UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

Facultad de Ingeniera Mecnica

Laboratorio N 1

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Curso LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III (MN 464 A)

Profesor ING. PAEZ, Eliseo Alumnos Apellidos y Nombres Cdigo

ANGELES CASTRO Rolando 20061010K

ASTO AZPUR Anelver 20062549K

FLORES PONCE Elmer 20061093C

HUARCAYA ALVAREZ No 20062571F

ROJAS CANECILLAS Gianfranco 20064512G

INDICE

1.- INTRODUCCION. Pg. 3

2.- OBJETIVOS.. Pg. 3

3.- FUNDAMENTO TEORICO. Pg. 4

4.- MATERIALES UTILIZADOS. Pg. 14

5.- DATOS DE LA EXPERIENCIA .. Pg. 15

6.- EJEMPLO DE CALCULO.. Pg. 15

7.- TABLA DE RESULTADOS..... Pg. 16

8.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..... Pg. 20

9.- BIBLIOGRAFIA.. Pg. 21

INFORME N 1: INTERCAMBIADOR DE CALOR

1.- INTRODUCCION:

Los intercambiadores de calor sern siempre uno de los indispensables equipos en la

transferencia de calor. Estos han obteniendo usos en los sistemas de refrigeracin

como condensadores o evaporadores, pero no solo en esta rea sino tambin en las

maquinarias pesadas chinas utilizan intercambiadores de calor para enfriar el aceite

que circula por el convertidor, caja y sistema hidrulico.

Como podemos ver los intercambiadores son indispensables en el rea mecnica, es

por eso la realizacin de este laboratorio.

En este laboratorio observaremos el comportamiento de los intercambiadores de flujo

paralelo y de contra flujo, teniendo presente que hay mas disposiciones de los

intercambiadores, realizando un anlisis energtico , de los coeficientes peliculares ,

eficiencia, NUT los cuales sern necesarios en la vida practica, sobre todo para

distinguir cul de ellos es el ms adecuado para una cierta aplicacin.

En conclusin, el laboratorio es indispensable para todo Ing. Mecnico, porque

siempre encontrara en el rea de trabajo uno de estos equipos en diferentes

disposiciones.

2.-OBJETIVOS:

Comprender el principio de funcionamiento bsico de un intercambiador de

calor.

Elaborar clculos para luego hacer las curvas caractersticas del

intercambiador de calor.

3.- FUNDAMENTO TEORICO:

3.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores normalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construccin. El intercambiador de calor ms simple es aquel en que los fluidos caliente y fro se mueven en la misma direccin o en direcciones opuestas en una construccin de tubos concntricos (o doble tubo). En el arreglo de flujo paralelo de la figura 1a, los fluidos caliente y fro entran por el mismo extremo, fluyen en la misma direccin y salen por el mismo extremo. En el arreglo de contraflujo de la figura 1b, los fluidos entran por extremos opuestos, fluyen en direcciones opuestas, y salen por extremos opuestos.

Figura 1 Intercambiadores de calor de tubos concntricos. (Izq.) Flujo paralelo. (Der.) Contraflujo.

De manera alternativa, los fluidos se pueden mover en flujo cruzado (perpendiculares entre s), como se muestra mediante los intercambiadores de calor tubulares con aletas y sin aletas de la figura 2. Las dos configuraciones difieren segn el fluido que se mueve sobre los tubos est mezclado o no mezclado. En la figura 2a, se dice que el fluido no est mezclado porque las aletas impiden el movimiento en una direccin (y) que es transversal a la direccin del flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido vara con x y y. Por el contrario, para el conjunto de tubos sin aletas de la figura 2b, es posible el movimiento del fluido en la direccin transversal, que en consecuencia es mezclado, y las variaciones de temperatura se producen, en principio, en la direccin del flujo principal. En el intercambiador con aletas, dado que el flujo del tubo no es mezclado, ambos fluidos estn sin mezclar mientras que en el intercambiador sin aletas un fluido est mezclado y el otro sin mezclar. La naturaleza de la condicin de mezcla puede influir de manera significativa en el funcionamiento del intercambiador de calor.

Figura 2 Intercambiadores de calor de flujo cruzado. (Izq.) Sin aletas con un fluido mezclado y el otro sin mezclar (Der.) Con aletas y ambos fluidos sin mezclar.

Otra configuracin comn es el intercambiador de calor de tubos y coraza. Las formas especficas difieren de acuerdo con el nmero de pasos de tubos y coraza, y la forma ms simple, que implica un solo paso por tubos y coraza, se muestra en la figura 3. Normalmente se instalan deflectores para aumentar el coeficiente de conveccin del fluido del lado de la coraza al inducir turbulencia y una componente de la velocidad de flujo cruzado. En las figuras 4a y 4b se muestran intercambiadores de calor con deflectores con un paso por la coraza y dos pasos por los tubos y con dos pasos por la coraza y dos pasos por los tubos y con dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos, respectivamente.

