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Transferencia de un intercambiador de calor
INTRODUCCIÓN
Muchas veces suele llamarse trabajo a ciertas actividades que, desde el punto
de vista de la transferencia de un intercambiador de calor, no pueden ser
clasificadas como tal. Para muchos es natural que se utilicen ciertas palabras
propias de un lenguaje coloquial para señalar situaciones cotidianas, pero que
en la transferencia de un intercambiador de calor tienen un significado distinto.
A continuación, vamos a tratar principalmente acerca del intercambiador de
calor de coraza y tubos, la cual hallaremos su área, la cantidad de numero de
serpentines, la longitud del serpentín por ultimo haremos un diseño respecto a
ello.
Deseamos que este trabajo refleje claramente lo aprendido en la clase de la
transferencia de un intercambiador calor, para que se logre comprender con
claridad y facilidad cada uno de los conceptos y problemas vistos.
Objetivo general
El trabajo tiene como objetivo servir como instrumento para que el
estudiante desarrolle habilidades, destrezas y facilite el proceso de
aprendizaje de transferencia de un intercambiador de calor y aplique los
conocimientos de mecánica de fluidos en su vida profesional.
1 Mantenimiento de Maquinaria pesada
Transferencia de un intercambiador de calor
Fundamento Teórico
Un intercambiador de calor
Es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén
separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte
esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire,
producción de energíay procesamiento químico.Un intercambiador típico es el
radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado
por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y,
a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del
mismo.
Clasificación de los intercambiadores de calor de superficie
La clasificación más usual de este grupo de intercambiadores, se realiza en
base a la dirección relativa de los flujos de ambos fluidos, pudiéndose hablar
entonces de cambiadores de flujos paralelos y de cambiadores de flujos
cruzados, según sus direcciones sean paralelas en el espacio o formen
cualquier ángulo en él.
Los intercambiadores de flujos paralelos, son generalmente utilizados en el
intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se
utilizan generalmente en el intercambio líquido-gas.
Cambiadores de calor tubulares
El cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricos;
consta de dos tuberías concéntricas, una en el interior de la otra, circulando los
dos fluidos por el espacio anular y por la tubería interior. Los flujos pueden ser
en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario
(contracorriente).
Transmisión de calor por conducción
La conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a
escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin
desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel
de energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que
tenga lugar movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor por
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conducción no hay movimiento de materia. La conducción es el método más
habitual de transmisión de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de
materiales sólidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un
cuerpo, tendrá lugar una transmisión de calor desde la zona de alta
temperatura hacia la que está a temperatura más baja. El flujo de calor será
proporcional al gradiente de temperatura.
Transmisión de calor por convección:
Cuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el interior de
una tubería, existiendo una diferencia de temperatura entre ambos tiene lugar
un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de calor se debe al
mecanismo de convección. El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos
son los ejemplos más habituales de transmisión de calor por convección.
Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se
distinguen dos tipos: forzada y libre (también llamada natural). La convección
forzada implica el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un
ventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden
provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.
Importancia del aislamiento en la disminución de las pérdidas de calor en
los equipos
Los equipos para el procesamiento de alimentos se suelen aislar para
minimizar las pérdidas de calor hacia el entorno. Si no se aíslan, los equipos
pueden tener pérdidas de calor por cualquiera de los tres mecanismos de
transmisión de calor: conducción, convección o radiación. Las pérdidas de calor
por conducción a través del aire serán pequeñas debido a su baja
conductividad (kaire=0.0258 W/m.oC a 30 oC). Las pérdidas de calor por
convección serán las más importantes, pues las corrientes de convección se
desarrollarán fácilmente si existe una diferencia de temperatura entre el cuerpo
y su entorno. Es necesario aislar para disminuir el flujo de calor entre un objeto
y sus alrededores. El material aislante debe tener baja conductividad térmica y
capacidad para frenar las corrientes de convección. Los materiales más
utilizados para aislar incluyen el corcho, la magnesia, el vidrio y la lana. En el
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pasado se utilizó mucho el asbesto por sus buenas propiedades aislantes, pero
la fibra de asbestos se mostró causante del cáncer y ya no se utiliza.
Actualmente se fabrican piezas de magnesia y otros aislantes de fácil
instalación sobre tuberías y otros equipos.
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
CONDUCCIÓN:
Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las
moléculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. Las moléculas y
los electrones libres de la fracción de un sistema con temperatura alta vibran
con más intensidad que las moléculas de otras regiones del mismo sitema o de
otros sistemas en contacto con temperaturas más bajas. Las moléculas con
una velocidad más alta chocan con las moléculas menos excitadas y
transfieren parte de su energía a las moléculas con menos energía en las
regiones más frías del sistema. Las moléculas que absorben el excedente de
energía también adquirirán una mayor velocidad vibratoria y generarán más
calor (energía potencial -absorbe calor- <--> energía cinética -emite calor).
Por ejemplo, la conducción de calor a través de la carrocería de un coche.
Los metales son los mejores conductores térmicos; mientras que los materiales
no metálicos son conductores térmicos imperfectos.
