MAQUINAS TERMICAS Transferencia de Calor Intercambiadores de Calor

Principios de Conservación Si un sistema no interacciona con su entorno de ninguna manera, entonces determinadas propiedades mecánicas del sistema no pueden cambiar. Algunas veces nos referimos a ellas como "constantes del movimiento“. Estas cantidades se dice que son "conservadas" y las leyes de conservación resultante se pueden considerar como los principios mas fundamentales de la mecánica. En mecánica, ejemplos de cantidades conservativas son la energía, el momento y el momento angular.

Transferencia de Calor El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor a una sustancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se eleva, o

Transferencia de Calor Transmisión de energía de una región a otras, como producto de la diferencia de T entre ellas. El flujo de calor se rige por una combinación de varias leyes físicas independientes. T caliente T 1 Q T fría T 2

Transferencia de Calor Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico.

Clasificaciones Conducción (Difusión) Convección Radiación En la mayoría de los procesos reales, todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Sin embargo, la conducción “pura” se presenta sólo en materiales sólidos.

Conducción La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas.

Mecanismos de Conducción Por este mecanismo el calor puede ser conducido a través de sólidos, líquidos y gases La conducción se verifica mediante la transferencia de energía cinética entre moléculas adyacentes. En la conducción la energía también se transfiere por medio de electrones libres, un proceso muy importante en el calentamiento de sólidos.

Aplicaciones Industriales Transferencia a través de: Paredes e Intercambiadores de calor. Grageado. Granulado. Forjado de Acero. Congelados en Industrias de Alimentos. Acondicionamiento de Aire.

Ley de Fourier Permite cuantificar la rapidez del flujo de calor por conducción, y establece que: qk = - k A (dt/dx) k: Conductividad térmica del material (Btu/h*pie*F , Kcal/h*m*C) A: área transversal al flujo (pie 2); (m 2) dt/dx : Gradiente de temperatura (C/m) ; (F/pie)

T 1 A q T 2 L

Conductividad térmica La conductividad térmica depende de la naturaleza del material en el cual se esté manifestando el proceso de transferencia de calor. Los gases son malos conductores (generalmente), los líquidos son ligeramente mejores. Los metales son muy buenos conductores térmicos (plata, cobre), por eso su constante de conductividad térmica es

Conductividad Térmica de metales Metal térmica K (W/m·K) Aluminio Conductividad 209. 3 Acero 45 Cobre 389. 6 Plata Plomo 418. 7 34. 6

Materiales Aislantes Un aislante térmico es un material caracterizado por su alta resistencia térmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a igualarse en temperatura. El mejor aislante térmico es el vacío, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener condiciones de vacío, éste se emplea en muy pocas

Conductividad Térmica de materiales aislantes Material Asbesto Conductividad térmica K (W/m·K) 0, 151 (0 ºC) 0, 168 (37, 8ºC) 0, 190 (93, 3ºC) Corcho Algodón 0, 043 0, 055 (0 ºC) 0, 061 (37, 8ºC) 0, 068 (93, 3ºC) Lana de Vidrio (93, 3ºC) 0, 030 (-6, 7ºC) 0, 041 (37, 8ºC) 0, 055 Pino 0, 151 Fibra aislante 0, 048 Concreto 0, 762

Mecanismos de Convección Esta forma se presenta en los fluidos (gases y líquidos) debido a su gran movilidad de moléculas. Se debe al cambio de densidad, al aumentar su temperatura (El Fluido que recibe calor disminuye su densidad, siendo reemplazado por fluidos superiores de mayor densidad). La eficiencia de transferencia de calor por convección depende básicamente de la

Mecanismos de Convección El calor fluye primero por conducción desde la superficie hacia las partículas del fluido. La energía transferida servirá para incrementar la temperatura y la energía interna del fluido. El mecanismo de transferencia en el fluido ocurre desde una región de alta temperatura hacia una zona de baja temperatura. La energía se almacena en la partículas

Mecanismos de Convección Cuando un fluido cede calor sus moléculas se desaceleran por lo cual su temperatura disminuye y su densidad aumenta siendo atraída sus moléculas por la gravedad de la tierra. Cuando el fluido absorbe calor sus moléculas se aceleran por lo cual su temperatura aumenta y su densidad disminuye haciéndolo más liviano. El fluido más frío tiende a bajar y ocupa el nivel más bajo de la vertical y los fluidos más

La convección siempre está acompañada de la conducción, debido al contacto directo entre partículas de distinta temperatura en un líquido o gas en movimiento.

