Materia: Maquinas y Equipos Térmicos
Tarea: 4.1 Investigación
Maestro: Víctor Hugo Zamora Cruz
Alumno: César Damián Becerra Beraza
Carrera: Ing. Electromecánica
Linares Nuevo León a 18/05/2021
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Maquinas y Equipos termicos Unidad 4, Assignments of Negotiation
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Typology: Assignments
2020/2021
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Materia: Maquinas y Equipos Térmicos
Tarea: 4.1 Investigación
Maestro: Víctor Hugo Zamora Cruz
Alumno: César Damián Becerra Beraza
Carrera: Ing. Electromecánica
Linares Nuevo León a 18 /05/
4.1 Coeficiente global de transferencia de calor
El coeficiente total de transferencia de calor, o valor U, se refiere a qué tan bien se conduce el calor a través de una serie de medios resistentes. Sus unidades son W/(m^2 °C) [Btu/(hr-ft^2 °F)]. Vapor vs Agua caliente El coeficiente total de transferencia de calor está influenciado por el espesor y la conductividad térmica de los materiales a través de los cuales se transfiere el calor. Cuanto más grande el coeficiente, más fácil se transfiere el calor desde su fuente hacia el producto que está siendo calentado. En un intercambiador de calor, la relación entre el coeficiente total de transferencia de calor (U) y la tasa de transferencia de calor (Q) puede ser demostrada mediante la siguiente ecuación: donde, Q = tasa de transferencia de calor, W = J/s [btu/hr] A = área de la superficie de transferencia de calor, m^2 [ft^2 ]
(pared metálica) hacia el fluido 2 (agua, el producto que será calentado). Sin embargo, también debe considerarse la resistencia de película. Por este motivo, el coeficiente de transferencia de calor por convección (h), a veces llamado coeficiente de película, se incluye cuando se calcula la transferencia de calor entre un fluido y una pared conductiva. Además, en ciertas aplicaciones especiales como en los procesos de calentamiento en procesos farmacéuticos o biotecnológicos, esa transferencia de calor puede ocurrir a través de varias capas de materiales. En esos casos, la ecuación de arriba puede adaptarse incorporando cada capa de espesor sólido (L) dividido por su conductividad térmica (λ). Para facilitar los cálculos del ejemplo que se da a continuación, los siguientes valores pueden usarse como referencia para los coeficientes de transferencia de calor por convección: F l u i d o C o e f i c i e n t e d e t r a n s f e r e n c i a d e c a l o r p o r c o n v e c c i ó n ( h ) Agua alrededor de 1000 W/(m^2 °C) [176 Btu/( hr-ft^2 °F)] Agua c aliente 1000 – 6000 W/(m^2 °C) [176 - 1057 Btu/ (hr-ft^2 °F)] Vapor 6000 – 15000 W/(m^2 °C) [1057 - 2641 B tu/(hr-ft^2 °F)] Ejemplo donde se compara el efecto sobre U de las diferentes fuentes de calor; vapor o agua caliente. Dos tanques enchaquetados de acero al carbono (λ = 50 W/(m °C) [28.9 Btu/(hr-ft °F)]) con una pared interna de 15 mm [0.049 ft] de espesor, se usan para calentar agua. Uno utiliza agua caliente como fuente de calor, mientras que el otro utiliza vapor. Suponiendo que los coeficientes de transferencia de calor son: 1, W/m^2 °C [176 Btu/(hr-ft^2 °F)] para el agua que será calentada, 3000 W/m^2 °C [
Btu/(hr-ft^2 °F)] para el agua caliente, y 10000 W/m^2 °C [1761 Btu/(hr-ft^2 °F)] para el vapor, calculemos los valores de U para ambos procesos de calentamiento. Tanque enchaquetado de acero al carbono – Comparación de fuentes de calor; agua caliente vs vapor Agua caliente: Vapor: En este caso, el vapor provee una mejora del 17% sobre el valor de U calculado Ahora, imagine que la misma pared de transferencia del tanque también está revestida con vidrio de un espesor de 1 mm [0.0033 ft] (λ = 0.9 W/(m °C) [0. Btu/(hr-ft °F)]). Incluyendo estos valores en la ecuación del valor de U de arriba, se obtienen los siguientes resultados: Tanque enchaquetado con forro de vidrio – Comparación de fuentes de calor; agua caliente vs vapor Agua caliente: Vapor:
ingresados en el condensado acumulado, y del lado del producto por bajas temperaturas que causan que el producto se endurezca sobre la superficie cuando la viscosidad requerida del producto no se mantiene. Las incrustaciones pueden agregarse a la ecuación de arriba, incluyendo la proporción de su espesor (LF) sobre su conductividad (λF), de la misma manera que se agregó el revestimiento de vidrio arriba, pero típicamente se incorpora y expresa como un factor de incrustación (fouling factor) para un intercambiador que ha estado "en servicio". Comúnmente, los cálculos para comparar la reducción en U son entre aquellos "limpios" y "en servicio".
