Trabajo Final Transferencia De Calor Aporte 1

TRANSFERENCIAS DE CALOR

TRABAJO FINAL

DIANA PATRICIA ÁLVAREZ C.C 43714721

TUTORA Carolina León

NÚMERO DEL CURSO 211611_15

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA (UNAD) ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERIA 2017

PARTE 1

1. En las centrales eléctricas son muy comunes las tuberías que transportan vapor sobrecalentado. Este vapor fluye a una razón de 0.3 kg/s dentro de una tubería con un diámetro de 5 cm y longitud de 10 m. La tubería está colocada en una central eléctrica a 20°C y tiene una temperatura superficial uniforme de100°C. Si el descenso de temperatura entre la entrada y salida de la tubería es de 30°C, y el calor específico del vapor es de 2190 J/kg ° C determine el coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie de la tubería y los alrededores. R/ Datos: Flujo masico de vapor Diámetro tuberia

𝒌𝒈 𝒔𝒆

1𝑚 = 0,05 𝑚 100 𝑐𝑚 10 𝑚 𝑞 ℎ 𝐽 𝑐𝑝 = 2190 𝐾𝑔 ∗ °𝐶 100° 𝐶 = 30° 𝐶 0,05 2 𝐴 = 𝜋𝑟 2 = 𝜋( 𝑚) = 3,93 ∗ 10−3 𝑚2 2 5 𝑐𝑚 ∗

Longitud de la Tuberia Flujo de calor Coeficiente de transferencia de calor Calor especifico Temperatura superficial Temperatura Fluido Área de la Tubería

𝑞 = 𝑤 ∗ 𝑘 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑓) = 𝑞 = 0,3 = 12554,14

𝒘 = 𝟎, 𝟑

𝑘𝑔 𝐽 ∗ 0,63694 ∗ 2190 ∗ 30°𝐶 𝑠𝑒𝑔 𝐾𝑔 ∗ ° 𝐶

𝑊 𝑚2

𝑘𝑔 𝐾𝑔 𝐽 𝐽 19710 𝑠𝑒𝑔 12554,14 𝑠𝑒𝑔 𝑄 0,3 𝑠𝑒𝑔 ∗ 2190 𝐾𝑔 ∗ ° 𝐶 ∗ 30° 𝐶 𝑞= = =𝑞= = 𝐴 2𝜋(2.5 ∗ 10−2 𝑚)(10𝑚 ) 1,57 𝑚2 𝑚2

𝒒=

𝟏𝟐𝟓𝟓𝟒, 𝟏𝟒 𝑾 𝒎𝟐

12554,14 𝑊 ) 𝑚2 ℎ= = (70° 𝐶 − 20°𝐶) (

𝒉 = 𝟐𝟓𝟏, 𝟎𝟖

𝑾 𝒎𝟐 ∗ ° 𝑪

1. Se va a calentar una bola de aluminio de 15 cm de diámetro desde 80°C hasta una temperatura promedio de 200°C.Tomando la densidad y el calor específico promedios del aluminio en este rango de temperaturas como ρ =2700 kg/m3 y cp = 0.90 kJ/kg°C, determine la cantidad de energía que necesita ser transferida a la bola.

𝐸𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 = ∆𝑈 = 𝑚𝐶𝑝(𝑇2 − 𝑇1) 𝐸𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 = ∆𝑈 = 𝜌𝑉𝐶𝑝(𝑇2 − 𝑇1) 𝑚 = (2700

