Ingenieria

CONTENIDO DEL LABORATORIO Nº 07

INTERCAMBIADOR DE CALOR

1.- Introducción.

En el presente laboratorio estudiaremos el proceso de transmisión de calor hacia una sustancia dada, en nuestro caso se calentará agua con aire caliente, por consiguiente pasaremos a conocer las formas de transferencia de calor y cada uno de los componentes del sistema que nos permitirá conseguir dicho proceso.Además, obtendremos los coeficientes que intervienen en el proceso de la transferencia de calor.





Figura. Esquema general del laboratorio de intercambiador de calor.





2.- Fundamentos teóricos.

2.1.- Formas de transferencia de calor.

Las formas de transferencia de calor existentes son: conducción, convección y radiación.

a.- Conducción: Este proceso se daa través de un material fijo. El flujo de calor tendría una dirección perpendicular a la pared, si ellas son isotérmicas y el cuerpo es homogéneo o isoentrópico. La siguiente expresión nos permite evaluar el flujo de calor:


La conductividad térmica de los sólidos tiene valores muy diferentes, como es el caso de los metales que son buenos conductores (como el cobre, aluminio) o el de losaislantes. La experiencia nos ha demostrado que la rapidez del flujo es proporcional al gradiente de la temperatura. Esto es demostrable mediante un análisis matemático (de la fórmula de arriba).


b.- Convección: La transferencia de calor por convección se debe al movimiento del fluido. Esta puede ser de dos tipos: convección libre ó convección forzada (agitación externa). En la convecciónlibre, el movimiento del fluido es por entero el resultado de las diferencias de densidades ocasionadas por las diferencias de temperaturas.





Se sabe que en un flujo turbulento siempre existe una película fluida tranquila, es decir de flujo laminar, y que en esta se da una fracción considerable de la caída total de temperatura entre la masa principal del fluido y la superficie delsólido.

Para facilitar la representación, se supone frecuentemente que el gradiente de temperatura está limitado completamente a la película que fluye laminarmente, aunque debida a la falta de una perfecta mezcla en la masa principal del fluido, esta suposición puede apartarse bastante de la realidad.


c.- Coeficiente pelicular de transferencia de calor por convección: En la medida que noes fácil medir el espesor de la película de fluido ni la temperatura en la superficie que separa la película de la masa principal del fluido, y puesto que intervienen a la vez la conducción y la convección, la velocidad o flujo con que pasa el calor del fluido al sólido se calcula por medio de la siguiente ecuación:



Donde:

dq = Es el flujo de calor.
= Es la temperatura de lasuperficie.
= Es la temperatura de la corriente libre.

El valor observado de h posee el nombre de coeficiente pelicular de convección y comprende las resistencias térmicas de la película y el núcleo turbulento.

Ahora, sabemos que la convección se da forzada o libre, sin embargo las modalidades en las que puede ocurrir se diversifican en: convección combinada, con cambia de fase, a altavelocidad y en procesos. Para cada uno de los casos mencionados se han desarrollado expresiones analíticas matemáticas para encontrar el coeficiente pelicular, que representa el principal problema para el cálculo de la convección.



Figura. Muestra de los diferentes regímenes en la capa límite de convección natural.

2.2.- Intercambiadores de calor.

El intercambiador de calor esun dispositivo que efectúa la transferencia de calor de un fluido a otro. El tipo más sencillo de intercambiador de calor es un recipiente en el cual se mezclan directamente un fluido caliente y otro frío. En tal sistema, ambos fluidos alcanzarán la misma temperatura y la cantidad de calor transferida puede calcularse igualando la energía perdida por el fluido más caliente con la energía ganada...