PRJECT

INTER

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# Datos proporcionados

m_h = 0.8 # kg/s, caudal másico de aceite

cp_h = 2.0 * 1000 # J/kg·K, capacidad calorífica del aceite

T_h_i = 150 # °C, temperatura de entrada del aceite

m_c = 1.5 # kg/s, caudal másico de agua

cp_c = 4.18 * 1000 # J/kg·K, capacidad calorífica del agua

T_c_i = 30 # °C, temperatura de entrada del agua

U = 600 # W/m²·K, coeficiente global de transferencia de calor

A_s = 5.0 # m², área de transferencia de calor

print("ANÁLISIS DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CONTRAFLUJO")

print("=" * 50)

# Cálculo de capacidades térmicas

C_h = m_h * cp_h # W/K

C_c = m_c * cp_c # W/K

print(f"Capacidad térmica del aceite (C_h): {C_h:.0f} W/K")

print(f"Capacidad térmica del agua (C_c): {C_c:.0f} W/K")

# Identificar C_min y C_max

C_min = min(C_h, C_c)

C_max = max(C_h, C_c)

cr = C_min / C_max # relación de capacidades

print(f"\nCapacidad mínima (C_min): {C_min:.0f} W/K")

print(f"Capacidad máxima (C_max): {C_max:.0f} W/K")

print(f"Relación de capacidades (cr): {cr:.3f}")

# Cálculo de NTU

NTU = U * A_s / C_min

print(f"\nNúmero de Unidades de Transferencia (NTU): {NTU:.3f}")

# Cálculo de efectividad para contraflujo

if cr == 1:

epsilon = NTU / (1 + NTU)

else:

numerador = 1 - np.exp(-NTU * (1 - cr))

denominador = 1 - cr * np.exp(-NTU * (1 - cr))

epsilon = numerador / denominador

print(f"Efectividad (ε): {epsilon:.3f}")

# Cálculo de Q_max

Q_max = C_min * (T_h_i - T_c_i)

print(f"\nCalor máximo transferible (Q_max): {Q_max:.0f} W")

# Cálculo de la tasa de transferencia de calor

Q = epsilon * Q_max # W

print(f"Tasa de transferencia de calor real (Q): {Q:.0f} W ({Q/1000:.1f} kW)")

# Cálculo de temperaturas de salida

T_h_o = T_h_i - Q / C_h

T_c_o = T_c_i + Q / C_c

print(f"\nTEMPERATURAS DE SALIDA:")

print(f"Temperatura de salida del aceite (Th,o): {T_h_o:.2f} °C")

print(f"Temperatura de salida del agua (Tc,o): {T_c_o:.2f} °C")

# GRÁFICA 1: Efectividad vs NTU para diferentes cr

print(f"\nGENERANDO GRÁFICAS...")

NTU_vec = np.linspace(0, 5, 100) # Vector NTU de 0 a 5

cr_vec = [0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1] # Diferentes valores de cr

epsilon_contra = np.zeros((len(NTU_vec), len(cr_vec))) # Matriz para almacenar efectividad

for i, cr_val in enumerate(cr_vec):

for j, NTU_val in enumerate(NTU_vec):

if cr_val == 1:

epsilon_contra[j, i] = NTU_val / (1 + NTU_val) # Para cr=1, fórmula especial

else:

numerador = 1 - np.exp(-NTU_val * (1 - cr_val))

denominador = 1 - cr_val * np.exp(-NTU_val * (1 - cr_val))

epsilon_contra[j, i] = numerador / denominador

plt.figure(figsize=(10, 6))

for i, cr_val in enumerate(cr_vec):

plt.plot(NTU_vec, epsilon_contra[:, i], label=f'cr={cr_val}')

plt.xlabel('Número de Unidades de Transferencia (NTU)')

plt.ylabel('Efectividad (ε)')

plt.title('Efectividad vs NTU para Intercambiador de Contraflujo')

plt.legend(loc='lower right')

plt.grid(True, alpha=0.3)

# Marcar el punto de operación

plt.plot(NTU, epsilon, 'ro', markersize=10, label='Punto de Operación')

plt.annotate(f'NTU={NTU:.3f}\nε={epsilon:.3f}',

xy=(NTU, epsilon),

xytext=(NTU+0.5, epsilon-0.1),

arrowprops=dict(arrowstyle='->', color='red'))

plt.tight_layout()

plt.show()

