cambiadores de calor

7/26/2019 Cambiadores de Calor

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NDICE

1. Objetivos............................................................................................................................. 1

2. Clculos, resultados y discusin..................................................................................... 1

2.1. Comparacin de los diferentes tipos de cambiador de calor........................... 2

Clculo del coeficiente global de transmisin de calor............................................. 3

Eficacia de transmisin de calor para cada tipo de cambiador.............................. 12

2.2. Estudio de variables que afectan al coeficiente U............................................. 14

Clculo del coeficiente global de transmisin de calor........................................... 15

Mtodo del Nmero de Unidades de Transferencia (NUT).................................... 18

Relacin entre los parmetros variados y el coeficiente U.................................... 21

Eficacia de transmisin de calor para cada variable estudiada............................. 24

2.3. Comparacin con la simulacin realizada con Aspen...................................... 28

3. Conclusiones..................................................................................................................... 29

4. Bibliografa....................................................................................................................... 30

ndice de Grficas

Grfica 1. Variacin de la densidad con la temperatura............................................................. 4

Grfica 2. Variacin del calor especfico con la temperatura..................................................... 4

Grfica 3. Coeficiente global de transmisin de calor para cada intercambiador................... 11

Grfica 4. Eficacia para cada tipo de cambiador de calor......................................................... 13

Grfica 5. Efecto del caudal de fluido caliente.......................................................................... 22

Grfica 6. Efecto del caudal de fluido fro................................................................................. 23

Grfica 7. Efecto de la temperatura del fluido caliente. ........................................................... 24

Grfica 8. Efecto del caudal de fluido caliente sobre la eficacia............................................... 25

Grfica 9. Efecto del caudal de fluido fro sobre la eficacia de calentamiento........................ 26

Grfica 10. Efecto de la temperatura del fluido caliente sobre la eficacia............................... 27Grfica 11. Efecto de la temperatura del fluido caliente sobre la eficacia (corregida)............ 27

ndice de Figuras

Figura 1. Factor de correccin de un paso por carcasa y dos pasos por tubo............................ 9

Figura 2. Flujo en paralelo y en contracorriente....................................................................... 12

Figura 3. Factor de correccin de un paso por carcasa y dos pasos por tubo.......................... 16


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ndice de Tablas

Tabla 1. Datos para la comparacin de los tipos de cambiadores. ......................................... 2

Tabla 2. Propiedades fsicas del agua a 1 atm. ...................................................................... 3

Tabla 3. Valores de la densidad y calor especfico medios. .................................................... 5

Tabla 4. Caudales msicos de los fluidos fro y caliente. ........................................................ 6Tabla 5. Caudales de calor para cada tipo de cambiador. ...................................................... 6

Tabla 6. reas de transmisin de calor. ................................................................................ 7

Tabla 7. Incrementos de temperatura media logartmica. ..................................................... 8

Tabla 8. Parmetros para el clculo del coeficiente U.......................................................... 10

Tabla 9. Coeficiente U para cada tipo de cambiador. ........................................................... 10

Tabla 10. Eficacia de un cambiador de calor. ....................................................................... 12

Tabla 11. Eficacia para cada tipo de cambiador de calor. ..................................................... 13

Tabla 12. Datos para el cambiador de carcasa y tubos. ........................................................ 15

Tabla 13. Factor de correccin para cada experimento. ....................................................... 16

Tabla 14. Caudal de calor para cada experimento. .............................................................. 17

Tabla 15. Coeficiente U para cada experimento. ................................................................. 17

Tabla 16. Capacidades calorficas de ambos caudales para cada experimento...................... 19

Tabla 17. Eficacia y relacin de capacidades para cada experimento. .................................. 20

Tabla 18. NUT y coeficiente U para cada experimento. ....................................................... 20

Tabla 19. Comparacin de los mtodos NUT y FT. ................................................................ 21

Tabla 20. Coeficiente U en funcin del caudal de fluido caliente. ......................................... 21

Tabla 21. Coeficiente U en funcin del caudal de fluido fro. ............................................... 22

Tabla 22. Coeficiente U en funcin de la temperatura de entrada del fluido caliente. .......... 23

Tabla 23. Eficacia para cada experimento. .......................................................................... 24

Tabla 24. Comparacin con la simulacin realizada con Aspen Exchanger Design & Rating... 28


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1

1.

Objetivos

La realizacin de esta prctica tiene como objetivo el estudio de los procesos de intercambio de

calor y los parmetros por los que se ven afectados.

Para ello, se va a realizar una comparacin entre los distintos tipos de cambiadores de calor,calculando el coeficiente global de transmisin de calor (U) y la eficacia ( ) para cada uno de

ellos.

Por otra parte, se evaluar la influencia sobre el proceso de intercambio de calor de cuatro

parmetros: el modo de operacin (paralelo o contracorriente), el caudal de fluido caliente, el

caudal de fluido fro y la temperatura de entrada del fluido caliente.

2.Clculos, resultados y discusin

Para el desarrollo de la prctica se van a utilizar tres tipos de cambiadores de calor:

- Cambiador de calor de tubos concntricos

- Cambiador de calor de carcasa y tubos

- Cambiador de calor de placas

En todos ellos, el intercambio de calor se desarrolla en contracorriente, siendo posible en el

cambiador de tubos concntricos tanto la operacin con flujo en corrientes paralelas como con

flujo en contracorriente. Sin embargo, debido a fallos en las vlvulas de seleccin de flujos, no

se ha podido estudiar el cambiador de tubos concntricos con flujos en paralelo.

Para la evaluacin de la eficacia de los cambiadores de calor se emplea el coeficiente global detransmisin de calor, que determina la proporcionalidad entre el flujo de calor y la fuerza

impulsora de la transmisin de calor (diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el

fluido fro).

La determinacin de dicho coeficiente global de transmisin de calor se puede llevar a cabo

mediante dos mtodos:

- Mtodo de la Diferencia de Temperatura Media Logartmica (DTML)

- Mtodo del Nmero de Unidades de Transferencia (NUT)

Para realizar la comparacin entre los distintos cambiadores de calor, se han fijado los caudales

de las corrientes de fluido fro y caliente, y se ha mantenido constante la temperatura de entrada

del fluido caliente. Esto ha conllevado cierta dificultad, ya que la temperatura no se mantena

constante y existan ligeras fluctuaciones del caudal de agua. Por tanto, es posible que aparezcan

ciertos errores experimentales debidos a estas variaciones de los parmetros.

Por otra parte, la influencia del caudal de fluido caliente, el caudal de fluido fro y la temperatura

de entrada del fluido caliente sobre la transmisin de calor se va a evaluar nicamente para el

cambiador de carcasa y tubos.


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2.1. Comparacin de los diferentes tipos de cambiador de calor

Con el fin de evaluar las diferencias existentes en los procesos de transmisin de calor entre los

distintos tipos de cambiadores y modos de operacin, se fijan la temperatura de entrada del

fluido caliente y los caudales de los fluidos fro y caliente en valores constantes.

