Tubos Concentrico

1. INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
E.S.I.Q.I.E
LAB. DE TRANSFERENCIA DE CALOR
PRACTICA
“TUBOS CONCENTRICOS”
PROFESOR: Philippe de la Vega
GRUPO: 5IM2
EQUIPO: 5
NOMBRES:
ARCE MORENO SANDRA LETICIA
HENESTROSA CASTILLO MAREMI
ALMAZÁN DOMINGUES ROGELIO

2. OBJETIVOS:
* Determinar la eficiencia térmica del equipo
* Analizar el comportamiento del intercambiador de calor a diferentes condiciones de operación.
* Aprender a operar el equipo de tubos concéntrico.
*Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental, teórico y realizar análisis
comparativo.

3. INTRODUCCION
Un intercambiador de calor es un aparato que transfiere energía térmica desde un fluido a alta
temperatura hacia un fluido a baja temperatura, con ambos fluidos moviendose a través del aparato.
Los intercambiadores de calor tienen diferentes nombres según el uso, como por ejemplo:
← Los calentadores: Se usan primariamente para calentar fluidos de proceso y
generalmente es utilizado vapor como fluido de calentamiento, para este fin.
← Los enfriadores : se emplean para enfriar fluidos de proceso; el agua es utilizada
como el medio enfriador principal.
← Los condensadores: Son enfriadores cuyo principal propósito es eliminar calor latente
para lograr la condensación de un gas.
← Los hervidores: Tienen el propósito de suplir los requerimientos de calor en los
procesos de destilación como calor latente.
← Los evaporadores: Se emplean para la concentración de soluciones por evaporación
de agua, si se evapora otro fluido además de el agua, la unidad se llama vaporizador.
2.1. INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO (ANATOMÍA).
La imagen industrial de este aparato es la mostrada en la siguiente figura.
Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tés conectoras, un cabezal de
retorno y un codo en “U”. La tubería interior se soporta en la exterior mediante estoperos y el fluido
entra a el tubo interior a través de una conexión roscada localizada en al parte externa del
intercambiador.
Las tés tienen boquillas o conexiones roscadas que permiten la entrada y salida del fluido, el ánulo
que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno.
La tubería interior se conecta mediante una conexión en “U” que está generalmente expuesta, pues
no representa una superficie considerable para la transferencia de calor, cuando se arregla en dos
pasos, como en la figura anterior, la unidad se llama horquilla.
2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS.
2.2.1 VENTAJAS.
← Diseño: Es muy fácil realizar sus partes estándar para un posterior montaje.
← Montaje: Se puede ensamblar en cualquier taller de plomería.
← Costos: Proporciona superficies de transferencia de calor a bajo costo.
2.2.2. DESVENTAJAS.
← Transferencia: La principal desventaja es la pequeña superficie de transferencia de
calor contenida en una horquilla simple.
← Fugas: Cuando se usa con un equipo de destilación se requiere gran número de
horquillas y en cada horquilla existe la posibilidad de fugas debido a las conexiones.
← Espacio: Para los procesos industriales que requieren grandes superficies de
transferencia de calo, se necesitan gran número de equipos, los que no se pueden acomodar
en pequeños espacios. se recomienda el uso de tubos concéntricos para superficies
pequeñas (100-200 ft2).
← Mantenimiento: El tiempo y gastos requeridos para desmontarlos y realizar limpiezas
son prohibitivos, comparados con otros tipos de equipos.
2.3. Posición de los fluidos