𝐾𝑔 𝑛 )( )(0,15𝑚)3 = 4,77 𝐾𝑔 3 𝑚 6

Sustituyendo

𝐸𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 = ∆𝑈 = (4,77 𝐾𝑔) (0,90

𝑘𝐽 ° 𝐶) ( 200°𝐶 − 80°𝐶) = ∆𝑈 = 515 ,16 𝑘𝐽 𝐾𝑔

∆𝑈 = 515 ,16 𝑘𝐽

2. Determine la cantidad de calor requerida para pasterizar 2000 botellas de jugo de guayaba, con un contenido de 250 c.c . El peso promedio de cada envase es de 70 gramos y el calor específico del vidrio es de 0,2 cal /gr 0 C. SOLUCIÓN: Para determinar la cantidad de color requerida para pasterizar una botella de jugo de Guayaba se debe sumar las cantidades de calor que son necesaria para la botella y el líquido del jugo de guayaba a las temperaturas de pasterización del proceso. Descripción del proceso: Temperatura de proceso de escaldado para ablandar la fruta y reducir la población microbiana. Calentar el jugo a 40℃ para homogenizar Calentar el jugo a 85℃ por 20 s para inactivar la enzima Envasado del producto a 85℃ Para un envase se calcula Q: 𝑄𝑡 = 𝑄𝑔 (40°𝐶) + 𝑄𝑔(85°𝐶) + 𝑄𝑣(85°𝐶) 𝑄𝑡 = 𝑚𝑔 Cg ∆Tg (40 ° 𝐶 + 𝑚𝑔 𝐶𝑔 ∆𝑇𝑔 )(85°𝐶 + 𝑚𝑣 𝐶𝑣 ∆𝑇𝑣 )85°𝐶 𝑄𝑡 = 𝑒𝑔 𝑉𝑔 ∆𝑇𝑔 (40°𝐶 + 𝑒𝑔 𝑉𝑔 ∆𝑇𝑔 )(85°𝐶 + 𝑚𝑣 𝐶𝑣 ∆𝑇𝑣 )85°𝐶 𝑄𝑡 = 𝑒𝑔 𝑉𝑔 𝑐𝑔 (𝑡(40°𝐶 −)𝑇𝑎 ) + 𝑒𝑔 𝑣𝑔 𝑐𝑔 (𝑡(85°𝐶 − 𝑇(40°𝐶) + 𝑚𝑣𝐶𝑣 (𝑡85°𝐶 − 𝑇𝑎 )) 𝑔

𝑄𝑡 = (1,01 𝑐𝑐) (250𝑐𝑐) (0,8 𝑔

𝑐𝑎𝑙 𝑔

𝑔 °𝐶( 85°𝐶 − 40 ° 𝐶) + ( 70𝑔)(0,2 cal /g°C( 85°C-25°C) 𝑄𝑡 = 14323,5 Cal 𝑄𝑟𝑒𝑞 = 2000

; 𝑄𝑡 → 𝑄𝑟𝑒𝑞 = 2000(14323,5 𝐶𝑎𝑙)

𝑄𝑟𝑒𝑞 = 28647 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝑔

°𝐶) (40 °𝐶 − 25°𝐶) + (1,01 𝑐𝑐)( 250𝑐𝑐)(0,8 𝑔 𝑐𝑎𝑙/

3. En una industria pesquera se dispone de 45 minutos para congelar filetes de pescado e igualmente se tiene un equipo de refrigeración que trabaja con nitrógeno gaseoso con coeficiente promedio de película de 850 W /m2 °C. Determine la temperatura del nitrógeno para congelar a -2,5 °C. Datos K= Conductividad térmica: 1.6 W/m°C T= Temperatura congelación: -2.5 °C h= Coeficiente de película: 850W/m2 °C a= semiespesor 0.04 m t: Tiempo congelación : 45 minutos = 2700 s Temperatura refrigerante nitrógeno gaseoso: ? Suposiciones ρ=Densidad de filete de pescado: 1.061 Kg/m3 λ= Calor latente congelación pescado: 280000 J/kg a= semiespesor 0.04 m

°T refrigerante - °T Alimento=

ρXλ

1 + a t

2h

8k

°T congelación - °T refrigerante= 1061 Kg /m3 X 280000 J/Kg 2700 s

°T congelación - °T refrigerante

=

a

1

+

0.04 m

0.04m

2(850w/m2°C) 8(1.6 w/m°C)

16.34°C

-T refrigerante = 16.34°C - °T congelación - T refrigerante = 16.34 °C – (- 2.5 °C) - T refrigerante = 18,84 °C T refrigerante = - 18,84 °C Rta: La temperatura del nitrógeno para congelar a -2,5 °C, es de -18.84°C

