TRANSFERENCIA DE CALOR

INTERCAMBIADORES DE CALOR

1.- OBJETIVOS

Determinar el funcionamiento de un intercambiador de vapor-agua y sus

accesorios

Determinar el coeficiente de transferencia de calor U

2.- FUNDAMENTO TEÓRICO

Introducción

En la vida diaria se encuentran muchas situaciones físicas en las que es necesario

transferir calor desde un fluido caliente hasta uno frio con múltiples propósitos. Por

ejemplo ahorro de energía (combustible) lo que disminuye los costos de

operaciones; o para llevar al fluido de una temperatura óptima, bien sea para un

procesamiento posterior o para alcanzar condiciones de seguridad necesarias en

el caso de transporte y/o almacenamiento.

Para transferir calor existen una amplia variedad de equipos denominados

intercambiadores de calor.

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un

fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera sólida o que se

encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración,

acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el

fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente

de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a

circular en el interior del mismo.

De manera general, existen dos tipos de transmisión de calor en los

intercambiadores:

Transmisión de calor por conducción: La conducción es la forma en que tiene

lugar la transferencia de energía a escala molecular. Cuando las moléculas

absorben energía térmica vibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la

vibración conforme aumenta el nivel de energía. Esta vibración se transmite de

unas moléculas a otras sin que tenga movimiento alguno.

Transmisión de calor por convección: Cuando un fluido circula en contacto con un

sólido, por ejemplo por el interior de una tubería, existiendo una diferencia de

temperatura entre ambos, tiene lugar un intercambio de calor. Esta transmisión de

calor se debe al mecanismo de convección.

El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos son los ejemplos más

habituales de transmisión de calor por convección. Dependiendo de sí el flujo del

fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: convección

forzada y convección libre (también llamada natural). La convección forzada

implica el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador, para

provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un

movimiento laminar o turbulento del fluido.

Fuente: http://www.quiminet.com/articulos/los-intercambiadores-de-calor-

17400.htm

ALGUNOS TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

TUBO DOBLE. Es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido

por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el

tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos

tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto

a la dirección del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuración

en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo

sentido. En la configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos

opuestos y fluyen en sentidos opuestos.

-- En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del

fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.

-- En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido

frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite

se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de

entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser

superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.

Figura N1

Fuente:

http://www.telecable.es/personales/albatros1/calor/transferencia_de_calor_07_inte

rcambiadores.htm

COMPACTOS. Son intercambiadores diseñados para lograr una gran área

superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. La razón entre el área

superficial de transferencia de calor y su volumen es la densidad de área b. Un

intercambiador con b > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. Ejemplos de

intercambiadores de calor compactos son los radiadores de automóviles, los

intercambiadores de calor de cerámica de vidrio de las turbinas de gas, el

regenerador del motor Stirling y el pulmón humano.

-- En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en

direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración de flujo recibe el nombre de

flujo cruzado. El flujo cruzado se clasifica a su vez en mezclado (uno de los fluidos

fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones) y no mezclado (se

disponen una placas para guiar el flujo de uno de los fluidos). En la figura siguiente

se muestran esquemas de ambos tipos de flujo:

Figura 2

Fuente:

http://www.telecable.es/personales/albatros1/calor/transferencia_de_calor_07_inte

rcambiadores.htm

3.- MATERIALES

Intercambiador de calor

Enfriado de agua

Recipiente aforado cronometro

4.- PROCEDIMIENTO

Primero obtuvimos una breve explicación teórica acerca de la práctica, y la

forma de su resolución

Luego se procedió a tomar dato de la presión a la que está el vapor

Se tomó dato de la temperatura de entrada y salida del agua.

Se realizaron los cálculos requeridos

5.- DATOS

Vapor

P= 0,8 bar

Agua

T2=24 ºC

T4=30 ºC

6. - CALCULOS

q=U∗A∗ΔT

q= ˙m∗Cp∗¿ ΔT ¿

Q=35 Lmin

∗( 1m31000 L )∗( 1min60 s

)

Q=5,833 x10−4 [m¿¿3/ s]¿

m=Q∗ρ

ρ=f (Tpromedio )

Tprom=24+302

=27 °C

Para una T de 27 C densidad= 996,59 kg/m3

m=5,833 x10−4 [m¿¿3/s ]∗996,59[kg /m3]¿

m=0,5813 [ Kgs

]

q= ˙m∗Cp∗¿(T 4−T 2)¿

CP del agua a 27 C Cp.=4,179 [kJ/kg*K]

q=˙

0,5813∗4,179∗¿ (30−24 )[ Kgs ]∗[ kJkg∗K ]∗K ¿

q=14,57 [ KJs

]

q=14,575[kWtts ]

q=U∗A∗ΔT

A=2∗π∗R∗l

D=27 mm

L=500mm

A=2∗π∗(13,5x 10−3m )∗(500 x 10−3m)

A=0,04241m2

Como el intercambiador tiene 20 tubos internos

A=0,04241m2∗20

A=0,8482m2

ΔT es la diferencia media logarítmica DMLT

DMLT=(T 1−T 2 )−(T 3−T 4 )

ln (T 1−T 2T 3−T 4 )

Presión del vapor =0,8 bar*(1E5Pa/1bar)=80 kPa + Patm(cbba)=80kp+102,3Kpa=

0,1823 MPa

Hallando la temperatura del vapor saturado

Presión [MPa] Temperatura [ºC]

