FUNDACIN UNIVERSITARIA TECNOLOGICO COMFENALCO

FUNDACIN UNIVERSITARIA TECNOLOGICO COMFENALCODISEO DE EQUIPOS TRMICOS1OBJETIVOSAplicar el conocimiento de los mecanismos de transmisin de calor al diseo de cambiadores de calor.Conocer los equipos bsicos que se utilizan para la transmisin de calor en la industria qumica. Aplicar el conocimiento de los mecanismos y el diseo de equipo, al estudio de operaciones basadas en la transmisin de calorExplicar el significado de trminos como: calor, conduccin, conveccin, radiacin, coeficiente individual de transmisin de calor, coeficiente global de transmisin de calor, flujo en contracorriente, flujo en paralelo, perfil de temperatura, resistencia trmica Conocer el principio de funcionamiento y el intervalo de aplicacin de los instrumentos de medida de temperatura.

2OBJETIVOSAplicar la ley de Fourier a geometras planas, cilndricas y esfricas Calcular el flujo de calor por conduccin en un slido o en un fluido en reposo Determinar el perfil de temperatura en el espesor de un slido o de un fluido en reposo donde no se d conveccin Dimensionar el espesor de una pared o de un aislante, necesario para evitar ciertas prdidas de calor o la cara interna o externa de un slidoEvaluar el flujo de calor que se transmite por conveccin en una determinada aplicacin, en funcin de la geometra, del rgimen de flujo y de la diferencia de temperaturas existenteEvaluar el flujo de calor que se transmite por radiacin desde una superficie3CONTENIDOUNIDAD MODULAR I.INTRODUCCION Y CONCEPTOS

1.1 Conduccin1.2 Conveccin1.3 Radiacin1.4 Conveccin y radiacin combinadas1.5 Transferencia de calor cuando hay cambio de fase1.6 Unidades, dimensiones y factores de conversin.1.7.Coeficientes totales de transferencia de calor4CONTENIDOUNIDAD MODULAR II.CONDUCCIN2.1 Ecuaciones bsicas2.1.1 Componentes del flujo de calor2.1.2 Ecuacin diferencial de la conduccin de calor2.1.3 Condiciones de frontera2.5 Parmetros a dimensionales de la conduccin de calor2.2 Estado estable, una dimensin2.2.1 Placas2.2.2 Cilindros2.2.3 Esferas2.2.4 Concepto de resistencia trmica2.2.5 Resistencia trmica de contacto2.2.6 Conductividad trmica variable2.2.7 Ecuacin de aletas de una dimensin5CONTENIDOUNIDAD MODULAR III.CONVECCION FORZADA Y NATURAL 3.1 Ecuaciones bsicas3.1.1 Ecuacin de continuidad3.1.2 Ecuacin de momento3.1.3 Ecuacin de energa3.1.4 Ecuaciones de capa lmite3.2 Flujo turbulento externo e interno3.2.1 Aspectos fundamentales del flujo turbulento 3.2.2 Concepto de viscosidad y conductividad turbulentas 3.2.3 Distribucin de velocidades en el flujo turbulento dentro de tubos lisos3.2.4 Factor de friccin para flujo turbulento dentro de tubos3.2.5 Analogas entre las transferencias de calor y de momentum en flujo turbulento3.2.6 Transferencia de calor en capa lmite turbulenta sobre una capa plana en el caso de flujo de alta velocidad

6CONTENIDOUNIDAD MODULAR III.CONVECCION FORZADA Y NATURAL 3.3. FLUJO LAMINAR Y CONVECCION LIBRE3.3.1. Flujo laminar 3.3.2. Flujo de Couette 3.3.3. Concepto de velocidad completamente desarrollada y perfil de temperatura para el flujo dentro de conductos3.3.4. Transferencia de calor y cada de presin en conducto cuando el flujo laminar es hidrodinmica y termodinmicamente desarrollado3.3.5. Expresiones de la transferencia de calor en la regin de entrada trmica en el caso de flujo laminar a travs de conductos3.3.6. Transferencia de calor en metales lquidos cuando el flujo en los conductos es laminar3.4. Conveccin libre3.4.1. Ecuaciones de la capa lmite para la conveccin libre3.4.2. Solucin aproximada de la conveccin libre laminas desde una placa vertical3.4.3. Combinacin de conveccin libre y forzada