4.2 factores de suciedad
Estos factores son normalmente proporcionados por el cliente basándose en su experiencia con el funcionamiento de su planta en producción o proceso, pero si éstos no son definidos o acotados apropiadamente dentro de ciertos niveles pueden hacer totalmente inútil la labor del ingeniero por muy hábil que sea en el diseño del intercambiador. El factor de ensuciamiento representa la resistencia teórica al flujo de calor debido a la acumulación de una capa de suciedad u otra sustancia o cualquier otra sustancia en uno o los dos lados de las superficies del tubo, pero a menudo se ‘engordan’ por el usuario final en un intento de minimizar la frecuencia de las paradas para limpieza del intercambiador. En realidad, esta práctica puede, si no se seleccionan correctamente, conducir a una mayor frecuencia de las paradas para limpieza. Los mecanismos por los cuales se produce el ensuciamiento varían con la aplicación pero pueden ser ampliamente clasificados en cuatro tipos claramente identificables. Tipos de ensuciamiento
- Ensuciamiento químico : en el que cambios químicos en el fluido causan que se deposite una capa de ensuciamiento sobre la superficie (interna o
externa) de los tubos. Un ejemplo común de este fenómeno es la expansión en una olla o caldera causada por el depósito de sales de calcio en los elementos de calentamiento conforme la solubilidad de las sales disminuye cuando aumentamos la temperatura. Esto está fuera del control del diseñador del intercambiador de calor, pero puede ser minimizado controlando cuidadosamente la temperatura del tubo en contacto con el fluido. Cuando se produce este tipo de ensuciamiento, debe eliminarse mediante tratamiento químico o procesos mecánicos (cepillos de acero, taladros o incluso pistolas de agua a alta presión en algunos casos).
- Ensuciamiento biológico : causado por el crecimiento de organismos en el fluido que se depositan en la superficie. Este tipo de ensuciamiento también está fuera del control del diseñador del intercambiador pero puede verse influido por la elección de los materiales ya que algunos, notablemente los latones no ferrosos, son venenosos para algunos organismos. Cuando se produce este tipo de ensuciamiento, debe eliminarse mediante tratamiento químico o procesos mecánicos abrasivos.
- Ensuciamiento por depósito : en el que las partículas en el fluido se acumulan en la superficie cuando la velocidad cae por debajo de cierto nivel crítico. Esto está en gran medida bajo el control del diseñador ya que la velocidad crítica de cualquier combinación fluido/partícula puede ser calculada para permitir un diseño en el que la velocidad mínima sea siempre mayor que la crítica. Montar el intercambiador de calor verticalmente también puede minimizar los efectos ya que la gravedad tiende a llevar las partículas fuera del intercambiador lejos de la superficie de intercambio térmico incluso a bajos niveles de velocidad. Cuando se produce este tipo de ensuciamiento, debe eliminarse mediante procesos de cepillado mecánico.
En este contexto, solo se tratarán los intercambiadores de calor indirectos, es decir, aquellos intercambiadores de calor en los que los fluidos no se mezclan, pero en los que el calor se transfiere a través de las superficies de transferencia de calor. Las pérdidas de temperatura mediante radiación se pueden despreciar cuando se consideran los intercambiadores de calor en este contexto. Los intercambiadores de calor indirectos están disponibles en varios tipos principales (placas, multitubulares, espirales, etc.). Los intercambiadores de calor más utilizados en la industria son: Intercambiador de calor soldadas La elección perfecta para:
- Temperaturas extremas (hasta 550 grados)
- Pequeño espacio
- Presiones de diseño extremadamente altas Beneficios:
- Transferencia de calor eficiente (soldadura de las placas de cobre)
- Libre de mantenimiento
- Larga vida útil Intercambiador de calor de placas de acero inoxidable La elección perfecta para:
- Temperaturas extremas (hasta 550 grados)
- Área de higiene del agua potable
- Medios agresivos Beneficios:
- Transferencia de calor eficiente 100% de acero inoxidable
- Libre de mantenimiento
- Larga vida útil
4.4 temperatura media logarítmica
La diferencia de temperatura media logarítmica ( LMTD , del inglés Logarithmic mean temperature difference) se usa para determinar la fuerza que impulsa la transferencia de calor en sistemas de flujo, particularmente en intercambiadores de calor.Es un método en el que se analiza la temperatura del fluido frío y del fluido caliente; teniendo como un máximo de temperatura la temperatura del fluido caliente y como un mínimo la del fluido frío. Suponiendo que la transferencia de calor ocurre en un intercambiador sobre el eje z desde A hasta B, entre dos fluidos identificados como 1 y 2, cuyas temperaturas sobre z son T 1 (z) y T 2 (z). El calor intercambiado en cada z es proporcional a la diferencia de temperatura en z:
Se ha supuesto que la variación de temperaturas entre ambos fluidos es proporcional a la diferencia de temperaturas, lo que supone calor específico constante. Esta suposición es válida para fluidos con cambios de temperatura relativamente pequeños. Un caso particular donde este supuesto no se cumple se da cuando al menos uno de los fluidos intercambia calor latente, como por ejemplo una caldera. Se asume que el coeficiente global de transferencia es constante. El enfoque de resolución de problemas mediante LMTD aplica sobre problemas estacionarios y no puede emplearse para problemas transitorios, donde pueden producirse de manera temporal cambios de signo en la diferencia de temperatura.