Tipos de Convección Se clasifican de acuerdo a cómo se induce el flujo: CONVECCION FORZADA. Ocurre cuando se alimenta un flujo de fluido sobre una superficie sólida, por medio de una bomba o un ventilador. • Cuando el movimiento de mezclado es inducido por algún agente externo. • CONVECCION LIBRE O NATURAL.

Radiación La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones, por lo recibe el nombre de

Mecanismos de Radiación En esta transmisión de calor en la que o se necesita soporte (medio) para llevarse a cabo, es decir, puede suceder en el vacío. Los cuerpos al absorber la energía radiante que es propagada por el cuerpo emisor de ésta, aumentan su temperatura. Cabe resaltar que aunque sea un mismo cuerpo emisor de la energía "radiante", hay cuerpos que son buenos absorbentes

Mecanismos de Radiación A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética es independiente de la materia para su propagación, de hecho, la transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío. Así, estas ondas pueden atravesar el

Mecanismos de Radiación Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa El hecho de que nos llegue energía del sol, es por la transmisión de calor por radiación. También sucede cuando ponemos las manos próximas al fuego en forma horizontal (por convección la transferencia de calor es mínima porque el aire es mal conductor, su conductividad térmica es 0. 025, y la transmisión por convección se lleva a cabo en forma vertical).

Intercambiadores de Calor

Un intercambiador de calor es un dispositivo construido para intercambiar eficientemente el calor de un fluido a otro, tanto si los fluidos están separados por una pared sólida para prevenir su mezcla, como si están en contacto directo.

Los intercambiadores de calor son muy usados en refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción, producción de energía, y procesamiento químico. Un ejemplo básico de un cambiador de calor es el radiador de un automóvil, en el que el líquido de radiador caliente es enfriado por el flujo de aire sobre la superficie del radiador.

Las disposiciones más comunes de cambiadores de calor son flujo paralelo, contracorriente y flujo cruzado. En el flujo paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma dirección durante la transmisión de calor; en contracorriente, los fluidos se mueven en sentido contrario y en flujo cruzado los fluidos se mueven formando un ángulo recto entre ellos.

Los tipos más comunes de cambiadores de calor son de carcasa y tubos, de doble tubo, tubo extruido con aletas, tubo de aleta espiral, tubo en U, y de placas.

Dada la multitud de aplicaciones de estos dispositivos, se puede realizar una clasificación dependiendo de su construcción. Para la elección del mismo se consideran aspectos como tipo de fluido, densidad, viscosidad, contenido en sólidos, límite de temperaturas, conductividad térmica, etc.

La satisfacción de muchas demandas industriales requiere el uso de un gran número de horquillas de doble tubo. Estas consumen considerable área superficial así como presentan un número considerable de puntos en los cuales puede haber fugas. Cuando se requieren superficies grandes de transferencia de calor, pueden ser mejor obtenidas por medio de equipo de

Intercambiadores de doble tubo Las partes principales son dos juegos de tubos concéntricos, dos tubos en “T” conectores, un cabezal de retorno y un codo en U. El fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador.

Intercambiadores de Tubos en U Formados por un haz de tubos corrugados o no, realizado en diversos materiales. El haz de tubos se ubica dentro de una carcasa para permitir el intercambio con el fluido a calentar o enfriar.

Intercambiadores de Placas Formados por un conjunto de placas de metal corrugadas (acero inoxidable, titanio, etc. ) contenidas en un bastidor. El sellado de las placas se realiza mediante juntas o bien pueden estar soldadas.

Intercambiadores de calor

Aplicaciones Industriales Industria alimentaria: enfriamiento, termización y pasteurización de leche, zumos, bebidas carbonatadas, salsas, vinagres, vino, jarabe de azúcar, aceite, etc. Industria química y petroquímica: producción de combustibles, etanol, biodiésel, disolventes, pinturas, pasta de papel, aceites industriales, plantas de cogeneración, etc. Industria del Aire acondicionado: cualquier proceso que implique enfriamiento o calentamiento de los gases. Calefacción y Energía Solar: producción de agua caliente sanitaria, calentamiento de piscinas, producción de agua caliente mediante paneles solares, etc. Industria marina: enfriamiento de motores y lubricantes

Peligros y Riesgos Asociados Agentes: Vapor. Factores: Temperatura, Presión. Condiciones: Corrosión, aislación, mantenimiento. Riesgos: Explosiones, fugas, quemaduras.

Accidentes