UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MACHALA

UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS Y DE LA SALUD

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

INTEGRANTES: HEIDY CAMACHO

NATHALY ELIZALDE

KLEBER SOTO

RICHARD VARGAS

DOCENTE: ING.BRAULIO MADRID

CURSO: 5TO.ING.QUIMICA

MACHALA EL ORO ECUADOR

2015-2016

ÍNDICETRANSFERENCIA DE CALOR..........................................................................................................3

TRANSFERENCIA DE CALOR

INTRODUCCIÓN............................................................................................................................3

CONCEPTO DE CALOR...................................................................................................................3

EQUIPO INDUSTRIAL PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR..............................................................3

CAMBIADORES DE CALOR DE TUBERIA DOBLE.............................................................................4

CAMBIADORES DE CORAZA Y DE HAZ DE TUBOS.........................................................................4

MÉTODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU..............................................................................................6

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.............................................................................8

TRANSMISION DE CALOR POR CONDUCCIÓN..............................................................................8

TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN...............................................................................9

CONVECCIÓN LIBRE O NATURAL..................................................................................................9

CONVECCIÓN FORZADA...............................................................................................................9

CONSIDERACIONES....................................................................................................................10

EJERCICIO...................................................................................................................................11

BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................................12

TRANSFERENCIA DE CALOR

INTRODUCCIÓN

CONCEPTO DE CALOR

El calor se origina a partir de otras formas de energía (I Principio). El calor es energía en "tránsito", debido a una propiedad de la materia denominada TEMPERATURA". El II Principio indica que el paso del calor se realiza "DE FORMA NATURAL" de las zonas de mayor a las de menor temperatura. Debido a que las fuentes de energía se encuentran repartidas por todas partes, el calor se genera universalmente, y su transmisión es un fenómeno tan corriente como la "gravedad"

Las industrias de procesos químicos utilizan ampliamente a transferencia de energía como calor. Han sido establecidos dos mecanismos para la transferencia de calor:

Molecular: La transferencia de calor mediante acción molecular, que recibe el nombre de conducción.

Turbulenta: La transferencia de calor mediante un proceso de mezclado, al que se ha dado generalmente el nombre de convección.

Hemos establecido, que estos dos mecanismos pueden presentarse en forma simultanea o individual.

Un tercer mecanismo para la transferencia de calor , que es bastante común , pero no ha sido aún discutido convenientemente , es la radiación , que es la transferencia de calor mediante emisión y absorción de energía sin que intervenga un contacto físico , a diferencia de la conducción o de la convección , que dependen del contacto físico para que la transferencia de energía térmica tenga lugar , la radiación depende de las ondas electromagnéticas como un medio para la transferencia de la energía térmica de una fuente caliente a un receptor que se encuentra a temperatura más baja. La radiación puede tener lugar simultáneamente o independientemente de los otros dos mecanismos de transferencia.

EQUIPO INDUSTRIAL PARA EL INTERCAMBIO DE CALOR

Los cambiadores de calor utilizados por ingenieros químicos no pueden caracterizarse por un solo diseño, ya que las variedades de tal equipo son prácticamente ilimitadas. Sin embargo, la única característica en común de la mayor parte de los cambiadores de calor, es que la transferencia se hace de una fase caliente a una fase fría y que las dos fases están separadas mediante una frontera sólida.

CAMBIADORES DE CALOR DE TUBERIA DOBLE

El tipo más sencillo de cambiador de calor, es el que recibe este nombre, y que se muestra en la Fig. 1. La tubería doble consiste esencialmente en dos tubos concéntricos, con un fluido fluyendo a través del tubo central, en tanto que el otro se mueve a contracorriente dentro del espacio anular. La longitud de cada sección esta generalmente limitada a las longitudes estándar de los tubos; así que si se requiere una superficie apreciable para la transferencia de calor, se emplean frecuentemente los llamados bancos o secciones. Si el área requerida fuera demasiado grande, entonces este tipo de cambiadores no es el aconsejable. El empleo del cambiador de calor de tubería doble no se limita al caso de intercambio de calor líquido- líquido, sino que también puede usarse para sistemas gas-líquido y para sistemas gas-gas. Los materiales de construcción pueden variar, dependiendo de los fluidos que se van a procesar. Cualquiera de los dos fluidos puede moverse a través del tubo, o a través del anillo, a velocidades relativamente altas, limitadas solo por el proceso de transferencia de calor.

