TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA

Transcripción

1 TECNOLOGI DE L ENERGI TERMIC CONCEPTOS BSICOS Mariano Manfredi Tecnología de la Energía Térmica

2 CONCEPTOS BSICOS Indice. Objetivos 2. lcance 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 Tecnología de la Energía Térmica 2 2

3 OBJETIVOS Conocer las ecuaciones de cálculo y sus componentes Introducir el concepto de pérdida de carga Conocer los principales equipos de intercambio de calor Tecnología de la Energía Térmica 3 3

4 LCNCE 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 plicación a los a los equipos de transferencia de calor Tecnología de la Energía Térmica 4 4

5 Balance de energía Q ω Cp T Calor sensible (no hay cambios de estado) Q ω λ Calor latente (hay cambios de estado) º Principio de la Termodinámica Estado estacionario Convención de signos Tecnología de la Energía Térmica 5 5

6 Mecanismos de transferencia de calor Conducción Q k e T Convección Q h T Radiación Q σ ε ( 4 T ) Tecnología de la Energía Térmica 6 6

7 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 Q U T Calor transferido Fuerza impulsora Coeficiente global de transferencia Área de transferencia Tecnología de la Energía Térmica 7 7

8 Coeficiente global de transferencia de calor Depende de: Tipo de fluidos (propiedades) Velocidades de los fluidos (régimen) Diseño del equipo (geometría) Tecnología de la Energía Térmica 8 8

9 9 Tecnología de la Energía Térmica 9 CONCEPTOS BSICOS - Coeficiente global de transferencia de calor 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 i Tw T h Q ( ) ( ) o i m i o Tw Tw D D k Q 2 ( ) t Tw h Q o o o + + o o m i i h k e h Q t T ( ) t T U Q o o m i i h k e h U + +

10 Coeficiente global de transferencia de calor o Se desprecia el término asociado a la transferencia de calor por conducción U h i i o + h o Unidades U + h io h o 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 [] m 2 [] ft 2 [k] W/mK [k] Btu/hftºF [U] ; [h] W/m2K [U] ; [h] Btu/hft 2 ºF Tecnología de la Energía Térmica 0 0

11 Coeficiente global de transferencia de calor Equipo limpio Coeficiente global limpio U C h io + h o Equipo sucio Coeficiente global sucio U D + + Rf hio ho Rf Rf io + Rf o Resistencia de ensuciamiento Fluido interno Resistencia de ensuciamiento Fluido externo Tecnología de la Energía Térmica

12 Coeficiente global de transferencia de calor 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 Do Referenciados a el área de transferencia Rf io Rf i D i Tecnología de la Energía Térmica 2 2

13 Coeficiente global de transferencia de calor Estimación de valores Coeficientes globales Coeficientes peliculares Resistencias de ensuciamiento nálisis 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) El U D es el coeficiente global empleado para el diseño de equipos Tecnología de la Energía Térmica 3 3

14 Fuerza impulsora Situación de intercambio de calor Fluido caliente: ω h, T, T 2 Fluido frío: ω c, t, t 2 Intercambiador de Doble Tubo La diferencia de temperaturas entre los fluidos no es constante a lo largo del equipo Ecuación de diseño Diferencial (punto a punto) dq U d( T t) Ecuación de diseño Integrada Q U T medio Tecnología de la Energía Térmica 4 4

15 Fuerza impulsora 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 rreglo cocorriente rreglo contracorriente Cruce de temperaturas Tecnología de la Energía Térmica 5 5

16 Fuerza impulsora Diferencia media logarítmica de temperatura ( T ML o DMLT) Para arreglo contracorriente Ecuación diferencial de Q a partir del balance de energía dq ω Cp dt ω Cp dt h h c c Ecuación diferencial de Q a partir de la ecuación de diseño dq U d( T t) U π Do dx ( T t) ( T Q U t2) ( T ( T t ln ( T t 2 t) ) ) 2 2 Q U T MLCONTRCORRIENTE Tecnología de la Energía Térmica 6 6

17 7 Tecnología de la Energía Térmica 7 CONCEPTOS BSICOS - Fuerza impulsora Diferencia media logarítmica de temperatura ( T ML o DMLT) Para arreglo cocorriente ) ( ) ( ln ) ( ) ( t T t T t T t T U Q T MLCOCORRIENTE U Q

18 Área de transferencia 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 Rf vs. tiempo U vs. tiempo Q U T ML Diseño de equipos partir del U D se establece el tamaño del equipo vs. tiempo Verificación de equipos raíz de un tamaño de equipo existente, se decide su aptitud mediante el empleo del U D Tecnología de la Energía Térmica 8 X 8

19 Pérdida de carga 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 Dependen del factor de fricción, obtenido a través del número de Reynolds Verificación hidráulica del sistema: P calculado < P adm Tecnología de la Energía Térmica 9 9

20 Clasificación de intercambiadores de calor Handbook of Heat Transfer (Rohsenow) Tecnología de la Energía Térmica 20 20

21 Clasificación de intercambiadores de calor Principales equipos Doble Tubo Multitubo Tecnología de la Energía Térmica 2 2

22 Clasificación de intercambiadores de calor Casco y Tubos Tecnología de la Energía Térmica 22 22

23 Clasificación de intercambiadores de calor eroenfriadores Hornos Tecnología de la Energía Térmica 23 23

24 Clasificación de intercambiadores de calor Placas Espirales Tecnología de la Energía Térmica 24 24

25 PREGUNTS? Tecnología de la Energía Térmica 25 25

26 FIN Mariano Manfredi Tecnología de la Energía Térmica 26 26