Transmisión de Calor - Memoria Completa

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE

INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

QUÍMICA Y AMBIENTAL

Grado en Ingeniería Química

3er Curso

Experimentación en Ingeniería Química

TRANSMISIÓN DE CALOR

GRUPO 6

María Catalina Calzada Revilla

Vasiliy Manuel la Rubia Abajo

Ana Marina Linero Reyes

Pedro Pérez-Aguirre Echevarría

2

ÍNDICE

1. Introducción y objetivos ................................................................... 3

2. Descripción de equipos .................................................................... 5

3. Desarrollo experimental .................................................................. 12

4. Cálculos ........................................................................................ 19

5. Conclusión .................................................................................... 27

ANEXO 1. Cálculo de la duración de una bombona de butano en las

condiciones de operación ................................................................. 29

ANEXO 2. Instalación con intercambiadores de placas ............................ 31

Introducción y objetivos Transmisión de calor

3 Mª Catalina Calzada Revilla

Vasiliy Manuel La Rubia Abajo Ana Marina Linero Reyes Pedro Pérez-Aguirre Echevarría

1. Introducción y objetivos

La transmisión de calor es la transferencia de energía térmica desde

un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Es un

fenómeno muy importante en la industria química, ya que la mayoría de los

procesos se basan en la misma.

Existen tres mecanismos de transferencia de calor:

Conducción: transferencia de calor que existe entre cuerpos sólidos

y/o fluidos en reposo. Está gobernada por la ley Fourier:

[1]

Siendo:

→ Q es la potencia trasferida en W.

→ A es el área transversal en m2.

→ k es el coeficiente de conductividad térmica en W/m·K.

Convección: mecanismo de transferencia de calor entre una

superficie y un fluido adyacente. Según el movimiento relativo entre

ambos existen dos tipos:

→ Convección libre: el movimiento se produce únicamente por la

diferencia entre las densidades causada por la temperatura.

→ Convección forzada: el movimiento es producido por una

acción mecánica.

La ley que gobierna este mecanismo es la ley de Newton:

[2]

En donde:

→ h es el coeficiente de transferencia de calor convectivo en

W/m2.

Radiación: mecanismo de transmisión de calor que no requiere de un

medio para propagarse. Su valor máximo se alcanza en el vacío. La

ecuación que modela este mecanismo es la de Stefan-Boltzman:

[3]

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor

Introducción y objetivos Transmisión de calor



Teniendo que:

→ σ es la constante de Stefan-Boltzman, cuyo valor es 5,672*10-8

W/m2·K4.

Los equipos empleados para la transferencia de calor son los

intercambiadores de calor. Existen varios tipos: doble tubo, carcasa y tubos,

placas, espiral, flujo cruzado, aerorrefrigeradores y torres de refrigeración.

En esta práctica se van a comparar el comportamiento de los

intercambiadores de doble tubo trabajando con varias configuraciones

distintas, y además con los de placas desmontables de distinto tamaño.

Los principales objetivos de la práctica serán la comparación de los

rendimientos entre los distintos intercambiadores y configuraciones de los

mismos, el cálculo de los coeficientes globales de transferencia de calor

obtenidos de forma experimental y teórica.

Para poder cumplir con los objetivos establecidos se deben tener en cuenta

los siguientes criterios básicos:

1) Maximizar las velocidades de transferencia para conseguir el menor

tamaño posible de los equipos.

2) Minimizar las pérdidas de calor hacia el ambiente para aumentar el

rendimiento global.

3) Optimizar la operación para conseguir mayores rendimientos de

intercambio.

Descripción de equipos Transmisión de calor

5 Pedro Pérez-Aguirre Echevarría

2. Descripción de equipos

A continuación se va a realizar una explicación detallada de los

equipos usados en la experiencia, así como de los instrumentos necesarios

para realizarlas.

