Lab. Transfer en CIA de Calor

Universidad de GuadalajaraCentro universitario de ciencias exactas e ingenieras

Ulises De la Torre Hernndez

Seguridad en el laboratorio de transferencia de calor

Profesor Armando Lpez Ornelas

Guadalajara, Jal

23-Diciembre-2011

Que es un laboratorio? Local dispuesto y equipado para la investigacin, experimentacin y otras tareas cientficas, tcnicas o didcticas. En el siglo XIX se construyeron los primeros laboratorios semejantes a los que existen en la actualidad, con bancos, armarios, cajones y estantes en la parte superior para colocar los reactivos. En los primeros aos del siglo XX se trat de facilitar la disposicin de los servicios de manera horizontal, por el suelo o por el techo, o mediante conductos verticales. Estos servicios consisten, como mnimo, en el suministro de agua, gas y electricidad. En la actualidad, tanto la disposicin de los bancos como la distribucin en ellos de los servicios y los sistemas de seguridad son muy diferentes segn el tipo de laboratorio. SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Toda sustancia qumica debe ser considerada un txico en potencia, por lo que la manipulacin de estas sustancias se debe realizar con mucho cuidado y conociendo, de antemano, las consecuencias de dicha manipulacin. Adems, aunque los laboratorios han sido diseados y construidos para que los riesgos sean mnimos se deben tener siempre en cuenta una serie de precauciones y seguir unas normas de seguridad bsicas: Conocer las salidas de emergencia y la localizacin y utilizacin de los extintores, lavaojos y equipos de emergencia. Mantener el rea de trabajo limpia y ordenada. Todos los equipos debern ser instalados en lugares apropiados, con buena iluminacin, ventilacin y los sistemas de seguridad correspondientes. Utilizar una bata de laboratorio que deber estar siempre abrochada. Evitar el contacto con fuentes de electricidad y de calor. Apagar los instrumentos elctricos antes de manipular las conexiones. Utilizar guantes y gafas de seguridad cuando se requieran. No se deben guardar ni consumir alimentos y bebidas dentro del laboratorio. Todos los productos inflamables se deben almacenar en un lugar adecuado, separados de los cidos y las bases y de los reactivos oxidantes. En la campana de extraccin de gases no se deben almacenar productos qumicos ni otro tipo de materiales.



Medicin de la conductividad trmica de una placa


Guadalajara, Jal

23-Diciembre-2011

La tcnica de medida de la conductividad trmica, que emplearemos en esta experiencia, se basa en la determinacin experimental del flujo de calor que atraviesa la muestra situada en el soporte de experimentacin, que mantiene al foco trmico, Tc a la temperatura constante de ebullicin del agua haciendo circular vapor a su travs, y el foco fro a la temperatura de fusin, tambin del agua, mediante un bloque de hielo en fusin que se sita en contacto trmico con la otra cara de la muestra, Tf. Adems habr que determinar el rea de contacto entre el hielo y la muestra. Por lo tanto, mediremos las siguientes variables: Espesor de la muestra, h de fcil determinacin con un pie de rey. La superficie de contacto entre el hielo y la muestra, A. Se hallar a partir de la medida del dimetro del bloque al inicio y final de la experiencia para reducir el error cometido. El flujo de calor, DQ/Dt, se determinar midiendo la masa de agua fundida en un intervalo de tiempo determinado. Esta medida se realizar en dos condiciones diferentes: 1.- Cuando el foco caliente est a la temperatura ambiente. 2.- cuando el foco caliente est ya a la temperatura de ebullicin. La diferencia entre estas dos cantidades ser realmente el flujo de calor intercambiado a travs de las superficies paralelas del material. Diferencia de temperaturas (Tc-Tf) entre el foco caliente y fro. Esta diferencia ser de aproximadamente 98.5C, dependiendo de las condiciones de presin atmosfrica en las que se realice la experiencia. Si este material en forma de lmina plana, tal y como aparece en la figura 1, se encuentra en contacto con dos focos trmicos a diferente temperatura Tc (caliente) y Tf (fro) y ha alcanzado el rgimen estacionario, la cantidad de calor por unidad de tiempo y superficie que atraviesa la placa ser proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a su espesor, dicha constante de proporcionalidad se denomina conductividad trmica, k, del material.

