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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