Trabajo de Transmisión de calor

Universidad Técnica Nacional

Sede Del Pacífico

Diplomado en Ingeniería Producción Industrial

IPRI-612 Operaciones Industriales

Tema de exposición:

“Trasmisión de calor”

Profesor:

Luis Alberto Rojas Montealegre

Autores:

Rachel Arias Alfaro.

Nikol Sancho Rojas.

María José Cisneros Rodríguez.

Nazerin Herrera Venegas.

Tabla de Contenido

Introducción...3

Objetivos...4

Objetivo general...4

Objetivos específicos...4

Desarrollo...5

Proceso de transferencias de calor:...5

Formas de transferencia de calor: conducción, convección y radiación...5

Intercambiador de calor...8

Aprovechamiento del vapor de agua (calderas)...12

Conclusiones...18

Bibliografía...19

Tabla de figuras

Figura 2. Formas de transferencia de calor...8

Figura 3. Ciclo de Refrigeración...9

Figura 4. Intercambiador de calor de flujo paralelo...10

Figura 5. Intercambiador de calor de contra flujo...11

Figura 6. Intercambiador de calor de flujo cruzado...11

Figura 7. Caldera pirotubulares...14

Figura 8. Caldera acuotubulares...15

Figura 9. Caldera atmosférica...16

Introducción

La transferencia de calor va de la mano de la termodinámica, ya que, gracias a esto nos ayuda a identificar la cantidad de calor que se suministra en un determinada actividad o proceso, la transferencia en sì nos ayuda a determinar el tiempo en la que tarda en transferir dicho calor, en lo cual en la vida cotidiana se nota mucho en los distintos procesos en la que un ingeniero debe luchar día a día en sus jornadas de trabajo.

Cabe mencionar que, en la mayoría de los equipos presentes en las industrias, donde normalmente presentan una gran cantidad de utilidad de calor, donde por medio de sus distintos diseños poseen un alto o bajo nivel de análisis de transferencia de calor, donde equipos como calderas, condensadores y calentadores, donde ya sea de forma analítica o experimental se lleva a cabo este análisis de calor en los distintos procesos

En la mayoría de las operaciones unitarias que se producen diariamente en el sector industrial se llevan a cabo un sinnúmero de intercambios de energía térmica.

Los responsables de estas operaciones unitarias intentaran reutilizar esta energía térmica con el fin de ahorrar costos de operación ya que estos requiero de una gran cantidad monetaria solo para su funcionamiento.

El calor es la energía que se transfiere de un sistema a otra causa de la diferencia de temperatura. La termodinámica es la cantidad de calor que se transfiere cuando un sistema pasa de un estado de equilibrio a otro y la trasferencia de calor es la rapidez con que se transfiere el calor.

Objetivos

Objetivo general

Estudiar los distintos temas de transmisión de calor mediante una investigación general de los conceptos básicos para la comprensión de conocimientos sobre este tema.

Objetivos específicos

- Identificar los procesos de transmisión de calor para la obtención de nuevos conocimientos que sean adquiridos por este tema.

- Identificar los conceptos de conducción, convección y radiación del calor para el conocimiento de sus diferencias y características que cada uno posee.

- Identificar los intercambiadores de calor para la comprensión de sus objetivos y características.

Desarrollo

Proceso de transferencias de calor:

La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente térmico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto. El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente próximas, la transferencia de calor no puede ser detenida, solo puede hacerse más lenta.

Sistemas de Unidades Utilizadas. Q: Taza de flujo calórico [KW]

q: Taza de flujo calórico por unidad de área [KW/m]

Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

Formas de transferencia de calor: conducción, convección y radiación

Existen tres formas de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. En nuestro día a día presenciamos estas tres diferentes formas de transmisión de calor, ya que hacemos uso de ellas al calentar la casa, cocinar lo alimentos, tomar el sol…

Conocer con exactitud la diferencia entre las tres es importante tanto para comprender correctamente el funcionamiento de los sistemas de calefacción como el de algunas energías renovables.

