeros (100oC)
Fibras comprimidas de asbestos (260oC)
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22 2 ESTADO DEL ARTE
2.2.3.7. Caracteŕısticas de los intercambiadores de placas.
Para los intercambiadores de calor de placas se pueden evidenciar unas caracteŕısticas
generales como las siguientes,[?]:
1. Presión de operación máxima: 25-30 [bar]
2. Temperatura de operación máxima: 160-200 [oC]
3. Flujo volumétrico máximo: 3600 [m3/h]
4. Coeficiente de transferencia calor: 3000-7500 [W/m2oC]
5. Área de transferencia de calor: 0.1-2200 [m2]
6. Diámetro máximo de entrada o salida de flujo: 0.45 [m]
7. Máxima eficiencia de transferencia de calor: 93 %
2.2.3.8. Ventajas del uso del intercambiador de calor de placas.
A continuación se presentan las principales ventajas que tiene el uso de los intercam-
biadores de placas,[?]:
Con placas corrugadas se obtiene alta turbulencia y coeficientes de transferencia
de calor elevados.
Se reducen considerablemente las incrustaciones por la turbulencia generada,
también por la superficie lisa de las placas o por el flujo uniforme que va al
interior.
En este tipo de intercambiadores los flujos van a contracorriente, lo cual hace que
la diferencia de temperatura sea mayor.
Son livianos y compactos, incluso pueden llegar a medir y pesar una quinta parte
de sus semejantes.
Funcionan muy bien en fluidos viscosos, gracias a que las placas ayudan a obtener
una gran turbulencia con velocidades pequeñas.
Existe un bajo riesgo de contaminación entre los fluidos, debido a que hay varios
tipos de unión entre las placas que evitan que los fluidos puedan llegar a mezclarse.
Son de notable facilidad de operación y acceso para su mantenimiento, lo que
permite ser inspeccionado y limpiado sin ningún inconveniente.
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2.2 MARCO TEÓRICO 23
Como una de sus mayores cualidades está que puede ser modificado, quitando o
adicionando placas, incluso agregando divisores de secciones entre las placas para
que puedan pasar más de dos fluidos por el intercambiador.
2.2.3.9. Transferencia de calor en intercambiadores de placas
2.2.3.9.1. Transferencia de calor por conducción. La conducción es el meca-
nismo por el cual se transfiere calor a través de un material que se encuentra fijo y el
flujo de calor siempre va en dirección perpendicular a la pared, tal como se muestra en
la Figura 2-15.
Figura 2-15: Flujo de calor a través de una pared,[?].
El flujo de calor transmitido por hora es proporcional a la razón de cambio de tem-
peratura que ocurre a través de la pared y al área de la misma. Con la ecuación de
Fourier se puede obtener la cantidad de flujo de calor dQ,[?].
Q̇ = −kA
(
dt
dx
)
(2-4)
Donde:
Q̇: Cantidad de flujo de calor. [W]
k: Coeficiente de conductividad térmica del material. [W/moC]
A: área transversal al flujo de calor. [m2]
−dt/dx: Gradiente de temperatura.
Conductividad térmica: Es la capacidad que tiene un material para conducir el calor a
través de su cuerpo. Ésta tiene un rango amplio de valores, que depende del material
y de si es buen conductor del calor como los metales o si por el contrario es un mal
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24 2 ESTADO DEL ARTE
conductor también conocidos como aislantes, entre ellos los plásticos, la madera, etc.
En definición la conductividad térmica es la cantidad de calor que se conduce por
unidad de tiempo a través de una unidad de espesor, cuando ocurre una diferencia de
temperatura,[?].
2.2.3.9.2. Transferencia de calor por convección La convección, es el método
por el cual dos fluidos parcialmente calientes y fŕıos se transfieren el calor por medio
de una mezcla. Como ejemplo, se puede suponer que un recipiente con un contenido
ĺıquido se coloca sobre una llama, el ĺıquido que esta en el fondo del envase se calienta
y por consiguiente se vuelve menos denso que el ĺıquido encontrado en la parte superior
del receptáculo e inicia un ascenso a través de ella, a medida que sube va transmitiendo
el calor por medio de una mezcla. A esto se le conoce como convección natural o lire, [?].
