intercambiador de tubos concentricos

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INSTITUTO TECNOLÓGICO 
NACIONAL DE MÉXICO 
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CELAYA 
 
INTERCAMBIADOR DE TUBOS 
CONCÉNTRICOS 
 
LABORATORIO INTEGRAL I 
 
Práctica 17 
 
Docente: I. Q. Rodríguez Lara José Luis 
 
 
Cruz Sanabria Karla María 
Nieves González Julián Gilberto 
Palacios Guzmán Sugey Guadalupe 
 
 
11 de octubre, 2019 
 
 
 
2 
OBJETIVO GENERAL 
Trabajar el equipo a contracorriente y calcular la transferencia, obtención del flujo 
másico del vapor y el calor transferido por radiación. 
FUNDAMENTO TEÓRICO 
El intercambiador de calor de tubos concéntricos está constituido por dos tubos 
de diámetros diferentes. Un fluido fluye por el interior del tubo de menor diámetro 
mientras el otro fluye por el espacio anular. Sólo hay 2 formas en que fluyen: 
• Contra corriente 
• Paralelo 
Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se 
encuentran las siguientes: 
 
• Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura. 
• Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor 
temperatura. 
• Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor 
temperatura. 
• Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío. 
• Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido 
gaseoso con mayor temperatura. 
 
En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en 
cada fluido y conducción a través de la pared que los separa, así los posibles 
efectos de la radiación se ven inmersos en los efectos de la convección. 
EQUIPO, MATERIAL Y REACTIVOS REQUERIDOS 
-Intercambiador de tubos concéntricos 
-Agua 
-Pirómetro 
PROCEDIMIENTO 
1. El primer paso fue llenar con agua el tanque de almacenamiento a una 
medida de aproximadamente ¾ de su volumen total. 
 
3 
2. Posteriormente se encendió el equipo (específicamente la bomba) y se 
abrió la válvula del agua de enfriamiento, así como de la tubería que 
recircula esa agua al condensador. 
3. Antes de alimentar con vapor al intercambiador de calor se realizó una 
purga; después de ello ahora si se dejó pasar al vapor y los flujos del agua 
de enfriamiento y de calentamiento se colocaron en base a las 
indicaciones del profesor, siendo estas: contraflujo, con el agua caliente 
pasando por el tubo interno y el agua de enfriamiento por el tubo externo. 
4. Se dejó que el proceso llegara a estado estable y se tomaron las 
respectivas mediciones de temperaturas de entrada y salida para ambos 
fluidos, las cuáles fueron leídas con los termómetros del equipo, siendo el 
primero, de izquierda a derecha, el del tubo externo y el segundo el del 
tubo interno 
DISEÑO EXPERIMENTAL 
Se llena el tanque de almacenamiento de agua, se enciende la bomba, para que 
recircule el agua. Después localizar el circuito y abrir las válvulas correspondientes, 
posteriormente abrir la llave de vapor y se pone una presión de 0.5 kg/m^2 y se 
deja trabajar hasta que las temperaturas que se dan, no varíen. 
CALCULOS 
Se registraron las siguientes temperaturas: 
Agua caliente 
Entrada: 36° 
Salida: 40° 
Agua fría 
Entrada: 30° 
Salida: 20° 
El caudal registrado fue de aproximadamente de 0.389 L/s . Posteriormente con 
este dato se calcula el flujo masico del agua. 
𝑚𝐻2𝑂̇ = (
0.389𝑙𝑡
𝑠
) (992.2
𝑘𝑔
𝑚2
) (
1𝑚3
1000𝑙𝑡𝑠
) = 0.385 
 
4 
En seguida se obtendrán mediante cálculos el hi y el he. Todos los datos enunciados 
o colocados fueron sacados del manual del equipo. 
Numero de Reynolds 
𝑅𝑒 = (𝐷𝑡 ∗
�̇�
𝐴𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
)/𝜇𝑎𝑔𝑢𝑎 
𝑅𝑒 =
(
1.005
100
𝑚) (
0.386
𝑘𝑔
𝑠
2.798 ∗ 10−6)
)
658 ∗ 10−6 𝑃𝑎 ∗ 𝑠
= 3964606.973 
𝑃𝑟 = 4.18 
Sacar el factor de fricción de Darcy 
𝑓𝐷 = [1.82𝑙𝑜𝑔10(𝑅𝑒) − 1.64]^ − 2 
𝑓𝐷 = 0.022058 
Sacar Nusselt 
𝑁𝑢 = ℎ𝑖 ∗
𝐷𝑖
𝐾𝑓
=
(
𝑓𝐷
8 )
𝑅𝑒 ∗ 𝑃𝑟
1.07 + 12.7 ∗ √
𝑓𝐷
8
∗ (Pr − 1)
2
3
 
𝑁𝑢 = 213.897 
Obtener “hi” 
ℎ𝑖 =
(0.6356
𝑤
𝑚 ∗ 𝑘
)(231.897)
(
188𝑚
100𝑚
)
= 7231.539
𝑤
𝑚2 ∗ 𝐾
 
Se uso un balance de energía para el calculo del flujo másico y suponer que es 
adiabático. 
𝑄 = 𝑚̇ 𝑐(�̂�𝑐𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + �̂�𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) + �̇�𝑓(�̂�𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + �̂�𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) 
 