Analticamente el enunciado anterior se pude escribir de la siguiente forma:

DQ- calor intercambiado en el tiempo Dt, entre el foco fro y el caliente (J). DT- diferencia de temperaturas entre los focos fro y el caliente (C). k- conductividad trmica (W/mC). A- rea de la seccin transversal del bloque cilndrico (m2). h- espesor de la muestra (m). En funcin del valor de la conductividad trmica, los materiales se pueden clasificar en buenos conductores del calor, k elevadas o malos conductores k, pequeas. Para determinar el valor de la conductividad trmica, despejamos este parmetro en la ecuacin y obtenemos:



Evaluacin de perdidas de calor en un sistema de paredes compuestas con disipacin calorfica unidimensional de un cilindro aislado trmicamente


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23-Diciembre-2011

En cualquier fenmeno fsico o qumico en donde se encuentre presente una diferencia de temperaturas, se presentar una transferencia de calor, la cual nicamente puede llevarse a cabo por tres mecanismos o una combinacin de ellos, estos son:

CONDUCCIN. La transferencia de calor por conduccin el proceso mediante el cual fluye calor a travs de un slido. En este tipo de proceso , el calor se transfiere mediante un complejo mecanismo submicroscpico en el que loa tomos interactan a travs de choques elsticos e inelsticos para propagar la energa desde la regiones con mayor temperatura hacia las que tienen menor temperatura. La transferencia de calor por conduccin generalmente se da en los slidos pero puede presentarse tambin en lquidos o en gases bajo ciertas circunstancias como lo son las condiciones cercanas al reposo. La ecuacin que predice la disipacin de calor por un mecanismo de conduccin es la ley de Fourier Q=-KA T Que para un caso unidireccional se convierte en : Q=- KA(dT / dX ) Donde: Q = Flujo de calor K = Conductividad trmica del material. A= rea de transferencia de calor. T= Temperatura. X= espesor del material donde se lleva a cabo el fenmeno.

CONVECCIN. La transferencia de calor por conveccin aparece siempre que un cuerpo se coloca en un fluido con una temperatura mayor o menor. Debido a ala diferencia de temperaturas, el calor fluye entre el fluido y el cuerpo, cambiando la densidad del fluido cerca de la superficie. La diferencia de densidad produce un flujo descendente del fluido ms pesado y un flujo ascendente del flujo mas ligero. Si el movimiento del fluido solo se debe a diferencias de densidad producidas por gradientes de temperaturas , el mecanismo de transferencia de calor asociado se llama conveccin natural. Si los cambios de densidad adems de ser provocados por gradientes de temperaturas, son favorecidos por dispositivos externos como bombas o ventiladores, el mecanismo de transferencia de calor se conoce como conveccin forzada En ambos casos la ecuacin que predice la prdida de calor , es la ecuacin de Newton. Q=hA(Ts-T) Donde Q = Flujo de calor h = Coeficiente de transferencia de calor por conveccin natural o forzada. A = rea de transferencia. Ts = Temperatura de la superficie T = Temperatura del fluido.

RADIACIN. Es un fenmeno de transferencia de calor a partir de ondas electromagnticas , originado por un gradiente de temperaturas, entre ms grande es este, la radiacin se incrementa. la ecuacin que predice las prdidas de calor por radiacin es la Ecuacin de Stefan Boltzmann.

Donde Q = Flujo de calor = Constante de radiacin = rea de transferencia = Emisividad del cuerpo radiante Ts= Temperatura de la superficie. T = Temperatura del medio receptor



Calibracin de la unidad de conductividades. Trmicas con el aire ambiente


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23-Diciembre-2011

Medidor de conductividades trmicas de fluidos.

En caso de que la unidad de medicin de conductividades trmicas haya sido usada, asegrese de que dicha unidad est perfectamente limpia. Para limpiarla, saque el tornillo hexagonal que se encuentra en la tapa del lado izquierdo y empuje el cilindro calefactor cuidadosamente para que salga por el lado opuesto. Colocando la otra mano en el lado opuesto para sostenerlo, evitando jalar de los cables. Tenga cuidado de que los anillos O queden perfectamente colocados, despus de limpiar la unidad (en caso de que haya sido necesario). Haga circular el agua por la entrada correspondiente con una velocidad de 3 lts. / min. Conecte los tubitos flexibles a las uniones de carga y descarga del fluido muestra. Introduzca el fluido de muestra (en ste caso aire del medio ambiente). De ser posible usar aire seco, ya que su conductividad trmica es bien conocida y fcil de encontrar en la literatura. Inicie el suministro de voltaje comenzando con 20 volts, hasta llegar al estado estacionario. Una vez llegado al estado estacionario tome las temperaturas T1 y T2 y reprtelos en la tabla (I). Suba a 30 volts, y as sucesivamente de 10 en 10 volts, hasta 70 volts. Enseguida se muestra un esquema del medidor de conductividades trmicas y algunas caractersticas importantes de la toma de datos en el mismo.

