FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA MECNICA ELCTRICA

TRANSFERENCIA DE CALOR Y REFRIGERACIN

AUTORES:

CENTURION CHAVEZ, NORGE

FLORES ANTICONA, IVAN

LOZANO MANTILLA, ANDRES

ZAPATA AGURTO, CARLOS

DOCENTE:

ING. GUAYAN HUACCHA, ELI

TRUJILLO PERU

2014

INTERCAMBIADOR DE CALOR

I. INTRODUCCION

Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre

dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo

que se mezclen entre s.

En la prctica, los intercambiadores de calor son de uso comn en una amplia

variedad de aplicaciones, desde los sistemas domsticos de calefaccin y

acondicionamiento del aire hasta los procesos qumicos y la produccin de energa

en las plantas grandes. Los intercambiadores de calor difieren de las cmaras de

mezclado en el sentido de que no permiten que se combinen los dos fluidos que

intervienen.

En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender conveccin en cada

fluido y conduccin a travs de la pared que los separa. En el anlisis de los

intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente total de

transferencia de calor U que toma en cuenta la contribucin de todos estos efectos

sobre dicha transferencia. La razn de la transferencia de calor entre los dos fluidos

en un punto dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia de

temperatura local, la cual vara a lo largo de dicho intercambiador.

Los intercambiadores de calor se fabrican en diversos tipos y, como consecuencia,

se inicia con su clasificacin.

II. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Las distintas aplicaciones de la transferencia de calor requieren diferentes tipos de

componentes y configuraciones del equipo para dicha transferencia. El intento de

acoplar los accesorios para la transferencia de calor a cada tipo de necesidades,

dentro de las restricciones especficas, ha conducido a numerosos tipos de diseos

innovadores de intercambiadores de calor.

2.1. Intercambiadores de calor de doble tubo o tubos concntricos

Es el tipo ms simple de intercambiador de calor consta de dos tubos

concntricos de dimetros diferentes.

En un intercambiador de este tipo uno de los fluidos pasa por el tubo ms

pequeo, en tanto que el otro lo hace por el espacio anular entre los dos

tubos. En un intercambiador de calor de doble tubo son posibles dos tipos de

disposicin del flujo:

Flujo paralelo:

Los dos fluidos, el fro y el caliente, entran en el intercambiador por el

mismo extremo y se mueven en la misma direccin.

Contraflujo:

Los fluidos entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen

en direcciones opuestas.

2.2. Intercambiadores de calor compactos

Estn diseados especficamente para lograr una gran rea superficial de

transferencia de calor por unidad de volumen.

La gran rea superficial en los intercambiadores compactos se obtiene

sujetando placas delgadas o aletas corrugadas con poco espacio entre s a las

paredes que separan los dos fluidos.

En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse de manera

perpendicular entre s y a esa configuracin de flujo se le conoce como flujo

cruzado, el cual todava se clasifica ms como:

flujo no mezclado

Se dice que el flujo cruzado es no mezclado en virtud de que las aletas de

placa fuerzan al fluido a moverse por un espaciamiento particular entre

ellas e impiden su movimiento en la direccin transversal (es decir, paralelo

a los tubos).

mezclado

Es mezclado, dado que el fluido ahora tiene libertad para moverse en la

direccin transversal.

2.3. Intercambiadores de calor de coraza y tubos

Estos intercambiadores de calor contienen un gran nmero de tubos (a veces

varios cientos) empacados en una carcasa con sus ejes paralelos al de ste.

La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve

por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de stos,

pasando por la coraza. Es comn la colocacin de desviadores en la coraza

para forzar al fluido a moverse en direccin transversal a dicha coraza con el

fin de mejorar la transferencia de calor, y tambin para mantener un

espaciamiento uniforme entre los tubos.

Los intercambiadores de coraza y tubos se clasifican todava ms segn el

nmero de pasos que se realizan por la coraza y por los tubos.

De un paso por la coraza y dos pasos por los tubos

de dos pasos por la coraza y cuatro pasos por los tubos

2.4. Intercambiadores de calor de placas

Consta de una serie de placas con pasos corrugados y aplastados para el

flujo.

Los fluidos caliente y fro fluyen en pasos alternados, de este modo cada

corriente de fluido fro queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo

que da por resultado una transferencia muy eficaz de calor. Asimismo, este

tipo de intercambiadores pueden crecer al aumentar la demanda de

transferencia de calor sencillamente montando ms placas.

III. ANLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor son de uso comn y un ingeniero se encuentra a

menudo en la posicin de seleccionar un intercambiador de calor que logre un

cambio de temperatura especfica de una corriente de fluido de gasto de masa

conocido, o bien, de predecir las temperaturas de salida de las corrientes de fluido

caliente y del fro en un intercambiador de calor especfico.

Los dos mtodos usados en el anlisis de los intercambiadores de calor, es el de la

diferencia media logartmica de temperatura (o LMTD) es el ms apropiado para la

primera tarea y el mtodo de la efectividad-NTU, para la segunda.

3.1. Mtodo de la diferencia media logartmica de temperatura (LMTD)

La diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y fro vara a lo largo del

intercambiador de calor y resulta conveniente tener una diferencia de

Tml para usarse en la relacin:

=UAs Tml

Con el fin de desarrollar una relacin para la diferencia de temperatura promedio equivalente entre los dos fluidos considrese el intercambiador de calor de doble tubo y flujo paralelo que se muestra en la figura. Ntese que la diferencia de temperatura T entre los fluidos caliente y fro es grande en la entrada del intercambiador, pero disminuye en forma exponencial hacia la salida. Como el lector esperara, la temperatura del fluido caliente decrece y la del fro aumenta a lo largo de dicho intercambiador, pero la temperatura del fluido fro nunca puede sobrepasar la del caliente, sin importar cun largo sea dicho intercambiador.