# GRÁFICA 2: Q vs NTU para nuestro cr específico

Q_vec = np.zeros(len(NTU_vec))

for j, NTU_val in enumerate(NTU_vec):

if cr == 1:

epsilon_temp = NTU_val / (1 + NTU_val)

else:

numerador = 1 - np.exp(-NTU_val * (1 - cr))

denominador = 1 - cr * np.exp(-NTU_val * (1 - cr))

epsilon_temp = numerador / denominador

Q_vec[j] = epsilon_temp * Q_max

plt.figure(figsize=(10, 6))

plt.plot(NTU_vec, Q_vec/1000, 'b-', linewidth=2) # Convertir a kW

plt.xlabel('Número de Unidades de Transferencia (NTU)')

plt.ylabel('Tasa de Transferencia de Calor Q (kW)')

plt.title(f'Tasa de Transferencia de Calor vs NTU para cr={cr:.3f}')

plt.grid(True, alpha=0.3)

# Marcar el punto de operación

plt.plot(NTU, Q/1000, 'ro', markersize=10, label='Punto de Operación')

plt.annotate(f'NTU={NTU:.3f}\nQ={Q/1000:.1f} kW',

xy=(NTU, Q/1000),

xytext=(NTU+0.5, Q/1000-10),

arrowprops=dict(arrowstyle='->', color='red'))

plt.legend()

plt.tight_layout()

plt.show()

# GRÁFICA 3: Perfil de temperaturas a lo largo del intercambiador

print(f"\nGENERANDO PERFIL DE TEMPERATURAS...")

# Simular el perfil a lo largo del intercambiador

longitud = np.linspace(0, 1, 100) # Longitud adimensional

T_h_profile = np.zeros(len(longitud))

T_c_profile = np.zeros(len(longitud))

for i, L in enumerate(longitud):

# Para contraflujo, las temperaturas varían exponencialmente

A_eff = A_s * L # Área efectiva hasta el punto L

# Usar ecuaciones de variación de temperatura para contraflujo

if C_h != C_c:

T_h_profile[i] = T_h_i - (Q / C_h) * (1 - np.exp(-U * A_eff * (1/C_h - 1/C_c))) / (1 - (C_h/C_c) * np.exp(-U * A_eff * (1/C_h - 1/C_c)))

T_c_profile[i] = T_c_i + (Q / C_c) * (1 - np.exp(-U * A_eff * (1/C_h - 1/C_c))) / (1 - (C_h/C_c) * np.exp(-U * A_eff * (1/C_h - 1/C_c)))

else:

# Caso cuando C_h = C_c

T_h_profile[i] = T_h_i - (T_h_i - T_c_i) * (U * A_eff) / (C_h + U * A_eff)

T_c_profile[i] = T_c_i + (T_h_i - T_c_i) * (U * A_eff) / (C_h + U * A_eff)

plt.figure(figsize=(10, 6))

plt.plot(longitud, T_h_profile, 'r-', linewidth=2, label='Aceite (Caliente)')

plt.plot(longitud, T_c_profile, 'b-', linewidth=2, label='Agua (Fría)')

plt.xlabel('Longitud Adimensional del Intercambiador')

plt.ylabel('Temperatura (°C)')

plt.title('Perfil de Temperaturas a lo largo del Intercambiador de Contraflujo')

plt.legend()

plt.grid(True, alpha=0.3)

# Marcar temperaturas de entrada y salida

plt.annotate(f'Entrada: {T_h_i}°C', xy=(0, T_h_i), xytext=(0.1, T_h_i+10),

arrowprops=dict(arrowstyle='->', color='red'))

plt.annotate(f'Salida: {T_h_o:.1f}°C', xy=(1, T_h_o), xytext=(0.7, T_h_o-10),

arrowprops=dict(arrowstyle='->', color='red'))

plt.annotate(f'Entrada: {T_c_i}°C', xy=(0, T_c_i), xytext=(0.1, T_c_i-10),

arrowprops=dict(arrowstyle='->', color='blue'))

plt.annotate(f'Salida: {T_c_o:.1f}°C', xy=(1, T_c_o), xytext=(0.7, T_c_o+10),

arrowprops=dict(arrowstyle='->', color='blue'))

plt.tight_layout()

plt.show()

# RESUMEN FINAL

print("\n" + "=" * 60)

print("RESUMEN FINAL DEL ANÁLISIS")

print("=" * 60)

print(f"Efectividad del intercambiador: {epsilon:.3f} ({epsilon*100:.1f}%)")

print(f"Tasa de transferencia de calor: {Q/1000:.1f} kW")

print(f"Temperatura de salida del aceite: {T_h_o:.1f} °C")

print(f"Temperatura de salida del agua: {T_c_o:.1f} °C")

print(f"Diferencia de temperatura del aceite: {T_h_i - T_h_o:.1f} °C")

print(f"Diferencia de temperatura del agua: {T_c_o - T_c_i:.1f} °C")

print("=" * 60)