Se comienza a operar el equipo, manteniendo un caudal constante de 80 L/h para fluido fro y

de 120 L/h para el fluido caliente en cada uno de los cambiadores. A su vez, se fija la temperatura

de entrada de fluido caliente en 55,9C (no se ha logrado alcanzar la temperatura de consigna

de 60C).

Se han establecido estos caudales en lugar de los indicados en el guin de prcticas ya que la

vlvula de regulacin de caudal del cambiador de tobos concntricos no permita variar su valor.

Se toman datos para los tres tipos de cambiador y, para el caso del cambiador de tubos

concntricos, en paralelo. Los datos obtenidos se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 1. Datos para la comparacin de los tipos de cambiadores.

Tipo de cambiador Qv' (L/h) Qv'' (L/h) T1'(C) T1''(C) T2' (C) T2'' (C) Experimento

Carcasa y tubos 80 120 55,9 18,4 43,8 26,3 1

Placas 80 120 55,9 18,4 37,5 44,2 2

Tubos concntricos(paralelos)

80 120 55,9 18,4 42,2 24 3

Siendo:

-

Qv(l/h) el caudal volumtrico de la corriente de fluido caliente.

-

Qv(l/h) el caudal volumtrico de la corriente de fluido fro.

-

T1(C) la temperatura de entrada de la corriente de fluido caliente.

-

T1(C) la temperatura de entrada de la corriente de fluido fro.

-

T2(C) la temperatura de salida del fluido caliente.

- T2(C) la temperatura de salida del fluido fro.

Una vez obtenidos los datos, se procede a realizar la comparacin entre los tipos de cambiadores

de calor. Para ello, se calculan el coeficiente global de transmisin de calor mediante el mtodo

DTML y la eficacia de transmisin de calor para cada uno de los experimentos.

Aunque no se ha medido experimentalmente, tambin se va a incluir en la comparacin el

cambiador de tubos concntricos con flujos en contracorriente, para evaluar la influencia del

modo de operacin sobre el proceso de transmisin de calor.


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3

Clculo del coeficiente global de transmisin de calor

Se va a emplear el mtodo de la Diferencia de Temperatura Media Logartmica (DTML), segn

el cual la ecuacin para obtener el coeficiente global de transmisin de calor es la siguiente:

= Ecuacin 1

En el caso del cambiador de carcasa y tubos es necesario incluir en la ecuacin un factor de

correccin (FT), siendo Tmlel incremento de temperatura media logartmica equivalente al de

un cambiador de calor de tubos concntricos que intercambiara el mismo calor que el de carcasa

y tubos considerado.

Caudal de calor intercambiado

En primer lugar, se calcula el caudal de calor intercambiado entre el fluido caliente y el fluido

fro. De forma terica, debera cumplirse la siguiente igualdad:

= = = Ecuacin 2

Siendo Q el caudal de calor cedido por la corriente de fluido caliente y Q el caudal de calor

ganado por la corriente de fluido fro.

Para la obtencin de dichos caudales es necesario conocer el caudal msico, el calor especfico

y la diferencia entre las temperaturas de entrada y salida para cada corriente.

Los caudales msicos se calculan a partir de los caudales volumtricos, utilizando el valor de la

densidad media de cada corriente. Tanto la densidad como el calor especfico dependen de la

temperatura del fluido, por lo que se realiza un ajuste de los diferentes valores en funcin de la

temperatura.

Tabla 2. Propiedades fsicas del agua a 1 atm.

T (C) Cp(cal/kg C) (kg/m3) Cp(J/kg C) (kg/L)

0 1008,0 999,8 4218,984 0,999810 1002,0 999,7 4193,871 0,999720 999,5 998,2 4183,407 0,998230 998,6 995,7 4179,640 0,9957

40 998,7 992,2 4180,059 0,992250 998,2 988,1 4177,966 0,988160 1000,0 983,2 4185,500 0,983270 1001,0 977,8 4189,686 0,977880 1003,0 971,8 4198,057 0,971890 1005,0 965,3 4206,428 0,9653

100 1008,0 958,4 4218,984 0,9584110 1011,0 951,0 4231,541 0,951120 1014,0 943,4 4244,097 0,9434130 1017,0 935,2 4256,654 0,9352140 1020,0 926,4 4269,210 0,9264

150 1024,0 917,3 4285,952 0,9173160 1027,0 907,5 4298,509 0,9075


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4

Representando grficamente los valores de densidad en funcin de la temperatura se obtiene

el siguiente ajuste:

Grfica 1. Variacin de la densidad con la temperatura.

La variacin de la densidad (en kg/L) con la temperatura (en C) se ajusta a una ecuacin

polinmica de segundo grado, con un coeficiente de correlacin muy prximo a 1, por lo que se

puede considerar adecuado el ajuste.

= 3 10 0,0001 + 1,0015Ecuacin 3

Por otra parte, representando grficamente los valores de calor especfico en funcin

de la temperatura se obtiene el siguiente ajuste:

Grfica 2. Variacin del calor especfico con la temperatura.

y = -3E-06x2 - 0,0001x + 1,0015R = 0,9994

0,9

0,92

0,94

0,96

0,98

1

1,02

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Densidad(kg/L)

Temperatura (C)

y = -6E-05x3 + 0,0246x2 - 1,7642x + 4213,5R = 0,996

4160

4180

4200

4220

4240

4260

4280

4300

4320

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Calorespecfico(

J/kgC)

Temperatura (C)


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La variacin del calor especfico (en J/kgC) con la temperatura (en C) se ajusta a una ecuacin

polinmica de tercer grado, con un coeficiente de correlacin bastante prximo a 1, por lo que

se puede considerar adecuado el ajuste.

= 6 10 + 0,0246 1,7642 + 4213,5Ecuacin 4

Se van a suponer valores constantes de la densidad y el calor especfico en cada corriente a lo

largo del proceso de intercambio de calor. Para ello, se calcula la temperatura media entre la

entrada y la salida de cada corriente:

=+ 2 Ecuacin 5

Por ejemplo, en el caso de la corriente de fluido caliente para el cambiador de calor de carcasa

y tubos (experimento 1):

=55,9 + 43,8

2 = 49,9

= 3 10 49,9 0,0001 49,9 +1,0015 = 0,989 / = 6 1049,9+ 0,0246 49,9 1,7642 49,9 + 4213,5 = 4179,25 /

De esta manera, se obtienen los siguientes resultados para cada corriente en cada tipo de

cambiador de calor:

Tabla 3. Valores de la densidad y calor especfico medios.