Las tres formas de transferencia de calor: 3. Conducción

El calor por conducción se produce cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El calor fluirá a través del objeto de mayor temperatura hacia el de menor buscando alcanzar el equilibrio térmico (ambos objetos a la misma temperatura).

Un ejemplo lo tenemos a la hora de cocinar. Cuando estamos cocinando en una sartén, si se nos ocurre dejar un cubierto metálico apoyado en el borde, al cogerlo notaremos que se ha calentado (incluso puede que nos quememos). El calor se ha transferido de la sartén al cubierto por conducción.

1- Lo largo de los instrumentos para manipular carbón u otros objetos potencialmente muy calientes. Si su extensión fuera más corta, la transferencia de calor sería más rápida y no se podría tocar ninguno de los extremos.

2- El hielo en una tasa de agua caliente se derrite por medio de la conducción.

3- Al hervir agua, la llama conduce el calor al recipiente y al cabo de un tiempo permite calentar el agua.

4- El calor que tiene una cuchara al dejarla en un recipiente y volcar una sopa extremadamente caliente sobre él.

5- Los cuchillos y tenedores utilizan un mango de madera para romper con la conducción del calor.

Formula de conducción

Q ∆ t=

kA

x (T1−T2)

Donde:Q

∆ t es el calor transmitido por unidad de tiempo.

k: es la conductividad térmica.

A: es el área de superficie de contacto.

(T1-T2): es la diferencia de temperatura entre en foco caliente y el frío. X: es el espesor del material.

2. Convección

La transmisión de calor por convección tiene lugar en líquidos y gases. Ésta se produce cuando las partes más calientes de un fluido ascienden hacia las zonas más frías, generando de esta manera una circulación continua del fluido (corriente convectiva) y transmitiendo así el calor hacía las zonas frías.

Los líquidos y gases, al aumentar de temperatura disminuyen de densidad, provocando la ascensión. El hueco dejado por el fluido caliente lo ocupa el fluido más frío (de mayor densidad).

Estos se dividen en dos convección forzada y natural:

Convección forzada: En la convección forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba.

Ejemplos de convección

1- La transferencia de calor de una estufa.

2- Los globos aerostáticos, que se mantienen en el aire por medio del aire caliente. Si se enfría, inmediatamente el globo comienza a caer.

3- Cuando el vapor de agua empaña los vidrios de un baño, por la caliente temperatura del agua al bañarse.

4- El secador de manos o de pelo, que transmiten calor por convección forzada.

5- La transferencia de calor generada por el cuerpo humano cuando una persona está descalza.

Formula de convección

dQ

dt =hAs(Ts−Tinf)

Donde:

h: el coeficiente de convección.

As: el área del cuerpo en contacto con el flujo. Ts: la temperatura en la superficie del cuerpo. Tinf: la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

3. Radiación

La transferencia de calor por radiación no necesita el contacto de la fuente de calor con el objeto de que se desea calentar. A diferencia de la conducción y convección, no precisa de materia para calentar.

El calor es emitido por un cuerpo debido a su temperatura. Para este caso podemos tomar como ejemplo el sol. El calor que nos llega del sol viaja por el espacio vacío y calienta la superficie de la Tierra.

Ejemplos de radiación

1- La transmisión de ondas electromagnéticas a través del horno microondas. 2- El calor emitido por un radiador.

3- La radiación ultravioleta solar, precisamente el proceso que determina la temperatura terrestre.

4- La luz emitida por una lámpara incandescente.

5- La emisión de rayos gamma por parte de un núcleo. (Nuñez, 2018).

Formula de radiación: α+ρ+τ=1

donde α representa la componente de absorción, ρ la reflexión y τ la transmisión. Una superficie perfectamente opaca no transmite la radiación incide (τ= 0 y α + ρ =1). Por otro lado, un reflector perfecto refleja toda la radiación incidente, es decir, ρ= 1 y α=τ=0. Para objetos reales, α, ρ y τ varían con la longitud de onda.

Figura 2. Formas de transferencia de calor.

