Diseño Termohidráulico de Intercambiadores de Calor. Horario de clases: Martes y Jueves, 10:00-13:00 hrs. Horario de asesorías: Miércoles de 12:00-14:00 hrs. Aula: B-306 Trimestre: 13I Curso: 2122096 1
Nombre: Ricardo Morales Rodríguez Oficina: T-244 Correo electrónico: rmro@docencia.izt.uam.mx 2
Diseño termohidráulico de intercambiadores de calor Al finalizar será capaz de: Reconocer los conceptos y bases fundamentales del diseño de intercambiadores de calor. Identificar los elementos que determinan un buen diseño en los equipos de intercambio de calor. Integrar métodos analíticos y computacionales de equipos de transferencia de calor y masa. Aplicar herramientas computacionales al diseño de intercambiadores de calor. 3
Diseño termohidráulico de intercambiadores de calor: Objetivos específicos Basado en los conocimientos adquiridos en los cursos de transferencia de calor, termodinámica y fundamentos y modelos de optimización. El alumno debe ser capaz de identificar, interpretar, describir y utilizar de manera adecuada los conceptos básicos adquiridos tales como: conceptos de capacidad calorífica, calor sensible, calor latente, números adimensionales (Reynolds, Prandt, Nusselt, etc), balances de energía y masa, etc. El alumno aprenderá, identificará, comprenderá y será capaz de describir los nuevos conceptos básicos para el diseño de intercambiadores de calor como: media logarítmica de las diferencias de temperaturas, coeficientes locales y globales de transferencia de calor, significado e interpretación de temperatura de superficie y calórica, factor de ensuciamiento, etc. Conocer, identificar, evaluar y usar adecuadamente cada uno de los diferentes tipos de intercambiadores de calor tales como: intercambiadores de doble y múltiples tubos, intercambiadores de calor de tubo y coraza, condensadores, evaporadores, aeroenfriadores. Además aprender y implementar los fundamentos básicos para la evaluación económica de los equipos de intercambio de calor. 4
Diseño termohidráulico de intercambiadores de calor: Objetivos específicos Identificar, conocer e interpretar los fenómenos termodinámicos y de transferencia de calor involucrados en cada unos de los equipos de intercambio de calor. El alumno aprenderá e implementara nuevas metodologías involucradas en el cálculo y diseño de intercambiadores de calor como: cálculo de coeficientes locales y globales de transferencia de calor, cálculo de caídas de presión, etc. Aprender, conocer, identificar e interpretar las variables principales en el diseño de intercambiadores de calor como: tamaño (área de intercambio de calor), configuración interna (número de pasos, número de tubos, distancia entre deflectores, tipo de arreglo de tubos, etc.), orientación del equipo (horizontal o vertical), etc. 5
Diseño termohidráulico de intercambiadores de calor: Objetivos específicos Aprender a utilizar e interpretar las tablas, diagramas y gráficas empleadas para determinar valores numéricos de propiedades de transporte, termodinámicas, información de dimensiones y accesorios en los intercambiadores, etc. Los alumnos leerán, analizarán, entenderán y explicarán al menos dos artículos científicos relacionados con el cálculo y diseño de intercambiadores de calor. Los alumnos desarrollarán herramientas computacionales para el cálculo y diseño de intercambiadores de calor: programas implementando las metodología en lenguajes de programación (Fortran, MatLab, etc.), hojas de cálculo (Excel), etc. permitiendo aplicar y reforzar los conocimiento y conceptos sobre el cálculo y diseño de intercambiadores de calor. 6
Diseño termohidráulico de intercambiadores de calor: Objetivos específicos Aprender y comprender los fundamentos básicos de métodos computacionales alternativos y rigurosos para el cálculo de propiedades termodinámicas y de transporte necesarias para el cálculo y diseño de intercambiadores de calor, como: métodos de contribución de grupos, correlaciones, uso de ecuaciones de estado, etc. Además de las importancia de dichos métodos alternativos el ser implementados en la herramientas computacionales desarrolladas. Conocer, identificar y utilizar herramientas computacionales disponibles para el cálculo de intercambiadores de calor, por ejemplo, los unidades de intercambiadores de calor en simuladores comerciales. Además de aplicar los conocimiento básicos adquiridos en el inicio y transcurso del desarrollo de la unidad de enseñanza-aprendizaje; y comparar los resultados al utilizar las herramientas computacionales comerciales y las desarrolladas durante el curso. Analizar, comprender y resolver un caso de estudio para el diseño de un equipo de intercambio de calor aplicado a un caso de estudio de actualidad. Los resultados deben ser escrito y explicados en forma clara y precisa. Los resultados serán evaluado en forma oral y escrita. La evaluación máxima se asignará al equipo que mejor defienda su trabajo ante el grupo. 7