Intercambiadores: Son los equipos donde se realiza la

transferencia de calor. En las experiencias se han utilizado dos tipos:

1) Doble tubo. Se trata de dos tubos concéntricos por los cuáles, uno

de los fluidos recorre el interior del tubo de menor diámetro (el

más caliente), y el otro recorre el espacio restante entre el

diámetro chico y el grande. Tiene dos configuraciones posibles,

ambos fluidos entran por un extremo y fluyen en el mismo

sentido, o por el contrario entran cada uno por un extremo del

tubo y fluyen en sentido opuesto. Estas configuraciones son

conocidas como isocorriente y contracorriente. En la Figura 1 se

puede ver un intercambiador de doble tubo en contracorriente:

2) Placa plana. Consta de muchas placas superpuestas encima unas

de otras, conectadas entre sí mediante unos agujeros dispuestos

con juntas, las cuales distribuyen el flujo frío y caliente de manera

que no se mezclen pero que recorran todas las placas de forma

alterna. La primera y última placa deben tener las juntas de forma

que solo circule el caliente, a modo de protección para que no se

Figura 1. Intercambiador de doble tubo en contracorriente



produzcan pérdidas. En las Figuras 2 y 3 se puede observar un

intercambiador de placa plana desmontado.

En ambos intercambiadores se puede aumentar la transferencia de calor

aumentando el área. Esto se traduce en conectar en serie otro

intercambiador, en el caso de doble tubo, o añadir más placas en el caso de

placa plana.

Entradas de agua: Son los suministros del agua que se van a

utilizar en los experimentos. Están regulados por una válvula.

Termo: Calentador de agua conectado a uno de los suministros.

Funciona mediante la combustión de gas butano. Ver Figura 4.

Figura 2. Intercambiador de placa plana

Figura 3. Intercambiador de placa plana desmontado



Figura 4. Calentador de agua

Rotámetros: Son instrumentos reguladores de caudal. Están formados

por un tubo de cristal graduado, por el que circula el agua. Dentro hay

un objeto en forma de peonza con la parte superior plana, el cuál marca

la cantidad de caudal circulante. En la Figura 5 se pueden ver los dos

rotámetros que se han utilizado.

Figura 5. Rotámetros de agua fría (izquierda) y agua caliente (derecha)

Termopares: Son medidores de temperatura que se basan en las

diferencias de fuerza electromotriz creadas por el cambio de

temperaturas en dos hilos metálicos diferentes conectados a un

voltímetro. En las experiencias realizadas hay 4, conectados a las

entradas y salidas de los corrientes fría y caliente. En la Figura 6 se

muestran dos de ellos:



Controlador PID: Aparato conectado a los termopares, con cuatro

posiciones diferentes, respectivas a cada uno de ellos. Aunque sea un

controlador no se usa como tal, ya que solo transforma la señal eléctrica

del termopar a una escala de temperatura medible (ºC). Ver Figura 7.

Figura 7. PID como lector de las temperaturas

Figura 6. Termopares



Latiguillos: Son los tubos que conectan los diferentes aparatos de la

experiencia que se ha realizado. Tienen una rosca en cada extremo.

Hay dos tipos de rosca:

→ Macho. Tiene un saliente roscado que va a la rosca hembra

→ Hembra. Tiene una tuerca donde se enrosca el macho.

En la experiencia existían latiguillos macho-hembra, hembra-

hembra y macho-macho. Ver Figura 8.

Machón: Es una pieza metálica doble roscada, que sirve de unión

para dos roscas hembra. Ver Figura 9:

Figura 8. Latiguillos

Figura 9. Machón



Juntas: Aro de material adaptable que se coloca en las roscas

hembra para sellar la conexión y evitar fugas. En la Figura 10 se

observa un latiguillo hembra-hembra con una junta:

Teflón: Material que se usa para reforzar el sellado de una conexión

entre roscas.

Cronómetro: Lo usamos para medir el tiempo en los experimentos.

(Figura 11).