Haciendo un balance de energa calorfica en el sistema: Determine la conductividad trmica del fluido empleado. Donde:

qe = qm + qpDonde:



Determinacin de la conductividad trmica de un liquido


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23-Diciembre-2011

La conductividad trmica de los lquidos decrece a medida que aumenta su temperatura, excepto en el caso del agua, pero el cambio es tan pequeo que en la mayor parte de las situaciones prcticas, la conductividad trmica se puede suponer constante para ciertos intervalos de temperatura; asimismo, en los lquidos no hay una dependencia apreciable con la presin, debido a que stos son prcticamente incompresibles. Para la determinacin de la difusividad trmica en lquidos se puede definir como:

Como la ecuacin no es homognea, conviene precisar las unidades en que se deben expresar las magnitudes que en ella figuran, K Cp en Kcal./kg.C. Para definir la variacin de la conductividad trmica k en funcin de la temperatura, Riedel propone la ecuacin:

Donde: k la conductividad a la temperatura T = Tr Tk en K kk la conductividad a la temperatura crtica Tk en K Tr la temperatura reducida igual a T/Tk La conductividad de los lquidos vara con la temperatura; en las proximidades del punto crtico disminuye ms rpidamente, ya que la conductividad del vapor es siempre ms baja. Si se conocen la conductividad del vapor saturado seco k y la temperatura crtica del lquido Tk en K, la conductividad del lquido a la temperatura de saturacin se puede deducir, con ayuda de la Tabla 1.1, de la relacin:



Conductividad trmica de gases


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23-Diciembre-2011

La conductividad trmica en los gases a baja presin aumenta con la temperatura. La dependencia exacta de y en T es difcil de juzgar por la estimacin de mtodos, porque otra temperatura depende de los parmetros (capacidad de calor y viscosidad) que son incorporadas en las correlaciones. Generalmente con rangos desde 4E-5 a 1.2 E-4 W/m.K2. La mayor complejidad y con polaridad en la molculas teniendo valores mas grandes. Algunas de las leyes relacionadas con y T han sido propuestos pero no son particularmente ciertos. Miller y otros enlistaron constantes polinomiales para estimar en funcin de la temperatura para muchos gases y se muestra en la fig. 10.3. Para ilustrar la tendencia se dibujo para mostrar como funcin de la temperatura para unos gases seleccionados. La conductividad trmica de todos los gases aumenta con la presin. Se piensa que el efecto es relativamente pequeo a bajas y moderadas presiones. Tres regiones de presin en las que el efecto de presin es distintivamente diferente se discuten abajo .

A MUY BAJA PRESION De baja presin de 10E-3 bares. El libre camino de las molculas es comparado con las de dimensiones tpicas de las medidas de las clulas y estas son relativamente proporcionales a la presin. Esta regin es llamada el dominio de Knudsen. Los datos en el reporte de conductividad trmica, el termino de valor de presin cero es usado muy seguido de cualquier manera esto se refiere a las evaluaciones extrapoladas de presiones a altapresion (por arriba de 10E-3 bares)y estas evaluaciones no son medidas en el dominio de presiones muy bajas. A BAJA PRESION Esta regin se extiende aproximadamente desde 10E-3 bares hasta 10 bar. La conductividad trmica se incrementa Cerca delo 1% omenose por bar tal incremento es muy ignorado en la literatura, y cualquier de los dos valores de un bar o de la presin cero Los valores extremos de la temperatura constituyen el rango experimental. Para extrapolacin a otras temperaturas, se sugiere que los datos consignados se grafiquen como log de k VS. log de T o que se haga uso de la suposicin de que la razn Cp/k es prcticamente independiente de la temperatura (o de la presin, dentro de limites moderados). Conductividad Trmica de Gases a Alta Presin En la figura 10-5 se muestra la conductividad trmica del propano sobre un rango ancho de presiones y temperaturas. La presin alta en el dominio del gas seria representada por las curvas del lado derecho de la grafica sobre la temperatura critica. Aumentando la presin aumenta la conductividad trmica con la regin alrededor el punto crtico siendo particularmente sensible. Aumentando la temperatura a bajas presiones resulta en una conductividad trmica