0,175 116,06

0,2 120,23

Interpolando T para una P de 0,80 MPa

T=117,277 ºC

Como T1=T3

T1=T3=117,277 ºC

DMLT=(117,277−24 )−(117,277−30)

ln (117,277−24117,277−30 )

DMLT=90 ,24 ° C

q=U∗A∗ΔT

14,575[ kJs

]=U∗0,8482m2∗90,243 °C

U=0,1904[ KJs∗m2∗C ]∗( 3600 s

1h)

U=685,48[ kJh∗m2∗C

]

7.- OBSERVACIONES

Se pudo observar que el vapor al pasar de vapor saturado a líquido

saturado, no tuvo un cambio de temperatura, a diferencia del agua, que si

sufrió un cambio de temperatura en la entrada y salida del intercambiador

de calor.

Con respecto al diseño y construcción de un intercambiador de calor se

aconseja primero determinar las dimensiones del intercambiador en función

del coeficiente global de transmisión que se requiera en el funcionamiento

de dicho intercambiador de calor.

8.- CONCLUSIONES

Se pudo determinar que un intercambiador de calor vapor agua es un

dispositivo que sirve para enfriar o calentar el vapor, por los tubos circula el

fluido caliente (vapor) y por fuera de estos circula el fluido frio (agua), de tal

forma que un fluido se enfría y el otro se calienta, es por esto que se le

llama intercambiador de calor vapor-agua.

Se logró determinar efectivamente que el coeficiente global U del

intercambiador vapor-agua analizado es:925,87 [kJ

h∗m2∗C]

9.- CUESTIONARIO

1.- investigue tipos de intercambiadores que existen y sus aplicaciones en la industria

Clasificación según su aplicación. Para caracterizar los intercambiadores de calor

basándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales. Los

términos empleados para los principales tipos son:

Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los

intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de

vapor para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente

de un flujo caliente en vez de los productos de la combustión a temperatura

elevada.

Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas

como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas

nucleares para vehículos espaciales. Los tipos principales son los condensadores

de superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos.

El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que el

condensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.

Intercambiadores de calor de coraza y tubos: 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 líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y

también en algunos casos los intercambiadores gas-gas.

Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los

coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es

generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores

que los correspondientes a los intercambiadores de calor líquido-líquido en un

factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para

transferir la misma cantidad de calor.

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-

líquido de coraza y tubos.

Torres de enfriamiento: Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente

para desechar en la atmósfera el calor proveniente de procesos industriales en

vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano.

Los tipos más comunes son las torres de enfriamiento por convección natural y por

convección forzada.

2.- en el circuito del intercambiador de calor explique qué finalidad tiene el regulador de presión y cómo influye este en la temperatura

Tienen la función de controlar la presión de un fluido (gas o liquido), variando el

grado de apertura de un mecanismo valvular. Su importancia radica en mantener

flujos constantes, con cambios de la presión, y evitar cambios indeseables en los

flujos de gases. Válvulas reductoras de presión o monoreductoras, y reguladores

de presión y al ser directamente proporcional a la temperatura esta también varia

3.- en el circuito del intercambiador de calor explique qué finalidad tiene la trampa de vapor y como funciona

Las trampas de vapor son un tipo de válvula automática que filtra el condensado

(es decir vapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin

dejar escapar al vapor. En la industria, el vapor es regularmente usado para

calentamiento o como fuerza motriz para un poder mecánico. Las trampas de

vapor son usadas en tales aplicaciones para asegurar que no se desperdicie el

vapor.

4.- porque se afirma que la temperatura del vapor en el interior de los tubos es prácticamente constante, si en la entrada del intercambiador existe vapor saturado y en la salida del intercambiador se halla liquido saturado.

R. Porque el vapor al entrar al intercambiador de calor pierde o cede su entalpia

al agua y un fluido pierde su entalpia solo cuando la temperatura permanece

constante, por eso se afirma que la T del interior de los tubos donde existe el

vapor es constante.

5.- Transferencia de calor global U.

q=U∗A∗ΔT

14,575[ kJs

]=U∗0,8482m2∗90,243 °C

U=0,1904[ KJs∗m2∗C ]∗( 3600 s

1h)

U=685,48[ kJh∗m2∗C

]

6.- Calcule el calor total transferido

q= ˙m∗Cp∗¿ ΔT ¿

Q=35 Lmin

∗( 1m31000 L )∗( 1min60 s

)

Q=5,833 x10−4 [m¿¿3/ s]¿

m=Q∗ρ

ρ=f (Tpromedio )

Tprom=24+302

=27 °C

Para una T de 27 C densidad= 996,59 kg/m3

m=5,833 x10−4 [m¿¿3/s ]∗996,59[kg /m3]¿

m=0,5813 [ Kgs

]

q= ˙m∗Cp∗¿(T 4−T 2)¿

CP del agua a 27 C Cp.=4,179 [kJ/kg*K]

q=˙

0,5813∗4,179∗¿ (30−24 )[ Kgs ]∗[ kJkg∗K ]∗K ¿

q=14,57 [ KJs

]

q=14,575[kWtts ]

BIBLIOGRAFIA

http://www.telecable.es/personales/albatros1/calor/

transferencia_de_calor_07_intercambiadores.htm

http://www.quiminet.com/articulos/los-intercambiadores-de-calor-17400.htm