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Laboratorio de Ingeniería II
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE
(CONDENSACIÓN)
Prof. Ing. Mario Smidt FCQ-UNA 1
PROF. Ing. Mario Smidt
Ingeniería DE ALIMENTOS- INGENIERÍA QUÍMICA
Facultad de ciencias químicas- una
2015
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)
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1. Determinar en forma experimental el coeficiente general de transferencia de calor
que se establece en un condensador entre un vapor condensante y el líquido de
refrigeración a diferentes condiciones de equilibrio.
2. Visualizar el efecto de la presión sobre la temperatura de saturación de un líquido.
3. Calcular la tasa de transferencia de calor en el serpentín de enfriamiento, la tasa de
transferencia de calor al medio ambiente, la diferencia logarítmica media de
temperatura entre el vapor condensante y el líquido refrigerante, y el coeficiente
general de transferencia de calor en el condensador.
OBJETIVOS
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)
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TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CONDENSACIÓN
Se presenta la condensación cuando la temperatura T de un vapor se reduce por debajo
de su temperatura de saturación, Tsat.
¿Cuándo suele llevarse a cabo?
Cuando el vapor entra en contacto con una
superficie sólida donde:
TS < Tsat.
También puede ocurrir sobre la superficie libre de un líquido o incluso en un
gas:
Condensación homogénea.
Cuando el vapor llega a hacer contacto con un
líquido frío:
Condensación por contacto directo.
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)
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TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CONDENSACIÓN
En un equipo industrial, el proceso normalmente resulta del contacto entre el vapor y
una superficie fría.
El calor latente del vapor se libera, la energía se transfiere a la superficie y se forma la
condensación.
Esta puede ocurrir de una de dos formas, dependiendo de las condiciones de la
superficie.
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TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CONDENSACIÓN
Condensación de película:
Es por lo general característica de las superficies limpias no contaminadas.
Condensación por gotas:
Si la superficie esta cubierta de una sustancia que impida que se moje, es posible
mantener la condensación por gotas.
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TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CONDENSACIÓN
Sin importar si se está en forma de película o de gotas, la condensación proporciona una
resistencia a la transferencia de calor entre el vapor y la superficie.
Debido a que esta resistencia se incrementa con el espesor del
condensado, es deseable utilizar superficies verticales cortas o
cilindros horizontales en situaciones que implican condensación
de película.
El calor latente de vaporización liberado, hfg a medida que el
vapor condensa debe pasar a través de esta resistencia antes que
pueda llegar a la superficie sólida y ser transferido al medio que
está al otro lado.
En la condensación por gotas, estas resbalan hacia abajo cuando
llegan a tener cierto tamaño, despejando la superficie y
exponiéndola al vapor.
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CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
En este tipo de condensación se ha comprobado
que el espesor de la película depende, entre otros
factores, de:
1. De la forma de la superficie.
2. De la velocidad de condensación del vapor.
3. De las condiciones dinámicas de la película,
es decir, del grado de turbulencia.
En un proceso real, el condensado se enfría todavía más, hasta alguna temperatura
promedio entre la Tsat y Ts , liberando más calor, por lo tanto la transferencia de calor
real será mayor.
En 1956, Rohsenow demostró que se puede tomar en cuenta el enfriamiento del líquido
al reemplazar hfg por el calor latente de vaporización modificado, hfg*.
hfg* = hfg +0.68 cp L (Tsat-Ts)
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CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
El coeficiente de película, mediante un razonamiento enteramente matemático, puede
calcularse por las expresiones deducidas por Nusselt haciendo las siguientes
suposiciones:
1. El vapor condensa uniformemente en película sobre toda la superficie.
2. La película se mueve en régimen laminar, impulsada bajo los efectos de la
gravedad.
3. La diferencia de temperaturas entre el vapor y la superficie es constante.
4. La transferencia de calor de uno a otro lados de la película de líquido es por
conducción pura.
Placas o tubos verticales Tubos horizontales Banco de tubos horizontales
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CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
Si se comparan las relaciones del coeficiente de transferencia de calor para un tubo
vertical de altura L y para un tubo horizontal de diámetro D, se tiene
L=2.77D
¿Qué implica esto?