CAMBIADORES DE CORAZA Y DE HAZ DE TUBOS

Cuando se requiere una superficie grande para la transferencia de calor, el tipo recomendable es el de un haz de tubos contenidos dentro de un recipiente, coraza o concha. En este tipo de calentador o de enfriador, se pueden obtener grandes superficies de transferencia en forma económica y practica; las terminales de los tubos se encuentran montadas sobre una placa, con lo cual el conjunto de tubos recibe el nombre de haz. Para fijar las terminales de los tubos a las placas se emplea generalmente una expansión de tubo dentro del orificio que lo mantiene. La coraza o recipiente que lo contiene en su interior al haz, es generalmente cilíndrica, y entonces, un fluido fluye dentro de los tubos y el otro fuera de ellos y dentro de la coraza.

Fig.1. Cambiador con tubuladura doble

Fig.2. Cambiador de calor de coraza y tubo en un solo paso

La forma más sencilla de este tipo de cambiador de calor es el mostrado en la Fig.2; que ilustra un cambiador de un solo paso. El fluido que fluye a través de los tubos, entra al cabezal en donde se distribuye a través del haz siguiendo un flujo paralelo, y deja la unidad a través del otro cabezal. Cualquiera de las dos fases, la caliente o la fría, pueden fluir a través de los tubos o de la concha.

En este tipo de construcción, el fluido en los tubos esta diversificado mediante los deflectores dentro de la distribución del cabezal. El líquido pasa hacia adelante y hacia atrás a través de una parte de los tubos, a alta velocidad, lo cual da coeficientes elevados de transferencia de calor. El número de pasos en los tubos depende de factores económicos del diseño, de la operación y del espacio disponible. La complejidad en el diseño algunas veces da como consecuencia, gastos de la fabricación, que deben balancearse contra un aumento de eficiencia. Otra desventaja de los cambiadores de pasos múltiples es la perdida de presión adicional, debida a la fricción por las altas velocidades lineales, y las perdidas en los cabezales de entrada y de salida. Solamente un balance económico puede indicarnos el diseño más juicioso.

Notemos en la Fig.3 que los deflectores están colocados dentro de la coraza para diversificar el flujo a través de los tubos del cambiador. La velocidad del fluido, manejado fuera de los tubos cambia constantemente, por efecto de los deflectores impartiendo así, turbulencia al fluido incrementando la transferencia de calor. Los deflectores en su forma más sencilla consisten en discos semicirculares de hoja metálicas agujereadas para colocar los tubos estos dispositivos dirigen la mayor parte posible del flujo, perpendicular a los tubos en el lado de la coraza, ayudando a mantener los tubos libres de incrustaciones. Sería deseable tener varios pasos en el lado de la coraza, pero esto podría causar cierta complejidad en la construcción y perdidas mayores debidas a la fricción. Los pasos múltiples en el lado de la coraza se encuentran solamente en grandes instalaciones. Normalmente los deflectores se colocan bastante próximos unos a otros. Si un vapor condensado sirve como medio de calentamiento en la coraza, estos discos generalmente no se necesitan. Los dos cambiadores de calor ilustrados indican que la limpieza de la coraza y de los tubos es bastante difícil. Además, puesto que

existen diferencias de temperaturas considerables entre los dos fluidos que cambian calor, se puede esperar una considerable dilatación térmica que no hay manera de evitar.

Fig.3. cambiador de calor con cuatro pasos en los tubos y un solo paso en la coraza

MÉTODO DE LA EFECTIVIDAD-NTU

EL método de la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD por sus siglas en inglés), es fácil de aplicar en el análisis de los intercambiadores de calor cuando se conocen, o se pueden determinar las temperaturas a la entrada y a la salida de los fluidos calientes y frio a partir de un balance de energía. Una vez que dispone de la ∆T mJ los gastos de masa y el coeficiente de transferencia de calor total se puede determinar en área superficial de transferencia de calor a partir de

ϱ=U A s∆TmJ

Por lo tanto, el método de la LMTD resulta muy adecuado para la determinación del tamaño de un intercambiador de calor con el fin de dar lugar a las temperaturas prescritas de salida cuando se especifican los gastos de masa y las temperaturas de entrada y de salida de los fluidos caliente y frio.

Con el método de la LMTD, la tarea es seleccionar un intercambiador que satisfaga los requisitos prescritos de transferencia de calor. El método que debe seguirse en el proceso de selección es:

1. Seleccionar el tipo de intercambiador de calor apropiado para la aplicación.2. Determinar cualquier temperatura desconocida de entrada o salida y la razón de la

trasferencia de calor mediante un balance de energía.