CONVECCIÓN:
Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido (líquido o gaseoso).
La convección es el desplazamiento de masas de algún líquido o gas. Cuando
una masa de un fluido se calienta al estar en contacto con una superficie
caliente, sus moléculas se separan y se dispersan, causando que la masa del
fluido llegue a ser menos densa. Cuando llega a ser menos denso se
desplazará hacia arriba u horizontalmente hacia una región fría, mientras que
las masas menos calientes, pero más densas, del fluido descenderán o se
moverán en un sentido opuesto al del movimiento de la masa más caliente (el
volumen de fluido menos caliente es desplazado por el volumen más caliente).
Mediante este mecanismo los volúmenes más calientes transfieren calor a los
volúmenes menos calientes de ese fluido (un líquido o un gas).
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Por ejemplo, cuando calentamos agua en una estufa, el volumen de agua en el
fondo de la olla adquirirá el calor por conducción desde el metal de la olla y se
hará menos denso. Entonces, al ser menos denso, se moverá hacia la
superficie del agua y desplazará a la masa superior menos caliente y más
densa hacia el fondo de la olla.
RADIACIÓN:
Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se
requiere de un medio para su propagación. La energía irradiada se mueve a la
velocidad de la luz. El calor irradiado por el Sol se puede intercambiar entre la
superficie solar y la superficie de la Tierra sin calentar el espacio de transición.
Por ejemplo, si colocamos un objeto (tal como una moneda, un coche, o a
nosotros mismos) bajo los rayos del Sol directos; al poco tiempo notaremos
que el objeto se calentará. El intercambio de calor entre el Sol y el objeto
ocurrirá por medio de radiación.
PROBLEMA DE TRANSFERENCIA DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se va a diseñar un intercambiador de calor tipo coraza y tubos, que tiene como
objetivo calentar 22000 Kg /h de agua de alimentación a un caldero desde 100
°C hasta 130 °C a la presión de 15 bar.
Para ello se conocen los siguientes datos:
El fluido calefactor será vapor saturado a la presión de 10 bar absolutos.
El agua está por dentro de los tubos y el vapor por el lado de la coraza.
El coeficiente de transferencia de calor por el lado del vapor se estima en
11524.5 W/m2°C
El coeficiente de transferencia de calor por el lado del agua se estima en
10622,9 W/m2°C
Los tubos por donde pasará el agua son DN ½ pulg Calibre 40
La velocidad promedio del agua en un serpentín es de 1,5 m/s
Hallar:
El cálculo del área de transferencia de calor
El cálculo del número de serpentines necesario
El cálculo de la longitud de cada serpentín.
El plano de diseño de intercambiador de calor.
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Datos:
Los diámetros sacados de tablas SCH 40 DN
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Vapor saturado
El K tomado en este ejercicio es:
Hallando Q:
Convirtiendo: 22000 Kg/h.1h/3600s=6.111Kg/s
Sacando de tablas con sus
respectivas temperaturas.
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Hallando la resistencia equivalente:
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Analogía eléctrica
Hallando coeficiente de trasmisión total de calor
Hallando el coeficiente de transmisión de calor referido al área exterior
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Para hallar el área necesitamos hallar el
Entonces el:
Hallando el LMTD:
Disposición del flujo encontrado
Para las temperaturas con presiones: y que
sacamos de tablas.
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Hallando el factor con las respectivas formulas y con el uso de la tabla.
El factor hallado de la tabla es:
Hallamos el con los datos obtenidos:
Hallamos el área 2
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Hallamos el flujo másico
Hallamos el área para hallar el flujo másico.
Para hallar el flujo másico, debemos sacar el:
El flujo másico es:
El número de serpentines
El resultado de N lo redondeamos a
Para hallar la longitud utilizaremos la fórmula:
Lo cual despejamos la longitud:
OBSERVACIONES
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Podemos observar que el proceso de diseño se puede demostrar que
las diversas situaciones realizadas en el ensamblaje de piezas no solo
constituyen objeto de observación sino que se reproducen para entender
mejor el comportamiento del intercambiador de calor.
8. CONCLUSIONES
Hemos concluido nuestro trabajo de intercambiador de calor y dentro de
las conclusiones podemos decir que hemos adquirido nuevo y valiosos
conocimientos, acerca del diseño y viendo cada detalle paso a paso.
Esperamos que este trabajo sea de mucha utilidad para quienes lo
lean y que permitan igualmente aprender a través de la lectura y
aprendiendo la parte de diseño.
BIBLIOGRAFÍA.
[1].- HOLLMAN, J. P. “TRANSFERENCIA DE CALOR”. Editorial
Mc GRAW HILL. 8° Edición.
[2].- KERKN, Donald. “PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE
CALOR”. Editorial CONTINENTAL S.A. México 1998.
[3].- PERRY. “MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO”. Editorial
Mc GRAW – HILL. Barcelona 1996.
[4].- GREGORIG, Romano. “ CAMBIADORES DE CALOR”.
Ediciones URMO S.A. España 1979.
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