Experimento T' T'' Cp' (J/kg C) Cp'' (J/kg C) '(kg/L) '' (kg/L)

1 49,9 22,4 4179,25 4185,69 0,989 0,998

2 46,7 31,3 4178,65 4180,54 0,990 0,995

3 49,1 21,2 4179,07 4186,58 0,989 0,998

El caudal msico se obtiene multiplicando el caudal volumtrico por la densidad:

=

Ecuacin 6

Por ejemplo, el caudal msico de la corriente de fluido caliente para el cambiador de calor de

carcasa y tubos (experimento 1) se ha calculado de la siguiente forma:

= = 80 / 0,989 / 1 3600 = 0,022 /

Los caudales msicos de las corrientes de fluido fro y fluido caliente para cada cambiador de

calor se recogen en la Tabla 4.


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6

Tabla 4. Caudales msicos de los fluidos fro y caliente.

Experimento Qv' (L/h) Qv'' (L/h) ' (kg/L) '' (kg/L) m' (kg/s) m'' (kg/s)

1 80 120 0,989 0,998 0,022 0,033

2 80 120 0,990 0,995 0,022 0,033

3 80 120 0,989 0,998 0,022 0,033

Una vez conocidos todos los parmetros necesarios, se pueden calcular los caudales de calor

intercambiado.

Por ejemplo, el caudal de calor cedido por la corriente de fluido caliente en el cambiador de

carcasa y tubos (experimento 1) se ha calculado de la siguiente forma:

= 0,022 / 4179,25 / 55,9 43,8 = 1111,46 /Siguiendo este procedimiento, se han obtenido los caudales de calor para cada experimento:

Tabla 5. Caudales de calor para cada tipo de cambiador.

Experimento Tipo de cambiador Q ' (J/s) Q'' (J/s)

1 Carcasa y tubos 1111,46 1099,77

2 Placas 1692,01 3578,84

3Tubos concntricos

(paralelo)1258,78 779,96

Se observa que el caudal de calor cedido por la corriente de fluido caliente (Q) y el caudal de

calor ganado por la corriente de fluido fro (Q) no coinciden para ninguno de los experimentos

realizados, por lo que no se cumple la igualdad que debera darse de forma terica.

Por otra parte, en la prctica, el caudal de calor cedido por el fluido caliente debera ser superior

al caudal de calor ganado por el fluido fro, ya que se asume que existen prdidas del calor cedido

por la corriente caliente. Esto es debido a que el aislamiento del cambiador de calor no es

perfecto. Esto se comprueba para el cambiador de carcasa y tubos y el cambiador de tubos

concntricos, sin embargo, esto no se cumple para el cambiador de placas.

El cambiador de tubos concntricos presenta mayores prdidas de calor, ya que su aislamiento

es menor, estando as expuesto en mayor medida a la temperatura exterior.

Se ha obtenido que el cambiador de placas es el que mayor caudal de calor transfiere, lo cual secorresponde a lo esperado, pues este tipo de cambiador presenta una mayor rea de

intercambio de calor.

No se ha podido realizar el ensayo para tubos concntricos a contracorriente, para el cual se

esperaba obtener un mayor intercambio de calor, puesto que en paralelo, la fuerza impulsora

disminuye a lo largo del tubo. Cuando el flujo es en paralelo, las temperaturas de los fluidos fro

y caliente se aproximan la una a la otra, tratando de alcanzar el equilibrio trmico. Sin embargo,

con flujo en contracorriente, la temperatura de salida del fluido fro se aproxima ms a la

temperatura de entrada del fluido caliente, puesto que existe un gradiente de temperaturas

favorable a todo lo largo del intercambiador de calor (ver Figura 2).

El estudio se aborda en mayor detalle al analizar los coeficientes globales de transmisin de

calor.


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rea de transmisin de calor

El rea de transmisin de calor es diferente para cada tipo de cambiador de calor, dependiendo

del diseo del mismo. Este parmetro es necesario para el clculo del coeficiente global de

transmisin de calor, por lo que se procede a su obtencin para cada caso:

-

El rea de transmisin de calor del cambiador de placas es conocida e igual a 0,06 m2.

- En el caso del cambiador de tubos concntricos se va a considerar el rea media logartmica,

calculando en primer lugar el rea interna y el rea externa del tubo interior.

Se ha calculado de la siguiente forma:

= 2 = 2 0,005 0,955 = 0,03 = 2 = 2 0,00725 0,955 = 0,0435

= ln =0,0435 0,03 0,04350,03

= 0,0363

-

El rea de transmisin de calor del cambiador de carcasa y tubos se calcula de la misma

forma que para el de tubos concntricos, pero teniendo en cuenta que est formado por 9

tubos.

Adems, no se tiene en cuenta toda la longitud de los tubos, debido a la presencia de 6

tabiques deflectores. Esto se debe a que, en la porcin de superficie en contacto con ellos,

no se produce transmisin de calor. De manera que a la longitud total de los tubos (0,3 m)

se le resta aquella envuelta por los tabiques deflectores, suponiendo que tienen un espesorde 13 mm cada uno, quedando una longitud de 0,22 m para calcular el rea de intercambio.

= 2 0,0035 0,22 = 0,0048 = 2 0,005 0,22 = 0,0069

=0,0069 0,0048 0,00690,0048 = 0,0058

= = 9 0,0058 = 0,0523 Por tanto, el rea de transmisin para cada tipo de cambiador de calor se muestra en la siguiente

tabla:

Tabla 6. reas de transmisin de calor.

Tipo de cambiador rea (m2)

Carcasa y tubos 0,0523

Placas 0,06

Tubosconcntricos 0,0363


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Incremento de temperatura media logartmica

Para el clculo del coeficiente global mediante el mtodo DTML se emplean el incremento de

temperatura media logartmica, que se va a calcular de distinta forma en funcin de si el flujo es

en paralelo o en contracorriente.

Viene dado por las siguientes ecuaciones:

=

Ecuacin 7

=

Ecuacin 8

Por ejemplo, el incremento de temperatura media logartmica en el cambiador de carcasa y

tubos (experimento 1), que opera en contracorriente, es el siguiente:

=43,8 18,4 55,9 26,3

43,8 18,455,9 26,3= 27,45

El incremento de temperatura media logartmica para cada caso se presenta en la siguiente

tabla:

Tabla 7. Incrementos de temperatura media logartmica.

Experimento Tipo de cambiadorTml(C)paralelo

Tml(C)contracorriente

1 Carcasa y tubos 27,45

2 Placas 15,10

3Tubos concntricos

(paralelo)26,70

Factor corrector (FT)

Con los datos obtenidos en los apartados anteriores ya se podra calcular el coeficiente global

de transmisin para los cambiadores de placas y tubos concntricos. Sin embargo, para el

cambiador de calor de carcasa y tubos es necesario aadir un factor corrector FTen la ecuacin,

debido a la imposibilidad de calcular la diferencia de temperaturas real implicada en el proceso.

Es decir, se emplean las mismas ecuaciones que en el caso del cambiador de tubos concntricos

aadiendo el correspondiente factor:

= Ecuacin 9


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El valor de FTdepende del parmetro Z y la eficacia de calentamiento (se detalla en la Tabla 10),

los cuales se han obtenido de la siguiente forma:

=

Ecuacin 10

=55,9 43,826,3 18,4= 1,53

= =

Ecuacin 11

=26,3 18,455,9 18,4= 0,21

Con estos valores y asumiendo que se trata de un cambiador de un paso por carcasa y dos pasos

por tubo (P = y R = Z), se obtiene el factor corrector a partir de la siguiente grfica.

