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.
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