transferencia de calor en doble tubo
DESCRIPTION
Transferencia de calor en doble tubo en contra y co corriente en flujo laminar y turbulentoTRANSCRIPT
Laboratorio de Ingeniería II
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 1
PROF. Ing. Mario Smidt
Ingeniería DE ALIMENTOS-INGENIERÍA QUÍMICA
Facultad de ciencias químicas- una
2015
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 2
1. Determinar la tasa de transferencia de calor, diferencia logarítmica de temperatura
media y el coeficiente general de transferencia de calor en flujo turbulento.
2. Determinar el coeficiente de película dentro y fuera del tubo y el efecto de la
velocidad del fluido en estos. Aplicar correlaciones para flujo turbulento.
3. Comparar el flujo en contracorriente y en co-corriente.
OBJETIVOS
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 3
El tipo más simple de intercambiador de calor consta de dos tubos concéntricos de
diámetros diferentes, llamado intercambiador de calor de doble tubo.
En un intercambiador de calor de este tipo uno de los fluidos pasa por el tubo más
pequeño, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos tubos.
En un intercambiador de calor de doble tubo son posibles dos tipos de disposición de
flujo:
- En el flujo paralelo los dos fluidos, el frío y el caliente, entran en el intercambiador
por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección.
- En el contraflujo los fluidos entran en el intercambiador por extremos opuestos y
fluyen en direcciones opuestas.
A menudo a los intercambiadores se les da nombres específicos que reflejen la
aplicación para la cual se usan. Por ejemplo, un condensador es un intercambiador de
calor en el cual uno de los fluidos se enfría y se condensa conforme fluye a través de
ese intercambiador. Una caldera es otro intercambiador en el cual uno de los fluidos
absorbe calor y se vaporiza.
INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 4
TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Los diferentes regímenes de flujo y los perfiles asociados de temperaturas en un
intercambiador de calor de doble tubo se muestran en la figura de abajo:
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 5
EL COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Por lo común un intercambiador de calor está relacionado
con dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida.
En primer lugar, el calor se transfiere del fluido caliente
hacia la pared por convección y, por último, de la pared
hacia el fluido frío de nuevo por convección. Cualesquiera
efectos de la radiación suelen incluirse en los coeficientes
de transferencia de calor por convección.
La red de resistencias térmicas asociada con este proceso
de transferencia de calor comprende dos resistencias por
convección y una por conducción, como se muestra en la
figura de alado.
Para un intercambiador de calor de doble tubo, la
resistencia térmica de la pared del tubo es:
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 6
EL COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
La resistencia térmica total queda:
En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combinar todas las
resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria del flujo de calor de fluido
caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la razón de la transferencia de
calor entre los dos fluidos como
En donde U es el coeficiente total de transferencia de calor, cuya unidad es W/m2°C,
la cuál es idéntica a la unidad del coeficiente de película h. Cancelando ΔT, la ecuación
anterior se convierte en
Nótese que UiAi=UoAo, pero Ui≠Uo para un intercambiador de calor. La razón es que
todo intercambiador de calor tiene dos áreas superficiales, las cuales, en general, no son
iguales.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 7
EL COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Cuando la pared del tubo es pequeña y la conductividad térmica del material del mismo
es alta, como suele ser el caso, la resistencia térmica de dicho tubo es despreciable
(Rpared≈0) y las superficies interior y exterior del mismo son semejantes Ai≈Ao≈As .
Entonces la ecuación para el coeficiente de transferencia de calor se simplifica para
quedar
Donde Ui≈Uo≈U . Los coeficientes de transferencia de calor por separado, de adentro y
de afuera del tubo, se determinan aplicando relaciones de convección.
El coeficiente de transferencia de calor total U es dominado por el coeficiente de
convección más pequeño, puesto que el inverso de un número grande es pequeño. El
coeficiente de transferencia de calor más pequeño crea un cuello de botella sobre la
trayectoria de la transferencia de calor e impide gravemente la transferencia de este
último.
