Intercambiador De Calor

Estudio de un cambiador de calor: Doble tubo y placas planas

INTRODUCCIÓN:

En esta práctica se pretende realizar un estudio sobre el intercambio de calor en dos tipos de intercambiadores con el fin de observar cuales son los flujos de calor en cada uno para un mismo caudal determinado; el hecho de conocer esa información nos permite saber cuál es su eficiencia. Con el conocimiento de la eficiencia de cada intercambiador nos permitirá establecer comparaciones entre ellos.

El calor es energía en tránsito de un cuerpo hacia otro o entre un sistema y sus alrededores.

El flujo de calor es una transferencia de energía que se lleva a cabo como consecuencia de las diferencias de temperatura que actúa como fuerza impulsora. La energía interna es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura, que es esencialmente a escala microscópica la energía cinética de sus moléculas.

El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementa su energía interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su energía interna.

Cuando una sustancia incrementa su temperatura de TA a TB, el calor absorbido se obtiene multiplicando la masa (o el número de moles n) por el calor específico C y por la diferencia de temperatura TB-TA.

Q=nC(TB-TA)

F.1

Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que están en equilibrio térmico. Las moléculas individuales pueden intercambiar energía, pero en promedio, la misma cantidad de energía fluye en ambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estén en equilibrio térmico deben de estar a la misma temperatura.

Idealmente, si colocamos dos cuerpos en el espacio sin interferencia alguna para el flujo de calor, el calor cedido por el cuerpo a mayor temperatura será igual al calor absorbido por el cuerpo a menor temperatura. Este será el flujo de calor máximo para unas condiciones determinadas.

QC=QF

F.2

En caso de que no estemos tratando con un sistema ideal.

QC=QF + pérdidas

F.3

Existen modos en los que los cuerpos pueden intercambiar calor. Dependiendo del caso podrán tener lugar los tres, dos o uno.

Transmisión de calor por convección:

De modo genérico se conoce como convección al transporte de propiedad asociada a un flujo másico. Es necesario tener en cuenta que los fenómenos convectivos solamente tienen lugar en aquellas regiones suficientemente próximas al sólido tales que las propiedades del fluido se ven alteradas por la presencia del sólido

Convección natural:

Debido a la diferencia de temperaturas entre un fluido y el sólido con el que está en contacto se estable un gradiente de temperaturas; lo que provoca una variación en la densidad del fluido y por lo tanto un movimiento del mismo.

G.1-Representación de convección para temperatura del sólido mayor que la temperatura del fluido.

La región del fluido en las proximidades de un sólido (u otro fluido) donde las propiedades del fluido se ven afectadas por la presencia del sólido se conoce como capa límite.

La zona de la capa límite que en la que tiene lugar transporte molecular se conoce como subcapa laminar. En la cual sucede lo siguiente:

Se considera una zona imaginaria δ que contiene toda la resistencia al flujo de calor. En esta zona la velocidad ha de ser cero en el contacto más íntimo y baja durante nuestra longitud δ; por lo tanto:

q=-k*dT/dx=-k*(-k*(T_f-T_s))/δ

F.3

h=k/δ

F.4

siendo k la conductividad térmica del sólido.

G.2-Representación de la capa límite en convección natural

Convección forzada:

Si por cualquier circunstancia un fluido es obligado a entrar en contacto con un sólido que está a diferente temperatura; esta diferencia de temperaturas actuará como fuerza impulsora del flujo de calor del elemento más caliente hacia el más frío. Experimentalmente se ha determinado que:

Qα ΔT

El factor de proporcionalidad es ‘’h’’ ; coeficiente de transferencia de calor

Para el caso de un sólido a mayor temperatura que el fluido:

Q=m*h*(T_s-T_f )

F.5

G.3-Representación del perfil de temperatura en convección forzda.

Transmisión de calor por radiación:

A diferencia de la convección; cuando el calor se transmite por radiación no necesita de un flujo másico para transmitirse ya que todos los cuerpos emiten energía con una cierta longitud de onda por estar a una temperatura determinada y las ondas electromagnéticas pueden viajar en el vacío.

Se define el poder emisor como la cantidad de energía interceptada por una semiesfera centrada en el cuerpo por unidad de tiempo y área.

Se define el poder emisor monocromático como la cantidad de energía radiante de una determinada longitud de onda  emitida por un cuerpo por unidad de superficie y de tiempo. Se simboliza por Em Si se refiere a un cuerpo negro se simboliza: Eb.

El poder emisor máximo es el del cuerpo negro. Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo

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