7CONTENIDOUNIDAD MODULAR IV.DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS DE INTERCAMBIO DE CALOR

4.1 Generalidades4.2 Criterios de seleccin4.3 Evaluacin de intercambiadores de calor4.3 Diseo de intercambiadores de calor8BIBLIOGRAFAYunus A. engel. Fundamentos de Transferencia de Calor, Editorial: McGraw Hill

Incropera, F. P., De Witt, D.P. Fundamentos de Transferencia de Calor Prentice Hall 1999

Levenspiel, O. Flujo de fluidos e intercambio de calor. Revert. Barcelona. 1.993.

HOLMAN, Jac Phillip(r) Heat Transfer(r) New York, Mc Graw Hill Book Company. 1989.

KREITH, Frank(r) BLACK(r) W.2(r) La transmisin de calor Principios fundamentales. Madrid: Alhambra. 1983.KERN, Donald, Transferencia de calor

9EVALUACIN10TERMODINMICATRANSFERENCIA DE CALORTrata de los estados de equilibrio y de los cambios desde un estado de equilibrio hacia otro Se ocupa de los sistemas en donde falta el equilibrio trmico por lo que existe un fenmeno de no equilibrio11CONCLUSINLOS ESTUDIOS DE LA TRASFERENCIA DE CALOR TRASCIENDEN MAS ALLA DE LA TERMDINMICA, SIN DESCONOCER LAS LEYES DE ESTA12PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICALa razn de la transferencia de energa de un sistema a otro es igual a la razn del incremento de energa de ese otro sistema13SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICALa transferencia de calor requiere de un diferencial de temperatura y sta determina la direccin del flujo de energa14CUL ES LA FUERZA IMPULSORA QUE GARANTIZA UN PROCESO DE TRANSFERENCIA DE CALOR?15Forma de la energa que se puede transferir de un sistema a otro como el resultado de un diferencial de temperaturaQU ES EL CALOR?16EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR UTILIZADO EN LA INDUSTRIA1- INTERCAMBIADORES DE CALOR2- CALDERAS3- CONDENSADORES4- RADIADORES5- CALENTADORES6- REFRIGERADORES7- COLECTORES SOLARES17PROBLEMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR1- CAPACIDAD NOMINALDeterminacin de la razn de la transferencia de calor para un sistema existente con un diferencial de temperatura conocido

2- DIMENSIONAMIENTODeterminacin del tamao de un sistema con el fin de transferir calor a una razn determinada para una diferencia especfica de temperatura 18ESTUDIO DE UN EQUIPO DE INGENIERA1- EXPERIMENTALMENTERealizacin de pruebas y toma de medicionesVentajas:Se trabaja con un sistema fsico realLas cantidades requeridas se determinan por medicinDesventajaCostoso Tardado Imprctico

19ESTUDIO DE UN EQUIPO DE INGENIERA1- ANALTICAMENTEAnlisis y elaboracin de clculos involucra procedimiento numrico.VentajaRapidoEconmicoDesventajaInexacto

20ENERGIA INTERNASUMA DE TODAS LAS FORMAS DE ENERGA MICROSCPICA

FORMAS DE ENERGA RELACIONADAS CON LA ESTRUCTURA MOLECULAR DE UN SISTEMA Y CON EL GRADO DE LA ACTIVIDAD MOLECULAR

21ENERGA INTERNAENERGA CINTICA + ENERGA POTENCIAL CALOR SENSIBLECALOR LATENTE22CALOR ESPECFICO(c) ENERGA REQUERIDA PARA ELEVAR EN UN GRADO LA TEMPERATURA DE UNA UNIDAD DE MASA.