Figura 9. Junta (parte central) y latiguillo

Figura 10. Cronómetro



Metro: Medidor de distancia usado para medir la longitud del

intercambiador de doble tubo, y para medir el área de las placas

(Figura 12).

Pie de rey: Instrumento usado para medir el diámetro de los tubos.

Ver Figura 13.

Llaves: Herramienta útil para el enroscado de los latiguillos con las

distintas partes del experimento. Ver Figura 14.

Figura 13. Llaves

Figura 11. Metro

Figura 12. Pie de rey

Desarrollo experimental Transmisión de calor


3. Desarrollo experimental

Para llevar a cabo las experiencias indicadas en la tabla (ver Tabla 1)

se va a trabajar con los diferentes intercambiadores de calor (Doble Tubo y

Placas Planas), conectándolos a través de latiguillos de manera que se

cumplan las condiciones impuestas (ver Figura 15). La unión de los

latiguillos entre ellos y con el intercambiador se hará primero manualmente

y después se reforzará con la ayuda de una llave inglesa y una llave plana.

A su vez, los intercambiadores se conectarán a medidores de caudal, a

través de los cuales asignamos el caudal del fluido frío y el fluido caliente.

Para medir las temperaturas, se usará un PID.

Tabla 1. Experiencias a llevar a cabo en el laboratorio

Nº

Experiencia Sentido Flujo

Tipo

IC*

Tamaño

IC*

Nº

IC*

Caudal

caliente

(L/h)

Caudal

frío

(L/h)

1a Isocorriente Doble

tubo Pequeño 1 210 100

1b Isocorriente Doble


2a Contracorriente Doble


2b Contracorriente Doble


3 Isocorriente Doble


4 Contracorriente Doble


5 Isocorriente Placa

plana Pequeño 1 210 200

6 Contracorriente Placa

plana Pequeño 1 210 200

7 Isocorriente Doble

tubo Grande 1 210 100

8 Contracorriente Doble

tubo Grande 1 210 200



Lo primero que se ha de hacer antes de cada experiencia es comprobar si

hay pérdidas a través de fugas, ya que ello puede ser perjudicial a la hora

de tomar los datos que se van a usar en los cálculos. Para ello, se conecta

el intercambiador de calor en las condiciones que se indiquen en la primera

experiencia. Acto seguido, se hace circular el agua caliente y el agua fría

por el interior y el exterior de los tubos respectivamente. Se comprueba si

ha salido agua por alguna zona del intercambiador y los latiguillos, en cuyas

uniones se han colocado previamente unas bandejas para evitar

encharcamientos en la zona de trabajo (ver Figura 16 y Figura 17).

Figura 14. Disposición de los intercambiadores

Figura 15. Revisión de fugas (I)



En la Experiencia 1, se deben calcular los saltos de temperatura del caudal

frío y del caudal caliente de un intercambiador de doble tubo mediano.

Primero se va a calcular con un caudal frío (1a) y más tarde con otro (1b).

El agua caliente, calentada por un termo previamente (ver Figura 18), irá

por el tubo interior, mientras que el agua fría irá por el exterior. Al tratarse

de flujo isocorriente, el caudal frío y el caudal caliente se moverán en la

misma dirección. Se conectan los latiguillos de forma que se cumplan las

especificaciones. Tras abrir el paso de los caudales de agua con la medida

deseada para cada uno, con la ayuda de un cronómetro se esperan dos

minutos para que se estabilicen las temperaturas. Tras ese tiempo, el PID

indicará las temperaturas de entrada y salida de cada fluido. Considerando

los datos de esta experiencia, las temperaturas son las siguientes (ver Tabla

2).

Figura 16. Revisión de fugas (II)

Figura 17. Termo de agua caliente



Tabla 2. Datos experimentales de las experiencias 1a y 1b

En la Experiencia 2, se va a trabajar con flujo contracorriente. Esto se

traduce a que el flujo frío y el flujo caliente irán en sentido contrario. En

esta experiencia, como en la anterior, se va a trabajar con dos caudales de

flujo frío diferentes. Se conectan los latiguillos de manera que se cumpla, y

se abre paso a los caudales (ver Figura 19). Se vuelven a esperar dos

minutos para tomar los datos de las temperaturas a través del PID (ver

Tabla 3).