3. Calcular la diferencia de temperatura media logarítmica ∆T mJ y el factor de corrección de F si es necesario.

4. Obtener (seleccionar o calcular) el valor del coeficiente de transferencia de calor total U .

5. Calcular el área superficial A s de transferencia de calor.

La tarea se completa al seleccionar un intercambiador de calor que tenga un área superficial de transferencia de calor igual a A s o mayor que esta.

Una segunda clase de problema que se encuentra en el análisis de los intercambiadores de calor es la determinación de la razón de transferencia de calor y las temperaturas de salida de los fluidos caliente y frio para los valores prescritos de gastos de masa y temperatura de entrada de los fluidos, cuando se especifican el tipo y el tamaño del intercambiador.

En este caso, la tarea es determinar el rendimiento con respecto a la transferencia de calor de un intercambiador especifico, o bien, determinar si un intercambiador del que se dispone en el almacén realizara el trabajo.

Todavía se podría aplicar el método de la LMTD para este problema alternativo, pero procedimiento requiriera tediosas iteraciones y, como se consecuencia, no sería practico. En un intento por eliminar las iteraciones de la resolución de esos problemas, Kays y London presentaron en 1955 un procedimiento llamado método de la creatividad –NTU, el cual simplifico mucho el análisis de los intercambiadores de calor.

Este método se basa en un parámetro adimensional llamado efectividad de la transferencia de calor ε definido como

ε= ϱϱmax

= Razonde latransferencia de calor realRazonmaxima posible de latransferencia de calor

La razón de la transferencia de calor real de una intercambiador de calor se puede determinar con base en un balance de energía de los fluidos calientes y frio se puede expresar como

ϱ=C c (T c , sal−T c ,ent )=Ch (T h ,sal−T h ,ent )

En donde C c=mcc pc y Ch=mh c ph son las razones de capacidad calorífica de los fluidos frio y caliente, respectivamente.

Para determinar la razón máxima posible de la transferencia de calor de un intercambiador, en primer lugar se reconoce que la diferencia de temperatura máxima que se produce en él es la diferencia entre las temperaturas de entrada de los fluidos caliente y frio; es decir

∆T max=T h ,ent−T c, ent

La transferencia de calor en un intercambiador alcanzara su valor máximo cuando 1) el fluido frio se caliente hasta la temperatura de entrada del caliente o 2) el fluido caliente se enfrié hasta la temperatura de entrada del frio. Estas dos condiciones limites no se alcanzarán en forma simultánea a menos a menos que las razones de capacidad calorífica de los fluidos

caliente y frio sean idénticas es decir (es decir C c=Ch). Cuando C c≠Ch , el cual suele ser el caso, el fluido con la razón de capacidad calorífica menor experimentara un cambio más grande en la temperatura y, de este modo, será el primero en experimentar la diferencia máxima de temperatura, en cuyo punto se suspenderá la transferencia de calor.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.

La ley básica de la conducción del calor (Joseph Fourier), establece: “La tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección”.

Dónde:

Qx = Tasa de flujo de calor a través del área A en la dirección positiva.

K= Conductividad térmica (w/m,k BTu/h pie °R)

A = área de sección transversal de la transferencia de calor

∂T/∂ x = gradiente de temperatura

El flujo real de calor depende de la conductividad térmica (k), que es una propiedad física del cuerpo

Donde k (en W/mK) se llama conductividad térmica del material, magnitud que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la consiguiente variación de temperatura; y dT/dx es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que la conducción de calor es en la dirección decreciente de la temperatura. En la tabla 1 se listan valores de conductividades térmicas para algunos materiales, los altos valores de conductividad de los metales indican que son los mejores conductores del calor.

Tabla 1. Algunos valores de conductividades térmicas.

TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN

La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.

Cuando un fluido a TF se pone en contacto con un sólido cuya superficie de contacto está a una temperatura distinta TS, al proceso de intercambio de energía térmica se denomina CONVECCIÓN.

Existen dos tipos de convección:

CONVECCIÓN LIBRE O NATURAL

Ocurre cuando la fuerza motriz procede de la variación de densidad en el fluido como consecuencia del contacto con una superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a fuerzas ascensionales, el fluido próximo a la superficie adquiere una velocidad debida únicamente a esta diferencia de densidades, sin ninguna fuerza motriz exterior.

