Práctica 8. Coeficientes de Transferencia de Calor en Diferentes Geometrías

Los intercambiadores de calor son herramientas ampliamente utilizadas en las industrias para realizar la transmisión de calor entre dos medios que fluyen con temperaturas diferentes. El diseño del biorreactor permite que durante la transmisión, los medios no entran en contacto directo por lo tanto no se mezclan. Para aterrizar de mejor manera los principios de su funcionamiento en la siguiente práctica se analizaron los conceptos básicos de la transferencia del flujo de calor, coeficientes de transferencia de calor global, temperatura media logarítmica, arreglos en flujo cruzado y flujo en paralelo en un intercambiador de calor de tubos y coraza, Standard Xchange, modelo: BCF de geometría compleja, describiendo su funcionamiento y caracterizando las temperaturas de los fluidos a la entrada y a la salida en arreglos en flujo paralelo y contraflujo contrastando sus diferencias, con el fin de calcular la eficiencia térmica del proceso y asociarla con su respectivo perfil de transferencia de calor.

El intercambiador de calor es una herramienta ampliamente utilizada para el tratamiento térmico de materiales pues es el encargado de transferir energía térmica desde una fuente o un fluido a alta temperatura hacia un fluido a baja temperatura con ambos fluidos moviéndose a través del aparato. Esta transferencia puede realizarse por contacto directo entre los fluidos o a través de una pared que separa la fuente y el fluido o los fluidos. (Cabanzón, 2018).

Se usa en varias ramas de la ingeniería. El papel de éstos ha adquirido una gran importancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico en la instalación, sino en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y materias primas necesarias para cumplir una determinada función. Existen varios tipos de intercambiadores de calor y actualmente alrededor del mundo se ofrecen en el mercado multitud de diseños diferentes de éstos. (Labat J, 2018).

Cuando se trata de seleccionar un intercambiador de calor, hay que tener en cuenta dos consideraciones principales. La primera es seleccionar el tipo de intercambiador adecuado: de placas, tubular, de tubo corrugado, de superficie rascada, coraza, etc. Varios factores influyen en esta elección, como es la naturaleza del material a calentar o enfriar, el propósito del proceso y cualquier restricción del entorno en el que se va a utilizar dicho intercambiador. La segunda consideración es el tamaño; es imprescindible que el intercambiador de calor esté dimensionado adecuadamente para su propósito. (Labat J., 2018)

Estos puntos son importantes puesto que en un intercambiador la transferencia de calor suele comprender fenómenos convección en cada fluido y conducción a través de la pared que los separa. (Cengel, 2007).

Los equipos de transferencia de calor se clasifican según:

• La trayectoria de los fluidos
• La forma en que el calor es transferido
• La aplicación
• Características de construcción
• El número de fluidos involucrados

Mencionando por ejemplo la trayectoria de los fluidos tenemos que:

De acuerdo a la trayectoria que tienen los fluidos que intervienen en el proceso los equipos los intercambiadores pueden clasificarse en: intercambiadores de flujo en paralelo, intercambiadores de flujo en contracorriente, intercambiadores de flujo cruzado de un solo paso o intercambiadores de flujo cruzado de pasos múltiples. Los más comunes son los dos primeros:

Flujo en paralelo: En esta distribución los fluidos caliente y frío entran por el mismo extremo de la unidad, fluyen a través de ella en la misma dirección y salen por el otro extremo. La diferencia de temperatura es grande al principio, pero decae rápidamente al aumentar la distancia. Es importante señalar que, para tal intercambiador, la temperatura de salida del fluido frío nunca excede la del fluido caliente.

• Flujo en contracorriente: Distribución en la que los fluidos entran por extremos opuestos de la unidad y fluyen en direcciones opuestas. En contraste con el intercambiador de flujo paralelo, esta configuración hace que haya transferencia de calor entre las partes más calientes de los dos fluidos en un extremo, así como entre las partes más frías en el otro. El cambio en la diferencia de temperaturas a lo largo de la longitud del intercambiador es ostensiblemente menor que cuando el flujo es paralelo. La temperatura de salida del fluido frío puede exceder ahora la temperatura de salida del fluido caliente.

Lo que determina la selección de un intercambiador son los datos conocidos para los fluidos o gases a calentar o enfriar, lo cual se puede comprobar el balance energético del proceso estos datos los proporciona el cliente o empresa misma definiendo el caudal del producto y la temperatura de entrada y salida deseadas. Indicando el tipo de fluido a ser utilizado y definirá dos de los tres parámetros siguientes: caudal de servicio, temperatura de entrada de servicio o temperatura de salida de servicio. Conociendo dos de estos valores, el tercer parámetro se puede calcular. (Gutiérrez, 2018).