CvCpCp=Cv + R23CAPACIDAD CALORFICA(C)CANTIDAD DE ENERGA NECESARIA PARA AUMENTAR EN UN GRADO LA TEMPERATURA DE UNA SUSTANCIA

C=c.m2425Flujo de calorEnerga que atraviesa una superficie por unidad de tiempo PotenciaEnergaTiempoPotencia =watiosDensidad de flujoPotencia que atraviesa una superficie por unidad de tiempo y unidad de reaAPotenciareaWatios/m2

2526Mecanismos de transmisn de calorConduccin: transferencia de energa desde cada porcin de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material.Conveccin: transferencia de energa mediante la mezcla ntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia.Conveccin natural: el origen del mezclado es la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura.Conveccin forzada: la causa del mezclado es un agitador mecnico o una diferencia de presin (ventiladores, compresores...) impuesta externamente.Radiacin: transferencia de energa mediada por ondas electromagnticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fros.2627

La conduccin es el nico mecanismo de transmisin del calor posible en los medios slidos opacos.Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la regin de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre molculas.CONDUCCIN2728ConduccinLey de Fourier: determinacin del flujo de calor

(Estado estacionario)Calor difundido por unidad de tiempoConductividad trmica (Wm-1grado -1): calor que atraviesa en la direccin x un espesor de 1 m del material como consecuencia de una diferencia de 1 grado entre los extremos opuestosSuperficie (m2): superficie a travs de la cual tiene lugar la transmisin de calorGradiente de temperatura (grados/m): variacin de la temperatura en la direccin indicada por x.X

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Conductividad trmicarea AEspesorCalor transferido en el tiempo tEJEMPLO 1:CONDUCCIN DEL CALOR (Placa plana)

Integracin de la ecuacin de Fourier2930Clculo del flujo de calor a travs del tabique de una habitacin, de 34 cm de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 C y 5 C respectivamente. Tmese como valor de la conductividad k = 0.25 Wm-1K -1.

Gradiente de temperaturasDensidad de flujoTfuera xdentro xfueraGradiente de temperaturas constante la temperatura vara linealmente Gradiente de temperaturas constante densidad de flujo constante 0.34 m

Tdentro30MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALORCONDUCCIN

CONVECCIN - NATURAL O LIBRE - FORZADA

RADIACIN

31CONDUCCIN

32Intercambiadores de calor

33Como se verifica el proceso de Transferencia de Calor por conduccin? La conduccin es un proceso mediante el cual fluye calor desde una regin de alta temperatura a otra de baja temperatura, dentro de un medio determinado.

En estos procesos siempre se manifiesta un flujo continuo de calor de la regin mas caliente a la mas fra.34Ley de Fourier para la conduccin del calor Permite cuantificar la rapidez del flujo de calor por conduccin y establece que: qk = - k A (dt/dx) k: Conductividad trmica del material Btu/h*pie*F Kcal/h*m*CA: rea transversal al flujo (pie2 ); (m2 )dt/dx : Gradiente de temperatura (C/m) ; (F/pie)35PERFIL DE TEMPERATURA

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37Conductividad Trmica La conductividad trmica depende de la naturaleza del material en el cual se este manifestando el proceso de transferencia de calor k slidos > k lquidos > k gases