Cuando se obliga a que un fluido se mueva sobre una superficie para incrementar la
transferencia de calor, se utilizan medios externos como ventiladores, a este proceso se
le conoce como convección forzada.
La transferencia de calor por convección puede ser descrita por la siguiente ecuación.
Q̇ = hA(Ts − T∞) (2-5)
Donde:Q̇: Flujo de calor. [W]
h: Coeficiente de transferencia de calor por convección. [W/m2oC]
A: área transversal al flujo de calor. [m2]
Ts: Temperatura de la superficie. [
oC]
T∞: Temperatura del fluido circundante. [
oC]
2.2.3.9.3. Coeficiente de transferencia de calor por convección : No es una
propiedad del material, depende de una variedad de factores para hallar su magnitud,
como la densidad, la velocidad, la viscosidad, la geometŕıa de la superficie, el calor
espećıfico del fluido, entre otros,[?].
Determinación del coeficiente de transferencia de calor por convección.
Para la determinación del coeficiente de transferencia de calor por convección se deben
calcular las expresiones adimensionales conocidas como: Número de Nusselt, Número
de Prandtl y Número de Reynolds,[?].
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2.2 MARCO TEÓRICO 25
Número de Nusselt: es un número adimensional, encargado de medir el aumento de
transmisión de calor desde una superficie por la que corre un fluido y se compara con
la transferencia de calor por conducción, si solamente ésta ocurriera. Se define como,[?]:
Nu =
Transferencia de calor por convección
Transferencia de calor por conducción
=
hLc
k
(2-6)
Donde:
h: Coeficiente de transferencia de calor por convección. [W/m2oC]
Lc: Longitud caracteŕıstica. [m]
k: Conductividad térmica del material. [W/moC]
Donde la longitud caracteŕıstica esta definida como:
Lc =
4A
P
= D, (2-7)
donde:
A: área transversal al flujo. [m2]
P: peŕımetro mojado. [m]
D: diámetro de tubo. [m]
Número de Prandtl: Es un número adimensional, que describe el espesor relativo
de las capas ĺımite de velocidad y la difusividad térmica, se define como,[?]:
Pr =
Difusividad molecular de la cantidad de movimiento
Difusividad molecular del calor
=
ν
α
=
µCp
k
(2-8)
Donde:
ν: Viscosidad cinemática.[m2/s]
α: Difusividad térmica.[m2/s]
µ: Viscosidad dinámica del fluido.[Kg/m.s]
k: Conductividad térmica del fluido.[W/m.oC]
Cp: Calor espećıfico del fluido.[J/kgoC]
El número de Prandtl en los fluidos va desde menos −0,01 para los metales ĺıquidos
hasta más de 100 000 para aceites pesados. El calor se propaga con más rapidez en
metales ĺıquidos (Pr � 1) y muy lentamente en los aceites (Pr � 1) en relación con
la cantidad de movimiento. Los números de Prandtl bajos se deben a la alta conduc-
tividad térmica de los fluidos, debido a que el calor espećıfico y la viscosidad de los
metales ĺıquidos son comparables a otros fluidos comunes,[?].
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26 2 ESTADO DEL ARTE
Número de Reynolds: Principalmente depende de la relación entre fuerzas de iner-
cia y las fuerzas viscosas en el fluido, es una cantidad adimensional que se expresa como:
Re =
Fuerzas de inercia
Fuerzas viscosas
=
V Lc
ν
=
ρV Lc
µ
(2-9)
Donde:
V: Velocidad media del fluido. [m/s]
ρ: Densidad del fluido. [kg/m3]
ν: Viscosidad cinemática. [m2/s]
µ: Viscosidad dinámica del fluido. [kg/m.s]
Lc: Longitud caracteŕıstica. [m]
Para los números de Reynolds grandes, las fuerzas inerciales son proporcionales a la
densidad y a la velocidad del fluido, éstas son grandes en relación con la fuerzas viscosas
y para números de Reynolds pequeños las fuerzas viscosas resultan lo suficientemente
grandes para mantener el fluido alineado, por lo que el flujo es considerado laminar, lo
que no sucede con las fuerzas viscosas pequeñas y entonces el flujo para este caso es
turbulento,[?].
