TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA

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TECNOLOGIA DE LA

ENERGIA TERMICA

CONCEPTOS BASICOS

(2)

2

Tecnología de la Energía Térmica 2

CONCEPTOS BASICOS

1. Objetivos

2. Alcance

3. Desarrollo

• Balance de energía

• Mecanismos de transferencia de calor • Ecuación de diseño

• Coeficiente global de transferencia de calor • Fuerza impulsora

• Área de transferencia • Pérdida de carga

• Clasificación de intercambiadores de calor

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CONCEPTOS BASICOS

-•

Conocer las ecuaciones de cálculo y sus componentes

• Introducir el concepto de pérdida de carga

• Conocer los principales equipos de intercambio de calor

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4

CONCEPTOS BASICOS

-•

Hipótesis/Limitaciones de la ecuación de diseño

• Deducción/Desarrollo de componentes de la ecuación de

diseño

• Variables que afectan a los componentes de la ecuación de

diseño

• Aplicación a los a los equipos de transferencia de calor

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CONCEPTOS BASICOS

-Balance de energía

DESARROLLO

T

Cp

Q

=

ω

⋅

∆

• 1º Principio de la Termodinámica • Estado estacionario

• Convención de signos

λ

ω

⋅

=

Q

Calor sensible (no hay cambios de estado)

(6)

6

CONCEPTOS BASICOS

-Mecanismos de transferencia de calor

DESARROLLO

T

A

e

k

Q

=

⋅

∆

• Conducción

T

A

h

Q

=

⋅

∆

( )

4 T

A

Q

=

σ

⋅

ε

⋅

∆

• Convección

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CONCEPTOS BASICOS

-Ecuación de Diseño

(para intercambio de calor entre dos fluidos)

Consideraciones:

• Diferencia de temperaturas entre ellos

• Fluidos separados por una superficie por la cual se transfiere calor

DESARROLLO

T

A

U

Q

=

⋅

∆

Calor transferido

Coeficiente global de transferencia

Área de transferencia

(8)

8

CONCEPTOS BASICOS

-Coeficiente global de transferencia de calor

DESARROLLO

Depende de:

• Tipo de fluidos (propiedades)

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CONCEPTOS BASICOS

-Coeficiente global de transferencia de calor

DESARROLLO

Transferencia de calor entre el fluido interno y la pared

Transferencia de calor en la pared

Transferencia de calor entre la pared y el fluido externo

(

i

)

i

A

T

Tw

h

Q

=

⋅

−

(

)

m

(

i o

)

i o

Tw

A

D

k

Q

⋅

−

=

2 (

Tw

t

)

A

h

Q

=

_o

⋅

_o

⋅

_o

−













⋅

+

⋅

+

⋅

=

−

o o m i

i

k

A

h

A

e

A

h

Q

t

T

1

1 _Q

=

_U

⋅

_A

⋅

(

_T

−

_t

)

o o m

i

k

A

h

A

e

A

h

A

U

⋅

=

⋅

+

⋅

+

⋅

1

(10)

10

CONCEPTOS BASICOS

-Coeficiente global de transferencia de calor

DESARROLLO

• A=Ao

• Se desprecia el término asociado a la transferencia de calor por conducción

o o i i

h

A

h

U

1

1 +

⋅

=

o io

h

U

1

1 +

=

• Unidades

Sistema Internacional Unidades Inglesas

[Q] = W [Q] = Btu/h

[ω] = kg/s [ω] = lb/h

[Cp] = J/kgK [Cp] = Btu/lbºF [T] = ºC ó K [T] = ºF ó R

[A] = m2 _{[A] = ft}2

[k] = W/mK [k] = Btu/hftºF

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CONCEPTOS BASICOS

-Coeficiente global de transferencia de calor

DESARROLLO

• Coeficiente global limpio

• Coeficiente global sucio

1

−













+

=

o io C

h

U

1

−













+

=

Rf

h

U

o io D o io

Rf

=

+

Resistencia de ensuciamiento Resistencia de ensuciamiento Equipo limpio

(12)

12

CONCEPTOS BASICOS

-Coeficiente global de transferencia de calor

DESARROLLO

Coeficientes peliculares

• Dependen de

Tipo de fluido

Propiedades termodinámicas (evaluadas a temperatura media) Régimen

Geometría • Sin cambio de fase

• Referenciados a el área de transferencia

Resistencias de ensuciamiento

• Transferencia de calor por conducción ofrecen una resistencia a la transferencia • Situación inevitable

• Distintos tipos

Precipitación/cristalización (por cambio de Tº) Sedimentación (ensuciamiento particulado) Reacción química (productos de reacción) Biológico (proliferación de algas)