4. La colocación de los fluidos depende de varios factores, el más importante es el de colocar el de
fluido caliente en el tubo interior con el objetivo de que no halla pérdidas de calor por convección al
medio exterior (aire). También hay otros factores que suprimen a este como por ejemplo que el fluido
sea corrosivo o tóxico en caso de este se colocara este fluido en el tubo interior porque es preferible
que se dañe el tubo interior que el exterior para evitar perdidas de este fluido, además si llegara haber
un escape el medio ambiente no estaría en peligro ya porque el fluido tóxico se encuentra en la
tubería interior. La colocación de los fluidos depende también de la caída de presión en los tubos, ya
que la caída de presión de cada tubo debe ser menor a la presión disponible de cada uno.
2.4. Temperatura
Por conveniencia, el método para calcular la diferencia de temperaturas entre dos fluidos, deberá
emplear únicamente las temperaturas de proceso, ya que en general son las únicas que se conoce.
La diferencia de temperaturas que se utiliza para los tubos concéntricos es la MLDT llamada la media
logarítmica de temperaturas que es igual a:
ð t = MLDT = ( ðt2 - ðt1 ) / ln( ðt2 /ðt1 )
donde ðt2 , ðt1 son las diferencia de temperatura de cada terminal
Para utilizar esta diferencia de temperaturas se debe aceptar las siguientes 5 suposiciones:
El coeficiente total de transferencia de calor U es constante en toda la trayectoria.
Las libras por horas de fluido que fluye son constantes, obedeciendo los requerimientos de estado
estable.
El calor específico es constante en toda la trayectoria.
No hay cambios parciales de fase en el sistema, por ejemplo vaporización o condensación.
Las pérdidas de calor son despreciables.
La diferencia de temperaturas entre un fluido y la pared de un tubo: si la temperatura de la
circunferencia interior de la pared de un tubo es casi constante en toda su longitud, como sucede
cuando el fluido dentro del tubo se calienta por vapor, habrá dos diferencias de temperatura distintas
en los finales: una entre la pared del tubo y el liquido y otra en el otro extremo entre la pared del tubo
y el liquido calentado.
Refiriéndonos a la figura , la temperatura constante de la pared interior del tubo se muestra por la
líneas horizontal tp.
Si se supone que el calor especifico es constante para el liquido, el aumento en la temperatura es
proporcional al calor total recibido por el liquido al pasar de la temperatura interior t1 a la temperatura
exterior t2 y si hi se considera constante
.dQ = hi*dAi*_ti
la pendiente de la línea inferior que define la diferencia de temperatura _ti como función de Q es
d_ti/dQ = (_t2 - _t1 )/Q
eliminando dQ e integrando:
Q = hi*Ai*(_t2 - _t1)

5. Ln _t2/_t1
La expresion (_t2 - _t1) es la media logaritmica de la diferencia de temperatura y
Ln _t2/_t1
Se abrevia MLDT.
2.5.Turbulencia
Es uno de los fenómenos más importantes de la transferencia de calor por convección, ya que a
mayor turbulencia se aumentara el coeficiente de película con una proporcionalidad de h ð Re^.8, por
esta razón se debe maximizar la caída de presión hasta la caída de presión disponible.
Uno de los criterios para seleccionar la colocación de los fluidos en un intercambiado es el de
colocarlo el fluido de mayor flujo en la mayor área transversal de la tubería y el de menor flujo en la
menor area, todo con el objetivo de evitar el flujo laminar ya que bajaría el valor del coeficiente de
película debido a que transferencia de calor sería más conducción que por convección ya que las
partículas del fluido no se estarían moviendo de forma perpendicular a la tubería
Sino en forma paralela. Al caer el valor del coeficiente de película la transferencia de calor sería mala.
TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES
%R P
Kg./cm2
vapor
T
Vapor
ºC
T
Cond
ºC
T
Agua
ºC
Tagua
caliente
ºC
∆Z
Cond
cm
Θ
min
100 0.7 108 108 25 35 15
+100 0.7 108 108 25 34 15
SECUENCIA DE CALCULOS
1.- Calculo del gasto volumétrico del agua
h
Gva mdi
3
2
4
=
∆Ζ
=
θ
π
• calculo directo,
100% - 10.38 l/min.
10.38
l
.min
3
1m
1000l