Implica que para un tubo cuya longitud sea 2.77 veces su diámetro, el coeficiente de
transferencia de calor para la condensación en película laminar es el mismo sin importar
que esté colocado horizontal o verticalmente.
También implica que para L>2.77D, el coeficiente de transferencia de calor será mayor
en posición horizontal.
En cualquier aplicación práctica L>>D, por lo que es común colocar
horizontalmente los tubos en un condensador, para maximizar el coeficiente de
transferencia de calor en la condensación sobre la superficie de esos tubos.
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CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
En un condensador, el calor se transfiere del vapor por convección, después a través de
la película de condensado por conducción, luego a través de la pared del condensador
por conducción y por último, de la pared hacia el fluido frío de nuevo por convección.
La resistencia térmica total queda:
R=Rvapor+Rcond+Rpared+Rfluido frio
En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combinar todas las
resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria de flujo de calor del fluido
caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la razón de transferencia de
calor entre dos fluidos como:
Q=ΔT/R=UAsΔTm
Donde U es el coeficiente general de transferencia de calor y ΔTm es una apropiada
diferencia promedio de temperatura entre los dos fluidos.
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CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
La forma apropiada de la diferencia media de temperatura entre los dos fluidos tiene
naturaleza logarítmica.
1
2
12ml
T
Tln
TTT
Por lo tanto, para evaluar el coeficiente general de transferencia de calor se debe emplear la
diferencia media logarítmica de temperatura.
La diferencia de temperatura entre los dos fluidos disminuye desde ΔT1 hasta ΔT2 a la salida. Esta
diferencia media logarítmica se obtiene siguiendo el perfil real de temperaturas de los fluidos a lo
largo del intercambiador.
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CONDENSACIÓN EN GOTAS
Este tipo de condensación se produce cuando el líquido no moja a las superficies, las
gotas formadas se deslizan por la superficie y se separan de ella.
La condensación en gotas solo puede obtenerse cuando la superficie esta contaminada
con un promotor adecuado que, al disminuir la tensión superficial en la interfase,
impide que la superficie se moje.
Aunque muchas sustancias, entre ellas los aceites minerales, pueden impermeabilizar
temporalmente la superficie, sólo tienen importancia como promotores aquellos que son
adsorbidos.
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)
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EFECTO DE LA PRESIÓN SOBRE LA TEMPERATURA DE SATURACIÓN
El punto de ebullición de un líquido a una presión dada P es la temperatura a la cuál su
presión de vapor de equilibrio es igual a una presión dada P.
Para una condición de equilibrio (línea
líquido/vapor) a cada presión P le corresponde
una única temperatura T de saturación.
Supongamos que disponemos de un líquido en ebullición a presión atmosférica. Si
incrementamos la presión, para mantener al líquido en ebullición (línea líquido/vapor)
necesariamente se debe incrementar la temperatura, para la condición de equilibrio
dada.
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UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE EBULLICIÓN-CONDENSACIÓN
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)
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UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE EBULLICIÓN-CONDENSACIÓN
Balances de masa y energía
La condensación de película que sucede con el R-141b puede verse claramente, y la
resistencia que presenta el líquido se puede apreciar con facilidad.
Se puede encontrar el coeficiente general de transferencia de calor entre el vapor
condensante y el agua de refrigeración de la siguiente manera:
- Ajustar el consumo de calor y la tasa de flujo de agua del condensador hasta que se
estabilicen la presión del condensador y la tasa de condensación deseadas.
- Cuando las condiciones sean estables, observar la tasa de flujo de agua del
condensador, las temperaturas de entrada y salida del agua y la temperatura de
saturación de R-141b
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)
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UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE EBULLICIÓN-CONDENSACIÓN
Balances de masa y energía
2.1. Datos experimentales típicos:
- Tasa de flujo de agua ṁw = 5,5 g/s.
- Temperatura de entrada del agua Ti = 20,5 °C.
- Temperatura de salida del agua To = 25,0 °C.
- Temperatura de saturación del R-141b Tsat = 29,0 °C.
-Consumo de calor = 124 W.