Figura 18. Intercambiadores en contracorriente

Experiencia

Tra entrada

Flujo frío

(ºC)

Tra salida

Flujo frío

(ºC)

Tra entrada

Flujo caliente

(ºC)

Tra salida

Flujo caliente

(ºC)

1a 15 33 69 61

1b 14 25 68 57



Experiencia

Tra entrada

Flujo frío

(ºC)

Tra salida

Flujo frío

(ºC)

Tra entrada

Flujo caliente

(ºC)

Tra salida

Flujo caliente

(ºC)

2a 17 37 74 65

2b 17 29 73 62

Tabla 3. Datos experimentales de las experiencias 2a y 2b

En la Experiencia 3 se van a utilizar dos intercambiadores de doble tubo.

Estos se conectarán en serie a través de los latiguillos. Como el flujo es

isocorriente, el fluido frío y el caliente llevan la misma dirección dentro del

intercambiador. Una vez impuestos los caudales mediante los medidores y

abierto el paso del agua, el PID mostrará los datos deseados tras dos

minutos de estabilización del proceso (ver Tabla 4):

Experiencia

Tra entrada

Flujo frío

(ºC)

Tra salida

Flujo frío

(ºC)

Tra entrada

Flujo caliente

(ºC)

Tra salida

Flujo caliente

(ºC)

3 19 38 74 57

Tabla 4. Datos experimentales de la experiencia 3

En la Experiencia 4 se trabajará en las mismas condiciones que en la

Experiencia anterior pero en flujo contracorriente. Tras conectar los

latiguillos de manera que el flujo caliente vaya en un sentido y el flujo frío

en otro, abrir el paso del agua con los caudales impuestos, y esperar dos

minutos; tomamos los datos que nos indica el PID (ver Tabla 5):

Experiencia

Tra entrada

Flujo frío

(ºC)

Tra salida

Flujo frío

(ºC)

Tra entrada

Flujo caliente

(ºC)

Tra salida

Flujo caliente

(ºC)

4 19 37 73 56




En la Experiencia 5 se va a cambiar de intercambiador de calor, trabajando

de ahora en adelante con un placa plana (ver Figura 20). Al comprobar las

pérdidas que se producen, hay que tener especial cuidado ya que a

diferencia del intercambiador de doble tubo, éste puede tener pérdidas

entre las placas ya que es desmontable. Tras comprobar que no hay

ninguna salida de agua indeseada, se procede a imponer las condiciones de

esta experiencia. Se colocan los fluidos en isocorriente y se marcan los

caudales en el rotámetro. Se observan las siguientes temperaturas tras dos

minutos (ver Tabla 6).

Experiencia

Tra entrada

Flujo frío

(ºC)

Tra salida

Flujo frío

(ºC)

Tra entrada

Flujo caliente

(ºC)

Tra salida

Flujo caliente

(ºC)

5 14 40 70 46


En la Experiencia 6 se trabajará en las mismas condiciones que en la

Experiencia anterior pero con los fluidos en flujo contracorriente (ver Figura

X). Para ello se cambian los latiguillos de posición, de manera que se

cumpla. Tras esperar el tiempo correspondiente, el PID indica las siguientes

temperaturas (ver Figura X).