ms grande, pero en alta presin se nota el efecto contrario Comportamiento similar se muestra para la regin debajo Tc, donde para lquidos disminuye con temperatura mientras que para gases hay un aumento para con T. Los efectos de presin son pequeos debajo de Tc. No se muestran en la figura 10-5 es el comportamiento inusual de cerca del punto critico. En esta regin la conductividad trmica es bastante sensible para ambas; la temperatura y la presin. En la figura 10-6 muestra un grafico de para CO2 cerca del punto critico. La explicacin para este fenmeno no es clara; puede ser a travs de orden de transicin molecular o efectos de circulacin a pequea escala resultando de la migracin de racimos de molculas. En cualquier caso, cuando generalizando cartas de efectos de presin el son dibujadas, esas irregularidades sobre Tc y Pc son usualmente aislados hacia fuera y no se muestran.



Limite de estabilidad de llama para un combustible gaseoso


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23-Diciembre-2011

Cuando la velocidad de la mezcla fresca es mayor que la velocidad de quemado (laminar o turbulenta) la llama debe ser estabilizada, o sostenida, en algn punto corriente arriba del flujo, para obtener una llama estable. La llama puede estabilizarse en una capa lmite, como ocurre en los bordes de un pico de quemador. Alternativamente la llama puede estabilizarse en una zona de recirculacin, como ocurre detrs de un parallama formado por un objeto romo, o en un ensanchamiento sbito del conducto, como en el domo del tubo de llama de un combustor de turbina de gas, o en el centro de un vrtice fuerte. Estabilizacin en capa lmite La Figura 6.1 muestra el mecanismo bsico de estabilizacin en la capa lmite del borde de un pico de quemador:

Experimentalmente se observa que el anclaje de las llamas laminares ocurre a aproximadamente 1 mm del borde del pico. En s, la estabilizacin de la llama ocurre dentro de la capa lmite. Por simplicidad se asume que la variacin de velocidad con la distancia al centro del tubo es lineal y vara en forma monotnica con el caudal. Para que la estabilizacin tenga lugar es necesario que la velocidad de quemado de la mezcla sea igual a la velocidad de la mezcla fresca en algn punto, y menor en el resto de la regin. Si la velocidad de quemado excede la del flujo la llama se mover corriente arriba, y si es menor, la llama se propagar como una llama oblicua. La velocidad de quemado de la mezcla se reduce cuando la llama est muy cerca del borde del pico debido a la prdida de calor y de radicales activos por la presencia de la superficie fra. La figura muestra la variacin de la velocidad de quemado (curvas 2,3y 4) para las llamas en la posiciones 2, 3 y 4. En estas posiciones las llamas estn estabilizadas. Si el caudal, y por consiguiente el gradiente de velocidad cerca de la pared, aumenta por encima del caso 2, la llama es barrida corriente abajo. A este fenmeno se lo denomina soplado (blow off).

Si el caudal disminuye por debajo del del caso 4 la llama se propaga hacia adentro del tubo; a esto se lo denomina flash-back. Los valores crticos de gradiente de velocidad en la capa lmite para soplado y flashback dependen de la mezcla como se muestra en la Figura 6.2 para gas natural:

El efecto del tipo de combustible se muestra en la Figura 6.3. Estas correlaciones son casi independientes del dimetro del tubo, lo que indica que el gradiente de velocidad en el borde, g =(dU/dy)o es el parmetro apropiado.

Un razonamiento dimensional indicara que el gradiente de velocidad crtico gc para soplado y flash-back se correlacionan con la velocidad de la llama Su y su espesor . El parmetro adimensional apropiado sera

Para el caso de soplado esta parmetro se puede interpretar en trminos de la teora de estiramiento de Karlovitz y d buenos resultados para soplado desde placas delgadas. Para soplado desde picos de quemadores la situacin es ms compleja debido a la dilucin con aire ambiente por encima del borde del quemador. Si las mezclas son ricas pueden aparecer llamas levantadas como muestra la Figura:

El mecanismo de estabilizacin de llamas levantadas es objeto de gran controversia. El flujo es usualmente turbulento. De acuerdo a la teora tradicional, la llama se estabiliza donde la mezcla es estequiomtrica y la velocidad de llama y de mezcla son iguales y opuestas. Otras teoras consideran la extincin de las llamas locales de difusin y an otras teoras consideran las estructuras de gran escala. La presencia de un flujo externo co-fluyente aumenta grandemente la tendencia de las llamas levantadas a soplarse.



