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INTERCAMBIADORES
DE CALOR
Ing. Desireé Álvarez, MSc.
Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, MSc.
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
OBJETIVOS
Describir los mecanismos de transferencia de calor
presentes en los equipos del LOU
Experimentar con cambiadores de calor de tubos
concéntricos y tubos y coraza.
Justificar el uso específico que tiene cada uno de los
cambiadores de calor en la industria química.
Ing.
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Álvarez
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Ing.
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Bonilla
Bermeo,
MSc.
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE
CALOR EN LOS FLUIDOS
• En la Ingeniería Química se presenta con gran frecuencia el
flujo de calor desde un fluido a otro pasando a través de una
pared sólida.
• Esto implica que en un intercambiador de calor participen dos
o mas corrientes de proceso:
• Fuentes de calor
• Receptores de calor
• Transmisión de calor se da por:
• Conducción
• Convección
Ing.
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Álvarez
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MSc.
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MSc.
APARATOS TÍPICOS PARA EL
INTERCAMBIO DE CALOR
1‐ Arreglo del flujo
• Flujo paralelo
• Contraflujo
• Flujo cruzado (placas)
2‐ Tipo de construcción
• Doble tubo (tubos concéntricos)
• Tubo y coraza (banco de tubos)
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
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Bermeo,
MSc.
Arreglo de flujo
Ing.
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Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
Arreglo de flujo
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
Tipos de construcción
Ing.
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Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
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Bonilla
Bermeo,
MSc.
Tipos de construcción
Ing.
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MSc.
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Bermeo,
MSc.
sZ
Ing.
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Álvarez
Macías,
MSc.
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Bonilla
Bermeo,
MSc.
Intercambiadores de calor de tubos
y coraza
• Formado por un haz de tubos
dispuestos en el interior de un
cuerpo o coraza
• Los tubos se encuentran
fijados en placas perforadas.
• Uno de los fluidos se mueve
dentro de los tubos y el otro
por fuera de los tubos (lado de
la coraza).
• Pueden ser de un pase o
multipases (desplazamiento).
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
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Bonilla
Bermeo,
MSc.
Intercambiadores de calor de doble
tubo
• Está integrado por dos tubos
concéntricos.
• El tubo exterior tiene mayor
diámetro que el interior.
• Un fluido pasa por el interior
del tubo interior y el otro por
el espacio anular entre los
tubos.
• Se utilizan para procesar
pequeños flujos de fluidos,
transferencia líquido vapor y
como refrigerante de gases.
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
Intercambiadoresde calorde doble tubo
Ventajas:
• Son equipos sencillos
con alto coeficiente de
transferencia de calor
• Menor posibilidad de
incrustaciones, debido a
la elevada velocidad de
los fluidos.
Limitaciones:
• Son mas voluminosos y
costosos.
• El área de intercambio se
crea solamente en la
superficie de los tubos
internos.
• No es fácil la limpieza
en el espacio anular.
Ing.
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Álvarez
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MSc.
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Intercambiadoresde calorde doble tubo
• Hay combinaciones predeterminadas por la existencia
comercial de los tubos como se muestra en la siguiente tabla:
Ing.
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TUBO EXTERNO [in] TUBO INTERNO [in]
2 1
1
4
2
1
2
1
1
4
3 2
4 3
FENÓMENODETRANSFERENCIADECALOR
DENTRODELINTERCAMBIADOR
• Ecuaciones básicas
• 𝑄 = 𝑚𝑐 λ
• 𝑄 = 𝑚𝐴𝐶𝑝𝐴∆𝑇𝐴
• 𝑄 = 𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀
Q = Calor transmitido
A = Área del Intercambiador
U = Coeficiente global de transmisión
LMTD* = Diferencia logarítmica media de
temperaturas
(*): expresa la diferencia de temperatura entre ambos fluidos a lo largo
del intercambiador.
Ing.
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Álvarez
Macías,
MSc.
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Bonilla
Bermeo,
MSc.
FENÓMENODETRANSFERENCIADECALORDENTRODEL
INTERCAMBIADOR
• Una vez elegido el tipo de intercambiador, la optimización del
cálculo se conseguirá con el máximo valor de U dentro de la
pérdida de presión admisible.
• El valor de U puede aumentarse:
• Aumentando la velocidad de los fluidos.
• Utilizando superficies de intercambio irregulares (corrugación).
• Rompiendo el flujo laminar.
Ing.
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Álvarez
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MSc.
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MSc.
Tubos corrugados
Ventajas, consecuencias
• Aumento de la turbulencia
• Aumento del coeficiente
global de transmisión de
calor
• Reducción del área
requerida.