2.2.3.9.4. Cálculo de la efectividad del intercambiador de placas B3-105A-
140 La transferencia de calor real de un intercambiador se determina mediante la
Ecuación 2-10 expresada como,[?].
Q̇ = Cc(Tce − Tcs) = Cf (Tfs − Tfe) (2-10)
Donde:
Q̇: Transmisión de calor [kW]
Cc: Capacidad caloŕıfica fluido caliente [kW/
oC]
Cf : Capacidad caloŕıfica fluido fŕıo [kW/
oC]
Tce: Temperatura de entrada caliente [
oC]
Tcs: Temperatura de salida caliente [
oC]
Tfe: Temperatura de entrada fŕıa [
oC]
Tfs: Temperatura de salida fŕıa [
oC]
Para determinar la razón de capacidad caloŕıfica C,[?], se realiza el producto de gasto
másico ṁ y del calor especifico del fluido Cp cómo se muestra en la Ecuación 4-1
C = ṁ ∗ Cp (2-11)
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2.2 MARCO TEÓRICO 27
Donde:
C: Capacidad caloŕıfica [kW/oC]
ṁ: Flujo másico [Kg/s]
Cp: Calor especifico del fluido [KJ/Kg.K]
La transferencia de calor máxima posible,[?] se puede calcular por medio de la Ecuación
2-12 se define como
˙Qmax = Cmin(Tce − Tfe) (2-12)
Donde:
˙Qmax: Razón máxima posible de transferencia de calor [kW]
Cmin: Capacidad caloŕıfica mı́nima [kW/
oC]
Tce: Temperatura entrada fluido caliente [
oC]
Tfe: Temperatura entrada fluido fŕıo [
oC]
El parámetro adimensional llamado efectividad de la transferencia de calorε,[?].
En la Ecuación 2-13 se define como
ε =
Q̇
˙Qmax
(2-13)
Donde:
ε: Efectividad de la transferencia de calor
ṁ: Flujo másico [Kg/s]
˙Qmax: Razón máxima posible de transferencia de calor [kW]
2.2.4. Piscina el CURI en Sogamoso-Boyacá
En Sogamoso-Boyacá se llevó a cabo la implementación de un sistema térmico solar
para la ambientación de la piscina del Centro Urbano Recreacional Infantil (CURI).
El sistema térmico solar fue diseñado para suplir entre un 65 % a 75 % de la enerǵıa
requerida para mantener el agua a una temperatura entre los 28oC y 32oC, para proveer
este porcentaje de enerǵıa implementaron un subsistema de captación de 48 colectores
solares tipo mariposa, cada uno de ellos constituido por 40 tubos de vidrio al vaćıo que
son los encargados de captar la enerǵıa solar. Estos se encuentran distribuidos en la
terraza como se muestra en la Figura 2-16, [?].
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28 2 ESTADO DEL ARTE
Figura 2-16: Distribución de colectores solares en la terraza del CURI, [?].
Aśı mismo se implemento el subsistema de almacenamiento, el cual consta de un tan-
que con capacidad de 10.000 litros de agua, destinados principalmente como agua de
trabajo del subsistema de captación y adicionalmente se usa las duchas y jacuzzi que
se encuentran en el CURI. Este subsistema se compone por un tanque de acero inoxi-
dable aislado con una capa de poliuretano de 10 cm de espesor y con un recubrimiento
externo también de acero inoxidable. En la Figura 2-17 se observa el tanque de alma-
cenamiento, [?].