Figura 1. Factor de correccin de un paso por carcasa y dos pasos por tubo.

Grficamente, se obtiene un valor aproximado de FT= 0,98.

Coeficiente global de transmisin de calor

Para el clculo del coeficiente global de transmisin de calor (U) se va a emplear el caudal de

calor cedido por el fluido caliente (Q). Es decir, dado que no se cumple la igualdad entre Q y Q

se va a considerar que el caudal de calor intercambiado en el equipo es igual al caudal de calor

que ha cedido el fluido caliente.

Teniendo en cuenta que la corriente de fluido caliente circula por los tubos interiores, se

considera ms adecuado utilizar el valor de Q para el clculo de U, ya que los valores

experimentales del caudal de calor ganado por el fluido fro (Q) pueden haberse visto alterados

en mayor medida por prdidas de calor hacia el exterior y quiz por la resistencia generada por

posibles incrustaciones en las conducciones interiores.


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A continuacin, se agrupan todos los datos necesarios para el clculo del coeficiente global de

transmisin de calor:

Tabla 8. Parmetros para el clculo del coeficiente U.

ExperimentoTipo de

cambiadorQ ' (J/s) rea (m2) Tml(C)

1 Carcasa y tubos 1111,46 0,0523 27,45

2 Placas 1692,01 0,06 15,10

3Tubos

concntricos(paralelo)

1258,78 0,0363 26,70

El coeficiente global de transmisin de calor se calcula de la siguiente forma:

-

Para el cambiador de placas:

= = 1692,01 /

0,06 15,10 = 1867,69 /

- Para el cambiador de carcasa y tubos, teniendo en cuenta el factor corrector:

= = 1111,46 /

0,0523 27,45 0,98= 789,80 /

Aplicando este procedimiento en cada experimento, se obtiene el coeficiente global de

transmisin de calor para cada tipo de cambiador de calor:

Tabla 9. Coeficiente U para cada tipo de cambiador.

Experimento Tipo de cambiador U (W/m2C)

1 Carcasa y tubos 789,80

2 Placas 1867,69

3

Tubos concntricos

(paralelo) 1297,63


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A continuacin, se representa el coeficiente global de transmisin de calor, obtenido mediante

el mtodo DTML, frente a cada tipo de cambiador de calor:

Grfica 3. Coeficiente global de transmisin de calor para cada intercambiador

Comparacin y evaluacin de resultados

Se ha obtenido que el intercambiador que posee mayor coeficiente global de transmisin de

calor (U) y que, por tanto, presenta menor resistencia a la transferencia de calor, es el de placas.

Le sigue el cambiador de tubos concntricos y, por ltimo, el de carcasa y tubos.

Como ya se ha explicado, el rea de transmisin de calor en el cambiador de placas es mayor

que en los dems casos, luego tiene lgica que sea el cambiador con mayor coeficiente global

de transmisin. En cambio, el cambiador de tubos concntricos es el que ms superficie de

contacto tiene con el aire, por lo que tiene sentido que sea uno de los cambiadores que menor

U tenga.

Por otro lado, el cambiador de carcasa y tubos debera presentar mayor coeficiente global de

transmisin de calor que el de tubos concntricos, tanto en paralelo como en contracorriente,

debido a su mayor superficie de contacto entre el fluido fro y el caliente.

La anomala de estos resultados reside en el posible error de los datos experimentales tomados,

por la oscilacin constante de temperaturas y caudales tras haber esperado el tiempo suficiente

para que se alcanzase el estado estacionario.

Se estima que el cambiador de tubos concntricos trabajando en flujo contracorriente, debera

tener una mayor transferencia de calor con respecto al flujo en paralelo, como se ha comentado

anteriormente, puesto que, en ste ltimo, la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos

(fuerza impulsora) va disminuyendo conforme se avanza en la longitud del tubo (ver Figura 2).

De esta forma, el cambiador de tubos concntricos en contracorriente debera tener mayor U

que en flujo en paralelo.

0,00

300,00

600,00

900,00

1200,00

1500,00

1800,00

2100,00

Carcasa y tubos Placas Tubos concentricos

(paralelos)

CoeficienteU(W/m2C)

Tipo de cambiador de calor


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Por ejemplo, en el caso del cambiador de carcasa y tubos:

- Capacidad calorfica del caudal de fluido caliente:

( ) = 0,022 / 4179,25 / = 91,86 / -

Capacidad calorfica del caudal de fluido fro:

( ) = 0,033 / 4185,69 / = 139,21 /Como ( ) < ( ) y el flujo es en contracorriente, la eficacia se calcula de lasiguiente forma:

= =

Ecuacin 12

=55,9 43,8 55,9 18,4 = 0,323

Llevando a cabo este procedimiento se han obtenido los siguientes resultados:

Tabla 11. Eficacia para cada tipo de cambiador de calor.

Experimento Tipo de cambiador (m' CP') (m'' CP'') Tipo de eficacia = e

1 Carcasa y tubos 91,86 139,21(m' CP') < (m'' CP'')

Eficacia deenfriamiento (e)

0,323

2 Placas 91,96 138,71 0,491

3Tubos concntricos

(paralelos)

91,88 139,28 0,365

A continuacin, se representa la eficacia frente a cada tipo de cambiador de calor:

Grfica 4. Eficacia para cada tipo de cambiador de calor.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

Carcasa y tubos Placas Tubos concentricos

(paralelo)

Eficacia()

Tipo de cambiador de calor


17/33

14

Como se puede observar en la Grfica 4, el cambiador de calor que mayor eficacia presenta es

el cambiador de placas, lo cual concuerda con lo que cabra esperar de forma terica, ya que es

el cambiador que dispone de un mayor rea de transmisin de calor, permitiendo de esta forma

que el intercambio de calor entre ambos fluidos sea ms eficiente.

Sin embargo, se observa que el cambiador de tubos concntricos presenta un mayor valor deeficacia de transmisin que el cambiador de carcasa y tubos, lo cual no concuerda con la teora.

Como se ha explicado anteriormente, el cambiador de carcasa y tubos debera ser ms eficaz

que el de tubos concntricos, ya que su rea de transmisin de calor es mayor, al estar formado

por 9 tubos en lugar que uno.

Esta misma tendencia se ha observado en el apartado anterior al comparar los coeficientes

globales de transmisin de calor. La anomala de estos resultados puede deberse, como ya se

ha explicado anteriormente, a la oscilacin de temperaturas y caudales a lo largo de la toma de

medidas.

