practica 3. intercambiadores de calor

LABORATORIO DE TÉRMICA Y FLUIDOS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
PRESENTACION
EXÁMEN RÁPIDO
FORMATO
CALCULOS
RESULTADOS
5%
25%
10%
20%
20%
NOMBRE
DISCUSION DE RESULTADOS
10%
MATRICULA
CONCLUSIONES
10%
TOTAL
100%
Práctica 3
Transferencia de Calor
Análisis de
Intercambiadores de Calor
PROFESOR
INSTRUCTOR
Introducción
Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo utilizado para transferir calor de un
líquido procesado a otro. Los Intercambiadores de Calor pueden ser clasificados en tres
categorías importantes:
1.- Regeneradores: Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente
fluye a través del mismo espacio seguido de uno frío en forma alternada, con tan poca
mezcla física como sea posible entre las dos corrientes.
Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y del fluido
de las corrientes fluidas, y con la geometría del sistema, son cantidades que deben
conocer para analizar o diseñar los regeneradores.
2.- Intercambiadores de tipo abierto: Son dispositivos en los que las corrientes de fluido
de entrada fluyen hacia una cámara abierta, y ocurre una mezcla física completa de
las corrientes. Las corrientes caliente y fría que entran por separado a este
intercambiador salen mezcladas en una sola. El análisis de este tipo de
intercambiadores, involucra la ley de la conservación de la masa y la primera ley de la
termodinámica.
3.- Intercambiadores de tipo cerrado o recuperadores: Los intercambiadores de tipo
cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes
fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre si. La transferencia de calor
ocurre por convección, desde el fluido más caliente a la superficie sólida, por
conducción a través del sólido y de ahí por convección desde la superficie sólida al
fluido más frío.
Tipos de Intercambiadores
Tenemos cuatro tipos de configuraciones más comunes en la trayectoria del flujo:

En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por el
mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y
salen por el otro extremo.

En la distribución en contracorriente, los fluidos caliente y frío entran por los
extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.

En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro
del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.
.Autor: Ing. Gloria López
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
En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplaza
transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.
Objetivos
1.- Conocer las características y el funcionamiento de un intercambiador de calor de
dos pasos, doble tubo, operando en flujos paralelos y flujos encontrados.
2.- Analizar el flujo de calor del intercambiador para flujos paralelos y flujos encontrados.
3.- Evaluar el coeficiente global de transferencia de calor en forma teórica y
experimental.
Marco Teórico
En la determinación de coeficientes fílmicos de transferencia de calor, se pueden
encontrar un sinnúmero de correlaciones empíricas. A continuación se listarán algunas
correlaciones que pueden servir para predecir el coeficiente global de transferencia de
calor.
A. Flujo turbulento en tubos.
Tanto para el calentamiento como enfriamiento de la mayor parte de los fluidos
normales (0.7<Pr<700) en flujo completamente turbulento Re>10,000, y con las
propiedades físicas medidas en las condiciones del seno del fluido.
 f VDi 0.8  f Cp 1 / 3  f 0.14
hiDi
Di
 0.023[1  ( ) 0.7 ](
) (
) ( )
Kf
L
f
Kf
w
(1)
B. Régimen de transición del flujo en tubos: 2100<Re<10,000
 f VDi 2 / 3
 f Cp 1 / 3  f 0.14
hiDi
Di
 0.116[1  ( ) 2 / 3 ][(
)  125](
) ( )
Kf
L
f
Kf
w
(2)
C. Flujo Laminar en tubos
a) Flujo Laminar no desarrollado (Gz=RePrDi/L) Gz<100
 f 0.14
hiDi
0.085Gz
 [3.66 
](
)
Kf
1  0.047Gz 2 / 3  w
(3)
b) Flujo laminar desarrollado (Gz>100)
f
hiDi
 Gz1 / 3 ( ) 0.14
Kf
w
(4)
D. Sección Anular: Para flujo de calor hacia la pared del tubo interior.
.Autor: Ing. Gloria López
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 f VDo 0.8  f Cp 1 / 3 Do 0.53
hoDe
(5)
 0.02(
) (
) ( )
Kf
f
Kf
Di
Coeficiente Global de transferencia de Calor
1
1
Ao
Ao ln( Ro / Ri )