Corrosión

• Referenciados a el área de transferencia

i o i io

D

Rf

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CONCEPTOS BASICOS

-Coeficiente global de transferencia de calor

DESARROLLO

• Estimación de valores

Coeficientes globales Coeficientes peliculares

Resistencias de ensuciamiento

• Análisis de resistencias

↑h ↓R (resistencia pelicular, inversa de coeficiente pelicular)

↑h_io ↑h_o + ↓Rf ↑U_D(Situación óptima, no hay resistencia controlante)

↑h_io ↑h_o + ↑Rf ↓U_D(Fouling como resistencia controlante)

↓h_io ↑h_o + ↓Rf ↓U_D(Coeficiente pelicular interno como resistencia controlante)

↑h_io ↓h_o + ↓Rf ↓U_D (Coeficiente pelicular externo como resistencia controlante)

↓h_io ↓h_o + ↑Rf ↓↓U_D(Peor situación, todas son resistencias controlantes, o ninguna lo es)

(14)

14

CONCEPTOS BASICOS

-Fuerza impulsora

DESARROLLO

Situación de intercambio de calor

• Fluido caliente: ω_h, T₁, T₂

• Fluido frío: ω_c, t₁, t₂

• Intercambiador de Doble Tubo

La diferencia de temperaturas entre los fluidos no es constante a lo largo del equipo

)

(

T

t

dA

U

dQ

=

⋅

−

medio

T

A

U

Q

=

⋅

∆

Ecuación de diseño Integrada Ecuación de diseño Diferencial

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CONCEPTOS BASICOS

-Fuerza impulsora

DESARROLLO

Hipótesis

• Intercambiador de calor adiabático (no hay pérdidas de calor al ambiente) • Caudales constantes (régimen constante)

• Propiedades termodinámicas constantes

• Coeficiente global de transferencia de calor constante

El ∆T_medio es función del arreglo o disposición de los fluidos

Arreglo cocorriente Arreglo contracorriente

(16)

16

CONCEPTOS BASICOS

-Fuerza impulsora

DESARROLLO

Diferencia media logarítmica de temperatura (

∆

T

_ML

o DMLT)

• Para arreglo contracorriente

Ecuación diferencial de Q a partir del balance de energía

dt Cp dT

Cp

dQ=

ω

_h⋅ _h⋅ =

ω

_c⋅ _c⋅

) ( )

(T t U D dx T t dA

U

dQ= ⋅ ⋅ − = ⋅

π

⋅ _o⋅ ⋅ −

Ecuación diferencial de Q a partir de la ecuación de diseño

) ( ) ( ln ) ( ) ( 1 2 2 1 1 2 2 1 t T t T t T t T A U Q − − − − − ⋅ ⋅ = IENTE CONTRACORR ML

T

A

U

(17)

CONCEPTOS BASICOS

-Fuerza impulsora

DESARROLLO

Diferencia media logarítmica de temperatura (

∆

T

_ML

o DMLT)

• Para arreglo cocorriente

) ( ) ( ln ) ( ) ( 2 2 1 1 2 2 1 1 t T t T t T t T A U Q − − − − − ⋅ ⋅ = E COCORRIENT ML

T

A

U

(18)

18

CONCEPTOS BASICOS

-Área de transferencia

DESARROLLO

• Medio físico que separa los fluidos

• Superficie por la cual se transfiere el calor requerido del balance de energía

• Material

• Buen conductor térmico • Parámetro económico

• Magnitud para establecer la verificación térmica de un equipo

• Es una consecuencia de la ecuación de diseño

ML

T

A

U

Q

=

⋅

∆

Rf vs. tiempo

A vs. tiempo U vs. tiempo

X

Diseño de equipos

• A partir del U_D se establece el tamaño del equipo

Verificación de equipos

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CONCEPTOS BASICOS

-Pérdida de carga

DESARROLLO

• Convección forzada los fluidos se mueven por diferencia de presiones los fluidos son impulsados mediante empleo de bombas/compresores según su estado físico

• No puede evitarse

• Individual para cada fluido

(20)

20

CONCEPTOS BASICOS

-Clasificación de intercambiadores de calor

DESARROLLO

(21)

CONCEPTOS BASICOS

-Clasificación de intercambiadores de calor

DESARROLLO

Principales equipos

• Doble Tubo

(22)

22

CONCEPTOS BASICOS

-Clasificación de intercambiadores de calor

DESARROLLO

(23)

CONCEPTOS BASICOS

-Clasificación de intercambiadores de calor

DESARROLLO

• Aeroenfriadores

(24)

24

CONCEPTOS BASICOS

-Clasificación de intercambiadores de calor

DESARROLLO

• Placas

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(26)

26

FIN