4.5 Método del NUT (Numero de Unidades de Transferencia)
Rendimiento.
El Método del Número de Unidades de Transferencia (NUT) se usa en el cálculo de intercambiadores de calor para determinar las temperaturas finales de los fluidos de trabajo cuando se dispone de un intercambiador o se conoce su superficie de intercambio, como sucede cuando se quiere seleccionar, para un determinado uso, un intercambiador entre varios disponibles o se desea utilizar un intercambiador para un uso diferente de aquel para el que se diseñó. Se podría utilizar el método de cálculo tradicional[ 1 ], basado en el balance de energía y las ecuaciones de transmisión de calor, pero si se desconocen las temperaturas de salida de los fluidos, habría que hacerlo iterativamente, presuponiéndolas y comprobando posteriormente el resultado. Si no se consigue la suficiente aproximación habrá que repetir el cálculo. El método NUT o NTU fue desarrollado por London y Seban (1942)[ 2 ] y se basa en la determinación de dos números adimensionales y a partir de ellos mediante
4 .6 Intercambiador de calor compacto
Son Intercambiadores diseñados para lograr una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. Ejemplos de intercambiadores de calor compacto son los radiadores de automóviles y el pulmón humano. En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en direcciones ortogonales entre si. Esta configuración de flujo recibe el nombre de flujo cruzado. Este a su vez se clasifica en mezclado (uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al centro sin restricciones) y el no mezclado (se disponen unas placas para guiar el flujo de uno de los fluidos). Intercambiadores de flujo cruzado Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos faces bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcaza del condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.
se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90. Intercambiadores de vapor de placas Los intercambiadores de calor de placas representan uno de los tipos de intercambiadores de calor com vapor y consisten en un paquete de placas de metal especialmente corrugadas y provistas de orificios de paso para los dos fluidos. La colocación de las placas es tal que cada una adopta la forma un canal. Componentes del intercambiador de calor de placas.
- Las barras guía: Distinguiendo, se pueden apreciar en los intercambiadores de calor de placas una barra guía superior y otra inferior. La superior guía y soporta al conjunto de placas, siendo la inferior una función más de guiado que sustendo del conjunto de placas de los intercambiadores de calor de placas.
- Placón fijo y móvil
las juntas o empaques para su intercambiador de calor de placas. Dependiendo del método usado en el sellado de las placas, los grupos en los que se puede dividir los intercambiadores de calor de placas son los tres siguientes:
Tipos de intercambiadores de calor de placas
- Los intercambiadores de placas con juntas fueron inventados alrededor 1930. En esa época, se usaron por primera vez en la industria de la alimentación, en la cual se requería un intercambiador de calor de fácil limpieza para mantener las exigencias higiénicas de este sector.
- A finales de los 70, se desarrollaron los intercambiadores de placas termosoldados, los cuales usan las técnicas de soldadura al vacío para unir las placas. El siguiente paso en el proceso de desarrollo fue dado en 1994, cuando se introdujeron los intercambiadores de placas enteramente soldados.
- En los intercambiadores de calor de placas enteramente soldados, las placas son soldadas por láser, formando una construcción sumamente firme. Actualmente, los intercambiadores de calor de placas son utilizados en multitud de servicios en procesos químicos, HVAC, alimentación, aplicaciones en marina y refrigeración.
4.7 Análisis de las propiedades en los intercambiadores de calor
Es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.Es la energía que se agrega a un cuerpo y le produce una elevación de su temperatura. La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción, la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.