• Aumento de la turbulencia
⇒ menor ensuciamiento
Beneficios para el usuario
• Menor espacio requerido
• Reducción de coste
• Reducción del tiempo de
residencia y como
consecuencia mejora la
calidad del producto
• Aumento del tiempo de
funcionamiento
Ing.
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Álvarez
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MSc.
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Bonilla
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MSc.
Tubos corrugados
• Los efectos técnicos que produce la corrugación son:
• Reduce el número de Reynolds crítico
Dícese de la velocidad crítica de un líquido por un tubo, expresada
mediante un número de Reynolds, por encima del cual el
deslizamiento laminar se vuelve turbulento.
• Aumenta la turbulencia, especialmente en flujo de transición.
• Puede romper el flujo laminar.
Ing.
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MSc.
TRANSFERENCIA DE CALOR
TUBOS CONCÉNTRICOS
Ing.
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Bermeo,
MSc.
CALENTADOR
Ing.
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Bermeo,
MSc.
Ecuaciones básicas
(1) 𝑄 = 𝑚𝑐 λ
(2) 𝑄 = 𝑚𝑎𝐶𝑝𝑎∆𝑇𝑎
(3) 𝑄 = 𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀
.
Cambio de fase
Equilibrio térmico
Estado estacionario
Alimento
Vapor
Flujo paralelo
CALENTADOR
Ing.
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Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
En (1) Entrega energía
𝑄 = 𝑚𝑐 λ
𝑚𝑐 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑙𝑏 ℎ𝑟
λ = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒, 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑎 𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒍𝒖𝒕𝒂 𝐵𝑇𝑈 𝑙𝑏
Steam
table
𝑃𝑇 = 𝑃𝑜𝑝 + 𝑃𝑎𝑡
CALENTADOR
Ing.
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Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
En (2) Recibe energía
𝑄 = 𝑚𝑎𝐶𝑝𝑎∆𝑇𝑎
𝑚𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑙𝑏 ℎ𝑟 (rotámetro)
𝐶𝑝𝑎 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂
∆𝑇𝑎= 𝑡𝑠𝑎 − 𝑡𝑒𝑎
𝑡𝑎 =
𝑡𝑒𝑎 + 𝑡𝑠𝑎
2
CALENTADOR
Ing.
Desireé
Álvarez
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MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
En (3)
𝑄 = 𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀
Q = Calor transmitido
A = Área del Intercambiador
U = Coeficiente global de transmisión
LMTD* = Diferencia logarítmica media de temperaturas
(*): expresa la diferencia de temperatura entre ambos fluidos a lo largo del
intercambiador
CALENTADOR
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
De
Di
A = Área de transferencia de calor
𝐴 = 𝜋𝐷𝑒𝐿 12 𝑓𝑡
0,057 𝑓𝑡
𝐿𝑇𝐷𝑀 =
∆𝑡1 − ∆𝑡2
𝑙𝑛
∆𝑡1
∆𝑡2
∆𝑡1= 𝑡𝑣 − 𝑡𝑒𝑎
∆𝑡2= 𝑡𝑐 − 𝑡𝑠𝑎
CALENTADOR
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
U = Coeficiente global de transmisión de calor
U=
1
𝑅𝑇
Alimento
Vapor
Fluido frío Fluido
caliente
Ri
Rp
Ro Ri
Rp
Ro
Rinc
𝑅𝑇 = 𝑅𝑖 + 𝑅𝑜
U=
1
𝑅𝑖+𝑅𝑜
𝑅𝑖 =
𝐷𝑒
𝐷𝑖
1
ℎ𝑖
𝑅𝑜 =
1
ℎ𝑜
ℎ𝑖 = Coeficiente de película interno
ℎ𝑜= Coeficiente de película externo
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Ri = resistencia de la pelicula sobre el
interior del tubo
Ro= resistencia de la película sobre el
exterior del tubo.
CALENTADOR-Coeficientedepelículainterno
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
𝑁𝑁𝑢 =
ℎ𝑖𝐷𝑖
𝑘
ℎ𝑖 =
𝑁𝑁𝑢𝑘
𝐷𝑖
𝑁𝑁𝑢 = 0,023(𝑁𝑅𝑒)0,8(𝑁𝑃𝑟)𝑛 0,4: calentamiento
0,3: enfriamiento
𝑁𝑅𝑒 =
𝐷𝑖𝑉𝜌
𝜇
𝑁𝑃𝑟 =
𝜇𝐶𝑝
𝑘
𝑃𝑟𝑜𝑝𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑓í𝑠𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑎 𝑡𝑎
(k, 𝜌, 𝜇, 𝐶𝑝) tabla A4
Chapman
Cálculo de la velocidad
𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 𝑉𝐴 𝑉 =
𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙
𝐴
𝜋
4
𝐷𝑖
2
CALENTADOR-Coeficientedepelículaexterno
Ing.