Proporcin aire/combustible en la combustin de un combustible gaseoso


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23-Diciembre-2011

Para que el motor de gasolina funcione adecuadamente, debe prepararse la mezcla de aire y gasolina de manera adecuada. Esta mezcla comienza a formarse desde el punto donde se unen gasolina y aire, continua por el conducto de admisin, luego durante la carrera de admisin del pistn y termina durante la carrera de compresin, en donde el calentamiento del aire debido al incremento de la presin (los gases se calientan cuando se comprimen) evapora la gasolina y la mezcla ntimamente con el aire. Qumicamente hablando, existe una cantidad exacta de aire (que proporciona el oxgeno) para hacer la combustin de la gasolina sin que sobre ni aire ni combustible, esta cantidad se llama relacin estequeomtrica, y para las gasolinas comerciales, est entre 14 y 15 veces la cantidad de aire en peso, por la cantidad de gasolina, pero en la prctica, en el motor real no puede usarse esa relacin porque parte del combustible saldra por el escape sin quemar, debido al escaso tiempo que tienen para encontrarse y reaccionar los miles de millones de tomos de oxgeno, con los otros tantos de combustible. Ilustremos la situacin de la combustin dentro del cilindro con el ejemplo siguiente. Supongamos que vamos a un gran baile con mil mujeres (combustible), y mil hombres (aire), y que este; solo dure unos 30 minutos, la posibilidad de que todas las mujeres encuentren un hombre con quien bailar, es muy remota, y lo mas probable es que se acabe el baile, y todava queden parejas sin formarse, no obstante, si la cantidad de hombres es mayor que la de mujeres, la probabilidad de que las fminas no encuentren pareja es mucho menor, aunque sobren hombres que no bailarn con nadie. Del mismo modo se hace en el motor de combustin interna, se introduce al cilindro mas aire del estequeomtricamente necesario, para garantizar el quemado total del combustible cuando se quiere obtener, gases de escape limpios de combustible sin quemar. Esta cantidad de exceso de aire no puede ser indiscriminada, ya que si es demasiado grande, parte de la energa de la gasolina se gasta calentando el aire sobrante, que luego es desechada por el escape reduciendo la potencia y eficiencia del motor, de manera que hay un ptimo que los dispositivos de preparacin de la mezcla tratan de seguir lo mejor posible. De acuerdo a los requerimientos a que se destine el motor, este "ptimo" puede ser variable siguiendo mas o menos estas reglas generales: 1.-Para obtener la mxima potencia se usa algo menos de aire que el necesario. 2.-Para obtener la menor produccin de gases txicos por el escape se una mas aire del necesario. Esta proporcin puede variar desde el 95 al 125% de aire.

Es bueno aclarar aqu ,que para la marcha en vaco (ralent) o "en baja", resulta necesario usar una mezcla rica en gasolina si se quiere un trabajo estable del motor, por tal motivo este es el rgimen mas contaminante del motor, y es el clsico problema de contaminacin durante congestin de vehculos en las vas, en las grandes ciudades. Lo mismo sucede cuando el acelerador se pisa a fondo para obtener potencia elevada; por ejemplo para adelantar otro vehculo, aqu tambin debe usarse una mezcla pobre el aire (ptimo para gran potencia).



Intercambiador de calor de dos pasos en tubos y uno en coraza


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23-Diciembre-2011

Los intercambiadores de tipo haz de tubos y coraza se usan para servicios en los que se requieren grandes superficies de intercambio, generalmente asociadas a caudales mucho mayores de los que puede manejar un intercambiador de doble tubo. En efecto, el intercambiador de doble tubo requiere una gran cantidad de horquillas para manejar servicios como los descriptos, pero a expensas de un considerable consumo de espacio, y con aumento de la cantidad de uniones que son puntos dbiles porque en ellas la posibilidad de fugas es mayor. La solucin consiste en ubicar los tubos en un haz, rodeados por un tubo de gran dimetro denominado coraza. De este modo los puntos dbiles donde se pueden producir fugas, en las uniones del extremo de los tubos con la placa, estn contenidos en la coraza. En cambio en un conjunto de horquillas estos puntos estn al aire libre. En la siguiente ilustracin vemos un intercambiador de haz de tubos y coraza.

