Laboratorio de intercambiador CITA 6615

Universidad de Puerto Rico
Recinto Universitario de Mayagüez
Colegio de Ciencias Agrícolas
Ciencia y Tecnología de Alimentos
CITA 6615 – Tecnología de Alimentos
Manual de Laboratorio
Juan Manuel Pérez & Fernando Pérez Muñoz
Ejercicio 8: Transferencia de calor por Convección Intercambiador de
Calor
Objetivos
Al finalizar este ejercicio los estudiantes serón capaces de realizar las siguientes tareas.

Explicar en sus propias palabras el funcionamiento y utilización de un
intercambiador de calor.

Explicar en sus propias palabras la diferencia entre un intercambiador en
configuración de flujo paralelo y flujo contra-corriente.

Estimar el coeficiente de transferencia global del intercambiador a partir de datos
experimentales.
Introducción
Convección
Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, se
produce movimiento dentro del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del
fluido a otra por un proceso llamado convección.
Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele
disminuir. El fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío
y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no
uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.
El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. La convección forzada se logra
sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de
acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El
líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por
conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como
resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluído más frío baja hacia el fondo,
con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse
por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su
calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.
De forma similar ocurre en una cámara vertical llena de gas como la cámara de aire
situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio. En la temporada de frío,
el aire situado junto al panel exterior, que está más frío, desciende. Mientras, el aire
cercano al panel interior, más caliente, asciende. La combinación de ambos movimientos
produce un efecto de circulación.
El calentamiento de una habitación mediante un radiador depende tanto de la radiación
como de las corrientes naturales de convección. Estas corrientes hacen que el aire
caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el suelo
donde está el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar,
los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado
cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima.
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La convección natural es también responsable de la ascensión del agua caliente y el
vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección
determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la
acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia
de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.
Intercambiadores de Calor
Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir el calor de un
fluido a otro de manera eficiente. Los intercambiadores de calor pueden ser de carcasa
y tubo, tubulares, de placas, aletas y disipadores de calor. Todos ellos tiene
básicamente el mismo funcionamiento. Consisten de dos fluidos en movimiento, uno frío
y otro caliente, separados por una placa de metal. El fluido caliente transfiere calor al
fluido frío a través de la pared metálica.
Además de ser clasificados de acuerdo a su construcción, los intercambiadores se
clasifican de acuerdo a la dirección de flujo de los fluidos. En este respecto hay dos
categorías: flujo concurrente y flujo contracorriente. En el flujo concurrente o en paralelo,
el fluido frío y el caliente viajan en la misma dirección a través del intercambiador. De
esta forma, el fluido mas caliente transfiere calor al fluido mas frío según lo muestra la
siguiente figura.
En el flujo contracorriente, el fluido frío y el caliente viajan e direcciones opuestas a
través del intercambiador. De esta forma el fluido mas caliente transfiere calor a la
porción mas caliente del fluido frío según lo muestra la siguiente figura.
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Asumamos por ejemplo que tenemos un intercambiador de tipo tubular operando en
configuración concurrente. El intercambiador tipo tubular tiene la configuración que mas
fácilmente permite visualizar el funcionamiento. El mismo consiste de dos tubos
concéntricos de diferente diámetro. El fluido a procesar (producto de interés) se
transporta por el interior del tubo interno mientras que el fluido procesador (que va a
enfriar o calentar el producto de interés) viaja en el espacio entre el tubo interno y el
externo. La siguiente figura ilustra esta configuración.
Fluido
Producto
de interés
procesador
Asumamos, además, que usamos el intercambiador de calor para un proceso de
pasteurización de jugo. El producto de interés es el jugo que está frío y deseamos
calentar. El fluido procesador es agua caliente.
El calor que pierde o transfiere el agua conlleva una reducción en su temperatura que se
puede hallar con la siguiente ecuación.
 CpT3  T1 
Q HOT  m
Donde QHOT es el calor transferido, Cp es el calor específico (del agua), T3 es la
temperatura del agua que entra al intercambiador, y T1 es la temperatura del agua que
sale del intercambiador. El signo negativo indica que el calor sale del agua.
De igual forma podemos establecer una relación para el jugo que se está calentando.
 CpT4  T6 
QCOLD  m
Donde QCOLD es el calor transferido, Cp es el calor específico (del jugo), T4 es la
temperatura del jugo que entra al intercambiador, y T6 es la temperatura del jugo que
sale del intercambiador. Nótese que no se incluye el signo negativo ya que el jugo gana
calor.
A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener el porcentaje de perdidas. Estas
se deben a transferencia de calor por conducción a través de los conductos del
intercambiador y la influencia del ambiente exterior al intercambiador (convección).
% perdidas
QCOLD
 100
Q HOT
El análisis de los intercambiadores de calor se vuelve complejo si intentamos utilizar los
conceptos de conductividad térmica por conducción y convección. Esto se debe a que la
geometría es compleja y el efecto combinado no tiene un comportamiento lineal
(sumativo). Por tanto, el análisis de los intercambiadores se basa en lo que se conoce
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como el coeficiente global de transferencia de calor, UO. Un estimado teórico razonable
de este coeficiente se puede encontrar con la siguiente fórmula.
Uo 
1
1
1