Figura 19. Intercambiador de placa plana en isocorriente



Figura 20. Intercambiador de placa plana en contracorriente

Experiencia

Tra entrada

Flujo frío

(ºC)

Tra salida

Flujo frío

(ºC)

Tra entrada

Flujo caliente

(ºC)

Tra salida

Flujo caliente

(ºC)

5 15 34 70 53


En la Experiencia 6 y en la Experiencia 7 se va a trabajar con un

intercambiador de placa plana de tamaño grande. Como siempre, lo primero

que se ha de hacer es comprobar las pérdidas. Al conectar los fluidos frío y

caliente al intercambiador, se comprobó que borboteaba agua en el propio

intercambiador. Al tratarse de un intercambiador de placas planas

desmontable, se pudo abrir completamente para hallar el error que producía

las pérdidas. Al analizar cada una de las placas que componen el

intercambiador, se pudo comprobar que una de las juntas que tiene cada

placa estaba rota, por lo que no separaba el fluido frío del caliente,

característica indispensable de estos intercambiadores. Debido a este

incidente, no se pudieron realizar estas dos últimas experiencias.

Cálculos Transmisión de calor

19

Vasiliy Manuel La Rubia Abajo Ana Marina Linero Reyes

4. Cálculos

A partir de los datos obtenidos en el laboratorio es necesario abordar

una serie de cálculos para poder cumplir con los objetivos marcados en la

experiencia:

1) Cálculo del rendimiento de los intercambiadores.

2) Cálculo del coeficiente global de transferencia.

3) Comparación del coeficiente global de transferencia obtenido

experimentalmente y el coeficiente global de transferencia teórico.

4) Comparación de los coeficiente globales de transferencia de un

intercambiador de doble tubo con otro de placas.

4.1 Cálculo de los rendimientos de los intercambiadores

Partiendo de los siguientes datos:

Tabla 8. Datos experimentales

Tabla 9. Características del intercambiador de doble tubo

1 Debido a las fluctuaciones experimentadas por el rotámetro que medía el caudal, éste siempre tendía a bajar dicho valor. Por tanto para realizar los cálculos se ha considerado un nivel menor al que se proponía en el guión porque el caudal real de operación no alcanzaba dicho valor.

CAUDAL (L/h) TEMPERATURAS (ºC)

EXPERIENCIA Caliente Frío1 T1=Ts T2=Te T3=ts T4=te

1a 210 90 61 69 33 15

1b 210 180 54 69 25 14

2a 210 90 65 74 37 17

2b 210 180 62 73 29 17

3 210 90 65 74 37 17

4 210 180 56 73 37 19

5 210 180 46 70 40 14

6 210 180 53 70 34 15

PARÁMETROS L1(m) L2 (m) Di (mm) De (mm) e (mm)

1 1 17,05 19,05 1,0


20


Tabla 10. Características del intercambiador de placa plana

A partir de los datos anteriores se tienen que calcular los calores frío y

caliente:

[4]

[5]

Donde:

y son los caudales másicos de agua fría y agua caliente

respectivamente medidos en kg/s.

es el poder calorífico del agua medido a las condiciones de

entrada del agua fría al intercambiador medido en kJ/kg·K.

T1 es la temperatura de salida del agua caliente al intercambiador

en ºC.

T2 es la temperatura de entrada del agua caliente al

intercambiador en ºC.

T3 es la temperatura de salida del agua fría al intercambiador en

ºC.

T4 es la temperatura de entrada del agua fría al intercambiador en

ºC.

Para calcular el rendimiento del intercambiador se emplea la siguiente

expresión:

[6]

Los resultados obtenidos siguiendo el procedimiento anteriormente descrito

son los siguientes:

Placas L(m) W (m) n

0,3 0,1 23


21


Experiencia QC (kW) QF (kW) ηint(%)

1 a 1,951 1,881 96,429

1 b 3,658 2,300 62,857

2 a 2,193 2,089 95,238

2 b 2,681 2,507 93,506

3 2,193 2,089 95,238

4 4,142 3,759 90,756

5 5,85 5,43 92,86

6 4,14 3,97 95,80

Tabla 11. Rendimiento del intercambiador

4.2 Cálculo de los coeficientes globales de transferencia de

calor experimentales

Para el cálculo del coeficiente global de transferencia obtenido por métodos

experimentales se emplea la siguiente expresión:

[7]

Donde:

U es el coeficiente global de transferencia de calor medidos en

(W/m2·K).