Como se puede observar, el fluido que ha de circular en el interior de los tubos ingresa por el cabezal derecho y se distribuye por los orificios de la placa en el haz de tubos. El fluido de la coraza, en cambio, circula por el exterior del haz de tubos, siguiendo una trayectoria tortuosa por el efecto de las pantallas (bafles) o tabiques deflectores. A este intercambiador se lo denomina tipo 1-1, por tener un solo paso por la coraza y por los tubos. De tener dos pasos por los tubos y uno por la coraza se llamara tipo 2-1. El flujo en la coraza es casi perpendicular al haz de tubos. Las disposiciones del haz se pueden observar en el siguiente esquema.

Existen tres tipos bsicos de intercambiadores de haz de tubos y coraza. Dentro de cada uno de ellos hay numerosos subtipos diseados para circunstancias de operacin especficas. La construccin ha sido normalizada por una institucin privada de los EEUU llamada T.E.M.A (Tubular Exchangers Manufacturers Association). Dichas normas han sido aceptadas en todo el mundo, y se pueden encontrar en todos los textos especializados en intercambiadores de calor. Los tres tipos bsicos son: Tubos en U De cabezal fijo De cabezal flotante



Determinacin experimental del coeficiente global de transmisin de calor en un intercambiador de tubos y coraza


Guadalajara, Jal

23-Diciembre-2011

El mtodo que damos aqu sirve para dar una idea aproximada de dimensiones de un intercambiador tpico. Se debe recordar que no podemos usarlo para determinar el tipo de intercambiador, y que los resultados son solo aproximados. Para obtener el tamao y caractersticas del intercambiador seguimos los pasos que se detallan a continuacin. 1) Estimar el coeficiente global .U.. 2) Determinar la cantidad de calor a intercambiar y la MLDT. 3) Elegir una velocidad de flujo del lado de tubos, o usar la que se us antes para determinar el coeficiente pelicular del lado de tubos. Con esta velocidad determinar el rea total de flujo necesaria para que por los tubos pueda fluir el caudal del fluido de tubos. 4) En la tabla de la pgina siguiente determinar el nmero de tubos requeridos para 1 pie cuadrado de seccin transversal del haz de tubos. Asumir tubos de 3/4" para empezar si existe duda respecto al dimetro de tubos. 5) De la misma tabla obtener la superficie de intercambio que corresponde a 1 pie cuadrado de seccin transversal del haz de tubos por pie de longitud. Usar este nmero para calcular la longitud de haz de tubos que proporciona el rea total de flujo igual o mayor a la necesaria, que se determinara en el paso 3. Se preferir una longitud igual a la standard, que es de 16 pies. Piense que si bien conviene que los tubos sean lo mas largos que sea posible tambin hay que tener en cuenta que los de 16 pies son los mas baratos. 6) De la curva superior en la figura siguiente (Fig. 5) determinar el cociente del dimetro de coraza a dimetro de tubo y de este cociente calcular el dimetro de coraza. Esta figura est basada en arreglo en tringulo con espaciado de tubos igual a 7) De la curva inferior (2) de la Fig. 5 determinar el nmero de tubos a travs de la coraza.

8) De la Fig. 6 determinar (con la cantidad de tubos a travs del casco) el espaciado de deflectores que proporciona una velocidad adecuada en la coraza. La Fig. 6 est basada en un flujo de 1 pie cbico por segundo y tubos de 1" de dimetro. Para corregir esto para distintas condiciones ver tabla mas abajo.



