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  • Intercambiadores 


 

 

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

Equipo diseñado y construido íntegramente en nuestro laboratorio

 

 

 Objeto: 

Estudio del comportamiento de un cambiador de calor de carcasa y tubos. Determinación de su coeficiente global de transmisión de calor, DMLT, F, eficiencia, NUT, y pérdidas de carga.

Material

Banco de ensayos de cambiadores de calor, compuesto por un intercambiador de calor con tres pasos por los tubos y uno por la carcasa, depósito calentador del fluido caliente, bomba de circulación, rotámetros, termómetros y válvulas de paso.

Fundamento teórico:

El papel de los intercambiadores térmicos ha adquirido una creciente importancia recientemente al empezar a ser conscientes los técnicos de la necesidad de ahorrar energía. En consecuencia se desea obtener equipos óptimos, no sólo en función de un análisis térmico y rendimiento económico de lo invertido, sino también en función del aprovechamiento energético del sistema

Un cambiador de calor consiste en un límite sólido, buen conductor, que separa dos fluidos que se intercambian energía por transmisión de calor.

Una de las primeras tareas en el análisis térmico de un cambiador de calor de carcasa y tubos consiste en evaluar el coeficiente global de transmisión de calor entre las dos corrientes fluidas.

En el caso de intercambiadores de carcasa y tubos, el coeficiente global de transmisión de calor (U) se basa en la superficie exterior Ae de los tubos.

Como la pared es delgada y de material buen conductor del calor, su resistencia térmica es despreciable (a menos que esté recubierto de costra o suciedad).

- Cálculo de los coeficientes de convección

El análisis de la convección en una capa límite es compleja, por lo que es frecuente el empleo del análisis dimensional o técnicas analógicas.

La obtención del coeficiente de película se realiza por correlación derivada del análisis dimensional

 Nu es el número de Nusselt

Pr es el número de Prandtl

Re es el número de Reynolds

l 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 las 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: Re < 2300 laminar   Re > 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.

 

Diferencia media logarítmica de temperatura (DMLT)

F es un coeficiente corrector que se introduce en el caso de cambiadores de varios pasos o de formas complejas.

- Método NUT para cambiadores de calor

La expresión Q=FUA*(DMLT) 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 se 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).

Cuanto mayor es el NUT, más estrechamente tiende el intercambiador a su valor límite termodinámico. La relación entre están representadas en gráficos para la mayoría de los montajes de interés práctico.

- Pérdida de carga en el lado de los tubos

 

Método operatorio:

Elegir los caudales de agua caliente y agua fría. Esperar a la estabilización de las temperaturas. Anotar las indicaciones de caudales pérdida de carga y temperaturas.

Repetir el ensayo con varias combinaciones de caudales diferentes.

Entre el máximo y mínimo caudal de agua caliente, tomar los datos de pérdida de carga.

 

Trabajo de gabinete:

A partir de los datos de que dispongamos y de los que hayamos obtenido por medición directa, se hallará U, DMLT, F, , Cmin/Cmax, y NUT. Tener en cuenta las fugas de calor.

Comparar los resultados de la pérdida de carga calculada con los datos experimentales y dibujar una gráfica en la que se represente la pérdida de carga real en función del caudal de agua caliente.

Analizar los resultados obtenidos y realizar el informe de la práctica según las normas generales de elaboración de informes de laboratorio.

- Datos del intercambiador de calor útiles

Número de pasos por tubería: 3

Número de pasos por la carcasa: 1

Número de tubos: 62

Material de los tubos: Latón (K=111 W/mK)

Diámetro exterior tubos 7 mm

Diámetro de la carcasa 80 mm

Diámetro interior tubos: 6 mm

Longitud de tubo: 180 mm

La ubicación de los intercambiadores de calor en procesos de corrientes calientes y frías se puede analizar por medio de técnicas de Integración Energética. Pinche en el sigiente vínculo para ver un ejemplo desarrollado

Práctica Virtual

Existe la posibilidad de trabajar sobre una simulación informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo modificar parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio. No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas. 

 

Este software está diseñado para obtener el máximo provecho al trabajo práctico en los estudios técnicos, y proporciona tanto ayuda en línea como información adicional para que el alumno pueda relacionar más estrechamente la teoría y la práctica. Enlace al Laboratorio Virtual.

 

GUIÓN

 

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José A. Millán