Practica

BASES DE LA INGENIERÍA AMBIENTAL

EQUIPO DE INTERCAMBIO DE CALOR:
CAMBIADOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS

1. OBJETIVOS

Los objetivos de la práctica son los siguientes:
• Determinación experimental del coeficiente global medio de transmisión de calor (U) en un cambiador de calor de tubos concéntricos.
• Estudio del efecto del tipo de circulación (contracorriente y paralelo) y del caudaldel fluido caliente sobre el coeficiente global de transmisión de calor.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO
Los cambiadores de calor son equipos que permiten el intercambio de energía entre fluidos que se encuentran a distinta temperatura. Los cambiadores más sencillos son los de tubos concéntricos. En ellos, uno de los fluidos circula por el tubo interior, mientras que el otro lo hace por el espacioanular entre los dos tubos. La circulación de ambos fluidos puede ser en paralelo (los dos fluidos se desplazan en el mismo sentido) o en contracorriente (los fluidos se desplazan en sentidos contrarios), tal como se muestra en la Figura 1.
[pic]
Figura 1. Cambiador de calor de tubos concéntricos:
a) Circulación en paralelo. b) Circulación en contracorriente

T1 y T2 (K)representan las temperaturas de entrada y salida del fluido caliente, t1 y t2 (K) las temperaturas de entrada y salida del fluido frío, mc y mf (kg/h) los caudales másicos de los fluidos caliente y frío, respectivamente.
Suponiendo que el cambiador se encuentra en condiciones estacionarias, que no existen pérdidas de calor al exterior (cambiador adiabático) y que se puede suponer constante elvalor del calor específico del fluido entre los valores extremos de temperatura, el balance entálpico se puede establecer de acuerdo a la ecuación [1]:
[pic] [W] [1]
donde los incrementos se refieren a la diferencia entre la temperatura a la entrada y a la salida del cambiador para el fluido caliente y para el fluido frío, respectivamente.
Por otraparte, la ecuación de diseño de un cambiador de calor viene dada por la expresión:
[pic] [W] [2]
o bien, modificando la ecuación para expresarla como caudal de la propiedad en función de la fuerza impulsora:
[pic] [3]
de forma que el caudal de calor en elcambiador es directamente proporcional a la fuerza que lo impulsa (diferencia de temperatura media logarítmica entre los extremos del cambiador, ΔTml), e inversamente proporcional a la resistencia térmica que el sistema opone a su transmisión (R=1/UA). Dicha resistencia procede de la combinación de tres resistencias en serie: las dos debidas a la transmisión de calor por convección en ambos fluidos,que vendrán caracterizadas por sus correspondientes coeficientes individuales de transmisión (hf y hc), y la debida a la transmisión por conducción en la pared que los separa, caracterizada por la conductividad térmica del material (K) y su espesor.

La expresión para la resistencia global, o para el coeficiente global de transmisión en función de los coeficientes individuales viene dada porla ecuación [4]:
[pic] [4]
donde Af y Ac se refieren al área de intercambio del fluido caliente y del frío respectivamente y Aml al área media logarítmica de la pared.
Cuando el espesor de la pared del tubo es pequeño, se puede suponer que Af ≈ Af ≈ Aml y la ecuación [4] queda:
[pic][5]
el área de intercambio de calor Aml en función del diámetro medio logarítmico del tubo (Dml) será:

[pic] [6]
La diferencia de temperatura media entre los extremos del cambiador, o temperatura media logarítmica se define como:
[pic] [7]
En la Figura 2 se presentan los...