Intercambiador de calor de tubos concntricos


Guadalajara, Jal

23-Diciembre-2011

El intercambiador de doble tubo es el tipo mas simple que se puede encontrar de tubos rectos. Bsicamente consiste en dos tubos concntricos, lisos o aletados. Normalmente el fluido fro se coloca en el espacio anular, y el fluido clido va en el interior del tubo interno. La disposicin geomtrica es la siguiente:

El intercambiador est formado por varias unidades como las mostradas en el esquema. Cada una de ellas se llama .horquilla. y se arma con tubo roscado o bridado comn y corriente. Las uniones tambin pueden ser soldadas, pero esto no es habitual pues dificulta el armado y desarmado para su limpieza. El flujo en este tipo y similares es a contracorriente pura, excepto cuando hay caudales grandes que demandan un arreglo en serie-paralelo. El flujo en contracorriente pura resulta en hasta un 20% mas de intercambio comparado con el arreglo en equicorrientes de modo que si se manejan corrientes pequeas este equipo es el mejor, y tambin el mas econmico. Las longitudes de horquilla mximas son del orden de 18 a 20 pies. Si se usan largos no soportados mayores, el tubo interno se dobla y distorsiona el espacio anular, causando mala distribucin del flujo en el mismo debido a su excentricidad y disminuyendo el coeficiente global. Veamos algunas de sus ventajas. Son flexibles, fciles de armar y mantener. La cantidad de superficie til de intercambio es fcil de modificar para adaptar el intercambiador a cambios en las condiciones de operacin, simplemente conectando mas horquillas o anulndolas; desconectarlas lleva minutos. Se modifican en poco tiempo, con materiales abundantes en cualquier taller. No requieren mano de obra especializada para el armado y mantenimiento. Los repuestos son fcilmente intercambiables y obtenibles en corto tiempo. Algunas de sus aplicaciones: cuando un fluido es un gas, o un lquido viscoso, o su caudal es pequeo, mientras el otro es un lquido de baja viscosidad, o con alto caudal. Son adecuados para servicios con corrientes de alto ensuciamiento, con lodos sedimentables o slidos o alquitranes por la facilidad con que se limpian. Si hay una buena respuesta a la limpieza qumica o los fluidos no ensucian, las uniones pueden ser soldadas para resistir altas presiones de operacin. Son bastante comunes en procesos frigorficos. En una variante del intercambiador de doble tubo, intermedia entre estos y los intercambiadores de haz de tubos y coraza, se reemplaza el tubo interior nico por una

cantidad pequea de tubos finos. Esto se hace para aumentar la superficie de intercambio y la velocidad lineal en el espacio de la coraza, lo que a su vez aumenta tambin el intercambio de calor. Las diferencias entre estos intercambiadores y los de haz de tubos y coraza son las siguientes. 1) En los intercambiadores tipo horquilla de tubos internos mltiples los mismos pueden estar mas cerca unos de otros que en los de haz de tubos y coraza. En los intercambiadores de haz de tubos y coraza la relacin (espaciado de tubos)/(dimetro de tubos internos) normalmente es del orden de 1.25 a 1.5, mientras que en los intercambiadores tipo horquilla de tubos internos mltiples esta relacin puede ser menor de 1.25. 2) El largo no soportado de tubos admisible en el tipo horquilla no es tan grande como en los de tipo casco y tubos, debido a la ausencia de bafles y estructuras auxiliares de soporte.



Efectos de operacin en intercambiadores de calor de un solo paso cuando se conecta en contracorriente


Guadalajara, Jal

23-Diciembre-2011

Los cambiadores de tubos concntricos y los de coraza y tubos (1,1) ( un paso por la coraza y un paso por los tubos), son dos de los equipos mas empleados en la industria qumica . En este tipo de intercambiadores se manejan dos tipos de corrientes una fra y otra caliente, las cuales a su paso por el rea efectiva de transferencia de calor generan un perfil de temperaturas caracterstico dependiendo como sean arreglados cada uno de los dos fluidos. Las Figs. 2 y 4 muestran los arreglos en paralelo y contracorriente, que corresponden a las dos nicas formas en que este tipo de cambiadores pueden arreglarse. En las siguientes secciones se analizarn las caractersticas especficas de cada uno de estos dos arreglos. ARREGLO EN CONTRACORRIENTE. La distribucin de temperaturas del fluido caliente y fro asociadas a un arreglo en contracorriente , puede observarse en la figura 3 , de este arreglo pueden observarse las siguientes caractersticas : 1. A diferencia del arreglo en contracorriente , esta configuracin permite que la transferencia de calor se lleve acabo entre las partes mas calientes de los dos fluidos T2 y t2 as como entre las partes mas fras T1 y t1 . Por esta razn la diferencia de temperaturas entre la corriente caliente y la corriente fra, con respecto a la longitud del cambiador no es tan grande en ningn lugar como lo es para la regin de entrada del intercambiador en arreglo en paralelo.

