1

I. OBJETIVO:

PERFORMANCE EN INTERCAMBIADORES DE CALOR 1-1

1.1. OBJETIVOSGENERALES:

Evaluar el performance de un Intercambiador de Calor 1-1

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Evaluar la eficacia de un Intercambiador de calor 1-1 de flujo en contracorriente.

Determinar los parámetros característicos de un Intercambiador de calor: Área de Transferencia de calor,

NUT, DMLT, Coeficientes convectivos.

Determinar los coeficientes de transferencia de calor en un Intercambiador de Calor 1-1.

Evaluar la caída de presión permisible dentro de Intercambiadores de Calor.

II. FUNDAMENTO TEORICO :

2.1 DEFINICION:

Es un equipo térmico componente que permite la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro

fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las

siguientes:

• Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.

• Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura.

• Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura.

• Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío.

• Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.

Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde

los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor

sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor te

mperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el

calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse

ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.

2.2 TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR:

CARCAZA Y TUBOS : 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 carcaza 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. Esto es debido a los

costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones 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.

2

DE PLATOS : El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la figura (2), consiste de pla cas

en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío.

3

Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular

montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.

Los intercambiadores de calor liquido-liquido permanecen en general a este grupo y también en algunos

casos los intercambiadores gas-gas.

Figura Nº1Intercamiador de Calor Tubo-Coraza

Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribución de

configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. La configuración más común de flujo

de intercambiadores líquido-liquida de coraza-y tubos.

Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el lado de los tubos es la

caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores para producir de este modo una

distribución uniforme del flujo a través de él.

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. 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.

3

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.

2.3 DISPOCISION DE FLUJOS :

DISTRIBUCIÓN DE FLUJO EN PARALELO: Cuando los fluidos caliente y frió, entran por el mismo

extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro extremo. Como

se ilustra en la figura (3), existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de

la carcaza 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 aproximan 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.

Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribución de

configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. La configuración más común de flujo

de intercambiadores líquido-liquida de coraza-y tubos.

Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el lado de los tubos es la caída

de presión permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores para producir de este modo una

distribución uniforme del flujo a través de él.

Figura Nº3: Disposición en paralelo

82ºC

70ºC78ºC

90ºC

Grafico Nº 1: Distribución del flujo en paralelo

4

DISTRIBUCIÓN EN CONTRACORRIENTE: Cuando los fluidos calientes y fríos entran por los extremos

opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas. Como se ilustra en la figura (4), se presenta

una disposición en 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 contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con

mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a al temperatura del fluido de

entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados

anteriormente. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo

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

Figura Nº 4 : Disposición en contracorriente

90ºC

70ºC 78ºC

82ºC

Grafico Nº 2 : Temperaturas de disposición en contracorriente

DISTRIBUCIÓN EN FLUJO CRUZADO : Un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a

la trayectoria del otro fluido. En la figura (5) se muestra como 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 faces 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 carcaza del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se

condensa y

5

forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de

intercambiador de calor.

Figura Nº 5 : Disposición en flujo cruzado

2.4 PARAMETROS DE DISEÑO :

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR: Es definido en términos de la resistencia térmica

total a la transferencia de calor entre dos fluidos. Cuando consideramos fluidos de un intercambiador de

calor

fluyendo fuera y dentro de un tubo,

De manera que podemos escribir que:

Figura Nº 6 Corte de un I.C 1-1

Donde Uo , designa al coeficiente global de transferencia de calor, referido al área externa, y de igual forma, U

i se refiere al coeficiente global de transferencia de calor referido al área interna. Dicha distinción es necesaria,

debido a que el área disponible para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando se avanza

radialmente.