hCOLD h HOT
Donde hCOLD es el coeficiente de convección del fluido frío (jugo) y hHOT es el coeficiente
de convección del fluido caliente (agua). La estimación de estos coeficientes requiere el
uso de los números adimensionales de la teoría de fluidos, específicamente los números
de Reynolds, Nusselt y Prandtl.
El numero de Nusselt relaciona la transferencia de energía por convención a la
transferencia de energía por conducción dentro de una tubería.
Nu 
hD

El valor de este número, sin embargo depende del tipo de flujo que se forme dentro de la
tubería. Para flujos turbulentos, el número de Nusselt se puede estimar con la siguiente
ecuación.
Nu 
4
5
0.023Re
1
P r3
Donde Pr es el número de Prandtl y Re es el número de Reynolds.
Re 
VD

; Pr 
Cp

Donde V es la velocidad del fluido,  es la densidad, D es el diámetro de la tubería,  es
la viscosidad, Cp es el calor específico, y  es la conductividad térmica del fluido.
Nótese que exceptuando la velocidad del fluido y el diámetro de la tubería, todos los
parámetros requeridos son propiedades del fluido y se pueden conseguir en tablas y
referencias. Entonces para cada una de las condiciones de los fluidos (frío y caliente),
podemos determinar Re y Pr. Con estos valores estimamos Nu. Por último, despejamos
para hallar hCOLD y hHOT que utilizamos para determinar Uo teórico.
Experimentalmente también podemos determinar un Uo para el intercambiador. Para
esto hay que comenzar reconociendo que el calor transferido (Q) es una función de las
diferencias en temperatura de los fluidos (TLM) y del área total de superficie (A) a través
de la cual se transfiere el calor.
Q  AUoTLM
El detalle en esta ecuación está en la determinación de la diferencia en temperatura de
los fluidos. Esta se calcula de la siguiente manera.
T LM 
T A  T B
 T
Log A
 T B