Figura 2-17: Tanque de almacenamiento de 10.000 litros, [?].
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2.2 MARCO TEÓRICO 29
El sistema térmico solar cuenta con un subsistema de bombeo que se encarga de en-
viar los fluidos por las tubeŕıas del sistema, se encuentra compuesto por una variedad
de bombas de diferentes potencias con caracteŕısticas de operación como: Silenciosas,
amplio rango de presión y flujo y temperatura máxima del fluido de 70oC. Para enviar
agua hasta los colectores se utilizan dos bombas conectadas en paralelo como se mues-
tran en la Figura2-18.
Con bombas de 3/4HP Figura2-19 se impulsa el agua hasta las bombas de calor y lue-
go hasta el tanque de almacenamiento; el agua proveniente de la piscina es desplazada
por una bomba de 20 HP mostrada en la Figura2-20 que la hace circular por un filtro
donde quedan atrapadas las impurezas que tiene el agua y luego es impulsada parcial-
mente de regreso a la piscina sin intercambio y parcialmente por el intercambiador, en
donde además una bomba se encarga de potenciar el fluido de trabajo caliente hacia el
intercambiador como se muestra en la Figura2-21.
Figura 2-18: Bombas que env́ıan agua a los colectores, Fuente: Autor.
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30 2 ESTADO DEL ARTE
Figura 2-19: Bomba de 3/4HP, Fuente: Autor.
Figura 2-20: Bomba que impulsa agua hacia la piscina e intercambiador, Fuente:
Autor.
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2.2 MARCO TEÓRICO 31
Figura 2-21: Bombas impulsoras de fluido caliente hacia el intercambiador, Fuente:Autor.
El sistema también cuenta con un respaldo energético compuesto por cuatro (4) bom-
bas de calor, cada bomba con una potencia de salida de 36 kW y consumo de 8kW.
Dichas bombas se activan cuando el tanque de almacenamiento desciende hasta cierta
temperatura, configurada en el sistema de control, de tal manera que cuando el agua
interna del tanque se encuentra por debajo de los 45oC las bombas de calor se activan
para aumentar la temperatura hasta el valor predeterminado; en la Figura 2-22 se
muestran las bombas de calor,[?] del sistema del CURI.
Figura 2-22: Bombas de calor, [?].
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32 2 ESTADO DEL ARTE
Para la automatización de todo el sistema térmico solar se hizo necesario instalar un
sistema de monitoreo y control, que permite vigilar, manejar y controlar de forma
automática cada uno de los componentes. En la Figura 2-23 se muestra el sistema de
monitoreo y control,[?].
Figura 2-23: Sistema de control: Izq: Tablero digital con luces indicadoras. Der: Dis-
tribución eléctrica, [?].
Por ultimo, se encuentra el subsistema de intercambio, compuesto por un intercam-
biador de calor de placas, marca Hrale y referencia B3-105A-140, con un área de 15
m2, un peso de 73.9 Kg y una altura de 0.341 m, cuyas caracteŕısticas se muestran en
la Tabla2-3. Su función es transmitir el calor del agua de trabajo proveniente de los
colectores solares, al agua de la piscina, sin ser mezcladas. La Figura A-1 muestra el
intercambiador de placas implementado en la piscina del CURI,[?].
Tabla 2-3: Caracteŕısticas del intercambiador B3-105A-140
Caracteŕısticas intercambiador placas soldadas
Material de las placas Acero inoxidable 304 y 316L
Coeficiente de conductividad térmica 16.2 W/m.oC
Espesor de la placa 0.4 mm
Número de placas 40
Corrugado de la placa tipo Chevron
Distancia entre corrugaciones 2.6 mm
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2.3 ASPECTOS LEGALES 33
Figura 2-24: Intercambiador de placas Hrale implementado en la piscina el CURI, [?].
