Informe tranferencia de calor

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Facultad de Ingeniería.

Departamento de Ingeniería Química.

Transferencia de Calor y Masa

Profesor cátedra Rolando Vega

 “Intercambiador de Calor”.

1. OBJETIVOS.

1. Realizar un balance de energía al intercambiador de calor.

1. Determinar el calor perdido al ambiente (Qper), en cada una de las corridas experimentales.

1. Determinar el coeficiente global de diseño sucio (Ud) de transferencia de calor

1. Determinar la resistencia por incrustaciones (Rd) mediante método experimentales y método de Wilson.

1.5         Determinar la efciencia global del intercambiador de calor, para cada valor de presión de vapor trabajado.

1. MARCO TEÓRICO

Transferencia de calor

Se define el proceso de transferencia  de  calor como el estudio de las velocidades a las cuales el calor se intercambia entre una fuente de calor y un receptor. Los procesos  de   transferencia de  calor  se relacionan con las razones de intercambio térmico, tales  como los que ocurren en equipo de transferencia de calor tanto en ingeniería mecánica como en los procesos químicos. Este enfoque realza la importancia de las diferencias de temperatura entre la fuente y el receptor, lo que es el potencial por el cual la transferencia de calor se lleva a efecto. (Donald Q. Kern, 1950).

Intercambiadores de Calor

Dentro de las variadas maquinarias presentes en la industria para llevar a cabo procesos que se deben realizar, se encuentran los llamados intercambiadores de calor. Éstos son aparatos que, como su nombre lo indica, facilitan el intercambio de calor en forma de entalpía entre dos fluidos que están a una temperatura diferente sin la que se produzca la mezcla de éstos.

Entre las aplicaciones típicas se encuentran el calentamiento o enfriamiento de una corriente de fluido como el acondicionamiento de aire, la condensación de una corriente de un componente o de varios componentes e incluso el procesamiento químico y producción de energía en las grandes plantas.

La transferencia de calor en un intercambiador de calor usualmente involucra convección en cada fluido y  la conducción a través de la pared que separa los dos fluidos, siendo estos llamados del tipo transferencia directa (Ramesh K. Shah et al, 2003). En el análisis de los intercambiadores de calor, es conveniente trabajar con el Coeficiente de transferencia de calor total, U que considera la contribución de todos estos efectos sobre la transferencia de calor.

La velocidad de transferencia de calor entre dos fluidos en una localización en el intercambiador de calor depende de la magnitud de la diferencia de temperatura en dicha ubicación. Para el  análisis de intercambiadores de calor, es conveniente trabajar con la media logarítmica de  la diferencia de temperatura.

Tipos de intercambiadores de calor

Existen diferentes tipos de intercambiadores de calor, como por ejemplo los de “doble tubo” y los de “tubo y carcasa”. Los más sencillos son los tanques provistos de un serpentín o una chaqueta y de un dispositivo de agitación. Los más importantes son los de dobles tubos, los de carcasa y tubos  que son los más usuales y los de flujo cruzado. El movimiento de la corriente fría en relación con la caliente es diferente en cada uno de ellos (Dondé Castro Mario, 2005).

1. Intercambiador de Tubos concéntricos

Dentro de los más utilizados, el intercambiador más simple es el intercambiador de doble tubo o de tubos concéntricos (Figura 2.1). El fluido frío representa al de menor temperatura, el cual pasa por el tubo interno;  el fluido caliente representa al de mayor temperatura, el cual pasa  por el tubo externo. Esto dos pueden circular en paralelo o a contracorriente. Este tipo de intercambiador es útil principalmente para velocidades de flujo bajas. 

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Figura 2.1 Intercambiador de calor de doble tubo.

1.  Intercambiador de tubos y carcasa

Cuando se desea trabajar con flujos grandes,  se utilizan Intercambiadores de calor de tubos y carcasa, los cuales son continuos. Se usan muchos tubos en paralelo con uno de los fluidos circulando en su interior. Los tubos, distribuidos en forma de manojo, están encerrados en una sola coraza y el otro fluido fluye por el exterior de los tubos, dentro de la coraza. Los principales componentes de este intercambiador son los tubos, la carcasa y los bafles.

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Figura 2.2 Vista lateral de un intercambiador de calor de tubo y carcasa

Tubos: Generalmente son usados tubos cilíndricos. Los más comunes son los haces de tubos rectos o con tubos en forma de U. Generalmente los tubos son simples, pero cuando se utilizan gases o líquidos con un bajo coeficiente de transferencia de calor se pueden utilizar aletas.

Carcaza: Es habitualmente de forma cilíndrica con sección transversal circular. La carcaza está compuesta por una tubería circular, o estar formada por una placa de metal puesta de forma longitudinal a la carcasa que afirma los tubos.

Bafles: La turbulencia para conseguir una buena eficiencia en la transferencia de calor se crea mediante corrugaciones helicoidales, llamadas bafles, realizadas sobre los tubos y carcasas. (Géosta Bylund M., López Antonio ,2003).Los bafles tienen como principal función dirigir el fluido de forma perpendicular a los tubos, para de esta manera lograr mayor turbulencia, y por lo tanto, mayores coeficientes de transferencia de calor. La distancia entre los bafles es un factor importante a considerar, ya que bafles más cercanos causaran una mayor turbulencia.

c.1) Intercambiador 1-1 a contracorriente

El intercambiador de tubos y carcasa más simple es aquel en el que el fluido frío entra y circula por los tubos en paralelo en un solo paso, mientras que el fluido caliente entra por el otro extremo y fluye a contracorriente por el exterior de los tubos. A este intercambiador de le conoce como “intercambiador 1-1 a contracorriente”.

Son utilizados deflectores transversales de tal manera que el fluido se ve forzado a fluir perpendicularmente por la batería de tubos en lugar de hacerlo en paralelo. Esta turbulencia adicional generada por el flujo transversal, aumenta el coeficiente de transferencia de calor de la coraza. Este tipo de intercambiador se puede ver en la Figura 2.3.

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                                Figura 2.3 Intercambiador 1-1 a contracorriente.

c.2) Intercambiador 1-2 paralelo-contracorriente

Un intercambiador un poco más complejo que el anterior corresponde al “1-2 paralelo-contracorriente”. El líquido en los tubos fluye pasando dos veces y el líquido de la coraza fluye en un solo paso. En el primer paso por los tubos, el fluido frío fluye a contracorriente del fluido caliente de la coraza y en el segundo paso por los tubos fluye en paralelo con el fluido caliente. El esquema de dicho intercambiador se muestra en la Figura 2.4.

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Figura 2.4 Intercambiador 1-2 a contracorriente. 

Otro tipo de intercambiador opera con 2 pasos por la coraza y 4 pasos por el tubo.

El tipo de intercambiador utilizado en esta experiencia es un  condensador multitubular 1-2 paralelo-contracorriente el que está formado por un recipiente cilíndrico de chapa de acero extra-grueso y tubos interiores, por los que circula el agua enfriadora.

Calor absorbido por el agua.

El calor absorbido por el fluido frío en el intercambiador se puede evaluar a partir de la ecuación de diseño de éste:

Donde:

Y la temperatura media logarítmica define como:

Donde:

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