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Donde TA es la diferencia en temperatura que ve el fluido a procesar cuando entra el
intercambiador y TB es la diferencia en temperatura que ve el fluido procesado cuando
sale del intercambiador.
Procedimiento
Para este ejercicio vamos a considerar un intercambiador de calor tubular en
configuración paralelo y contra-corriente. En ambos casos el procedimiento será el
mismo. Se busca que el estudiante pueda apreciar ambas configuraciones y la posible
diferencia que hay entre ellas. El área de superficie dada por el fabricante para este
intercambiador es de 20,000 mm 2. Los diámetros de los tubos interno y externo son 9.5
y 12.0 mm, respectivamente. Nótese que el diámetro efectivo del tubo exterior de halla
con la raíz cuadrada del producto de ambos diámetros.
Vamos a utilizar agua fresca como el fluido frío y agua caliente como el fluido caliente.
Para estimar los números de Prandtl utilice la temperatura promedio del agua
correspondiente y la tabla que aparece a continuación.
Temperartura
Densidad
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Calor Específico
Conductividad Termal
Viscosidad
J/(Kg.K)
W/(m.K)
mPa.s
Número de Prandtl
K
Kg/m
273
999.3
4226
0.558
1.794
13.7
293
998.2
4182
0.597
0.933
7.0
313
992.2
4175
0.633
0.658
4.3
333
983.2
4181
0.658
0.472
3.00
353
971.8
4194
0.673
0.352
2.25
373
958.4
4211
0.682
0.278
1.75
473
862.8
4501
0.665
0.139
0.95
573
712.5
5694
0.564
0.092
0.98
Tomado de Burghardt, 1982
1) Conecte el intercambiador de calor tubular en configuración de flujo paralelo.
Encienda y deje estabilizar por varios minutos.
2) Llene la planilla del Apéndice A.
3) Cambie la configuración del intercambiador para que tenga flujos contra-
corriente.
4) Llene la planilla del Apéndice B.
Informe de laboratorio
1) Someta las planillas de los Apéndices A y B debidamente completadas.
2) Prepare una gráfica que presente la temperatura del fluido frío a la entrada y
salida del intercambiador. Incluya ambas configuraciones en la misma gráfica.
Comente sobre la semejanza o diferencia entre las curvas.
3) Prepare una gráfica que presente la temperatura del fluido caliente a la entrada y
salida del intercambiador. Incluya ambas configuraciones en la misma gráfica.
Comente sobre la semejanza o diferencia entre las curvas.
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Apéndice A: Planilla de datos – Intercambiador con flujo paralelo
Datos recopilados
Flujo másico del fluido frío
Flujo másico del fluido caliente
Temperatura de entrada del fluido frío
Temperatura de salida del fluido frío
Temperatura de entrada del fluido caliente
Temperatura de salida del fluido caliente
Temperatura de referencia
Cómputo del coeficiente global teórico
Parámetro
Fluido frío
Fluido caliente
Temperatura promedio del fluido
Número de Prandtl
Diámetro de tubería
Velocidad del fluido
Número de Reynolds
Número de Nusselt
Coeficiente de convección, h
Coeficiente de transferencia global teórico, Uo
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Cómputo del coeficiente global experimental
Parámetro
Fluido frío
Temperatura promedio del fluido
Calor específico a temperatura promedio
Cambio en temperatura
Calor transferido
Eficiencia del intercambiador,
QCOLD
Q HOT
Diferencia en temperatura que ve el producto a la entrada,
T A
Diferencia en temperatura que ve el producto a la salida,
T B
TLM
Coeficiente de transferencia global experimental, Uo
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Fluido caliente
Apéndice B: Planilla de datos – Intercambiador con flujo Contracorriente
Datos recopilados
Flujo másico del fluido frío
Flujo másico del fluido caliente
Temperatura de entrada del fluido frío
Temperatura de salida del fluido frío
Temperatura de entrada del fluido caliente
Temperatura de salida del fluido caliente
Temperatura de referencia
Cómputo del coeficiente global teórico
Parámetro
Fluido frío
Fluido caliente
Temperatura promedio del fluido
Número de Prandtl
Diámetro de tubería
Velocidad del fluido
Número de Reynolds
Número de Nusselt
Coeficiente de convección, h
Coeficiente de transferencia global teórico, Uo
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Cómputo del coeficiente global experimental
Parámetro
Fluido frío
Temperatura promedio del fluido
Calor específico a temperatura promedio
Cambio en temperatura
Calor transferido
Eficiencia del intercambiador,
QCOLD
Q HOT
Diferencia en temperatura que ve el producto a la entrada,
T A
Diferencia en temperatura que ve el producto a la salida,
T B
TLM
Coeficiente de transferencia global experimental, Uo
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Fluido caliente