Por otra parte, aunque no se estudiado experimentalmente, el cambiador de calor de tubos

concntricos con flujos en contracorriente debera ser ms eficaz que el cambiador de tubos

concntricos con flujos en paralelo. Esto se debe a que con flujo en contracorriente se produce

una mayor transferencia de calor, dado que, como se muestra en la Figura 2,partiendo de las

mismas temperaturas de entrada del fluido fro y del fluido caliente, en el caso de flujo en

contracorriente, la temperatura de salida del fluido fro se aproxima ms a la temperatura de

entrada del fluido caliente.

Por tanto, siguiendo la misma tendencia que en el apartado anterior, tericamente el cambiador

de placas debera ser el ms eficaz, seguido del de carcasa y tubos, a continuacin el de tubos

concntricos a contracorriente y, por ltimo, el de tubos concntricos en paralelo.

2.2. Estudio de variables que afectan al coeficiente U

En este apartado se va a evaluar la influencia sobre el proceso de intercambio de calor de tres

variables: el caudal de fluido caliente, el caudal de fluido fro y la temperatura de entrada del

fluido caliente.

Esta influencia se va a estudiar nicamente para el cambiador de carcasa y tubos, comparando

los valores del coeficiente global de transmisin de calor obtenidos en una serie de

experimentos.

En primer lugar, se calcular el coeficiente U mediante el mtodo DTML, siguiendo el mismo

procedimiento que en el apartado anterior. Posteriormente, se aplicar el mtodo del Nmero

de Unidades de Transferencia (NUT) y se compararn los resultados obtenidos en ambos

mtodos.

Al igual que en el apartado anterior, tambin se va a calcular la eficacia de transmisin de calor

para cada uno de los experimentos, para observar cmo influye sobre ella la variacin de los tres

parmetros estudiados.


18/33

15

Clculo del coeficiente global de transmisin de calor

Se realiza la toma de medidas variando los distintos parmetros y se obtienen los siguientes

datos experimentales:

Tabla 12. Datos para el cambiador de carcasa y tubos.

Estudio de variables que afectan al coeficiente global de transmision de calor

Carcasa y tubos Qv' (L/h) Qv'' (L/h) T1'(C) T1''(C) T2' (C) T2'' (C) Experimento

Efecto Qv'

140 80 57,9 19,2 49,4 33,8 4

120 80 57,8 19,1 47,9 32,6 5

100 80 57,9 19,0 47,4 30,0 6

80 80 57,6 19,0 45,9 30,1 7

Efecto Qv''

80 140 57,7 18,9 44,9 26,6 8

80 120 57,8 18,9 45,0 26,7 9

80 100 57,8 18,9 45,4 27,9 10

80 80 57,6 19,0 45,9 30,1 7

Efecto T1'

100 100 55,0 18,6 46,6 27,6 11

100 100 50,0 18,7 43,2 26,0 12

100 100 45,0 18,7 39,7 25,4 13

100 100 43,0 18,5 38,2 24,1 14

Obtencin del factor de correccin (FT)

Como se ha explicado en anteriores apartados, para el caso del cambiador de calor de carcasa y

tubos es necesario emplear un factor corrector (FT) para el clculo del coeficiente global de

transmisin de calor.

De forma anloga a lo realizado en anteriores apartados, calculando el parmetro Z y la eficacia

de calentamiento, y empleando la grfica para un cambiador 1-2, se obtiene el valor de FT.

Por ejemplo, se muestra el procedimiento de clculo para el experimento 4:

= =

=

57,9 49,4

33,8 19,2= 0,58

= =

=33,8 19,257,9 19,2= 0,38

A partir de los datos obtenidos, se trazan las correspondientes lneas en la grfica (Figura 3),

obtenindose los respectivos valores de FT.


19/33

16

Figura 3.Factor de correccin de un paso por carcasa y dos pasos por tubo.

Para cada uno de los experimentos, se obtienen los siguientes resultados:

Tabla 13. Factor de correccin para cada experimento.

ExperimentoFactor de correccin (FT)

R P FT

4 0,58 0,38

0,98

5 0,73 0,35

6 0,95 0,28

7 1,05 0,29

8 1,66 0,20

9 1,64 0,20

10 1,38 0,23

7 1,05 0,29

11 0,93 0,25

12 0,93 0,23

13 0,79 0,25

14 0,86 0,23

En la Figura 3 se puede observar que, para todos los experimentos, el factor corrector se

encuentra en torno a un valor de 0,98 para este cambiador de calor.

Clculo de los coeficientes globales de transmisin de calor

Para hallar el coeficiente global de transporte (U) se realiza el mismo procedimiento que para el

apartado anterior, incluyendo el factor corrector (FT).

= Como ya se ha justificado anteriormente, se van a emplear los caudales de calor cedido por el

fluido caliente para realizar el estudio del efecto de las variables.

= Ecuacin 13


20/33

17

Anlogamente a lo realizado en el primer apartado, se hallan las correspondientes densidades y

calores especficos a partir de las temperaturas medias obtenidas. Con dichos parmetros se

obtienen los valores de los caudales msicos y, a continuacin, los caudales de calor

intercambiado.

Aplicando dicho procedimiento, los resultados obtenidos son los siguientes:Tabla 14. Caudal de calor para cada experimento.

Experimento Tm' Tm'' Cp' (J/kg C) ' (kg/L) m' (kg/h) Q' (J/s)

4 53,7 26,5 4180,39 0,988 0,038 1364,58

5 52,9 25,9 4180,12 0,988 0,033 1362,66

6 52,7 24,5 4180,05 0,988 0,027 1204,45

7 51,8 24,6 4179,77 0,988 0,022 1074,01

8 51,3 22,8 4179,64 0,988 0,022 1175,17

9 51,4 22,8 4179,66 0,988 0,022 1175,13

10 51,6 23,4 4179,72 0,988 0,022 1138,337 51,8 24,6 4179,77 0,988 0,022 1074,01

11 49,1 19,4 4179,497 0,989 0,027 964,17

12 45,2 18,7 4178,637 0,990 0,028 781,66

13 41,0 17,5 4178,349 0,992 0,028 610,15

14 36,8 16,7 4178,408 0,992 0,028 552,94

Siguiendo nuevamente el procedimiento utilizado en apartados anteriores, se calcula el valor

del incremento de temperatura media logartmica para cada uno de los experimentos, teniendo

en cuenta que el cambiador de carcasa y tubos opera en contracorriente.

Una vez conocidos todos los parmetros necesarios, se procede a calcular el coeficiente global

de transmisin de calor para cada experimento. De esta forma, se podr observar cul ha sido

la influencia de cada variable en el proceso de transporte de calor.

Los resultados obtenidos a partir de los datos experimentales se recogen en la siguiente tabla:

Tabla 15. Coeficiente U para cada experimento.