Una vez realizado el balance energético, el ingeniero o encargado define la geometría del intercambiador de calor más apropiada, escogiendo el diámetro de la camisa y el haz de tubos que se colocará dentro del intercambiador de calor: el número de tubos internos, su diámetro y longitud y el grosor de la pared del tubo, así como la elección de los materiales. (Gutiérrez, 2018)

El tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales es el de tubos y coraza el cual está formado por una coraza y por multitud de tubos. Se clasifican por el número de veces que pasa el fluido por la coraza y por el número de veces que pasa el fluido por los tubos, mostrado en la Figura 3, es preferido debido a que:

a) Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen.

b) Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños.

c) Es bastante fácil de limpiar y de reparar.

d) Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier aplicación. (González, s.f.)

La transferencia de calor en este intercambiador, tiene lugar a medida de uno que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de éstos, pasando por la coraza y estando en constante contacto con los tubos. (Cengel, 2007)

Por lo común un intercambiador de calor está relacionado con dos fluidos que fluyen separados por una pared sólida. En primer lugar, el calor se transfiere del fluido caliente hacia la pared por convección, después a través de la pared por conducción y, por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección. La red de resistencias térmicas asociada con este proceso de transferencia de calor comprende dos resistencias por convección y una por conducción, como se muestra en la Figura 4 (Cengel, 2007)

Con esto definido se debe seleccionar un intercambiador de calor que logre un cambio de temperatura específico de una corriente de fluido de gasto de masa conocido. La diferencia de temperatura por media logarítmica (o LMTD) es la más apropiada para este propósito, donde el calor transferido se expresa por la siguiente ecuación:

Donde:

Durante esta práctica calcularemos la transferencia de calor del sistema calculando los valores de U, As, Q y Tml con los valores obtenidos en clase

General:

Identificar los mecanismos básicos de transferencia de calor de conducción y convección, demostrando los conceptos a través de los valores experimentales obtenidos en la práctica de laboratorio y a su vez cuantificar la eficiencia térmica del proceso.

Específicos:

• Describir e identificar las partes del intercambiador de calor de tubos y coraza así como su importancia y funcionamiento.
• Analizar los datos obtenidos durante la práctica y cuantificar la eficiencia térmica del proceso mediante un balance de energía.
• Desglosar la eficiencia térmica del proceso con la influencia del coeficiente de transferencia global de calor y de las correlaciones apropiadas.

Nuestro sistema consiste en un intercambiador de calor extraíble de carcasa y tubo (Standard Xchange, modelo: BCF). Conformado por una carcasa compuesta de latón, 8 tubos de cobre de dos pasos con opciones del diámetro del tubo: ¼,⅜, y ⅝ , bonetes de hierro fundido con opción para bronce fundido. Con capacidad, en el lado del tubo máximo 150 psi de presión y temperatura de 300 F y en la carcasa máximo 300 psi de presión y 300 F de temperatura, el cual se enlaza a 2 recipientes grandes para depositar agua, un recipiente que contiene agua fría y el otro agua caliente por medio de una manguera que con ayuda de una bomba de agua en cada recipiente se ejerce el flujo de cada corriente dentro del intercambiador, los cuales desembocaban su flujos de salida con 2 mangueras (una por salida) a 2 recipientes de plástico más pequeños donde se midieron las temperaturas de los fluidos de entrada y salida con la ayuda de la interfaz WL100 y una computadora.

Modelado Matemático

Datos y cálculos experimentales

En los intercambiadores de calor con flujo paralelo, la diferencia de temperatura T entre los fluidos caliente y frío es grande con respecto a las entradas del intercambiador, pero disminuye en forma exponencial hacia la salida; es decir, la temperatura del fluido caliente decrece y la del frío aumenta a lo largo de dicho intercambiador, pero a pesar de esta característica la temperatura del fluido frío nunca puede sobrepasar la del caliente, sin importar cuán largo sea dicho intercambiador (Cengel y Ghajar, 2011). Estas caracteristicas se muestran en el experimento realizado, ya que al inicio la temperatura del fluido caliente era aproximadamente 20°C mayor a la del fluido frío, pero al pasar por el proceso, la temperatura del fluido caliente disminuyó aproximadamente 7°C.

