Prácticas de laboratorio de transferencia de calor

UNIVERSIDAD DEL VALLE
ESCUELA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS

TALLER Y LABORATORIO V

Práctica #3

Intercambiadores de calor

1. Introducción

Un intercambiador de calor es un dispositivo en el que se realiza transferencia de calor de un fluido a otro. Existen muchos tipos de intercambiadores y su aplicación a nivel industrial es extensa. Los intercambiadores de uso más frecuente son los de coraza y tubo, y, dentro de este grupo, el más común y sencillo es el intercambiador de tubos concéntricos.

En el intercambiador de tubos concéntricos uno de los fluidos fluye en el tubo interior y el otro en la región anular formada entre ambos tubos. Si ambos fluidos se desplazan en la misma dirección el intercambiador es de flujo paralelo, y si lo hacen en sentidos contrarios se denomina contraflujo o contracorriente.

En la operación del sistema en paralelo o en contraflujo ocurre una variación de temperatura que puede representarse mediante la siguiente figura:

[pic 1]

Figura 1. Perfiles de temperatura para a) intercambiador en paralelo y b) intercambiador en contracorriente

El balance de energía establece que

[pic 2]

 O también

[pic 3]        Para flujo en paralelo                 (1)

[pic 4]         para flujo en contracorriente         (2)

De acuerdo a la figura 1, se tiene que el límite teórico de cambio de temperatura es:

Para flujo en paralelo: [pic 5]    ([pic 6])                                         (3)

Para flujo en contracorriente: [pic 7]   ([pic 8])                                 (4)

Si los flujos másicos y los calores específicos son iguales, de las ecuaciones (1) y (3) se deduce que

[pic 9]        para flujo en paralelo                 (5)

y de las ecuaciones (2) y (4) se deduce que

[pic 10]        para flujo en contracorriente         (6)

(o sea el doble que en paralelo)

En términos de transferencia de calor

                                [pic 11]                                         (7)

Existe cruce de temperaturas cuando [pic 12] lo cual no es posible para flujo en paralelo, de acuerdo a la ec. (3).

Ahora, si [pic 13] (donde ε es la efectividad), se cumple que

[pic 14]                                 (8)

     que se transforma en        

[pic 15]                                 (9)

Esta expresión es positiva cuando ε > 0.5. Por lo tanto existe “cruce de temperaturas” cuando ε > 0.5.

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