2.2. Cálculo de la tasa de transferencia de calor en el serpentín de enfriamiento:
W104Q
C)5,200,25(Ckg
J4180
s
kg105,5Q
)TT(CmQ
w
3
w
iopww
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UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE EBULLICIÓN-CONDENSACIÓN
Balances de masa y energía
2.3. Calculo de la transferencia de calor al medio ambiente (por diferencia):
2.4. Cálculo de la diferencia media logarítmica de temperaturas:
W20Q
W104W124Q
QQQ
perd
perd
wperd
C0,6T
0,4
5,8ln
0,45,8
0,250,29
5,200,29ln
)0,250,29()5,200,29(
T
Tln
TTT
C0,4TTT
C5,8TTT
ml
1
2
12ml
osat1
isat2
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)
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UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE EBULLICIÓN-CONDENSACIÓN
Balances de masa y energía
2.5. Coeficiente general de transferencia de calor:
Cm
W542U
C0,6m032,0
W104U
TA
QU
2
2
mls
w
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)
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UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE EBULLICIÓN-CONDENSACIÓN
Balances de masa y energía
2.6. Ejercicio de fijación:
Los datos que siguen corresponden a un ensayo experimental durante el cual se tomaron
los siguientes datos. Determine el calor perdido al ambiente y el coeficiente general de
transferencia de calor.
Presión : 150 kN/m2.
Flujo másico de agua de refrigeración : 4,0 g/s.
Temperatura de entrada del agua : 20 °C.
Temperatura de salida del agua : 36 °C.
Temperatura de saturación del R-141b : 44 °C.
Calor suministrado por la resistencia : 303 W.
Práctica 5: INTERCAMBIADOR DE CALOR CON CAMBIO DE FASE (C)
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UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE EBULLICIÓN-CONDENSACIÓN
Relación entre la presión y la temperatura de saturación de líquidos.
La relación entre la presión y la temperatura de saturación de una sustancia pura puede
demostrarse fácilmente hasta una presión manométrica máxima de 220 kN/m2.
Se enciende el equipo y se ajusta el consumo de calor a aproximadamente 200 W. Se
circula agua de refrigeración a una tasa máxima y cuando las condiciones son estables,
se toma nota de la presión y temperatura.
Se reduce el flujo de agua del condensador y se repiten las observaciones a una presión
más alta.
Si la temperatura del agua en la entrada es lo suficientemente fría, la presión de
saturación será menor que la atmosférica. Esto es una demostración útil y ayuda a
disipar las creencias sostenidas de que se necesita una bomba de vacío para producir
las presiones sub-atmosféricas en una planta de vapor.
Laboratorio de Ingeniería II
Práctica 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL
(BANCO DE TUBOS)
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Práctica 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL
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FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS
En la práctica es común encontrar flujo cruzado sobre banco de tubos en equipos de
transferencia de calor, como los condensadores y evaporadores de las plantas
generadoras de energía eléctrica, los refrigeradores y los acondicionadores de aire.
En ese equipo, un fluido se mueve por dentro de los tubos, mientras que el otro se
mueve alrededor de éstos en una dirección perpendicular (Imagen: padrones de flujo
para los bancos de tubos alineados o escalonados).
Práctica 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL
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FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS
El flujo por el interior de los tubos se puede analizar al considerar el flujo por uno solo
de ellos, y multiplicar los resultados por el número de tubos.
Este no es el caso para el flujo sobre los tubos, ya que influyen sobre el patrón de flujo
y el nivel de turbulencia corriente abajo y, por consiguiente, sobre la transferencia de
calor hacia ellos o desde ellos.
El coeficiente de transferencia de calor asociado con un tubo está determinado por
su posición en el banco. El coeficiente para un tubo en la primera línea es
aproximadamente igual a la de un solo tubo en el flujo cruzado, mientras que los
coeficientes de transferencia de calor más grandes se asocian con tubos en las
líneas internas.
Los tubos en un banco suelen disponerse alineados o escalonados
en la dirección del flujo. El diámetro exterior del tubo D se toma
como la longitud característica. La disposición de los tubos en el
banco se caracteriza por el paso transversal ST, el paso
longitudinal SL y el paso diagonal SD entre los centros de los
tubos.
Práctica 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL
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FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS
Los tubos en las primeras líneas actúan como una rejilla de turbulencia, que aumenta el
coeficiente de transferencia de calor para los tubos de las líneas siguientes.