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Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
𝑁𝑁𝑢 =
ℎ𝑜𝐷𝑒
𝑘
ℎ𝑜 =
𝑁𝑁𝑢𝑘
𝐷𝑒
𝑁𝑁𝑢 = 0,725
𝑔𝜌2λ𝐷𝑒
3
𝜇𝑘∆𝑡
1 4
𝑡𝑓 = 𝑡𝑣 −
3
4
𝑡𝑣 − 𝑡𝑠
∆𝑡 = 𝑡𝑣 − 𝑡𝑠
𝑃𝑟𝑜𝑝𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑓í𝑠𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑎 𝑡𝑓
(k, 𝜌, 𝜇, 𝐶𝑝) tabla A4 Chapman
Comprobando ts
ℎ𝑜(𝑇𝑣 − 𝑇𝑠) = 𝑈(𝑇𝑣 − 𝑇𝑓)
𝑆𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎 𝑡𝑠 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜
≤ 𝑡𝑠 𝑎𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 1°, 𝑠𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒
𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜
𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑛𝑢𝑒𝑣𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜
𝑡𝑠= valor asumido
(tv-30)
ENFRIADOR #1-2-3
Ing.
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Ing.
Stefanie
Bonilla
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MSc.
Ecuaciones básicas
(1) 𝑄 = 𝑚𝑎𝐶𝑝𝑎∆𝑇𝑎
(2) 𝑄 = 𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀
Equilibrio térmico
Estado estacionario
Alimento
Agua fría
Contraflujo
tsaf1
teaf1
tsa tea
ENFRIADOR #1-2-3
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
En (1)
𝑄 = 𝑚𝑎1𝐶𝑝𝑎1∆𝑇𝑎1
𝑚𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑙𝑏 ℎ𝑟 (rotámetro)
𝐶𝑝𝑎 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂
∆𝑇𝑎= 𝑡𝑠𝑎 − 𝑡𝑒𝑎
𝑡𝑎 =
𝑡𝑒𝑎 + 𝑡𝑠𝑎
2
Cambia según el
número de
enfriador
ENFRIADOR #1-2-3
Ing.
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MSc.
Ing.
Stefanie
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MSc.
En (2) Recibe energía
𝑄 = 𝑚𝑎𝑓𝐶𝑝𝑎𝑓∆𝑇𝑎𝑓
𝑚𝑎𝑓 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑙𝑏 ℎ𝑟
(rotámetro)
𝐶𝑝𝑎 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎
∆𝑇𝑎= 𝑡𝑠𝑎𝑓 − 𝑡𝑒𝑎𝑓
𝑡𝑎 =
𝑡𝑒𝑎𝑓 + 𝑡𝑠𝑎𝑓
2
ENFRIADOR #1-2-3
Ing.
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Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
En (3)
𝑄 = 𝑈 𝐴 𝐿𝑇𝐷𝑀
Q = Calor transmitido
A = Área del Intercambiador
U = Coeficiente global de transmisión
LMTD* = Diferencia logarítmica media de temperaturas
(*): expresa la diferencia de temperatura entre ambos fluidos a lo largo del
intercambiador
ENFRIADOR #1-2-3
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
De
Di
A = Área de transferencia de calor
𝐴 = 𝜋𝐷𝑒𝐿 12 𝑓𝑡
0,057 𝑓𝑡
𝐿𝑇𝐷𝑀 =
∆𝑡1 − ∆𝑡2
𝑙𝑛
∆𝑡1
∆𝑡2
∆𝑡1= 𝑡𝑒𝑎1 − 𝑡𝑠𝑎𝑓1
∆𝑡2= 𝑡𝑠𝑎1 − 𝑡𝑒𝑎𝑓1
ENFRIADOR #1-2-3
Ing.
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Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
U = Coeficiente global de transmisión de calor
U=
1
𝑅𝑇
Alimento
A. Enf.
Fluido
caliente
Fluido frío
Ri
Rp
Ro Ri
Rp
Ro
Rinc
𝑅𝑇 = 𝑅𝑖 + 𝑅𝑜
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𝑅𝑖+𝑅𝑜
𝑅𝑖 =
𝐷𝑒
𝐷𝑖
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ℎ𝑖
𝑅𝑜 =
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ℎ𝑜
ℎ𝑖 = Coeficiente de película interno
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ENFRIADOR #1-2-3-Coeficientede
películainterno
Ing.