FACTOR DE INCRUSTAMIENTO: Las superficies interiores de los tubos de un intercambiador de calor no

permanecen limpias después de varios meses de operación. Se forman escamas o depósitos en la superficie

interior. La acumulación de escamas o depósitos en el interior de los tubos, pueden afectar severamente el valor

6

del coeficiente global de transferencia de calor,U El efecto global de los depósitos se cuantifica por

el

7

denominado Factor de encrustamiento o Factor de suciedad, Rf " el cual se determina experimentalmente. Su

efecto neto consiste en incrementar la resistencia al flujo de calor, o que en otras palabras disminuir el

coeficiente global de Transferencia de calor. Rf " , se relaciona con el coeficiente Global teórico, mediante la

siguiente expresión:

BALANCE DE ENERGIA EN UN INTERCAMBIADOR DE CALOR .- Aplicando la 1 Ley de la

Termodinámica se realiza un análisis térmico de un intercambiador de calor con la finalidad de poder expresar

la cantidad total de calor transferido, q, del fluido caliente al fluido frío, en términos del coeficiente global de

transferencia de calor. El área de transferencia de calor A, y las temperaturas de entrada y salida de los fluidos

caliente y frío. Un balance de energía da como resultado:

o bien:

donde: m h : Flujo másico del fluido caliente c h : Calor específico del fluido caliente

T h i , :Temperatura de entrada del fluido caliente T h,0:Temperatura de salida del fluido caliente

m c : Flujo másico del fluido frío c c : Calor específico del fluido frío

T c i , : Temperatura de entrada del fluido frío T c,0 : Temperatura de salida del fluido frío

DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA DE TEMPERATURAS : Considérese el intercambiador de calor de doble

tubo , el cual opera en flujo paralelo:

Figura Nº 7 : Diferencia media Logarítmica de Temperaturas

8

Las siglas LMTD están relacionadas a Logarithm Mean Temperature Difference (Diferencia de temperatura

logarítmica media). El cual también es valida para un sistema en contracorriente.

9

FACTOR DE CORRECCION PARA I.C DIFERENTE AL TUBO Y CORAZA SIMPLE :Si se usa un

intercambiador de calor diferente del tipo de doble tubo, la transferencia de calor se calcula usando un factor de

corrección, F aplicado al valor LMDT, por tanto

Expresiones algebraicas para el factor de corrección, F, han sido desarrolladas para diversos configuraciones

de intercambiadores de carcaza y tubo e intercambiadores tubo. Los resultados pueden ser presentados en

forma gráfica, tales como los mostrados en la Figura 7, la notación (T,t) es usada para especificar las

temperaturas de los fluidos, con la variante t siempre asignada al fluido que circula por los tubos. Con esta

convención no hay problema si es el fluido caliente o frío el que fluye por los tubos o por la carcaza. Una

importante implicación de las Graficas de corrección es que, si el cambio de temperatura del fluido es

despreciable, P o R son cero y por tanto F=1. Independientemente de la configuración del intercambiador.

Esta situación se presenta cuando uno de los fluidos presenta un cambio de fase.

Figura Nº 8 : Factor de Corrección

EFECTIVIDAD DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR: La efectividad de transferencia de calor se define

como la razón de la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia

posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor.

A la mayor razón de capacidad se le designa mediante Cmax y a la menor capacidad mediante Cmin.

Don

es la

relació

de 1

En el caso del contra flujo, es aparente que conforme se aumenta el área del intercambiador de calor, la

temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en

el límite conforme el área se aproxima al infinito.

En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos seria la

lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto.

Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que expresan la transferencia de calor lograda

por diferentes tipos de intercambiadores de calor. La efectividad de un intercambiador se define,

mediante la siguiente ecuación:

donde q, se refiere al calor intercambiado por los fluidos frío y caliente y q máx , se refiere al máximo

calor que se puede transferir en el intercambiador.

El q máx se refiere al calor que se transfiere en un intercambiador de doble tubo operando en

contracorriente, que posee un área de intercambio infinita. Para esta circunstancia se cumple que la

máxima diferencia de temperatura que puede adquirir uno de los fluidos, ∆Tmáx , dependerá de sus

capacidades caloríficas.

De la ecuación anterior se desprende que el fluido que adquiere ∆Tmáx , será aquel que tenga la menor

capacidad calorífica.

De manera que en forma compacta se satisface que:

Por definición la efectividad, la cual es adimensional debe estar en el rango 0< e <1

Para cualquier intercambiador de calor se puede demostrar que la efectividad puede expresarse mediante:

de :

n de las capacidades caloríficas de los fluidos y NUT es un parámetro adimensional

Número de Unidades de Transferencia ( Number of Transfer Units)

1

NUT : Llamado Numero de Unidades de Transferencia de calor .

