Guia Intercambiador

Universidad T´
ecnica Federico Santa Mar´ıa

Departamento de Industrias

Gu´ıa de Laboratorio
Gesti´
on Energ´
etica II
2014-1

Intercambiador de calor de tubos conc´
entricos
1.

Introducci´
on

Un intercambiador de calor tiene como funci´on transferir energ´ıa desde un fluido caliente
hacia un fluido fr´ıo bajo condiciones econ´omicas aceptables. Los dise˜
nos m´as comunes son el
intercambiadorde tubos conc´entricos (Fig. 1a), el de tubos y carcasa (Fig. 1b) y el de placas
(Fig. 1c). El objetivo de esta experiencia es estudiar el caso particular de un intercambiador
de tubos conc´entricos operando en co-corriente y contra-corriente, con el fin de entender los
diferentes par´
ametros que permiten controlar la eficiencia ( ) de un intercambiador de calor.

Figura 1: Intercambiadores decalor. a) Tubos conc´entricos. b) Tubos y carcasa. c) Placas.

2.

Aparato experimental

El intercambiador de calor que se estudiar´a en esta experiencia est´a constituido por dos tubos
conc´entricos de cobre dentro de los cuales pueden circular fluidos en modo co-corriente y contracorriente (Fig. 2). Por el tubo interno circula agua caliente mientras que por el tubo externo
fluye agua fr´ıa. Elaparato experimental se muestra en la Fig. 3. El circuito de agua caliente
se compone de: un calefactor el´ectrico que eleva la temperatura del agua dentro del estanque
hasta una temperatura dada, una bomba que impulsa el agua caliente desde el estanque a trav´es
del intercambiador, tres termocuplas (T1, T2 y T3) y una v´alvula de regulaci´on de caudal. Por
otra parte, el agua fr´ıa es suministradadirectamente por la red del laboratorio, fluye a trav´es
del intercambiador y se evac´
ua a un desag¨
ue. En el circuito de agua fr´ıa se encuentran tres
termocuplas (T4, T5 y T6) y una v´
alvula de regulaci´on de caudal.

1

Las temperaturas y los caudales pueden leerse en pantallas ubicadas en el aparato. El equipo
tambi´en cuenta con un sistema de adquisici´on de datos en l´ınea conectado a unPC. En el
Anexo 1 se explica brevemente el funcionamiento del programa de adquisici´on de datos. M´
as
informaci´on sobre el aparato experimental se encuentra en el manual del equipo WL302.

Figura 2: Configuraciones de flujo. a) Co-corriente. b) Contra-corriente

Figura 3: Esquema del aparato experimental.

3.
3.1.

Marco te´
orico
Coeficiente de intercambio global

El coeficiente de intercambioglobal hg es un par´ametro de proporcionalidad entre el calor
˙ por unidad de ´area (A) y una diferencia de temperatura
intercambiado entre los dos fluidos (Q)
∆TM L que involucra a las temperaturas de entrada y salida del equipo:
Q˙ = hg A∆TM L
(1)
2

El coeficiente hg (en W/(m2 K)) engloba los mecanismos de convecci´on en los fluidos y conducci´on a trav´es de la pared. El t´ermino ∆TM L sedenomina “diferencia de temperatura media
logar´ıtmica” y se calcula como:
∆T (0) − ∆T (L)

∆TLM =

(2)

∆T (0)
∆T (L)

ln

La deducci´
on de estas expresiones se encuentra detallada en el Anexo 2. Si no hay p´erdidas,
el flujo de calor entregado por el fluido caliente es igual al recibido por el fluido fr´ıo, donde el
sub´ındice e designa la entrada a los circuitos y s la posici´on de salida:
Q˙ =Q˙ c = Q˙ f = m
˙ c cp,c (Tc,e − Tc,s ) = m
˙ f cp,f (Tf,e − Tc,s )

(3)

Por lo tanto, hg se puede determinar experimentalmente como:
hg =

3.2.

Q˙
A∆TM L

(4)

Eficiencia del intercambiador
Eficiencia experimental. Se define como la relaci´on entre el flujo de calor efectivamente
intercambiado respecto al flujo de calor te´orico m´aximo (Q˙ max ):
exp

=

Q˙

=

Q˙ max

Q˙
(mc
˙ p )min (Tc,e −Tf,e )

(5)

En esta experiencia se considerar´
a que (mc
˙ p )min = m
˙ c cp,c . Si el flujo de calor efectivamente
˙
˙
intercambiado es Q = Qc = (m
˙ c cp,c )(Tc,e − Tc,s ), la eficiencia estimada experimentalmente
se expresa como:
(Tc,e − Tc,s )
(6)
exp =
(Tc,e − Tf,e )
Eficiencia te´
orica. Se introducen los siguientes conceptos:
R=

|(mc
˙ p )min |
|(mc
˙ p )max |

y

NUT =

hg A
(mc
˙ p...