De donde se deduce la media logartmica de temperatura:

CLCULO TRMICO DE UN INTERCAMBIADOR

DE CALOR DE TIPO CORAZA Y TUBOS

I. FLUJO A TRAVES DEL BANCO DE TUBOS

1.1. GEOMETRIA DEL BANCO E TUBOS

Tuberas dispuestas de forma alternada.

SL SD

SL

ST

ST

D

SD

1.2. Nmero de Reynolds ( )

(2000 <

1.4. Cada de presin ( )

Donde:

.

1.5. Factor de friccin ( )

Para disposicin de tubos de forma alternada:

(5000 <

II. FLUJO LONGITUDINAL EN EL INTERCAMBIADOR DE CALOR

Fluido circulante (fluido caliente): aceite SAE 15W-40

2.1. Nmero de Nusselt ( )

Donde:

.

2.2. Dimetro Hidrulico ( )

Donde:

Deflectores

Coraza

Tubos

.

rea de paso (A)

Donde:

D

Area de paso

d

Permetro humedecido ( )

Dimetro hidrulico queda:

2.3. Nmero de Reynolds ( )

Donde:

* Estas propiedades fsicas deben estar a

III. FORMA DE LOS DEFLECTORES

Deflectores en forma de segmento

* Propiedades fsicas a

3.1. Nmero de Reynolds ( )

Donde:

3.2. rea equivalente ( )

Donde:

h

D h =H

AL

Ac

s

rea Cruzada para

Donde:

PROCEDIMIENTO DEL CLCULO MATEMTICO

PARA EL INTERCAMBIADOR DE CALOR

I. DATOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

1.1. TIPO

Intercambiador de coraza y tubos, el fluido frio ingresa por los tubos,

mientras que el fluido caliente lo hace por los orificios de la coraza y

atraviesa a los tubos en un circuito interno que es dado por los deflectores.

1.2. APLICACIN

El intercambiador de calor objeto de estudio es utilizado para mantener la

temperatura del aceite en condiciones normales de funcionamiento de un

motor CAT 3306B del ao 1975. Con cdigo de parte 2P8797.

Este motor es usado en generadores y barcos.

Intercambiador de calor de coraza y tubos

1.3. GEOMETRIA

Coraza:

Dimetro interior de 115mm Dimetro exterior de 125mm Diametro de entrada y salida de fluido caliente: 19mm Material: Acero, con K = 50,2 W/mK

Tubos:

Dimetro interior: 4mm Dimetro exterior: 5mm Longitud: 160mm Nmero de tubos: 267 Material: Cobre, con K= 385 W/mK

Deflectores:

Espesor: 2mm Nmero de deflectors: 5 Material: Acero, con K = 50,2 W/mK

1.4. PARMETROS DE TRABAJO

Fluido Frio Etileno Glicol + Agua

Presin de bomba: Velocidad del Fluido: Temperatura mxima en motor: Temperatura mnima en motor: Rango de temperatura: Densidad (75C): Densidad (95C): Viscosidad dinmica [] (75C): Viscosidad dinmica [] (95C):

13 psi a 1800 RPM 1.83 m/s 95C 75C 75C - 96C 974,9 kg/m3 961,9 kg/m3

0,380 Ns/m210-3 0,299 Ns/m210-3

Fluido Caliente Aceite SAE 15W-40

Capacidad (solo motor): Grado de viscosidad: Temperatura Mx: Velocidad del fluido: Densidad del fluido a 105 Viscosidad dinmica [] (105C):

5.25 Gal = 20 litros SAE 15W-40 105C 2 m/s 837.25 kg/m3

15.4 Ns/m2103

II. FLUJO A TRAVES DEL BANCO DE TUBOS

GEOMETRIA DEL BANCO E TUBOS

Tuberas dispuestas de forma alternada.

Donde:

Nomenclatura Denominacin Dimensin (mm)

SL Paso longitudinal 6

ST Paso transversal 10.39

SD Paso diagonal 6

De Dimetro exterior 5

Di Dimetro interior 4

ST

SL SD

SL

ST SD

D

2.1. Clculo del flujo turbulento interno en un solo tubo

Se establece una temperatura media

Propiedades del agua fsicas a 85

Densidad Viscosidad dinmica

Calor especifico

Numero de prandtl

Conductividad Termica

968.1 kg/m

3

0.333 x10-3

kg/m.s 4201 J/kg.k 2.08 0.673 W/m.s

Tabla de velocidades internas sugerida

Design for Chemical and Petrochemical Plants.

Di De

a. Clculo de Reynolds

Dnde:

b. Clculo de nusselt

c. Clculo del coeficiente de conveccin

d. Clculo del flujo msico

2.2. Clculo del flujo exterior aceite (SAE 15W-40)

Se establece una temperatura media

Propiedades del agua fsicas a 95

Densidad Viscosidad dinmica

Calor especifico

Numero de prandtl

Conductividad Termica

Viscosidad cinematica

843 kg/m3 20.3825 x10

-3

kg/m.s 2197 J/kg.k 329.5 0.13725 W/m.s 24.6x10

-6

2.3. Temperatura de la superficie exterior del tubo (aproximada)

Dnde:

2.4. Flujo msico del aceite

2.5. rea equivalente en deflectores en forma de segmentos

Dnde:

2.5.1. rea longitudinal

rea del segmento

rea de los tubos

2.5.2. rea cruzada

2.6. Clculo de Reynolds

Dnde:

D =0.115m

S =0.0255m