El intercambiador cuenta con dos entradas y dos salidas, una entrada proveniente del
tanque de almacenamiento con el fluido de trabajo caliente con una ramificación para
una bomba de respaldo y una salida para el mismo ĺıquido que ya ha transmitido el
calor. Por otra parte, se tiene una entrada en la parte superior para el ĺıquido a calen-
tar (agua proveniente de la piscina) y una salida para este mismo ĺıquido, configuradas
estas entradas y salidas de tal manera que los dos ĺıquidos van .en contraflujo”. Por
parte del fluido de trabajo se tienen instaladas dos bombas, una de trabajo y otra de
respaldo, mientras que por parte del agua de la piscina se tiene una sola bomba, la
misma que impulsa el agua hacia el filtro.
2.3. ASPECTOS LEGALES
En la Norma Técnica Colombiana [?] NTC 5315 del 01-12-2014 titulada: Sistemas de
refrigeración mecánicos usados para enfriamiento y calefacción. Requisitos de seguri-
dad. La norma busca minimizar al máximo los posibles peligros a los que pueden estar
expuestos los usuarios y que pueden ser ocasionados principalmente por las altas pre-
siones y temperaturas a las que se trabajan en los ciclos de refrigeración y calefacción,
a continuación se nombran los peligros más comunes:
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34 2 ESTADO DEL ARTE
Por efecto directo de la temperatura: Los metales se fragilizan a bajas tempera-
turas causando efectos nocivos sobre los usuarios.
Por presión excesiva: Puede llegar a producirse fuego y la presión de vapor sa-
turado puede aumentar considerablemente por calentamiento externo y también
por la expansión del ĺıquido refrigerante en un espacio cerrado.
Por efecto directo del ĺıquido: Debido a una carga excesiva, a la presencia de
ĺıquidos en compresores o por pérdida de lubricación.
Por escape de refrigerantes: Se puede producir un ambiente tóxico, fuego e incluso
explosión.
También se encuentra la Norma Técnica Colombiana NTC 5245[?] de 25-02-2004 que
lleva por t́ıtulo: Prácticas de limpieza y desinfección para plantas y equipos utilizados
en la industria láctea. y la gúıa técnica colombiana GTC 9[?] de 23-11-1994 de elec-
trotecnia titulada: Gúıa para la instalación de transformadores sumergidos en aceite
(potencia mayor de 10 MVA, rango de tensión 69 kV - 287 kV). Donde disponen la
manera adecuada de hacer mantenimiento y la limpieza de los equipos entre ellos los
intercambiadores de calor.
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Caṕıtulo 3
MARCO METODOLÓGICO
3.1. METODOLOGÍA
Para la caracterización de las variables de control del intercambiador de placas, primero
se inicia con la recopilación de la bibliograf́ıa cient́ıfica y los antecedentes respectivos
sobre el tema. Seguidamente se realiza el modelo de diseño experimental para le reco-
lección de datos. Se instalan los equipos necesarios y se lleva a cabo la recolección de
datos para que finalmente se pueda estudiar y analizar el comportamiento del inter-
cambiador, de esta manera hallar la combinación más adecuada donde resulte la mayor
eficiencia posible.
3.1.1. Tipo de investigación
La investigación desarrollada es del tipo teórico-experimental, debido a que busca dar
evidencia de cómo es el comportamiento del intercambiador de placas de referencia B3-
105A-140, por medio de toma de datos experimental y la utilización de teoŕıa cient́ıfica
para caracterizar las variables de control, las cuales mostraran cual es la mejor combi-
nación que dará la mejor eficiencia.
3.1.2. Tipo de diseño
El tipo de diseño es experimental, ya que se manipulará intencionalmente la variable
de flujo másico, dando apertura y cierre a una válvula reguladora de flujo tipo mari-
posa con nueve posiciones diferentes, para luego medir variables como la temperatura
y flujo de entrada y salida del fluido de trabajo fŕıo en el intercambiador de placas y
la velocidad del fluido.
