Ensayo Transferencia de Calor (1)

ENSAYO

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN NATURAL EN TUBERÍAS HORIZONTALES  Y EJERCICIOS DE APLICACIÓN APLICACIÓN

Presentado por: John Edison Bastidas Marín 408006 Paula Andrea Gil García 410017 David Alfonso Gómez Londoño 409517 Daniela Alejandra Mariño González 410028

Presentado a: Prof. Pedro Vanegas Mahecha

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN TRANSFERENCIA DE CALOR 2013 - I

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN NATURAL EN TUBERÍAS HORIZONTALES CON ALETAS En áreas como la ingeniería, se han desarrollado adaptaciones en equipos e instrumentación para la mejora de procesos. Tal es el caso de superficies extendidas o aletas en tubos horizontales cuya finalidad comprende el aumento de la transferencia de calor hacia un fluido por convección natural debido al incremento de su área superficial en hornos, enfriadores, intercambiadores de calor, condensadores, entre otros equipos de gran importancia en los procesos industriales. Para iniciar, es importante conocer que la transferencia de calor por convección involucra la transferencia de energía entre una superficie sólida y un fluido en movimiento. Este mecanismo puede clasificarse en: convección forzada (el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medio externos) y convección natural (si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje generadas por diferencia de densidades debido a la variación de la temperatura). En consecuencia, en ingeniería de procesos los sistemas que transfieren calor por convección natural toman un alto grado de importancia, debido a que permite minimizar el costo de operación si se compara con la convección forzada y además proporciona la mayor resistencia a la transferencia de calor, por lo que se debe tener en cuenta para el diseño o funcionamiento del sistema. Por lo anterior, en el diseño y construcción de equipos de transferencia de calor se utilizan formas simples como cilindros, placas planas y barras, donde es usual que se requiera intensificar la transferencia de calor hacia un fluido, ya que no se dispone del área superficial por lo que el coeficiente de transferencia de calor es relativamente bajo. Para ello se hacen modificaciones en las geometrías, la más común es agregar aletas alrededor de la geometría, también llamadas superficies extendidas. Este término se usa normalmente con referencia a un sólido el cual experimenta transferencia de energía por conducción dentro de sus límites, así como transferencia de energía por convección y/o radiación.  Adicionalmente, en el diseño de superficies con aletas se debe tener en cuenta que la razón entre el perímetro y el área de la sección transversal de la aleta (p/Ac) sea tan alta como sea posible, e igualmente debe considerarse la selección de la longitud de la aleta, ya que debe ser la más apropiada. Generalmente, entre más larga es la aleta, mayor es el área de transferencia de calor y, como consecuencia más alta es la razón de transferencia desde ella. Pero también entre más

grande es la aleta, más grande es la masa, el precio y la fricción del fluido. Así mismo, la eficiencia de la aleta decrece al aumentar su longitud debido a la disminución de la temperatura con la longitud. La eficiencia de la mayor parte de las aletas usadas en la práctica esta por encima del 90%. Debido a que la función de las aletas es disminuir la resistencia térmica, se requiere que estén hechas de materiales altamente conductores como los metales, siendo los más comunes el cobre, aluminio y el hierro.Las aletas pueden ser helicoidales, tipo disco o discontinuas (tipo estrella o tipo espiga) y presentarse de forma longitudinal ó transversal. Las longitudinales se usan comúnmente cuando los fluidos son gases o líquidos viscosos o cuando se generan flujos laminares y se utilizan en intercambiadores con doble tubo o de tubo y coraza. Por el contrario, las aletas transversales se emplean generalmente para enfriamiento o calentamiento de gases en flujo cruzado. La utilización de tubos con aletas ofrece ventajas al presentar una mejor transmisión de calor  respecto a los tubos planos, es decir, mejora la eficiencia térmica. Este efecto se produce debido a que la alta frecuencia en las aletas aumenta el área superficial exterior y ocupa menor volumen que un tubo liso de igual superficie. En la industria es de gran ayuda ya que reduce sustancialmente el número de tubos lisos que se usen, aportando así a una considerable reducción de costos, equipos y mejorando la eficiencia térmica.

CORRELACIONES PARA LA CONVECCIÓN NATURAL EN TUBOS HORIZONTALES El número de Nusselt medio para la convección natural hacia y desde cilindros horizontales, se puede calcular a partir de la ecuación: Nu = C (Ra)m

Los valores constantes como c y m se toman de las correspondientes tablas (ver Anexo 1)

Grafica de co rrelación de transferencia de calor en cilindro s h orizontales: 

 A continuación, se muestran algunas expresiones más exactas: 

Esta expresión puede usarse en un intervalo amplio de valores de Rayleigh:

    Nud= 0,6 +     [ ]

2

si, Rad 10-5 - 1012

Para otro rango: Nud = 0,36+



()  [ ]

si, 10-6