En los intercambiadores con arreglo a contraflujo presentan la característica de que la diferencia de temperaturas entre los fluidos calientes y fríos permanecerá constante a lo largo del proceso mismo cuando las razones de capacidad calorífica de los dos fluidos sean iguales, es decir que la temperatura del fluido caliente va a disminuir a la par que la temperatura del fluido frío aumenta. (Cengel y Ghajar, 2011). Este comportamiento se exhibe en los resultados obtenidos, ya que las temperaturas de entrada y de salida registradas no fueron cercanas entre ellas sin embargo sí se presentaron cambios en las temperaturas a la entrada y salida.

Según Cengel y Ghajar, 2011 "Para temperaturas de entrada y de salida específicas, la diferencia media logarítmica de temperatura para un intercambiador a contraflujo siempre es mayor que la correspondiente a uno de flujo paralelo", lo cual se demuestra con los valores que se registraron nuestra practica, ya que para el flujo paralelo en las 3 corridas obtuvimos una diferencia de media logarítmica de 15.320°C, 16.8147°C y 2.5488°C respectivamente; y para el intercambiador a contraflujo se obtuvieron unas diferencias media logarítmica de 17.4570°C, 15.9791°C y 15.4514°C. Por lo tanto, podemos intuir que se identificaron de forma apropiada las características de los procesos de intercambio de calor en arreglos de paralelo y contraflujo.

• Se identificaron y describieron las partes de un intercambiador de calor de tubos y coraza junto con sus funciones así como las ecuaciones y valores que rigen dicho proceso.
• Se logró determinar el calor producido en el intercambiador de calor mediante las temperaturas obtenidas en las entradas y salidas en la practica.
• Se calcularon y compararon los procesos de transferencia de calor en un intercambiador con flujo paralelo y contraflujo.

• Cabanzón, Labat ,J. (2018). Diseño y cálculo de un intercambiador de calor. Universidad de Cantabria. Pp. 10-22
• Cengel, Y. (2007). Transferencia de calor y masa. Tercera edición, México: McGraw Hill. Pp. 636-639
• Cengel, Y., Gahar, A. (2011). Transferencia de calor y masa. Cuarta edición, México: McGrawHill. Pp. 662-667
• González, M.A. (s.f.). Intercambiadores de calor. Universidad Nacional Experimental Francisco De Miranda. Pp. 10-12. Recuperado [05 de junio de 2020] desde: https://operacionesunitarias1.files.wordpress.com/2011/07/unidad-iv-intercambiadores-de-calor.pdf
• Gutiérrez, D (2018). Determinación de parámetros térmicos de un intercambiador de calor de tubos concéntricos con fluidos orgánico-vapor. Rev Cie Téc Agr 27 (1) San José de las Lajas

1. ¿Qué es un intercambiador de calor de tubos y coraza?

Es un dispositivo que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos a diferente temperatura sin que se mezclen entre sí. Los intercambiadores de tubos y coraza se usan para servicios donde se requieren grandes superficies de intercambio.

2. ¿Cuáles son las partes principales de los intercambiadores de calor de tubos y coraza?

Se componen principalmente por tubos cilíndricos dentro de una carcaza cilíndrica .

Cuentan con un cabezal, una cubierta de la coraza, un espejo de tubos bafles-deflectores y boquillas de entrada.

3. Explique el funcionamiento de los intercambiadores de un paso por coraza y dos pasos por tubos, dos pasos por coraza y 4 pasos por tubos.

• Un paso por coraza y dos pasos por tubos: El haz de tubos está dividido en 2, permitiendo el retorno del fluido, con entrada y salida de la misma terminal. Esto hace que una parte del haz esté en contra de la corriente y la otra a favor.
• Dos pasos por coraza y cuatro pasos por tubos:

4. ¿Qué importancia tiene el banco de tuberías dentro del intercambiador de calor?

El banco de tuberías proporciona una superficie de transferencia de calor entre el flujo que circula por el interior de los tubos y la carcaza.

5. ¿En qué afecta el arreglo del banco de tuberías a la transferencia de calor?

El arreglo del banco de tuberías afecta en la velocidad máxima que puede alcanzar el fluido en tuberías lineales, ya que el área mínima tiene la velocidad máxima entre los tubos.

6. ¿Cómo se estima el coeficiente global de transferencia de calor en un intercambiador de tubos y coraza?

7. ¿Cómo se calcula la eficiencia en un intercambiador de calor?