En la mayoría de las configuraciones las condiciones de transferencia de calor se
estabilizan de modo que ocurren pocos cambios en el coeficiente de convección
para un tubo más allá de la 4ª o 5ª línea.
El ReD se basa en la velocidad máxima del fluido que ocurre dentro del banco de tubos.
Para el arreglo alineado, la Vmáx ocurre en el plano trasversal a A1.
Práctica 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL
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FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS
Para la configuración escalonada, la velocidad máxima ocurre en el plano
transversal a A1 o en el plano diagonal AD.
Ocurrirá en AD si las filas están espaciadas de modo que 2(SD-D)<(ST-D). El factor 2
resulta de la bifurcación experimentada por el fluido si se mueve en el plano A1 a AD.
De aquí que Vmáx ocurre en AD si:
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FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS
Si Vmáx ocurre en A1 para la configuración escalonada,
El nivel de turbulencia y, por consiguiente, el coeficiente de transferencia de calor se
incrementa con el número de filas en virtud del los efectos combinados de las filas
corriente arriba. Pero no tiene un cambio significativo en el nivel de turbulencia
después de unas cuantas de las primeras filas y, de este modo, el coeficiente de
transferencia de calor permanece constante.
El flujo sobre bancos de tubos se estudia de manera experimental, ya que es demasiado
complejo como para tratarse en forma analítica. Principalmente, se tiene interés en el
coeficiente de transferencia de calor promedio para todo el banco de tubos, el cual
depende del número de filas a lo largo del flujo así como de la configuración y del
tamaño de los tubos.
Se han propuesto varias correlaciones, todas basadas en datos experimentales para el
número de Nusselt promedio para flujo cruzado sobre banco de tubos.
Práctica 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL
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FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS
Zukauskas ha propuesto correlaciones cuya forma general es
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FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS
Las relaciones para el número de Nusselt promedio de la tabla son para bancos de tubos
con 16 o más filas. También se pueden usar esas correlaciones para bancos de tubos con
NL<16, siempre y cuando se modifiquen como
donde F es un factor de corrección cuyos valores son
Para un ReD >1000, el factor de corrección es independiente del número de Reynolds.
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FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS
Otra forma aceptada para determinar el número de Nusselt es
El número de Nusselt obtenido de esta correlación es un valor promedio para todos los
tubos en el grupo. La ecuación precedente puede ser aplicada a un grupo de tubos
dispuestos en formas escalonada para un número de Reynolds entre 300 y 200.000.
Se ha comprobado que en el caso de un grupo de tubos organizados en filas
escalonadas, Fn variará según se explica en la figura
Práctica 6: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL
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FLUJO SOBRE BANCO DE TUBOS
Puede apreciarse, entonces, que el coeficiente de transferencia de calor convectiva se
incrementa a medida que aumenta la cantidad de filas de tubos cruzados. Esto se debe a
la turbulencia generada después de cada fila se suma a la turbulencia debida a la
velocidad de la corriente.
Sin embargo, como puede apreciarse en la figura anterior, después de unas filas se
produce una disminución en la tasa de incremento del coeficiente. La corriente se
“satura” en términos de turbulencia.
La correlación anteriormente mencionada, se aplica solamente a los tubos dispuestos en
forma escalonada.
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CAMBIADOR DE CALOR DE CORRIENTE TRANSVERSAL
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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¿DE DÓNDE ESTUDIAR?
Principal
Cengel, Y. y Grhajar, J. (2004). Transferencia de calor (4ª ed.). España: McGraw-
Hill.
Incropera, F. y DeWitt, D. (1999). Fundamentos de transferencia de calor (4ª ed.).
España: Prentice-Hall.
Edibon. (1997). Manual experimental de operación y mantenimiento. España.
Complementaria
Bird, R.B. (2006). Fenómenos de transporte (2ª ed.). México: Limusa.
Perry, R.H. (2007). Manual del Ingeniero Químico (6ª ed.). México: Mac-Graw-
Hill/Interamericana.
Kreith, F. (2012). Principios de transferencia de calor (4ª ed.). España: Cengage
Learning.
Geancoplis, C. (1998). Procesos de transporte y principios de procesos de
separación (3ª ed.). México: Compañía Editorial Continental.