PARTE 2 El equipo para transferencia de calor es esencialmente usado en todas las industrias de proceso, y el ingeniero de diseño debe estar familiarizado con los diferentes tipos de equipo empleados para esta operación. Aún cuando pocos ingenieros están involucrados en la fabricación de intercambiadores de calor, muchos ingenieros están directamente comprometidos con la especificación y adquisición de equipos de transferencia de calor. Entonces son de gran importancia para estas personas las consideraciones de diseño de procesos, ya que deben decidir cual unidad de equipo es mejor para un proceso dado. Los modernos intercambiadores de calor van desde los intercambiadores simples de tubos concéntricos hasta complejos intercambiadores con cientos de metros cuadrados de área de calentamiento. Entre estos dos extremos se encuentran el intercambiador convencional de casco y tubos, intercambiadores con tubos de superficie extendida, intercambiadores de placas, hornos y muchas otras variedades de equipo. Una inteligente selección de equipos de transferencia de calor, requiere un entendimiento de las teorías básicas de la transferencia de calor y los métodos para cálculos de diseño, en adición los problemas relacionados al diseño mecánico, fabricación, y operación deben no ser descuidados. Una revisión de la teoría de transferencia de calor y métodos de cálculo para diseño son presentados en esta obra, junto con un análisis de los factores generales que pueden ser considerados en la selección de equipo de transferencia de calor.

.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor de acuerdo a su construcción pueden dividirse en tres grandes grupos:

Intercambiadores compactos.- los que están hechos en base a placas o laminas “planas” paralelas.

Intercambiadores tubulares.- los que están hechos en base a tubos.

Intercambiadores misceláneos.- los que tienen diferentes configuraciones según el requerimiento específico.

De todos estos tres grupos, los que predominan en la industria son los intercambiadores compactos y los intercambiadores tubulares. Aunque hace pocos años casi todos los intercambiadores de calor eran del tipo tubular (doble tubo y de casco y tubos), actualmente estos están siendo remplazados por los denominados intercambiadores compactos (intercambiador de placas, de espiral y laminar) y para procesos específicos se usan los intercambiadores que pueden considerarse dentro de los misceláneos (chaqueta, espiral calentador de aire, enfriador por goteo, líneas trazadoras, etc.)

GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR

APLICACIÓN Fluidos viscosidad cp)

de

OBSERVACIONES

El intercambiador de placas requiere pequeñas baja áreas de transferencia. ( < 10 Para fluidos no corrosivos a altas temperaturas o altas presiones, usar intercambiadores tubulares

Para fluidos no corrosivos, usar intercambiadores tubulares de acero al carbono. Líquidos de baja Para cargas corrosivas, para mantener la higiene de viscosidad o vapores los fluidos y para vapor a baja presión; usar intercambiadores de placas. Para grandes cantidades de vapor, usar intercambiadores de espiral Con iguales fluidos en ambos lados, usar el Fluidos de viscosidad intercambiador de placas. media (109 – 100 cp) Si las empaquetaduras causan problemas o la cantidad de sólidos es elevada, usar un intercambiador de espiral. Se aprovecha la configuración de las placas para Fluidos con alta proporcionar un flujo turbulento. viscosidad En algunos casos se han usado placas para viscosidades sobre los 5 000 cp. ( > 100 cp) Para viscosidades extremas es preferido el intercambiador de espiral. Fluidos sucios (con alta Puede usarse el intercambiador de placas o el de espiral. tendencia a formar Por su fácil acceso a la limpieza es preferible el incrustaciones) intercambiador de placas. Recomendable el de espiral (usado en algunos casos para Suspensiones y pulpas corrientes con mas de 50% de sólidos) y en ciertos casos el intercambiador de placas. Líquidos sensibles al calor

El intercambiador de placas es el mejor y en ciertos casos el de espiral

Enfriamiento o calentamiento de aire

Intercambiador de superficie extendida

Gases o aire a presión

Con ciertas limitaciones puede usarse el intercambiador de placas, de otro modo debe seleccionarse un intercambiador tubular (con superficie extendida en el lado del gas)

Condensación

Para cargas no corrosivas, seleccionar un intercambiador tubular de acero al carbono. Para cargas corrosivas un intercambiador de espiral. Para ciertos casos como el requerimiento de condiciones higiénicas, puede considerarse el intercambiador de placas.