A es el área de transferencia del intercambiador en m2.

DTLM es la media logarítmica de la diferencias de temperaturas en K,

calculada mediante la siguiente expresión:

[8]

Despejando U de la ecuación [4] se obtienen los siguientes resultados:


22


Experiencia DTLM Uexp (W/m2K)

1 a 39,587 787,786

1 b 40,623 938,493

2 a 42,262 819,480

2 b 44,498 933,953

3 40,796 424,457

4 36,498 853,666

5 22,39 351,56

6 36,99 155,44

Tabla 12. Coeficiente global de transferencia de calor experimental

4.3 Cálculo de los coeficientes globales de transferencia de

calor teóricos.

Para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico (U) en

un intercambiador de tubos concéntricos se emplea la siguiente expresión:

[9]

Donde:

Ae es el área transversal externa en m2.

Ai es el área transversal interna en m2.

hi es el coeficiente de película interno del agua en W/m·K.

he es el coeficiente de película externo del agua en W/m·K.

k es la conductividad térmica del material del que está fabricado el

tubo (cobre).

Para calcular tanto el área interna como la externa se emplea el área de

una circunferencia, siendo los diámetros de las mismas Di y De

respectivamente.

[10]

[11]


23


En el cálculo de los coeficientes de película, se requieren previamente una

serie de datos. En primer lugar se tiene que calcular el número de Reynolds

y averiguar el número de Prandtl para proceder al cálculo del número de

Nusselt. A partir de este último ya se puede proceder al cálculo de los

coeficientes de película:

Experiencia Reexterior Reinterior Pr

1 a 1.455,511 3.835,700 8,253

1 b 2.834,394 3.734,731 8,505

2 a 1.533,217 4.040,478 7,783

2 b 3.066,434 4.040,478 7,783

3 1.533,217 4.040,478 7,783

4 3.223,391 4.247,292 7,353

Tabla 13. Cálculo de Re y Pr

Una vez calculados todos los valores de los números de Reynolds y Prandtl,

se puede proceder a la búsqueda de las correlaciones empíricas que

relacionan el número de Nusselt con los dos anteriores:

Re<2300: en este caso el régimen es laminar y la correlación correcta

sería la de Hausen:

[12]

2300<Re<104: el régimen es turbulento y por tanto la correlación

que se utilizaría sería la de Gnielinski:

[13]

Teniendo que:

f es el factor de fricción que se ha calculado en este caso mediante la

expresión siguiente:

[14]


24


Teniendo ya los valores del número de Nusselt, solo hay que despejar los

coeficientes de película en la siguiente expresión:

[15]

Donde:

k será la conductividad térmica del agua en cada caso, medida en

W/(m·K).

Habiendo seguido el procedimiento detallado se llega a un valor del

coeficiente global de transferencia de calor, Uteórico:

Experiencia NuExterior Nuinterior he(W/(m2·K)) hi(W/(m2·K)) Uteórico(W/m2K)

1 a 9,812 31,119 294,869 1.056,206 217,437

1 b 48,835 30,457 1.462,768 1.030,333 520,382

2 a 9,788 32,416 295,971 1.107,086 220,706

2 b 53,213 32,416 1.609,151 1.107,086 563,810

3 7,597 32,416 229,743 1.107,086 181,657

4 56,061 33,661 1.706,079 1.156,942 592,178

Tabla 14. Coeficiente global de transferencia de calor teórico

Para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico (U) en

un intercambiador de placas se emplea la siguiente expresión:

[16]

Donde:

n es el número de placas

a es el área de transferencia del intercambiador en m2.