÷
÷
60min
1h





÷= 0.6228
3
m
h

6. 2.- Calculo del gasto masa de agua
h
kg
agvaGma == ρ
Gma = 0.6228( ) 998.035( ) = 621.576
kg
h
3.- calculo del gasto volumetrico del condensado
h
Gva mdi
3
2
4
=
∆Ζ
=
θ
π
h
Gva m
3
018063.0
1667.0
026.0
1475.0
4
==
π
4.- Cálculo del gasto masa del condensado
Gmvc =(0.3533*60*998.035) /1000 = 21.1563
kg
h
5.- cálculo de calor ganado o absorbido del agua Qa)
Ckg
kcal
cp
*º
1=
Qa = 621.576( ) 1( ) 35−25( ) = 6215.7619
kcal
h
6.- cálculo del calor cedido por el vapor (Qv)(si la condensación es isotérmica)
λv = 533.3 Kcal/Kg
Qv =21.1563*533.3 =11282.6548
kcal
h

7. 7.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental.
n =
6215.7619
11282.6548
×100 = 55.0913%
8.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor.
U exp =
6215.7619
0.2007*77.893
= 397.602
kcal
2
m *h*C
9.- Cálculo de la media logarítmica de la diferencia de temperatura.
CT º
2
1
ln
21
=
∆Τ
∆Τ
∆Τ−∆Τ
=∆
∆T =
83−73
ln
83
73
= 77.893ºC
En donde:
tacalientevt
tavt
−Τ=∆Τ=−Τ=∆Τ
−Τ=∆Τ=−Τ=∆Τ
2222
1111
∆Τ1=108−25 =83
∆Τ2 =108−35 =73
10.-Cálculo del área de transferencia de calor.

8. mLdeA
2
** == π
mA
2
2007.03*0213.0* == π
11.-Coeficiente de película interior.
C
tt
tm º
2
21
=
+
=
tm =
35−25
2
= 5ºC
hi = 0.0225
0.5393
0.0161





÷(
0.8
0.0161*3059.1936*951
2.599
)
0.
0.988*2.599
0.5393





÷
12.- calculo de la velocidad de flujo del agua.

9. h
mGva
Aflujo
Gva
v
di
===
2
*
4
π
v =
0.6228
π
4
*
2
0.0161
=3059.1936
m
h
13. -Coeficiente de película exterior
λv = 543.3 Kcal/Kg
he = 0.725
2
971.53 *
3
0.577 *543.3*127137600
0.0213*1.2856*86.75








^1/ 4 = 6177.0013
kcal
2
hm ºc
14.- Cálculo de la Tf
sup
75.0
TTvTf
TfTvTf
−=∆
∆−=
Tf =110 −0.75 31( ) =86.75
∆Tf =110 −69 =31

10. Este cálculo es un aproximado de la temperatura de pared o superficie
C
tacalientetaTcTv
T º
4
sup =
+++
=
c
ttTT
T º
4
2121
sup =
+++
=
T sup =
108+108+25+35
4
= 69ºc
Las propiedades físicas se evalúan a temperatura de pared de película(Tf) del condesado
15.-Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teorico
Uteo =
1
0.0213
3572.12*0.0161
+
0.0026*0.0213
386.9*0.0187





÷+
1
6177.0013





÷
=1852.17
kcal
2
hm ºC
16.-Cálculo de la desviación porcentual %D de los coeficientes Uteo y Uexp
100% Χ
−
=
Uteo
UexoUteo
D
%D =
5010.9153−1852.17
5010.9153
Χ100 = 63.03%

11. SECUENCIA DE CALCULOS
1.- Calculo del gasto volumétrico del condensado
Gvc =
5.7L
15min
*
1m3
1000L
*
60min
1h
= 0.0228
m3
h
2.- Calculo del gasto masa del condensado
Gmc =Gvcρc =
kg
h
Gmc = 0.0228
m3
h