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Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
𝑁𝑁𝑢 =
ℎ𝑖𝐷𝑖
𝑘
ℎ𝑖 =
𝑁𝑁𝑢𝑘
𝐷𝑖
𝑁𝑁𝑢 = 0,023(𝑁𝑅𝑒)0,8(𝑁𝑃𝑟)𝑛 0,4: calentamiento
0,3: enfriamiento
𝑁𝑅𝑒 =
𝐷𝑒𝑞𝑉𝜌
𝜇
𝑁𝑃𝑟 =
𝜇𝐶𝑝
𝑘
𝑃𝑟𝑜𝑝𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑓í𝑠𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑎 𝑡𝑎
(k, 𝜌, 𝜇, 𝐶𝑝) tabla A4
Chapman
Cálculo de la velocidad
𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 𝑉𝐴 𝑉 =
𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙
𝐴
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𝐷𝑖
2
ENFRIADOR #1-2-3-Coeficientede
películaexterno
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
𝑁𝑁𝑢 =
ℎ𝑜𝐷𝑒𝑞
𝑘
ℎ𝑜 =
𝑁𝑁𝑢𝑘
𝐷𝑒𝑞
𝑡 =
𝑡𝑒𝑎𝑓1 + 𝑡𝑠𝑎𝑓1
2
𝑃𝑟𝑜𝑝𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑓í𝑠𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑎 𝑡
(k, 𝜌, 𝜇, 𝐶𝑝) tabla A4 Chapman
𝑁𝑁𝑢 = 0,023(𝑁𝑅𝑒)0,8(𝑁𝑃𝑟)𝑛 0,4: calentamiento
0,3: enfriamiento
𝐷𝑒𝑞 = 𝐷𝑖𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑒𝑥𝑡 − 𝐷𝑒𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑖𝑛𝑡
2,58 𝑐𝑚 1,73 𝑐𝑚
CÁLCULO DE EFICIENCIA DE
INTERCAMBIADORES
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
Ing.
Stefanie
Bonilla
Bermeo,
MSc.
𝜀 =
)
𝐶𝑐(𝑇𝑒𝑐 − 𝑇𝑠𝑐
𝐶𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎(𝑇𝑒𝑐 − 𝑇𝑒𝑓
Eficiencia del calentador
𝐶𝑐 = 𝑀𝑣𝐶𝑝𝑣
𝐵𝑇𝑈
ℎ °𝐹
; 𝐶𝑓 = 𝑀𝑎𝐶𝑝𝑎
𝐵𝑇𝑈
ℎ °𝐹
𝐶𝑓 < 𝐶𝑐 = 𝐶𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎
CÁLCULO DE EFICIENCIA DE
INTERCAMBIADORES
Ing.
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MSc.
Ing.
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Bermeo,
MSc.
𝜀 =
)
𝐶𝑐(𝑇𝑒𝑐 − 𝑇𝑠𝑐
𝐶𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎(𝑇𝑒𝑐 − 𝑇𝑒𝑓
Eficiencia del enfriador
𝐶𝑐 = 𝑀𝑎𝐶𝑝𝑎
𝐵𝑇𝑈
ℎ °𝐹
; 𝐶𝑓 = 𝑀𝑎𝑓𝐶𝑝𝑎𝑓
𝐵𝑇𝑈
ℎ °𝐹
𝐶𝑓 < 𝐶𝑐 = 𝐶𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎
C max = La mayor de las dos capacidades caloríficas de los fluidos.
C min = La más baja de las dos capacidades caloríficas de los fluidos.
Método de la Efectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia).
Ing.
Desireé
Álvarez
Macías,
MSc.
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Bonilla
Bermeo,
MSc.
Método de la Efectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia).
Ing.
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Macías,
MSc.
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Bonilla
Bermeo,
MSc.
Método de la Efectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia).
Ing.
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Macías,
MSc.
Ing.
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Bonilla
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MSc.
Método de la Efectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia).
Ing.
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Bonilla
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Método de la Efectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia).
Ing.
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MSc.
Ing.
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Bonilla
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Método de la Efectividad – NTU (Número de Unidades de Transferencia).
Ing.
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MSc.
Datos experimentales
Ing.
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Tiempo
de
operación
Calentador Enfriador 1 Enfriador 2 Enfriador 3
Alimento Vapor Condensado Alimento
Agua de
Enfriamiento
Alimento
Agua de
Enfriamiento
Alimento
Agua de
Enfriamiento
min teA tsA tv tc teA1 tsA1 TeAf1 TsAf1 teA2 tsA2 TeAf2 TsAf2 teA3 tsA3 TeAf3 TsAf3
Datos Generales
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ALIMENTO
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