U ho Aihi
2kL
(6)
Notas:
De (Diámetro Equivalente) De=Do-Di
A (Área de Transferencia de Calor) A=pi*D*L
S (Area del Flujo) S= (pi/4)(Di)^2 o S= (pi/4)(Do^2-Di^2)
Procedimiento:
Distribución de Temperatura en un intercambiador de tubos concéntricos con flujos
paralelos:
Distribución de temperatura en un intercambiador de tubos concéntricos con flujos
encontrados.
.Autor: Ing. Gloria López
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Equipo a Utilizar
Intercambiador de Calor de tubos concéntricos.
Dimensiones del Intercambiador:
Longitud
Diámetro Tubo interior
Diámetro Tubo exterior
Espesor Interior
Espesor Experior
1.86 mts
1.6 cm
2.9 cm
0.00101 mts
0.00127 mts
Procedimiento
1. Abrir las válvulas 13 y 14, y así mantenerlas durante toda la práctica.
2. Para fijar el flujo de agua fría asegurándose que todas las válvulas de la parte
inferior del equipo estén cerradas (son 4 válvulas). Posteriormente verificar que
las válvulas 2 y 5 estén cerradas y con la válvula de paso que esta debajo del
intercambiador (casi pegada a la pared) regular el flujo de agua fría en
aproximadamente de 2 a 4 GPM. El agua fría se va a fijar y no hay necesidad de
cerrarla hasta que se termine la práctica.
3. Para fijar el flujo de agua caliente abrir las válvulas 1, 4 y 7, verificar que la
válvula 8 esté cerrada. Con la llave de paso que esta al lado derecho del
intercambiador se va a regular en aproximadamente el doble del flujo de agua
fía, NO ABRA ESTA VALVULA HASTA QUE YA ESTE TODA LA CONFIGURACION DE
VALVULAS DEL INTERCAMBIADOR LISTA. Nota: Las unidades del rotámetro de
agua caliente son CFM (pies cúbicos por minuto). Para seleccionar que la
configuración se va a usar, si flujos paralelos o flujos cruzados solo hay que
manipular las siguientes válvulas:
Flujos Paralelos: Abrir Válvulas 10 y 12
Cerrar Válvulas 9 y 11
Flujos Cruzados: Abrir Válvulas 9 y 11
Cerrar Válvulas 10 y 12
.Autor: Ing. Gloria López
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4. Una vez que ya todas las válvulas están listas para la configuración deseada fijar
el flujo de agua caliente y dejar que fluya por lo menos un minuto y medio hasta
que se estabilicen las temperaturas, verificar en el display que la temperatura de
entrada de agua caliente ya no varía (termopar 4 para flujos paralelos y
termopar 5 para flujos encontrados) entonces hacer las mediciones en todos los
puntos utilizando el selector de termopares.
5. Una vez terminada la corrida cerrar la válvula de agua caliente y esperar por lo
menos 20 minutos para que el agua se caliente de nuevo.
Temperaturas Para Flujos Encontrados:
Entrada (oC)
Salida (oC)
Caliente
Fría
Temperaturas Para Flujos Paralelos:
Entrada (oC)
Salida (oC)
Caliente
Fría
Reportar:
1.- Coeficiente Global de transferencia de calor teórica y experimental para cada
combinación de flujo:
Uo (W/m2-K)
Teórico
Experimental
Flujos Paralelos
Flujos Encontrados
2.- Obtener el flujo de calor para cada combinación de flujo, usando el coeficiente
teórico y experimental.
Q (W)
Teórico
Experimental
Flujos Paralelos
Flujos Encontrados
3.- Hacer dos gráficas de temperatura contra área total para cada combinación de
flujos
4.- DECIR (EN LA PARTE DE CONCLUSIONES) EN QUE TIPO DE FLUJOS (PARALELOS O
ENCONTRADOS) SE TIENE MAYOR TRANSFERENCIA DE CALOR Y EXPLICAR POR QUE.
Nota:
La práctica debe de entregarse según lo establece el formato. Agregar cálculos,
resultados teóricos y experimentales, discusión de resultados y conclusiones.
Bibliografía
Cengel, Yunus A. and Turner, Robert. Fundamentals of Thermal Fluid Sciences. McGraw
Hill. 2001. Pág. 229 – 233.
Incropera and DeWitt, Introduction to Heat Transfer, Ed. Wiley, 3a ed., 1996.
.Autor: Ing. Gloria López
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