Alta presión (sobre 35 atm.) Usar intercambiador tubular o altas temperaturas (sobre 500 C) Fluidos extremadamente Usar intercambiador de grafito corrosivos

Ciertas condiciones lo hacen mas atractivo que las unidades tubulares para las mismas aplicaciones. Entre las ventajas que ofrecen los intercambiadores de placas están: 

Mayor área de transferencia por unidad de volumen (ocupan menos espacio)



Altas flexibilidades en el diseño de las áreas de transferencia y arreglos de flujos



Puede operar con mas de dos fluidos



Alta turbulencia, produciéndose un coeficiente de película elevado y baja incrustación; lo cual lleva consigo una disminución en el área necesaria para la transferencia de calor



Bajas caídas de presión



Facilidad para extender o rearreglar la unidad para incrementos o modificaciones de las cargas de calor



Facilidad de mantenimiento



Aproximación de temperaturas.

CARACTERÍSTICAS DEL INTERCAMBIADOR DE PLACAS

Un intercambiador de placas consiste de una armazón y de placas corrugadas o ranuradas de metal. La armazón incluye una placa fija, una placa de

presión y partes de conexión y presión. Las placas son presionadas unas a otras sobre una armazón Las placas extremas no transfieren calor. 1 Armazón fija

5

Empaquetaduras

2 Conexiones de entrada y salida

6

3 Placas extrema inicial

7

4

Perno de ajuste

8

Placa térmicas Conexiones entre placas Placa extrema de presión

Partes del intercambiador de placas

DISPOSICIÓN DE LAS PLACAS Placas extremas Placas térmicas

T2 t1 Fluidos T1 t2

Flujos en un intercambiador de placas

Series de placas son presionadas unas a otras, de tal manera que las corrugaciones forman estrechos canales

para el flujo de los fluidos, lo cual

siempre produce turbulencia aún a velocidades muy bajas. Las corrugaciones también aumentan la rigidez de las delgadas placas, haciéndolas capaces de resistir deformaciones debido a las altas presiones. Un adecuado número de soportes también ayuda a minimizar los riesgos de deformaciones debido a las presiones.

Fluido 1

Fluido

2

Empaquetaduras

Placa

Disposición de las empaquetaduras

Usando las empaquetaduras según convenga, se puede arreglar el flujo en contracorriente y los flujos individuales pueden ser divididos en corrientes paralelas, así mismo las empaquetaduras sellan a las placas en sus bordes en todo su alrededor, haciendo el diseño respectivo para dar lugar a las entradas y salidas que pueden ser en el tope o en el fondo. Las empaquetaduras también proveen un doble sello entre las corrientes de los fluidos haciendo imposible la mezcla, también se pueden hacer una gran combinación de canales, de tal manera que el conjunto de placas se puede ajustar para diferentes servicios.

Los fabricantes han desarrollado sus respectivos tipos de placas para optimizar la transferencia de calor y las caídas de presión. El tamaño y espesor de las placas unidos al diseño de la armazón, están relacionados al tipo particular de placas (corrugadas o ranuradas). En la actualidad aún no existe un diseño estándar común para el intercambiador de placas tal como el de la TEMA o la BSS para intercambiadores tubulares.

Las placas pueden ser construidas de materiales que pueden ser trabajados en frío, sin someterlos a un proceso de soldadura. Los materiales comunes de intercambiadores de placas son acero inoxidable, titanio, níquel, monel, incoloy 825, hastelloy C, bronce al fósforo y cobre-niquel. Los materiales que poseen titanio proveen una gran resistencia a la corrosión.

El espesor de las placas varía entre 0,5 a 3,0 mm. La distancia promedio entre placas (ancho de los canales) está entre 1,5 a 5,0 mm. Los tamaños de las placas varían entre 0,03 a 1,5 m2. Las áreas de transferencia se extienden desde 0,03 hasta 1500 m2. Los grandes intercambiadores de placas manejan flujos de hasta 2500 m3/h.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. Fonseca, V. (2015). Modulo Transferencia de Calor (pp. 1-174). Universidad Nacional Abierta y A Distancia. 2. Ibarz, A., & Barbosa-Cánovas, G. V. (2005). Operaciones unitarias en la ngeniería de alimentos. Madrid, ES: Mundi-Prensa. Recuperado 3.

León Virgüez, C. ( 26,12,2016). Formas de transmisión de calor