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36 3 MARCO METODOLÓGICO
3.2. INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Para el proceso experimental y el desarrollo de la investigación se hizo necesario la
utilización de diversos equipos especializados que servirán para el posterior estudio
sobre el intercambiador. Se relacionan a continuación.
3.2.1. Flujómetro ultrasónico TDS 100H
El cuadaĺımetro por ultrasonido PCE-TDS 100H se muestra en la Figura3-1 con cada
uno de sus componentes.
Figura 3-1: Flujometro ultrasónico TDS 100H, Fuente: Autor.
3.2.1.1. Principio de funcionamiento
El flujómetro está diseñado para medir la velocidad y caudal de fluidos ĺıquidos que
circulan por tubeŕıas de diferentes materiales como acero al carbono, acero inoxidable,
PVC, entre otros por medio de dos sensores llamados transductores. El cuadaĺımetro
opera alternativamente emitiendo o recibiendo una ráfaga sonora de frecuencia modu-
lada entre dos transductores y mide el tiempo que toma al sonido viajar entre ambos
sensores en los dos sentidos. La diferencia en el tiempo de tránsito medida está di-
rectamente y exactamente relacionada con la velocidad del fluido en el conducto el
convertidor de la señal por medio de cables transmisores Figura 3-2 se encargan de
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3.2 INSTRUMENTOS 37
convertir la señal en datos léıbles. En las figuras3-3, 3-4, 3-5 se identifican las partes
del convertidor del flujometro TDS 100H,[?].
Figura 3-2: Cables transmisores de la señal, Fuente: Autor.
Figura 3-3: Vista frontal del caudaĺımetro TDS 100H,[?].
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38 3 MARCO METODOLÓGICO
Figura 3-4: Vista superior del caudaĺımetro TDS 100H,[?].
Figura 3-5: Vista inferior del caudaĺımetro TDS 100H,[?].
Los transductores son sensores no invasivos y funcionan como transmisores y receptores
de ultrasonidos, con sujeción tipo abrazadera, que proporciona facilidad de limpieza y
una instalación sencilla; los transductoresmostrados en la Figura3-6 se sujetan sobre
la tubeŕıa separados por una distancia que arroja el equipo de acuerdo a los diáme-
tros interno y externo de la tubeŕıa. Existen tres métodos para el montaje de los
transductores,[?]:
Figura 3-6: Transductores tipo S1, M1 y L1,[?].
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3.2 INSTRUMENTOS 39
El primero conocido como método V, es el más utilizado para medir tubeŕıas entre 20
mm y 300 mm de diámetro. En la Figura 3-7 se puede observar cómo se instalan los
sensores en este método,[?].
Figura 3-7: Instalación método V,[?].
También esta el método W, se usa en tubeŕıas de plástico con diámetros de 10 hasta
100 miĺımetros, la señal enviada por los transductores cruza el conducto 4 veces, en la
Figura 3-8 se muestra cómo es el montaje de los sensores,[?].
Figura 3-8: Instalación método W,[?].
Por último esta el método Z, este se usa comúnmente para tubeŕıas que van desde 300
a 500 miĺımetros de diámetro, los transductores se sitúan en caras opuestas de manera
que la señal cruza el tubo una sola vez, aśı como se muestra en la Figura3-9,[?].
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40 3 MARCO METODOLÓGICO
Figura 3-9: Instalación método Z,[?].
La selección del tipo de montaje depende del tipo de tubeŕıa y diámetros de la misma, en
función de estos parámetros debemos escoger también los transductores más adecuados
y elegir entre los de tipo S1 incluidos en el paquete estándar o adquirir los M1 o L1.
3.2.1.2. Aplicaciones comunes
El flujómetro TDS-100 se puede aplicar para un amplio rango de mediciones. La tubeŕıa
a medir va desde 20-6000 mm [0.5 - 200 pulgadas], dependiendo de los transductores
utilizados. Una variedad de aplicaciones de ĺıquido se pueden incluir: ĺıquidos ultra pu-
ros, agua potable, qúımicos, aguas residuales, agua regenerada, agua de refrigeración,
agua de rio, aguas residuales de fábricas, etc. Debido a que el instrumento y los trans-
ductores funcionan sin contacto y no tienen partes móviles, el medidor de flujo no se
ve afectado por la presión del sistema, suciedad o desgaste. Los transductores estándar
pueden soportar hasta 70oC. Se puede medir también a temperaturas más elevadas con
otros transductores,[?].