Intercambiador de calor

Es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, encontrándose éstos en contacto o separados por una barrera sólida. Se trata de componentes esenciales en los sistemas de climatización o refrigeración, acondicionamiento de aire, producción energética y procesamiento químico.

J. Marín, S Guillén, 2013 (p.2)

¿Qué papel tiene el Intercambiador de Calor en un sistema de refrigeración?

Dentro de un sistema de refrigeración, el Intercambiador de Placas funciona de forma similar al radiador de un auto: el anticongelante que absorbe el calor del motor, expulsa ese

calor para volverse a enfriar y repetir el proceso.

El Intercambiador de Calor es usado en todas aquellas aplicaciones que requieran enfriar o calentar fluidos. Y estos pueden ser de lo más diversos:

 Gases

 Agua salada o dulce

 Refrigerantes

 Amoniaco

Figura 3. Ciclo de Refrigeración

Uso del Intercambiador de calor

 Elevar la temperatura de un fluido gracias a otro más caliente.

 Refrescar un fluido empleando otro con menor temperatura.

 Llevar al punto de ebullición a un fluido por la acción de un segundo con mayor temperatura.

 Condensar gases utilizando fluidos fríos.

 Llevar a ebullición un determinado fluido mientras se condensa otro gaseoso más caliente.

J. Marín, S Guillén, 2013 (p.2)

Tipos de intercambiadores de calor según su construcción

1. De contacto directo: cuando el intercambio térmico se realiza entre dos fluidos que entran en contacto entre sí, aunque luego puedan separarse. Un equipo que realiza este tipo de intercambio son las torres de refrigeración.

2. De contacto indirecto: en este equipo, el intercambio se realiza por medio del contacto de los fluidos con una superficie que los separa entre sí. Ejemplos de estos son:

Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. J. Marín, S Guillén, 2013 (p.25)

Plato

Consiste en placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas.

J. Marín, S Guillén, 2013 (p.91)

Tres tipos de intercambiador de calor según su operación Flujo paralelo

Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa ambos fluyen en la misma dirección.

Figura 4. Intercambiador de calor de flujo paralelo

Contraflujo

Figura 5. Intercambiador de calor de contra flujo

Flujo cruzado

El intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90◦ Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico.

Figura 6. Intercambiador de calor de flujo cruzado

J. Marín, S Guillén, 2013 (p.20)

Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple. Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiples pasos.

Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos

Los intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su función en un sistema particular. Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo). Es importante recordar que el término "regenerativo /no-regenerativo" sólo se refiere a "cómo" funciona el intercambiador de calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador (carcaza y tubo, plato, flujo paralelo, contraflujo).

J. Marín, S Guillén, 2013 (p.32)

Funcionamiento de los intercambiadores de calor

1. transferencia de calor convectiva del fluido hacia la pared interna del tubo. 2. transferencia de calor conductiva a través de la pared del tubo.

3. transferencia de calor convectiva desde la pared externa del tubo hacia el fluido exterior.

4. J. Marín, S Guillén, 2013 (p.4)

Aprovechamiento del vapor de agua (calderas). Definiciones

Generadores de vapor: es el conjunto o sistema formado por una caldera y sus equipos complementarios, destinados a transformar agua de estado líquido a estado gaseoso o a temperatura y presiones diferentes de la atmosférica.

Caldera de vapor: recipiente metálico en el que se genera vapor a presión mediante la acción de calor.

Objetivos del uso de las calderas o generadores de calor:  Generar agua caliente para calefacción y uso general.

 Generar vapor para industrias.

 Accionar turbinas de equipos mecánicos.

 Producción de energía eléctrica mediante turbina de vapor.

Como se produce el vapor

Se produce mediante la transferencia de calor del proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera hacia el agua, elevando de esta manera su temperatura, presión y convirtiéndose en vapor.

Tipos de calderas

Existen varias de clasificación de calderas, entre estas las cuales se pueden señalar las siguientes:

Según su movilidad:  Fija o estacionaria.

 Móvil o portátil.