Figura 3 Intercambiador de calor de tubos y coraza con un paso por la coraza y un paso por los tubos (modo de operacin de contraflujo cruzado).

Figura 4 Intercambiadores de calor de tubos y coraza. (a) Un paso por la coraza y dos pasos por los tubos. (b) Dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos.

Una clase especial e importante de intercambiadores de calor se usa para conseguir un rea superficial de transferencia de calor por unidad de volumen muy grande ( 700 m2/m3). Denominados intercambiadores de calor compactos, estos dispositivos tienen complejos arreglos de tubos con aletas o placas y se usan normalmente cuando al menos uno de los fluidos es un gas, y en consecuencia se caracteriza por un coeficiente de conveccin pequeo. Los tubos pueden ser planos o circulares, como en las figuras 5a y 5b, c, respectivamente, y las aletas pueden ser de placa o circular, como en las figuras 5a y 5b, c, respectivamente. Los intercambiadores de calor de placas paralelas pueden ser con aletas o corrugadas y se pueden usar en modos de operacin de un solo paso (figura 5d) o multipaso (figura 5e). Los pasos de

flujo asociados con intercambiadores de calor compactos normalmente son pequeos (Dh 5mm), y el flujo es por lo general laminar.

Figura 5 Cubiertas de intercambiadores de calor compactos. (a) Tubo con aletas (tubos planos, aletas de placa continuas). (b) Tubo con aletas (tubos circulares, aletas de placa continuas). (c) Tubos con aletas (tubos circulares, aletas circulares). (d) Aletas de placa (un solo paso). (e) Aletas de placa (multipaso).

3.2. ANLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR: USO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARTMICA.

Para disear o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, es esencial relacionar la transferencia total de calor con cantidades tales como las temperaturas de entrada y salida del fluido, el coeficiente global de transferencia de calor, y el rea superficial total para transferencia de calor. Dos de tales relaciones se pueden obtener fcilmente al aplicar balances globales de energa a los fluidos calientes y fro, segn se muestra en la figura 6. En particular, si q es la transferencia total de calor entre los fluidos calientes y fro y hay transferencia de calor insignificante entre el intercambiador y sus alrededores, as como cambios de energa potencial y cintica despreciables, la aplicacin de un balance de energa, da

)ii(mq o,hi,hh = (1a)

y

)ii(mq o,ci,cc = (2a)

donde i es la entalpa del fluido. Los subndices h y c se refieren a los fluidos caliente y fro, en tanto que i y o designan las condiciones de entrada y salida del fluido. Si los fluidos no experimentan un cambio de fase y se suponen calores especficos constantes, estas expresiones se reducen a

)TT(cmq o,hi,hh,ph = (1b)

y

)TT(cmq i,co,cc,pc = (2b)

donde las temperaturas que aparecen en las expresiones se refieren a las temperaturas medias del fluido en las posiciones que se sealan. Advierta que las ecuaciones 1 y 2 son independientes del arreglo del flujo y del tipo de intercambiador de calor.

Se puede obtener otra expresin til al relacionar la transferencia total de calor q con la diferencia de temperaturas T entre los fluidos caliente y fro, donde

ch TTT (3)

Tal expresin sera una extensin de la ley de enfriamiento de Newton, con el uso del coeficiente global de transferencia de calor U en lugar del coeficiente nico de conveccin h.

Figura 6 Balances globales de energa para los fluidos caliente y fro de un intercambiador de calor de dos fluidos.

Sin embargo, como T vara con la posicin en el intercambiador de calor, es necesario trabajar con una ecuacin de flujo de forma

mTUAq = (4)

donde mT es una diferencia de temperaturas media apropiada. La ecuacin 4 se puede usar con las ecuaciones 1 y 2 para llevar a cabo un anlisis de intercambiador de calor. Antes de que se pueda realizar, sin embargo, se debe establecer la forma especfica de mT . Considere primero el intercambiador de calor de flujo paralelo.

Intercambiador de calor de flujo paralelo

Las distribuciones de temperaturas caliente y fra asociadas con un intercambiador de calor de flujo paralelo se muestran en la figura 7. La diferencia de temperaturas T es grande al principio, pero decae rpidamente al aumentar x, y se aproxima a cero de forma asinttica. Es importante sealar que, para tal intercambiador, la temperatura de salida del fluido fro nunca excede la del fluido caliente. En la figura 7 los subndices 1 y 2 designan los extremos opuestos del intercambiador de calor. Esta convencin se usa par