ExperimentoCarcasa y

tubosQ' (J/s) Tml(C) U (W/m2C)

4

Efecto Qv'

1364,58 27,04 984,41

5 1362,66 26,96 985,78

6 1204,45 28,15 834,51

7 1074,01 27,20 770,14

8

EfectoQv''

1175,17 28,47 804,94

9 1175,13 28,53 803,42

10 1138,33 28,17 788,24

7 1074,01 27,20 770,14

11

EfectoT1'

964,17 27,70 678,90

12 781,66 24,25 628,68

13 610,15 20,29 586,44

14 552,94 19,30 558,85


21/33

18

Mtodo del Nmero de Unidades de Transferencia (NUT)

El mtodo NUT es un mtodo alternativo para calcular el coeficiente global de transmisin de

calor que se emplea cuando no se posee toda la informacin necesaria para aplicar el mtodo

DTML.

En este apartado, se va a emplear este mtodo para obtener el coeficiente U para los

experimentos realizados con el cambiador de calor de carcasa y tubos. Posteriormente, se

realizar una comparacin con los resultados anteriormente obtenidos mediante el mtodo FT.

El NUT es un parmetro que define el nmero de unidades de transferencia del cambiador de

calor y permite calcular el coeficiente global de transmisin de calor de acuerdo a la siguiente

ecuacin:

= Ecuacin 14

Para realizar el clculo del NUT de un intercambiador de calor de carcasa y tubos es necesario

emplear las siguientes expresiones:

= 1 + / ln 1 + 1

Ecuacin 15

=2 1 +

1 +

Ecuacin 16

= 1 : = 1 ; = 1

1 /

Al tratarse de un cambiador de carcasa y tubos de un solo paso por tubo (n = 1), las expresiones

para averiguar Fy 1no son necesarias, ya que = 1.

Para poder aplicar estas ecuaciones es necesario conocer la relacin de capacidades (CR) y la

eficacia (), que vienen determinadas por las siguientes expresiones:

= Ecuacin 17

= Ecuacin 18


22/33

19

Siendo:

- Qmaxel caudal mximo de calor intercambiado, suponiendo el mximo cambio de

temperatura terico:

= Ecuacin 19

-

Q el caudal real, que se ha calculado anteriormente.

En este caso, como se ha justificado en anteriores apartados, se va a emplear como caudal real

el caudal de calor cedido por la corriente de fluido caliente (Q).

Las capacidades calorficas de ambos caudales, es decir, el producto del caudal especfico por el

caudal msico, ya ha sido calculado en apartados anteriores. Hay que determinar cul es el que

tiene menor valor en cada experimento, para hallar el caudal mximo de calor intercambiado.

Tabla 16. Capacidades calorficas de ambos caudales para cada experimento.


tubosQ ' (J/s) (m' Cp') (m'' Cp'') (Cp m)min (Cp m)max

4

Efecto Qv'

1364,58 160,54 92,65 92,65 160,54

5 1362,66 137,64 92,67 92,67 137,64

6 1204,45 114,71 92,73 92,73 114,71

7 1074,01 91,80 92,72 91,80 92,72

8

Efecto Qv''

1175,17 91,81 162,39 91,81 162,39

9 1175,13 91,81 139,19 91,81 139,19

10 1138,33 91,80 115,96 91,80 115,96

7 1074,01 91,80 92,72 91,80 92,72

11

Efecto T1'

964,17 114,78 115,97 114,78 115,97

12 781,66 114,95 116,01 114,95 116,01

13 610,15 115,12 116,02 115,12 116,02

14 552,94 115,20 116,06 115,20 116,06

Una vez determinado para cada experimento, se procede a calcular el caudalmximo de calor, la eficacia y la relacin de capacidades.

Por ejemplo, para el experimento 4:

= 92,65 / 57,9 19,2 = 3585,58 /

= =1364,58,1 /

3585,58 / = 0,381

= =92,65 / 160,54 / = 0,577


23/33

20

Los resultados obtenidos para cada experimento son los siguientes:

Tabla 17. Eficacia y relacin de capacidades para cada experimento.


tubosQmax(J/s) CR

4

Efecto Qv'

3585,58 0,381 0,5775 3586,52 0,380 0,673

6 3607,03 0,334 0,808

7 3543,33 0,303 0,990

8

Efecto Qv''

3562,24 0,330 0,565

9 3571,30 0,329 0,660

10 3571,05 0,319 0,792

7 3543,33 0,303 0,990

11

Efecto T1'

4178,09 0,231 0,990

12 3597,94 0,217 0,991

13 3027,74 0,202 0,99214 2822,30 0,196 0,993

A continuacin, se muestra un ejemplo del clculo del NUT y del coeficiente U para el

experimento 4:

=2

0,381 1+0,5771+0,577

= 3,19

= 1+0,577/ ln 3,1913,19+1 = 0,56

= =0,5692,65 /

0,0523 = 996,55 W/2C

Realizando este procedimiento para cada uno de los experimentos, se obtienen los siguientes

resultados:

Tabla 18. NUT y coeficiente U para cada experimento.


tubosE NUT U (W/m2C)

4Efecto Qv'

3,19 0,56 996,555 2,98 0,58 1026,41

6 3,25 0,49 876,10

7 3,27 0,45 786,54

8

Efecto Qv''

3,91 0,45 798,08

9 3,69 0,46 814,63

10 3,51 0,46 805,08

7 3,27 0,45 786,54

11

Efecto T1'

4,75 0,30 667,14

12 5,13 0,28 616,94

13 5,63 0,25 560,73

14 5,83 0,25 541,33


24/33

21

A continuacin, se muestra una tabla en la que se compara el U obtenido por el mtodo NUT y

el obtenido con el mtodo DTML.

Tabla 19. Comparacin de los mtodos NUT y FT.

Experimento UDTML(W/m2 C) UNUT(W/m2 C)

4 984,41 996,55

5 985,78 1026,41

6 834,51 876,10

7 770,14 786,54

8 804,94 798,08

9 803,42 814,63

10 788,24 805,08

7 770,14 786,54

11 678,90 667,14

12 628,68 616,9413 586,44 560,73

14 558,85 541,33

Como se puede observar, el valor de los coeficientes globales de transmisin de calor obtenidos

con uno y otro mtodo son muy similares. Este hecho refuerza la validez de los resultados

obtenidos con ambos mtodos (dentro de los errores experimentales a los que estn sujetos los

datos).

Relacin entre los parmetros variados y el coeficiente U

Para evaluar los efectos de cada una de las variables sobre el coeficiente global, se realizan una

serie de representaciones.

Variacin del caudal de fluido caliente (Qv)

Los valores del coeficiente global de transmisin de calor (U) obtenidos al variar el caudal de la

corriente de fluido caliente se muestran en la Tabla 20y se representan grficamente en la

Grfica 5.

Tabla 20. Coeficiente U en funcin del caudal de fluido caliente.

Qv' (L/h) UDTML(W/m2C) UNUT(W/m2C)

140 984,41 996,55

120 985,78 1026,41

100 834,51 876,10

80 770,14 786,54


25/33

22

Grfica 5. Efecto del caudal de fluido caliente.