3.2.2. Termómetro digital Fluke 52 Serie II
Los termómetros digitales fluke 52 series II figura 3-10 basados en microprocesadores,
están diseñados para utilizar termopares externos 3-11 de los tipos J-, K-, T- y E-
(sondas de temperatura) como detectores de temperatura. En la figura 3-12 se observan
cada unos de los componentes del termómetro fluke,[?].
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3.2 INSTRUMENTOS 41
Figura 3-10: Termómetro digital fluke 52 series II.[?]
Figura 3-11: Termopares usados para leer temperatura. [?]
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42 3 MARCO METODOLÓGICO
Figura 3-12: Componentes del termómetro fluke 52 series II. [?]
3.2.3. Cámara termográfica
La cámara de visión térmica MTV-2010 que se muestra en la Figura 3-13 detecta
la radiación infrarroja emitida por los cuerpos que están por encima del cero abso-
luto (-273oC), gracias a un laser clase II de protección. Ésta tiene la capacidad de
obtener imágenes térmicas, totalmente visibles o con mezclas (tanto térmica y visible
simultáneamente) como se muestra en la Figura 3-14 de acuerdo a la necesidad del
usuario,[?].
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3.2 INSTRUMENTOS 43
Figura 3-13: Cámara termográfica MTV-2010, Fuente: Autor.
Figura 3-14: Imagen térmicas, visibles y con mezcla, [?].
El equipo tiene una estructura como se muestra en las Figuras 3-15, donde están
definidas cada una de las funciones que tiene la cámara como: encendido y apagado,
menú, mediciones de temperatura y las configuraciones del equipo.
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44 3 MARCO METODOLÓGICO
Figura 3-15: Imagen térmicas, visibles y con mezcla,[?].
3.3. MÉTODO
Para el cumplimiento de los objetivos planteados, el proyecto se lleva a cabo en varias
fases, de la siguiente manera.
3.3.1. Revisión y recopilación de la información cient́ıfica
En esta fase se recopilan todos los documentos relacionados con el estudio y análisis de
los intercambiadores de calor de placas ya sean art́ıculos cient́ıficos, trabajos de grado,
libros, normativas entre otros.
3.3.2. Experimentación con el intercambiador de placas
Para esta fase se varia el caudal de entrada al intercambiador de placas del fluido de
trabajo fŕıo por medio de una válvula tipo mariposa, cambiando la posición de la válvu-
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3.3 MÉTODO 45
la gradualmente hasta que las temperaturas a la entrada y salida del intercambiador
para los dos fluidos de trabajo se estabilizaran.
3.3.3. Análisis e interpretación de datos
Con los datos recolectados se procede a realizar el estudio de las variables que inter-
vienen sobre la eficiencia del intercambio de calor, para encontrar la posición idónea
donde se llevara a cabo la mayor transferencia de calor en el intercambiador.
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Caṕıtulo 4
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE DATOS
4.1. RESULTADOS DEL EXPERIMENTO
Las mediciones hechas en el sistema térmico del CURI con el caudaĺımetro se compila-
ron en la Tabla4-1 y los tomados por el termómetro Fluke y los manómetros ubicados
en las tubeŕıas se muestran en la Tabla4-2.
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
4.1 RESULTADOS 47
Tabla 4-1: Datos tomados en el CURI: Posición llave, Caudal y Velocidad. Fuente:
Autor
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22
Diego A. Pérez R.; dialperi@hotmail.com
48 4 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE DATOS
Tabla 4-2: Datos tomados en el CURI: Posición llave, Temperatura y Presión. Fuente:
Autor
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