Cc es la capacidad del fluido caliente

NTU es un parámetro que se determinará gráficamente a partir del

valor de la eficiencia térmica del intercambiador(

Para calcular los parámetros anteriores se emplean las siguientes

expresiones:

a=L*W [17]


25


[18]

A partir de una gráfica se podrá obtener el valor de NTU en función de los

coeficientes siguientes:

[19]

[20]

Figura 21. Relación de R y ε con NTU en un intercambiador de placas

Siguiendo los pasos indicados se ha obtenido que:

Experiencia R NTU

5 0,86 0,46 0,81

6 0,86 0,35 0,52

Tabla 15. Cálculo del NTU a partir de las gráficas ESDU (Figura 22)


26


Teniendo ya el NTU, solo hay que despejar el coeficiente global de

transferencia de la ecuación [16]:

Experiencia Cmín A U(W/m2K)

5 0,21 0,69 245,18

6 0,21 0,69 157,36

Tabla 16. Resultados del coeficiente global de transferencia

Conclusión Transmisión de calor



5. Conclusión

Una vez realizados todos los cálculos de cada una de las experiencias

llevadas a cabo, se pueden comparar los resultados obtenidos y llegar a una

serie de conclusiones.

Durante el desarrollo de la práctica se produjeron una serie de incidencias

que alterarían posteriormente los resultados obtenidos. Principalmente se

produjeron las siguientes incidencias:

Fluctuaciones continuas del rotámetro que medía el caudal de agua

fría que entraba al intercambiador. Por esto el caudal de agua que

entraba era siempre menor que el que se había marcado previamente

en la matriz de ensayo, y el rendimiento de la experiencia sale mayor

a lo que realmente es.

Fugas de agua caliente en las experiencias 3 y 4 a la salida caliente

del primer intercambiador y entrada del segundo, con lo que había

una disminución del caudal de agua en el segundo intercambiador.

Fugas a las salidas de los intercambiadores, que por ser agua que ya

se desechaba, no fueron relevantes para los resultados obtenidos.

Aun teniendo en cuenta las incidencias, se puede comprobar que el

rendimiento de los intercambiadores cuando operaban en contracorriente

es mayor que en isocorriente debido a una mayor fuerza impulsora, y

por tanto se tiene una mejor transferencia de calor.

En cuanto a la comparación de los coeficientes globales de transferencia

de calor en los intercambiadores de doble tubo, se aprecia que los que

se han obtenido de forma experimental son bastante mayores que los

que se han obtenido de forma teórica. Además donde mayor diferencia

se aprecia es en aquellos valores en los que el régimen de flujo es

laminar debido a un posible mal ajuste de la correlación elegida para su

cálculo. Esa misma alteración no ocurre en los intercambiadores de

Conclusión Transmisión de calor



placas, donde los coeficientes globales son del mismo orden de magnitud

aproximadamente.

Comparando ya los intercambiadores de placas con los de doble tubo se

observa que con los de placa plana se obtiene un rendimiento mayor que

con los tubulares. Esto se puede deber a un aumento en la superficie de

contacto entre los dos fluidos en el intercambiador de placas.

ANEXO 1 Transmisión de calor

29 Ana Marina Linero Reyes

ANEXO 1. Cálculo de la duración de una bombona de

butano en las condiciones de operación

Tras la realización de todas las experiencias llevadas a cabo con los distintos

intercambiadores de calor, se planteó como problema la duración de la

bombona de butano que usaba el termo para calentar el agua caliente que

entraba en los intercambiadores.

Dicha bombona tiene una capacidad de 26,7L de butano a una presión de

30 kg/cm3. Para poder calcular la duración del butano, se necesita saber

qué calor se transfiere al agua, así como el caudal de butano que entra al

termo. Para ello se disponen de los siguientes datos:

Tabla 17. Datos experimentales

Teniendo que el caudal caliente es la cantidad de agua que pasa por la

termo para ser calentada, T2 es la temperatura del agua caliente a la salida

del mismo y T4 es la entrada del agua fría en la caldera.