2. La temperatura mxima de salida del fluido fro solo puede alcanzar, en un caso extremo, la temperatura de salida del fluido caliente, a su vez la temperatura mxima de salida del fluido caliente ser la temperatura de salida del fluido fro.



Efectos de operacin en intercambiadores de calor de un solo paso cuando se conecta en paralelo


Guadalajara, Jal

23-Diciembre-2011

La distribucin de temperaturas del fluido caliente y fro asociadas a un arreglo en paralelo puede observarse en la figura 1, de este arreglo se pueden observar las siguientes caractersticas: 1. El gradiente de temperaturas entre el fluido caliente y fro a la entrada del cambiador T1-t1 es el mas grande que puede alcanzarse de los dos arreglos de flujo posibles, es decir en este arreglo la transferencia de calor a la entrada es la mas alta posible. 2. El gradiente de temperaturas entre las dos corrientes a la salida (T2-t2) tienden a igualarse en cambiadores lo suficientemente largos, ocasionando en el mejor de los casos una transferencia de calor nula o bien en el peor de los casos, el fenmeno de recalentamiento en donde la direccin del flujo de calor se invierte ocasionando que la corriente fra , caliente a la corriente caliente .

3. En este tipo de arreglo la transferencia de calor tiende a disminuir rpidamente tal que la temperatura ms fra a la cual se puede enfriar la corriente caliente Tc1 , es igual a la temperatura de salida de la corriente fra tf2 ; Similarmente la temperatura ms caliente a la cual la corriente fra de entrada tf1 , puede calentarse es la temperatura de salida de la corriente caliente Tc2 . 4. Las trayectorias antes descritas han sido ejemplificadas con una lnea punteada en la figura 1, sin embargo estas condiciones lmite slo pueden alcanzarse en cambiadores de calor lo suficientemente largos, difcilmente se alcanzan en equipos convencionales.



Transferencia de calor por radiacin


Guadalajara, Jal

23-Diciembre-2011

Radiacin trmica es la radiacin emitida por un cuerpo como consecuencia de su temperatura y depende adems de una propiedad superficial llamada emitancia. Todo cuerpo emite radiacin hacia su entorno y absorbe radiacin de este cuerpo. La radiacin infrarroja de un radiador hogareo comn o de un calefactor elctrico es un ejemplo de radiacin trmica, al igual que la luz emitida por una lmpara incandescente. La radiacin trmica se produce cuando el calor del movimiento de partculas cargadas dentro de los tomos se convierte en radiacin electromagntica. La materia en un estado condensado (slido o lquido) emite un espectro de radiacin continuo. La frecuencia de onda emitida por radiacin trmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura. Todos los cuerpos negros a una temperatura determinada emiten radiacin trmica con el mismo espectro, independientemente de los detalles de su composicin. Para el caso de un cuerpo negro, la funcin de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida est dada por la ley de radiacin trmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiacin emitida ms probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energa emitida por unidad de tiempo y superficie emisora. Esta energa depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta. A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por s mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas ms altas, vemos los cuerpos porque por la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por s mismos. As, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas. La relacin entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiacin emitida se utiliza en los pirmetros pticos.

Ejemplos de radiacin trmica La aplicacin de la Ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99% de la radiacin emitida est entre las longitudes de onda 0,15 m (micrmetros o micras) y 4 micras y su mximo, dado por la ley de Wien, ocurre a 0,475 micras. Como 1 = 10-10 m = 10-4 micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 hasta 40000 y el mximo ocurre a 4750 . La luz visible se extiende desde 4000 a 7400 . La radiacin ultravioleta u ondas cortas iran desde los 1500 a los 4000 y la radiacin infrarroja o radiacin trmica u ondas largas desde las 0,74 micras a 4 micras.

La aplicacin de la Ley de Planck a la Tierra con una temperatura superficial de unos 288 K (15C) nos lleva a que el 99% de la radiacin emitida est entre las longitudes de onda 3 m (micrmetros o micras) y 80 micras y su mximo ocurre a 10 micras. La estratosfera de la Tierra con una temperatura entre 210 y 220 K radia entre 4 y 120 micras con un mximo a las 14,5 micras. Por tanto la Tierra slo emite radiacin infrarroja o trmica.

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