CONVECCIÓN FORZADA

Tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido con una velocidad (v), sobre una superficie que se encuentra a una temperatura Ts mayor o menor que la del fluido Tf, como la velocidad del fluido en la convección forzada es mayor que en la convección natural, se transfiere por lo tanto, una mayor cantidad de calor para una determinada temperatura.

Independiente de que la convección sea natural o forzada, la cantidad de calor transmitido Qc, se puede escribir (Ley de enfriamiento de Newton)

QC h A (TS TF)

Dónde:

h = Coeficiente de transmisión del calor por convección en la interface líquido – sólido (w/m 2 .k)

A = Área superficial en contacto con el fluido (m2 )

CONSIDERACIONES

El coeficiente de transmisión de calor por convección forzada depende en general, de la densidad, viscosidad, de la velocidad del fluido, de las propiedades térmicas del fluido (K, Cp), es decir

h f( , ,v, k,Cp)

En la convección forzada la velocidad viene impuesta al sistema con una bomba, ventilador y se puede medir directamente

VF =Q V/A

En la convección natural, la velocidad es de la forma v f (T,, g) , es decir depende de:

∆T = diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido

β = Coeficiente de dilatación térmica del fluido, que determina el cambio de densidad por unidad de diferencia de temperatura

g = Campo de fuerzas exteriores, en general es la gravedad

El número adimensional característico para la convección natural es el número de Grashoff (Gr)

Gr=gβ

V 2∆T L3

El número adimensional para la convección forzada es el número de Reynolds (#Re)

¿ ℜ= ρVDμ

=VDv

Dónde: ρ = densidad del fluido, ( kg/m3 )

µ = viscosidad dinámica del fluido, (kg/m.s)

ν = viscosidad cinemática del fluido (m2 /s)

V = velocidad media del fluido, (m/s)

D = diámetro del tubo, (m)

EJERCICIO

Se enfria leche ( Cp= 3.9Kj/Kg°K) en un cambiador de calor a contracorriente con un caudal masico de 1.5 Kg/seg desde 70°C hasta 30°C . El enfriamiento se realiza mediante agua a 5°C con un caudal de 2Kg/seg. El diámetro interno de la tubería interna es 2cm .el coeficiente de transmisión de calor global es de 500 w/m2 °C. Determinar la longitud del intercambiador de calor

Datos: Líneas de flujo

Leche 70°C T2 30°C

Cp= 3.9 Kj/Kg°K t2=? t1=5°C

Contracorriente

Q=1.5 Kg/seg

Agua =5°C

Q=2Kg/seg

D=2cm= 0.02m

Ѵ= 500 w/m2 °C

Cp agua= 1Kj/Kg°K

Q alimento= Qm*Cp*∆T

Q alimento = 1.5Kg/seg(3.9Kj/Kg°K) (70°K-30°K)

Qalimento= 234 Kj/seg

Balance de energía

Qg=Qp

M cp (t2-t1)= Qm cp (T1-T2)

5Kg/seg( 1Kj/Kg°K) (t2-5°K) = 1.5 Kg/seg (3.9Kj/Kg°K) (70°K-30°K)

5Kj/5°K (t2-5°K)=5.85 kj/5°K (40°K)

t 2=2345

+5° K

t2= 51.8°K

Ecuación de diseño

Q= Ѵ*A*∆ Tv

Contra Corrientes

MLDT= [ (T 1−t 2 )−(T2−t1)]

MLDT=(700K−51.80 K )−(300 K−50K )

¿[ (T 1−t2)(T 2−t1) ]MLDT=18.2 ° K−25 ° K

¿ [ 18.225 ]=21.93° K

Longitud

L= QѴ (π D)∆Tv

L= 234Kj /seg500w /m2 ° K (0.06m)(21.93 ° K )

L=30W /m2 ° K (21.93° K )

L= 0.35m

BIBLIOGRAFÍA

Foust, A. (1997). Principios de Operaciones Unitarias.

Girio, I. E. (11 de Diciembre de 2007). Instituto de Investigación de Ingeniería Química.Obtenido de http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Setiembre_2011/IF_PANANA%20GIRIO_FIQ/Informe%20final%20Texto.pdf

Zunza, J. (2012). Mecanismo de Transferencia de Calor.Obtenido de http://old.dgeo.udec.cl/~juaninzunza/docencia/fisica/cap14.pdf

FIRMAS

HEYDY CAMACHO

NATHALY ELIZALDE

KLEBER SOTO

RICHARD VARGAS