Según la presión de trabajo:  Baja presión 0 a 2.5 kg/cm

 Media presión 2.5 a 10 kg/cm

 Alta presión 10 a 220 kg/cm

 Supercríticas más de 200 kg/cm

Según su generación:  De agua caliente.

 De vapor saturado o recalentado. W.H. Severns,2002, (p.110).

Según el ingreso de agua a la caldera:

 Circulación natural: el agua se mueve por efecto térmico.

 Circulación forzada: el gua circula mediante el impulso de una bomba.

Según la circulación del agua y de los gases en la zona de tubos:  Pirotubulares o de tubos de humo.

 Acuotubulares o de tubos de agua.

Caldera peritubulares o de tubo de humo

Es formada por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor, el hogar y los tubos están completamente rodeados de agua, la llama se forma en el hogar pasando por el interior de los tubos de los pasos siguientes para finalmente ser conducidos hacia chimenea, una de sus ventajas es que presentan una elevada perdida de carga de los humos.

Figura 7. Caldera pirotubulares

W.H. Severns,2002,(p.111)

Características

 Sencillez en su construcción.

 Facilidad en su inspección, reparación y limpieza.

 Gran peso.

 La puesta en marcha es lenta,

 Gran peligro en caso se explosión y ruptura.

Calderas acuotubulares o de tubos de agua.

La llama se forma en un recinto de paredes que configuran la cámara de combustión, soporta mayores presiones, pero es más cara, tiene problemas de suciedad en el lado del agua y menor inercia térmica.

Las cadenas acuotubulares están era usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menos diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor.

Figura 8. Caldera acuotubulares.

Características:

 La caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar o altas presiones, dependiendo del diseño llegan hasta 300 psig.

 Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2000 HP.

 Por su fabricación de tubos de agua es una caldera inexplosible.

 La eficiencia termina está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.

Calderas atmosféricas.

Figura 9. Caldera atmosférica.

W.H. Severns,2002,(p.115)

Calderas estancas

Están dotadas de un tubo de salida de gases concéntrico, lo que permite aspirar el aire del exterior y expulsar los humos por el mismo tubo de salida de gases. Gracias a esta disposición la caldera estanca es mucho más segura, permitiendo ser instalada en cualquier habitación, aunque sea dormitorio. Para la evacuación de gases dispone de un extractor que obliga a estos a salir.

En las calderas estancas, las condiciones atmosféricas como el viento o la lluvia prácticamente no afectan el correcto funcionamiento.

Las calderas no solamente pueden abastecer un circuito de calefacción, sino que también pueden generar agua caliente sanitaria (A.C.S.), así también se pueden clasificar en dos tipos: calderas simples y calderas mixtas

Calderas simples

Son las calderas que solamente alimentan un circuito de calefacción. Aunque en su circuito también pueden montarse depósitos de acumulación para obtención de agua caliente sanitaria.

Calderas mixtas

Son las calderas que ya vienen preparadas con dos circuitos, uno para calefacción y otro para agua caliente sanitaria

Conclusiones

- Cuando dos cuerpos de diferente estado térmico lo igualan luego de un tiempo, existió un fenómeno de calor. En base a la teoría calórica se puede interpretar un fenómeno de calor como si la cantidad de calor se transmitiera de un cuerpo a otro. Para que exista la transmisión de calor mencionada debe existir diferencia de temperaturas, diferencia que también es llamada salto térmico o gradiente de temperaturas.

- Se pudieron estudiar los modelos para la transferencia de calor propuestos para cada una de las tres transferencias propuestas. Donde se explican cada una de ellas con su debida aplicación en los procesos. Se estudio la ley de enfriamiento de Newton, la cual hallada de manera empírica completamente, permite hallar perdidas de calor entre en un objeto aliente y medio, cuando la diferencia de la temperatura es pequeña. El principal inconveniente de esta ley es proviene en que involucra procesos de transferencia de calor por conducción, radicación y convección.

Bibliografía

José María Marín Herrero, Silvia Guillén Lambea. DISEÑO Y CÁLCULO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR MONOFÁSICOS. España 2013

W.H. Severns. Energía mediante vapor, aires o gas Editorial Reverte , México 2002.