÷ 998.035
Kg
m3





÷= 22.75
kg
h
3.- cálculo del calor cedido por el vapor (Qv)(si la condensación es isotérmica)
λv = 543.3 Kcal/Kg
Qv =22.75* 543.3 =12362.9
kcal
h
4.- Gasto másico del agua con un balance de energías, si la eficiencia fuera del 100%
Qa =Qv
Ckg
kcal
cp
*º
1=
Qv =Gma*Cpa*(T2 −T1)
Gma =
12362.9
1*(34 −25)
=1373.66
Kg
h
7.- Cálculo del gasto volúmen del agua

12. Qva =
1373.66
998
=1.376
m3
h
8.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor.
U exp =
12362.9
0.2007*78.4
= 785.7
kcal
2
m *h*C
9.- Cálculo de la media logarítmica de la diferencia de temperatura.
CT º
2
1
ln
21
=
∆Τ
∆Τ
∆Τ−∆Τ
=∆
∆T =
83− 74
ln
83
74
= 78.4ºC
En donde:
tacalientevt
tavt
−Τ=∆Τ=−Τ=∆Τ
−Τ=∆Τ=−Τ=∆Τ
2222
1111
∆Τ1 =108−25 =83
∆Τ2 =108−34 =74
10.-Cálculo del área de transferencia de calor.
mLdeA
2
** == π
mA
2
2007.03*0213.0* == π
11.-Coeficiente de película interior.

13. C
tt
tm º
2
21
=
+
=
tm =
34 −25
2
= 2.25ºC
hi = 0.0225
0.5393
0.0161





÷
0.8
(
0.0161*6760.94*951
2.599
)
0.4
0.988*2.599
0.5393





÷ =
12.- calculo de la velocidad de flujo del agua.
h
mGva
Aflujo
Gva
v
di
===
2
*
4
π
v =
1.376
π
4
*
2
0.0161
= 6760.94
m
h
13. -Coeficiente de película exterior

14. λv = 543.3 Kcal/Kg
he = 0.725
2
971.53 *
3
0.577 *543.3*127137600
0.0213*1.2856*78.56








^1/ 4 = 6332.06
kcal
2
hm ºc
14.- Cálculo de la Tf
sup
75.0
TTvTf
TfTvTf
−=∆
∆−=
Tf =108 −0.75 39.25( ) =78.56
∆Tf =108 −68.75 =39.25
Este cálculo es un aproximado de la temperatura de pared o superficie
C
tacalientetaTcTv
T º
4
sup =
+++
=
c
ttTT
T º
4
2121
sup =
+++
=
T sup =
108+108+34 +25
4
= 68.75ºc
Las propiedades físicas se evalúan a temperatura de pared de película(Tf) del condesado

15. 15.-Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teorico
Uteo =
1
0.0213
6763.87*0.0161
+
0.0026*0.0213
386.9*0.0187





÷+
1
6332.06





÷
= 2768.73
kcal
2
hm ºC
16.-Cálculo de la desviación porcentual %D de los coeficientes Uteo y Uexp
100% Χ
−
=
Uteo
UexoUteo
D
%D =
2768.73−785.7
2758.73
Χ100 = 71.62%
CONCLUSION

16. Los intercambiadores de calor son equipos que permiten el calentamiento, cambio de fase o
enfriamiento de un fluido (liquido o gas) por medio de otro fluido a diferente temperatura y separado
por una pared generalmente metálica.
En la industria la transferencia de calor se efectúa por medio de intercambiadores de calor y el más
sencillo esta formado por dos tubos de diferentes diámetros de tal manera que uno esta dentro del
otro, al espacio entre ambos tubos se le denomina anulo o sección anular por donde uno de los
fluidos circula, el otro fluido circula dentro del tubo interior. A este intercambiador de calor se le
conoce como intercambiador de tubos concéntrico.
Los usos más frecuentes es por que la sección transversal es pequeña, estos cambiadores manejan
poco columna de fluido, tiene a trabajarse a presiones y temperaturas elevadas, debido a que la
relación entre el diámetro y espesor es alto, lo que le da una alta resistencia mecánica.