Para ambos coeficientes globales de transferencia de calor se observan tendencias similares. Los

valores ascienden a medida que se incrementa el caudal de fluido caliente, hasta un punto en el

que este comienza a descender. Este ltimo punto puede deberse a una toma de datos errnea,

ya que no coincide con lo que cabra esperar.

La tendencia ascendente del coeficiente global, a medida que aumenta el caudal de fluido

caliente, se debe principalmente al aumento en la turbulencia del mismo. Cuanto mayor sea la

turbulencia de un fluido, mayor ser la transferencia de calor.

Variacin del caudal de fluido fro (Qv)

Los valores del coeficiente global de transmisin de calor (U) obtenidos al variar el caudal de

fluido fro se muestran en la Tabla 21y se representan grficamente en la Grfica 6.

Tabla 21. Coeficiente U en funcin del caudal de fluido fro.

Qv'' (L/h) UDTML(W/m2C) UNUT(W/m2C)

140 804,94 798,08

120 803,42 814,63100 788,24 805,08

80 770,14 786,54

700,0

800,0

900,0

1000,0

1100,0

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

CoeficienteU(W

/m2C)

Caudal Qv' (L/h)

DTML NUT


26/33

23

Grfica 6. Efecto del caudal de fluido fro.

A medida que se aumentan los caudales de fluido fro, se observa una mejora en los coeficientes

globales de transferencia de calor, con una ligera anomala en el ltimo valor del coeficiente

global de transferencia de calor calculado por el mtodo NUT. De forma anloga al caso de la

variacin de caudal de fluido caliente, en este apartado, la causa principal de aumento del

coeficiente global se basa en un aumento de la turbulencia.

La discusin sobre qu caudal es mejor variar se detalla en el apartado de la eficiencia de

transmisin de calor.

Variacin de la temperatura de entrada del fluido caliente (T1)

Los valores del coeficiente global de transmisin de calor (U) obtenidos al variar la temperatura

de entrada del fluido caliente al cambiador de carcasa y tubos se muestran en la Tabla 22y se

representan grficamente en la Grfica 7.

Tabla 22. Coeficiente U en funcin de la temperatura de entrada del fluido caliente.

T1'(C) UDTML(W/m2C) UNUT(W/m2C)

55,0 678,90 667,1450,0 628,68 616,94

45,0 586,44 560,73

43,0 558,85 541,33

700,0

750,0

800,0

850,0

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

CoeficienteU(W

/m2C)

Caudal Qv'' (L/h)

DTML NUT


27/33

24

Grfica 7. Efecto de la temperatura del fluido caliente.

A medida que aumenta la temperatura de entrada del fluido caliente se observa un incremento

del coeficiente global de transferencia de calor. Esto coincide con lo que cabra esperar ya que,

al mantener constante la temperatura de entrada del fluido fro, el gradiente de temperaturas

entre ambos fluidos ser mayor. Es decir, aumenta la fuerza impulsora de la transferencia de

calor.

Eficacia de transmisin de calor para cada variable estudiada

De forma anloga a la obtencin de las eficacias para cada tipo de cambiador, se ha calculado la

eficacia del cambiador de carcasa y tubos modificando el valor del caudal de fluido caliente, el

caudal de fluido fro y la temperatura de entrada del fluido caliente.

De esta forma, se podr evaluar la influencia de dichas variables sobre la eficacia del cambiador

de calor.

Se han obtenido los siguientes resultados experimentales:

Tabla 23. Eficacia para cada experimento.


tubos(m' Cp') (m'' Cp'')

Tipo deeficacia

4

Efecto Qv'

160,539 92,651 c 0,3775 137,642 92,675 c 0,349

6 114,710 92,726 c 0,283

7 91,796 92,724 e 0,303

8

Efecto Qv''

91,810 162,386 e 0,330

9 91,807 139,185 e 0,329

10 91,801 115,959 e 0,319

7 91,796 92,724 e 0,303

11

Efecto T1'

114,783 115,973 e 0,287

12 114,950 116,009 e 0,266

13 115,123 116,024 e 0,254

14 115,196 116,060 e 0,319

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

40 43 46 49 52 55 58

CoeficienteU(W

/m2C)

Temperatura T1' (C)

DTML NUT


28/33

25

En este caso, se observa que para los experimentos 4, 5 y 6 se ha obtenido la eficacia de

calentamiento, ya que > .Por ejemplo, para el experimento 4:

= =

=33,8 19,2 57,9 19,2 = 0,377Y para el experimento 7:

= =

=57,6 45,957,6 19,0= 0,303

Para evaluar los efectos de cada uno de los parmetros sobre la eficacia del cambiador de calor

de carcasa y tubos, se han realizado una serie de representaciones grficas de la eficacia frente

a cada variable para una mejor visualizacin de los resultados obtenidos.

Efecto del caudal de fluido caliente

Se representa grficamente la variacin de la eficacia al aumentar o disminuir el caudal de fluido

caliente a travs del cambiador:

Grfica 8. Efecto del caudal de fluido caliente sobre la eficacia.

En la Grfica 8se puede observar que, de forma general, al aumentar el caudal del fluido caliente

aumenta la eficacia. Esto encaja con la teora, ya que, al aumentar el caudal de fluido caliente

aumenta la transmisin de calor y, por tanto, el fluido fro a la salida tiene mayor temperatura.

No obstante, se observa que para el caudal de 100 L/h la eficacia disminuye respecto a un caudal

inferior. Esto puede deberse a que para un caudal de 80 L/h se evala, por definicin, la eficacia

de enfriamiento, que es mayor que la eficacia de calentamiento existente para ese mismo

caudal.

0,2

0,3

0,4

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Eficacia()

Caudal Qv' (L/h)


29/33

26

Efecto del caudal de fluido fro

Se representa grficamente la variacin de la eficacia al disminuir el caudal de fluido fro a travs

del cambiador:

Grfica 9. Efecto del caudal de fluido fro sobre la eficacia de calentamiento.

Como se aprecia en la Grfica 9, la eficacia aumenta a medida que se incrementa el caudal de

fluido fro. De forma anloga al caso anterior, al aumentar el caudal de fluido fro, aumenta el

caudal de calor

Asimismo, se observa que a partir de un caudal de 120L/h la eficacia se mantiene prcticamente

constante. Esto no debera ser as y se puede deber a una anomala en la toma de datos ya

comentada en el apartado del anlisis del coeficiente global de transmisin de calor.

Si se analizase el rendimiento de calentamiento sucedera lo contrario, es decir, al aumentar el

caudal de fluido fro disminuye su facilidad para aumentar de temperatura, ya que aumenta su

capacidad calorfica.

Comparando las variaciones de caudal del fluido caliente y del fluido fro, se observa un mayor

rendimiento para el caso en el que se vara el caudal del fluido caliente. Por tanto, interesar

aumentar el caudal del fluido caliente antes que el fro.

Esto se puede deber a 2 motivos:

-

para un mismo caudal se provoca mayor turbulencia por el interior de la tubera que por

el interior de la carcasa.