5 
�̂�𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= 175.8 
𝐾𝑗
𝐾𝑔
 
�̂�𝑐𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎= 159.1 
𝐾𝑗
𝐾𝑔
 
�̂�𝑓𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 92.23 
𝐾𝑗
𝐾𝑔
 
�̂�𝑓𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 125.7 
𝐾𝑗
𝐾𝑔
 
Se sustituye y se resuelve para el flujo masico del agua fría 
�̇�𝑓 = 0.1931
𝑘𝑔
𝑠
 
Para obtener “he” se utilizará los mismos pasos 
𝐴𝑓, 𝑒 =
𝜋
4
(𝐷1
2 − 𝐷2
2) 
𝐴𝑓, 𝑒 =
𝜋
4
(4.0862 − 2.6672) 
𝑅𝑒 = (𝐷𝑡 ∗
�̇�
𝐴𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
)/𝜇𝑎𝑔𝑢𝑎 
𝑅𝑒 =
(
4.089
100
𝑚) (
0.1931
𝑘𝑔
𝑠
(7.54 ∗ 10−4)
)
889.98 ∗ 10−6 𝑃𝑎 ∗ 𝑠
= 11758.24 
𝑃𝑟 = 6.1512 
𝑘 = 0.608
𝑤
𝑚 ∗ 𝑘
 
𝑓𝐷 = [1.82𝑙𝑜𝑔10(𝑅𝑒) − 1.64]^ − 2 
𝑓𝐷 = 0.03 
𝑁𝑢 = 93.4 
 
6 
ℎ𝑒 =
(0.608 
𝑊
𝑚 ∗ 𝑘
 )(93.4)
(
4.089
100
)
 
ℎ𝑒 = 1389.10
𝑤
𝑚 ∗ 𝑘
 
Para el calculo del coeficiente global de transferencia de calor en base al área 
interna. 
𝑈𝑖 =
1
1
ℎ𝑖
+ (𝑟0 − 𝑟𝑖) +
𝐴𝑖
𝐾𝐴 + 𝐴𝐴𝑙𝑚
+
𝐴𝑖
𝐴0 ∗ ℎ0
 
𝐴𝐴𝑙𝑚 =
𝐴2 − 𝐴1
ln (
𝐴2
𝐴1
)
 
𝐴1 = 𝐴0 = 2𝜋𝐿𝑟1 = 2𝜋(2𝑚)(0.000945 𝑚) = 0.11843 𝑚2 
𝐴2 = 𝐴𝑖 = 2𝜋𝐿𝑟2 = 2𝜋(2𝑚)(0.001335 𝑚) = 0.16757 𝑚2 
𝐴𝐴𝑙𝑚 = 0.14158 𝑚2 𝐾𝐴 = 58.84 𝑊 𝑚°𝐶 
Ka, es la conductividad térmica del hierro galvanizado y fue sacada del manual 
del equipo. A continuación, se sustituyen los datos en la ec. 
𝑈𝑖 =
1
1
7239.22
+
(0.013335 − 0.009425)
(58. .84)(0.14158)
+
0.11843
(0.16757) ∗ (1380.26)
 
𝑈𝑖 = 893.2
𝑊
𝑚2 ∗ °𝐶
 
Ahora para calcular el calor que se cedió el agua caliente. 
𝑄 = 𝑚̇ ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 = 0.3870 ∗ (4180
𝑗
𝐾𝑔 ∗ °𝐶
) (38 − 40) = −6470.12 𝑊 
A continuación, se usa una ec. De diseño de un intercambiador de calor. 
𝑄 = 𝑈𝑖𝐴𝑖∆𝑇𝑚𝑙 
 
7 
∆𝑇𝑚𝑙 = 13.9 °𝐶 
𝐴𝑖 =
(6470.12 𝑊)
(893.23
𝑤
𝑚2 ∗ 𝑠
)(13.9 °𝐶)
 
Por ultimo se hace un balance de materia para calcular el flujo del vapor de la 
caldera, se calculó la transferencia al agua caliente y después se resolvió la ec. 
para el calor cedido por un vapor saturado con la ec. 
𝑄 = �̇� ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 = (0.3870
𝐾𝑔
𝑠
) (4180
𝑗
𝐾𝑔 ∗ °𝐶
) (32 − 25) = 11323.6𝑊 
ANÁLISIS DE RESULTADOS 
CONCLUSIONES 
El intercambiador de calor de tubos concéntricos del laboratorio nos permitió 
trabajar con todas las distribuciones de flujo posibles. La clave fue manipular el 
juego de válvulas del equipo para diseñar el recorrido del agua caliente y de 
enfriamiento. 
RECOMENDACIONES 
-Usar el pirómetro para obtener sus temperaturas. 
-Localizar previamente el circuito 
-Tener en cuenta el prendido de la bomba 
-Tener conocimientos de intercambiadores de calor 
FUNTES DE CONSULTA 
• James r. Welty, charles e. Wicks, Robert e. Wilson: “fundamentos de 
transferencia de momento, calor y masa”. 
• Procesos de transporte y operaciones unitarias / C.J Geankoplis / 
3ra.Edicion/Introducción a la transferencia de masa y difusión. 
 
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• Yinus A CENGEL, Afshin J et al. “Intercambiadores de calor”. 
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA fundamentos y aplicaciones. Ed. 4ta. 
(ed)Mc Graw Hill, 2004.