La expresión Q=FUA *(DML T) resulta muy conveniente cuando se conocen todas las temperaturas

terminales necesarias para el cálculo de la temperatura media apropiada. Sin embargo, se

presentan numerosas ocasiones en que se conoce, o al menos puede estimarse el valor de U, pero s e

desconocen las temperaturas terminales de los fluidos que salen del intercambiador. En estos casos, es

preferible utilizar el método NUT al señalado anteriormente, NUT (Número de unidades de transmisión).Se

determina por :

A continuación se presentan expresiones para diversas configuraciones de intercambiadores de

calor, donde,

Asimismo tenemos como ejemplo el grafico para la efectividad de un intercambiador de calor en

contracorriente:

Figura Nº 9 NTU vs Efectividad

1

1

COEFICIENTES DE CONVECCION : El análisis de la convección en una capa limite es compleja, por lo que

es frecuente el empleo del análisis dimensional o técnicas analógicas. La obtención del coeficiente de

película se analiza por correlación derivada del análisis dimensional

Nu es el número de Nusselt. Pr es el número de Prandtl. R. es el número de Reynolds.

I es una longitud característica. h es el coeficiente de película.

K coeficiente de conductividad térmica del fluido. c es la velocidad media

El coeficiente de convección está contenido en el número de Nusselt. y para que h pueda ser determinada,

es necesario experimentar para obtener los valores de la constante y de los exponentes a y b para

cada caso particular.

El criterio que decide si el flujo es laminar o turbulento en convección forzada es el valor del número de

Reynolds:

Para un tubo: R. < 2300 laminar R. > 2300 turbulento

Cuando se utiliza cualquier ecuación empírica ha de tenerse mucho cuidado en utilizar las temperaturas

prescritas para determinar las propiedades de los fluidos.

III.- MATERIALES Y EQUIPOS :

Tipo de Intercambiador: 1-1

Disposición : Se puede disponer tanto en contracorriente, como en flujo paralelo, ambos de

contacto indirecto.

Fluido caloportador : Vapor saturado .parte externa del tubo.

Fluido a calentar : Agua a temperatura ambiente, parte interna del

tubo. Efectividad : Por determinar.

Espesor optimo del aislante : Lana de vidrio 15 mm.

Carcasa o envolvente : Cemento con yeso

Espesor de carcasa : 20mm.

Longitud : 2000mm

Diámetro del tubo : 12.7mm

Diámetro de la coraza : 50.8mm

Un Caldero Pirotubular didáctico (de propiedad del Laboratorio de Termo fluidos).

02 Termocuplas

01 Termómetro ambiental.

Manómetro de presión de vapor.

Ducto de distribución de vapor ( incluye valvuleria de descarga)

Cronometro.

Mechero.

Sistema de agua fría (Tanque elevado de propiedad del Laboratorio de Termo fluidos).

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

1. Verter agua en el generador de vapor (caldera), hasta ¾ de su capacidad, tomar como referencia el visor

de nivel de agua lateral. Y mediante conexiones de tubos unirla con el intercambiador de calor 1-1.

2. Calentar el agua de la caldera hasta que se obtenga vapor, ello elevará la temperatura y la presión

del vapor. Se recomienda calentar hasta una presión de 28 psi o 2 Kgf/cm2.

1

3. Aperturar la llave de cierre rápido y hacer fluir el vapor hacia el intercambiador de calor, donde por el otro

extremo mediante otra válvula de cierre rápido se le hará circular agua fría en dirección opuesta al flujo de

vapor (flujo en contracorriente).

4. La apertura y/o cierre de ambas válvulas dependerá de la temperatura final del agua que se desea obtener.

Sin embargo hay que tener cuidado de no producir condensado.

5. En caso de notar la presencia de condensado, eliminarlo para ello se deberá cerrar el paso de agua fría

y solo se permitirá el paso de vapor.

6. Con la ayuda de una termocupla registrar las temperaturas de entrada del vapor y de la salida del agua,

en el intercambiador de calor.

7. Con apoyo de un vaso graduado y un cronómetro, determinar el flujo másico de agua obtenido en un

determinado tiempo.