- al aumentar la turbulencia dentro de la tubera no se favorece de forma adicional el

intercambio de calor con el aire circundante al cambiador (lo que si sucedera al

aumentar el caudal del fluido fro).

Esta comparacin sirve tambin para el caso del coeficiente global de transmisin de calor.

0,30

0,31

0,32

0,33

0,34

0,35

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Eficacia

()

Caudal Qv'' (L/h)


30/33

27

Efecto de la temperatura de entrada del fluido caliente

Se representa grficamente la variacin de la eficacia al variar la temperatura de entrada del

fluido caliente al del cambiador de calor:

Grfica 10. Efecto de la temperatura del fluido caliente sobre la eficacia.

En este caso, la Grfica 10muestra una eficacia creciente para 3 de los valores de temperatura

pero una eficacia anormalmente alta para la temperatura ms baja de entrada del fluido

caliente. Por tanto se tendra un mnimo de eficacia para 45 C.

Esto no encajara con la teora ya que al aumentar la temperatura de entrada del fluido caliente

aumenta la fuerza impulsora, el caudal de calor transmitido y consecuentemente la eficacia detransmisin de calor.

Si se elimina el dato anmalo la grfica queda:

Grfica 11. Efecto de la temperatura del fluido caliente sobre la eficacia (corregida).

En este caso s se observa perfectamente la mayor eficacia de intercambio de calor a medidaque aumenta la temperatura de entrada del fluido caliente.

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

0,32

0,34

40,0 45,0 50,0 55,0 60,0

Eficacia

()

Temperatura T1' (C)

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

40,0 45,0 50,0 55,0 60,0

Eficacia

()

Temperatura T1' (C)


31/33

28

2.3. Comparacin con la simulacin realizada con Aspen

Por ltimo, se ha realizado la comparacin entre los resultados obtenidos experimentalmente,

con el cambiador de carcasa y tubos, y los obtenidos con la simulacin realizada mediante el

programa informtico Aspen Exchanger Design & Rating, empleando el mismo tipo de

cambiador.

Como no se han podido recrear experimentalmente las condiciones de trabajo establecidas en

la simulacin, se ha seleccionado el experimento y la simulacin con datos de entrada ms

similares, de forma que la comparacin sea lo ms adecuada posible. Los resultados a partir de

los cuales se realiza la comparacin se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 24. Comparacin con la simulacin realizada con Aspen Exchanger Design & Rating.

Caso m' (kg/h) m'' (kg/h) T1'(C) T1''(C) T2' (C) T2'' (C) U' (W/m2C)

Experimental 79 120 55,9 18,4 43,8 26,3 789,8

Terico 50 100 60 20 48,3 25,9 329,2

El coeficiente global de transmisin de calor obtenido con la simulacin es menor al obtenido

experimentalmente, esto puede deberse a la diferencia de caudales introducidos, ya que, como

se ha comprobado mediante las variaciones realizadas anteriormente, U aumenta con el

incremento tanto del caudal de fluido caliente como fro, siendo ambos mayores en el caso

experimental.

Por otro lado, cabe destacar que en la simulacin se realizaron ciertos cambios de diseo del

cambiador, sealados por los warnings emitidos, como la cantidad de tubos del cambiador (en

la simulacin se cambi el nmero de tubos a 32), modificando as el rea de transferencia de

calor. De esta forma, los resultados no son realmente comparables.

No obstante, el programa s que permite estudiar cules son las tendencias tericas al variar

distintos parmetros. Mediante la simulacin con Aspen se pudo comprobar que el coeficiente

global de transmisin de calor aumenta al incrementar el caudal de fluido caliente, el caudal de

fluido fro o la temperatura de entrada del fluido caliente, como se ha observado en el desarrollo

de esta prctica.


32/33

29

3.

Conclusiones

Se ha comprobado que el cambiador de placas es el que tiene un mayor coeficiente global

de transmisin de calor, pues su configuracin permite una mayor rea de intercambio de

calor entre los fluidos fro y caliente. Tericamente, el cambiador de carcasa y tubos debera

ser el siguiente con mayor valor de U, seguido del cambiador de tubos concntricos con

flujos en contracorriente y, por ltimo, el de tubos concntricos con flujos en paralelo.

Sin embargo, se ha obtenido un mayor U para el cambiador de tubos concntricos que para

el cambiador de carcasa y tubos, lo cual puede deberse a fallos en la toma de datos,

provocados por la constante fluctuacin de la temperatura de entrada del fluido caliente y

de los caudales de fluido fro. Otra posible explicacin sera que para obtener el factor de

correccin se ha utilizado una grfica para cambiadores de 2 pasos por tubo y uno por

carcasa, mientras que el cambiador usado era de un paso por tubo y uno por carcasa.

La disposicin en contracorriente de un cambiador permite que el valor del coeficienteglobal de transmisin de calor sea mayor que en el caso de la disposicin en paralelo. Esto

es debido a que, en paralelo, la fuerza impulsora disminuye a lo largo del cambiador,

mientras que, en contracorriente, se mantiene constante, permitiendo una mayor eficiencia

del cambiador.

Tanto el coeficiente global de transmisin de calor como la eficacia aumentan con los el

caudal, tanto del fluido fro como el caliente, ya que aumenta la turbulencia y mejora la

transmisin de calor por conveccin. No obstante, si se pretende incrementar el valor del

coeficiente U o la eficacia, interesa aumentar el caudal del fluido caliente antes que el fro.

La eficacia de calentamiento disminuye al aumentar el caudal del fluido fro, ya que se est

aumentando la capacidad calorfica del fluido a calentar; mientras que, al aumentar el

caudal de fluido caliente, es la eficacia de enfriamiento la que disminuye, ya que se est

aumentando la capacidad calorfica del fluido a enfriar.

Al aumentar la temperatura de entrada del fluido caliente, la diferencia de temperatura

entre los fluidos fro y caliente es mayor, es decir, la fuerza impulsora aumenta y, por tanto,

el coeficiente global de transmisin de calor y la eficacia de transmisin de calor.

Los valores de los coeficientes globales de trasmisin de calor obtenidos experimentalmente

para el cambiador de carcasa y tubos mediante los mtodos DTML y NUT son muy similares,

lo que refuerza la validez de los resultados.

El empleo de programas informticos para obtener de forma terica los resultados del

intercambio de calor producido en el cambiador puede ser de gran inters. Sin embargo,

debe prestarse gran atencin a que los parmetros simulados sean iguales a los empleados

durante la experimentacin.


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4.

Bibliografa- Guin de prcticas.

- Seminarios previos: Seminario II.

-

Apuntes de la asignatura de Ingeniera Trmica.- Y.A. engel. Transferencia de calor. Editorial McGraw Hill, 2004.

- F.P. Incropera, D.P. De Witt. Fundamentos de transferencia de calor. 4 ed. Editorial Prentice

Hall (Pearson Education), 1999.

cambiadores de calor

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