Contenido del curso 1. Introducción al diseño de intercambiadores de calor. 2. Intercambiadores de doble tubo y múltiples tubos. 3. Intercambiadores de calor de tubo y coraza con flujos de una fase. 4. Condensadores. 5. Evaporadores. 6. Aeroenfriadores. 7. Ensuciamiento en intercambiadores de calor. 8. Costo de equipos de intercambio de calor. 8
Bibliografía recomendada 1. Afgan, N. and E. U Schlünder, Heat exchanger design and theory sourcebook, Mc Graw Hill Co, 1974. 2. Heat Exchanger Design Handbook, Vol. III, Editors: B.A. Bodling y M. Prescott, Hemisphere Publishing, 2002. 3. Handbook of Heat Transfer Applications, Editors: W.M. Rohsenow, J.P. Hartnett. Mc Graw Hill Co, 1985. 4. Kalsac, S., Shah, R. K. y Aung,W., Handbook of Single Phase Convective, John Wiley and Sons, 1987. 5. Kern, D.Q., Procesos de Transferencia de Calor, John Wiley and Sons, 1965. 9
Dinámica del Curso 1. Para definir los conceptos se empleará principalmente la clase magistral, complementada con discusión en clase, investigación por parte de los alumnos y elaboración de resúmenes, reportes o mapas conceptuales. 2. Para desarrollar la aplicación e interpretación de los conceptos se empleará principalmente el taller de solución de problemas y el desarrollo de un proyecto de modelado y simulación de los equipos de intercambio de calor. 3. Para reforzar, analizar y ampliar conceptos básicos y desarrollar la capacidad de redacción se recurrirá a lecturas dirigidas y a elaboración de reportes. 4. Para desarrollar la capacidad de expresión oral presentará al grupo los resultados y conclusiones de los análisis paramétricos. Al presentar su trabajo para evaluación, es muy importante que los alumnos proporcionen interpretaciones correctas de los resultados, tratando de descubrir implicaciones y conclusiones que pudieran tener un uso práctico. 10
Evaluación La evaluación global consistirá de un mínimo de tres evaluaciones periódicas de carácter integrador del conocimiento. Proyecto trimestral, el cual incluye un reporte escrito y presentación o defensa de los resultados ante el grupo en la última semana de clases. Los factores de ponderación serán determinados por el profesor del curso. Evaluación de Recuperación: La evaluación de recuperación deberá ser global. La copia descubierta en algún trabajo o examen implica la no acreditación del mismo (la primera vez) y la no acreditación del curso (la segunda vez). 11
POLÍTICAS DEL CURSO Puntualidad y asistencia, tanto de alumnos como del profesor. El horario del curso es Martes y Jueves de 7:00 a 10:00, en el salón B-306. Trabajo dentro y fuera de la clase: investigación en libros, artículos, laboratorio, tareas..., que deberán ser entregados la fecha, lugar y hora señalados con antelación. Asesorías: Cubículo T-244 en horario Jueves de 15:00 a 17:00. 12
Evaluación Actividades Porcentajes Detalles Exámenes periódicos 60 % Se aplicarán al menos 3 exámenes. Desarrollo de programas computacionales 10 % Se desarrollarán programas computacionales para la resolución de los distintos tipos de intercambiadores de calor. Proyecto final 30 % Reporte y presentación. Caso de estudio para todos. 10% 30% 60% Examenes periódicos Desarrollo de programas computacionales Proyecto final 13
Evaluación Criterios y escalas para asignación de calificaciones : Calificación Equivalencia NA 0-5.9 S 6.0-7.2 B 7.3-8.5 MB 8.6-10 14
Página web Dirección: http://docencia.izt.uam.mx/ 15
Página web Dirección: http://docencia.izt.uam.mx/ 16
Página web Dirección: http://docencia.izt.uam.mx/ 17
Página web Dirección: http://docencia.izt.uam.mx/sgpe/profesor/461 Ricardo-Morales-Rodriguez.html 18
Página web 19
Página web 20
Página web 21
Página web 22
Facebook https://www.facebook.com/ricardo.morales.rodrigue z.docencia Buscar como: ricardo.morales.rodriguez.docencia 23
1. Introducción al diseño de intercambiadores de calor 24
Conceptos básicos Transferencia de calor: Estudia la velocidad de intercambio de calor entre un cuerpo caliente y uno frío llamado fuente y receptor, respectiva. Mecanismos de transferencia de calor? Conducción Convección Radiación 25
Conceptos básicos Conducción: Convección: T Q = ka x k J = s m K Radiación: Q = ha T Q= σε A T 4 h J = 2 s m K J σ = s m K 2 4 26
Tipos de intercambiadores de calor Tubos concéntricos: 27
Tipos de intercambiadores de calor Tubo y coraza: http://www.bin95.com/swf/heat-exchangers-basics.swf 28
Tipos de intercambiadores de calor Tubo y coraza: 29
Tipos de intercambiadores de calor Tubo y coraza: 30
Tipos de intercambiadores de calor Plato: 31
Tipos de intercambiadores de calor Evaporadores: 32
Tipos de intercambiadores de calor Condensadores: 33
Tipos de intercambiadores de calor Aletas de enfriamiento: 34
Aplicaciones de los intercambiadores de calor Plantas de Refinación Plantas química Plantas petroquímicas Automóviles Refrigeración Aviones computadoras Etc. 35
Operación de intercambiadores de calor Contracorriente Paralelo 36
Actividad recomendada Leer y profundizar en los tipos de intercambio de calor: Conducción Convección Radiación En la sesión del día jueves resolveremos algunos problemas relacionados con los conceptos anteriores. 37