V. DATOS A CONSIGNAR:

Llenar el siguiente cuadro de valores para Presión de vapor 4 Bar , 3.6 Bar y 3.2 Bar :

Medida Volumen

(m3)

Ts1(ºC) Temperatura de salida

del agua caliente

T (ºC) Temperatura

ambiente

Tiempo (sg)

1

2

3

VI. CUESTIONARIO:

1.- Determinar el flujo de agua a calentar fluido frio:A 4 Bar

Tamb(ºC) Ts1(ºC) h (m) Q (m3/s) m(kg/s)

TpromA 3.6 Bar

Tamb(ºC) Ts1(ºC) h (m) Q (m3/s) m(kg/s)

T promA 3.2 Bar

Tamb(ºC) Ts1(ºC) h (m) Q (m3/s) m(kg/s)

Tprom

1

2.- Determinar el flujo de calor transferido.

Este valor se halla de la diferencia de temperaturas del agua:Agua fría

Presión (Bar) Tamb Ts1 m(kg/sg) Cp q(Kcal/sg)3.2

3.6

4

3.- A la presión de saturación, hallar el valor de la entalpía de vaporización de tablas de vapor y esquematizar el proceso en un diagrama T vs S

4.- Determinar la masa de vapor.Masa vapor

Presión (Bar) q(Kcal/sg) ∆h(kcal/kg) mv(kg/s)3.2

3.6

4

5.- Efectuar el diagrama de flujos en función a su disposición y sus temperaturas :6.- Hallar el MLDT para cada caso.

Para 3.2 Bar

Media logarítmica

Diferencia M

Diferencia N

MLDT (ºc) =

Para 3.6 Bar

Media logarítmica

Diferencia M

Diferencia N

MLDT =

Para 4.0 Bar

Media logarítmica

Diferencia M

Diferencia N

MLDT =

7.- Hallar los coeficientes conectivos internos y externos de los flujos.

fluido frio: turbulentoNusselt = 0,023*Re^(4/5)*Pr^(0,3)

Presion Nusselt K (W/km2) hi(W/mk)

1

fluido caliente: vaporPresion Nusselt K (W/km2) he(W/mk)

8.- Determinar el coeficiente global de transferencia de calor.1/U = 1/hi + 1/he

Presión U (w/m-k)

1

2

3

9.- Hallar la eficiencia del intercambiador de calor. (Como sugerencia)E = Q / Qmax

Qmax = Cmin (Te2 – Te1)Q = Cvapor (Te2 – Ts2) Cvapor = Cmin

E = (Te2 – Ts2) / (Te2 – Te1)

Presión ε (%)

10.- Hallar el NUT (numero de unidades de transferencia de calor)NUT = U * A / CminA = * D * L D = 0.164 m L = 2 m

Presión NUT

153,82

230,35

201,06

11.- Hallar el número de Reynolds para cada uno de los dos fluidos. (Para cada Presión) Re = 4*m / (*Dh * )

Dh = diámetro hidráulico = viscosidad cinemática m = flujo másicoReemplazando para caso se obtiene:

Fluido Frio

Presión Tprom m(kg/s) D (m) visc. Cinem. Re Estado

Dext = 0,0508 m Para el vapor Dh = De - Di

1

Dint = 0 ,01 27 m

Vapor

Presión Tprom mv(kg/s) Dh (m) visc. Cinem. Re Estado

12.- Determinar la caída de presión en la coraza y el tubo.Para el cálculo de la caída de presión utilizaremos la siguiente fórmula:

P = f * (L/D)*(V2/2g)

donde:V = velocidad del fluido = Caudal / área

fluido caliente: vapor flujo laminar:

f =64/Re

Presión Re f ∆P (mmH2O) ∆P (mbar)

fluido frio: agua : flujo turbulento:

f = ver tablas

Presión Re f ∆P (mmH2O) ∆P (mbar)

13.- Graficar y comentar los siguientes gráficos: Eficiencia Vs NUT. Variación de la presión Vs el Reynolds. Para el fluido frío y para el fluido caliente: Coeficiente global de transferencia de calor Vs Reynolds. Para el fluido frío y para el fluido caliente. Coeficientes convectivos Vs numero de Reynolds. Para el fluido frío y para el fluido caliente.

14.-.Investigar acerca de la disposición de intercambiadores de calor regenerativos.

15.- Desarrollar la ecuación de DMLT, en función a una disposición de flujos.

VII. BIBLIOGRAFIA: KERN. D. PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. WELTY. TRANSFERENCIA DE CALOR. MANRIQUE. TRANSFERENCIA DE CALOR.

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