1 BTU/(h pie F) = 4,1365x10-3 (cal/(s cm C))1 BTU/(h pie F) = 1,73 073 (W/mK)3839Conductividades trmicas de algunos materialesa temperatura ambiente

kBuenos conductoresMalos conductoresLa conductividadtrmica cambia conel estado de agregacin... pero la capacidad de transporte de calor no depende slo de la conduccin39Conductividad Trmica de materiales aislantesMaterial Conductividad trmica K (W/mK)Asbesto 0,151 (0 C) 0,168 (37,8C) 0,190(93,3C)Corcho 0,0433 Algodn 0,055 (0 C) 0,061 (37,8C) 0,068(93,3C)Lana de Vidrio 0,030 (-6,7C) 0,0414 (37,8C) 0,0549 (93,3C)Pino 0,151Fibra aislante 0,048Concreto 0, 76240CONCUCTIVIDAD TRMICAGASESAISLANTESLQUIDOSSLIDOS NO METLICOSALEACIONES METLICASMETALES PUROSCRISTALES NO METLICOSAIREGAS CARBNICOHIDRGENOFIBRA DE VIDRIOASBESTOPOLIURETANOAGUA ACEITEMERCURIOALIMENTOSROCASARCILLABRONCEACEROPLATACOBREHIERRODIAMANTEGRAFITOCUARZO41GAS COLISIONES Y DIFUSIN MOLECULAR

LQUIDO COLISIONES Y DIFUSIN MOLECULAR

SLIDOS..VIBRACIONES RETICULARES Y FLUJO DE ELECTRONES LIBRE42Conduccin a travs de una placa plana o pared, con k=cte Se aplica la ley de Fourier qk = - k A (dt/dx) T caliente T1 T fra T2 L qk = - T / (L/A k)

L/Ak : Resistencia Trmica L/Ak = Rk43 Como se relaciona T con x ? Existe una relacion lineal. T T1 T2 0 X Distancia --------------qk = - T / (L/A k)qk = - (T2- T1) / Rk

qk = Fuerza impulsora Resistencia44

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46Mecanismos de Conveccin La transferencia de Calor por conveccin implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscopicos de porciones calientes y fras de un gas o un liquido.

La eficiencia de transferencia de calor por conveccin depende bsicamente de la eficiencia del movimiento del mezclado del fluido. 47 Cmo se verifica el proceso de Transferencia de Conveccin? El calor fluye primero por conduccin desde la superficie hacia las partculas del fluido. La energa transferida servir para incrementar la temperatura y la energa interna del fluido. El mecanismo de transferencia en el fluido ocurre desde una regin de alta temperatura hacia una zona de baja temperatura. La energa se almacena en la partculas del fluido y se transporta como resultado del movimiento de masa.

48Tipos de ConveccionesSe clasifican de acuerdo a como se induce el flujo: CONVECCION FORZADA

CONVECCION LIBRE O NATURAL49Conveccin Forzada Ocurre cuando se alimenta un flujo de fluido sobre una superficie slida, por medio de una bomba o un ventilador. Cuando el movimiento de mezclado es inducido por algn agente externo.Ejemplo: Secado50Equipos de Secado

51CAMARA DE SECADO

5253CONVECCINLa conveccin es un fenmeno de transporte (materia y energa) que tiene su origen en diferencias de densidad.Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye.Si una capa de material ms fra y ms densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a travs del material fro hasta la superficie.El material ascendente disipar su energa en el entorno, se enfriar y su densidad aumentar, con lo cual se hundir reiniciando el proceso.

http://www.sunblock99.org.uk/sb99/people/KGalsgaa/convect.html

http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node76.html5354Ley de enfriamiento de Newton

Temperatura superficialTemperatura del fluido libreCoeficiente deconveccinSuperficie deintercambio T superficial T fluido libreCapa lmiteT5455

Valores tpicos del coeficiente de conveccin5556DistanciaVelocidadVelocidadDistanciaLaminarTurbulentoPerfiles de velocidad5657SuperficieDistribucin de temperaturasDistanciaTemperaturaCapa lmite

T superficie

T fluido libre (regin de temperatura uniforme)

Ley de Newton del enfriamientoPerfiles de temperaturas

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Superficie emisividad , Absortividad , a temperatura Ts.

G E Qconv Gas a: T con h

Ley de Stefan- Boltzmann. El lmite superior de la potencia emisiva E

= 5.67x10-8 (w/m2k) Cte S-B 0 <