Esta situación se presenta por lo general cuando uno de los fluidos es un gas y el otro es
un líquido. En estos casos, es común el uso de aletas del lado del gas para mejorar el
producto UAs y, en consecuencia, la transferencia de calor en ese lado.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 8
EL COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 9
CORRELACIONES DE CONVECCIÓN PARA FLUJO TURBULENTO EN TUBOS CIRCULARES
Correlación de Colburn
Correlación de Ditus-Boelter
Correlación de Sieder y Tate
Correlación de Petukhov
Correlación de Gnieliski
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 10
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 11
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 12
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA
EXPERIMENTAL 1: Determinación de la tasa de transferencia de calor,
diferencia logarítmica de temperatura y coeficiente general de transferencia de
calor a contracorriente.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 13
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA
EXPERIMENTAL 1: Determinación de la tasa de transferencia de calor,
diferencia logarítmica de temperatura y coeficiente general de transferencia de
calor a contracorriente.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 14
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA
EXPERIMENTAL 1: Determinación de la tasa de transferencia de calor,
diferencia logarítmica de temperatura y coeficiente general de transferencia de
calor a contracorriente.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 15
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA
EXPERIMENTAL 1: Determinación de la tasa de transferencia de calor,
diferencia logarítmica de temperatura y coeficiente general de transferencia de
calor a contracorriente.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 16
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA
EXPERIMENTAL 1: Determinación de la tasa de transferencia de calor,
diferencia logarítmica de temperatura y coeficiente general de transferencia de
calor a contracorriente.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 2 3 4
Tem
per
atu
ra (°C
)
Distancia en aumento desde la entrada caliente
Distribución de la temperatura del flujo contra-corriente
Dirección del flujo
Dirección del flujo Pared de metal
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 17
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 18
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 19
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 20
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 21
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 22
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 23
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 24
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 25
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 26
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 27
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TURBULENTO
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 28
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO TURBULENTO AGUA-AGUA EXPERIMENTAL 3: Comparación del flujo concurrente y contra-corriente.
Mediante un cambio en el juego de válvulas, toma de datos y posterior análisis de los resultados
puede verse que sin cambio en las tasas de flujo de los fluidos ni en las condiciones de entrada y
salida, la condición de flujo concurrente resulta en una menor tasa de transferencia de calor que el
flujo en contra-corriente.
Realizar un gráfico de la distribución de temperatura para las dos configuraciones.
Laboratorio de Ingeniería II
Práctica 2: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO LAMINAR
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 29
PROF. Ing. Mario Smidt
Ingeniería DE ALIMENTOS-INGENIERÍA QUÍMICA
Facultad de ciencias químicas- una
2015
Práctica 2: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO LAMINAR
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 30
1. Determinar la tasa de transferencia de calor, diferencia logarítmica de temperatura
media y el coeficiente general de transferencia de calor.
2. Determinar el coeficiente de película dentro y fuera del tubo y el efecto de la
velocidad del fluido en estos. Aplicar correlaciones.
3. Comparar el flujo en contracorriente y en co-corriente.
OBJETIVOS
Práctica 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO LAMINAR
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 31
EL COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
EJEMPLO 1: coeficiente de transferencia de calor total en un intercambiador de calor.
Se va a enfriar aceite caliente en un intercambiador de calor de doble tubo, a
contraflujo. El tubo interior de cobre tiene un diámetro exterior de 2 cm y un espesor
despreciable. El diámetro exterior (la coraza) es de 3 cm. Por el tubo fluye agua a razón
de 0.5 kg/s y el aceite por espacio anular a razón de 0.8 kg/s. Tomando las temperaturas
promedio del agua y del aceite como 45°C y 80°C, respectivamente, determine el
coeficiente total de transferencia de calor de este intercambiador.
Práctica 2: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO LAMINAR
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 32
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO LAMINAR AGUA-ACEITE
Práctica 2: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO LAMINAR
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 33
TERMOPERMUTADOR DE FLUJO LAMINAR AGUA-ACEITE
EXPERIMENTAL 1: Determinación de la tasa de transferencia de calor,
diferencia logarítmica de temperatura y coeficiente general de transferencia de
calor a contracorriente.
EXPERIMENTAL 2: Determinación del coeficiente de transferencia de calor de
superficie dentro y fuera del tubo y el efecto de la velocidad del fluido en estos.
EXPERIMENTAL 3: Comparación del flujo concurrente y contra-corriente.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 34
LECTURA RECOMENDADA
CAPÍTULO 8
“Convección interna forzada”
Cengel, Y. y Grhajar, J. (2004). Transferencia de calor (4ª ed.). España: McGraw-Hill.
CAPÍTULO 8
“Flujo interno”
Incropera, F. y DeWitt, D. (1999). Fundamentos de transferencia de calor (4ª ed.).
España: Prentice-Hall.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 35
¿DE DÓNDE ESTUDIAR?
Principal
Cengel, Y. y Grhajar, J. (2004). Transferencia de calor (4ª ed.). España: McGraw-
Hill.
Incropera, F. y DeWitt, D. (1999). Fundamentos de transferencia de calor (4ª ed.).
España: Prentice-Hall.
Edibon. (1997). Manual experimental de operación y mantenimiento. España.
Complementaria
Bird, R.B. (2006). Fenómenos de transporte (2ª ed.). México: Limusa.
Perry, R.H. (2007). Manual del Ingeniero Químico (6ª ed.). México: Mac-Graw-
Hill/Interamericana.
Kreith, F. (2012). Principios de transferencia de calor (4ª ed.). España: Cengage
Learning.
Geancoplis, C. (1998). Procesos de transporte y principios de procesos de
separación (3ª ed.). México: Compañía Editorial Continental.