Lo primero que sería necesario calcular es el calor transferido. Para ello se

pueden emplear dos expresiones distintas:

[13]

[14]

Donde ΔHr es el calor de la reacción de la combustión del butano, que

equivale al poder calorífico inferior de dicho compuesto. Dicha reacción es la

siguiente:

CAUDAL (L/h) TEMPERATURAS (ºC)

EXPERIENCIA Caliente T2=Te T4=te

1ª 210 69 15

1b 210 69 14

2ª 210 74 17

2b 210 73 17

3 210 74 17

4 210 73 19

5 210 70 14

6 210 70 15



[15]

ΔH CO2 kJ/kg

ΔH H20 (l)(kJ/kg)

ΔH H2O (g) (kJ/kg)

ΔH C4H10

(kJ/kg) ΔHr (kJ/kg)

-8.943,18 -15.877,78 -13.433,33 -2.181,03 -10.0758,36

Tabla 18. Entalpías de formación de los compuestos y entalpía de la reacción

Una vez calculada la energía que desprende la reacción, se puede calcular

ya el caudal de butano necesario para calentar el agua igualando las

ecuaciones 13 y 14:

Experiencia Q(kW) m_but (kg/s)

1 a 13,180 0,000131

1 b 13,424 0,000133

2 a 13,908 0,000138

2 b 13,664 0,000136

3 13,908 0,000138

4 13,176 0,000131

5 13,668 0,000136

6 13,424 0,000133

Tabla 19. Calor transferido y caudal necesario de butano

Una vez obtenido el caudal, solo haría falta tener en cuenta la cantidad de

butano que hay en la bombona, que si se calcula el volumen del mismo a

presión atmosférica, se obtienen 775,2 L de butano. Por tanto la duración

de la bombona en cada una de las experiencias se muestra en la Tabla 10:

Experiencia HORAS

1 a 4,083

1 b 4,008

2 a 3,869

2 b 3,938

3 3,869

4 4,084

5 3,937

6 4,008

Tabla 20. Duración de la bombona de butano en cada una de las experiencias



ANEXO 2. Instalación con intercambiadores de placas

Se tiene una instalación como la representada en la Figura 22:

En la Figura 22 se muestran todos los equipos que forman la instalación, los

cuales se recogen en la siguiente tabla:

Figura 22. Instalación con intercambiadores de placa plana



NOMENCLATURA EQUIPO

E-1, E-2, E-3 Intercambiadores de calor de placa plana

MV-101/114 Válvulas de las corrientes de agua fría

MV-201/217 Válvulas de las corrientes de agua caliente

P-1 Bomba de impulsión del fluido caliente

P-2 Bomba de impulsión del fluido frío

F-1 Caldera de calentamiento del fluido

R-1, R-2 Rotámetros

Tabla 21. Elementos del diagrama de la Figura 22

Analizando la instalación detalladamente, cuando se quieren poner en

funcionamiento los tres intercambiadores de forma en que los fluidos frío y

caliente estén en isocorriente, habrá que abrir y cerrar una serie de

válvulas, las cuales se representan en la Figura 23:

Figura 23. Diagrama de la instalación con flujos en isocorriente



En este diagrama se representa el flujo de los fluidos si circulan en

isocorriente a través de los intercambiadores. Las líneas rojas marcan el

camino seguido por el fluido caliente, mientras que las azules el camino que

sigue el fluido frío. En cuanto a las válvulas, las que están coloreados en su

interior son aquellas en las que circula fluido, y por tanto están abiertas. Por

el contrario, las que están en blando se encuentran cerradas.

A continuación, y siguiendo con el análisis de la instalación, se detalla el

flujo de los fluidos en contracorriente:

Figura 24. Diagrama de la instalación con flujos en contracorriente



Al igual que en el diagrama de la Figura 23, en el de la Figura24 se

representan en rojo el flujo del fluido caliente y en azul el del fluido frío. Las

válvulas coloreadas en sus respectivos colores representan a las válvulas

abiertas, mientras que las blancas a las que están cerradas.

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Transmisión de Calor - Memoria Completa