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 INTERCAMBIADORES DE CALOR

 

CAPITULO

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INTRODUCCIO N

El equipo para transferencia de calor es esencialmente usado en todas las industrias de proceso, y el ingeniero de diseño debe estar familiarizado con los diferentes tipos de equipo empleados para esta operación. Aún cuando pocos ingenieros están involucrados en la fabric fabricaci ación ón de interc intercam ambia biador dores es de calor calor,, muco mucoss ingeni ingeniero eross están están direc directam tament entee comprometidos con la especificación y adquisición de equipos de transferencia de calor. Entonces son de gran importancia para estas personas las consideraciones de diseño de  procesos, ya ya que deben decidir decidir cual unidad de equipo es me!or me!or para un proceso dado. dado. "os modernos intercambiadores de calor van desde los intercambiadores simples de tubos conc#ntricos asta comple!os intercambiadores con cientos de metros cuadrados de área área de cale calent ntam amie ient nto. o. Entre Entre esto estoss dos dos e$tre e$tremo moss se encu encuen entra trann el inte interc rcam ambia biado dor  r  conven con vencio cional nal de casco casco y tubos, tubos, interc intercam ambia biador dores es con tubos tubos de superf superfici iciee e$tend e$tendida ida,, intercambiadores de placas, ornos y mucas otras variedades de equipo. %naa inte %n inteli lige gent ntee sele selecc cció iónn de equi equipo poss de tran transf sfer eren enci ciaa de calo calor, r, requ requie iere re un entendimiento de las teor&as básicas de la transferencia de calor y los m#todos para cálculos de diseño, en adición los problemas relacionados al diseño mecánico, fabricación, y operación deben no ser descuidados. %na revisión de la teor&a de transferencia de calor y m#todos de cálculo para diseño son presentados en esta obra, !unto con un análisis de los factores generales que pueden ser considerados en la selección de equipo de transferencia de calor. "a determinació determinaciónn apropiada apropiada de coeficien coeficientes tes de transfere transferencia ncia de calor calor es necesaria necesaria  para cálculos de diseño diseño en operaciones operaciones de transferencia de calor. calor. Estos Estos coeficientes mucas mucas veces pueden estimarse sobre la base de pasadas e$periencias, o ellos pueden calcularse a  partir de ecuaciones teóricas o emp&ricas desarrolladas por otros profesionales compromet comprometidos idos en esta esta rama. rama. 'ucas 'ucas ecuaciones ecuaciones semiemp&rica semiemp&ricass para la evaluac evaluación ión de coeficientes de transferencia de calor an sido publicadas. (ada una de estas ecuaciones tienen sus limitaciones y el ingeniero debe reconocer de facto que estas limitaciones e$isten. %n resumen de las ecuaciones que pueden usarse para estimar los coeficientes de transferencia de calor ba!o diferentes condiciones son dadas en esta obra.

1.1 BASES TEORICAS DE LA TRANSFERENCIA TRANSFERENCIA DE CALOR   LUIS MONCADA MONCADA ALBITRES  ALBITRES 

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"a energ&a puede transportarse entre dos puntos en forma de calor, para lo cual se requiere que estos puntos est#n a diferentes temperaturas. "os dos puntos pueden estar  situados en distintas partes del mismo elemento o en cuerpos diferentes. El flu!o de energ&a calor&fica es siempre en la dirección del punto )o cuerpo* de alta temperatura llamado tambi#n fuente acia el punto )o ) o cuerpo* de ba!a temperatura o receptor. receptor. El calor calor pued puedee ser transferido transferido desde desde una fuente fuente asta asta un receptor receptor mediante mediante conducción , convección , o radiación. En mucos casos, el intercambio ocurre por una combinación de dos o más de estos mecanismos. (uando la velocidad de transferencia de calor permanece constante constante y no es afectada por el tiempo, el flu!o de calor es denominado denominado a estar en un estado estacionario + un estado no estacionario  e$iste cuando la velocidad de transferencia de calor a cualquier punto varia con el tiempo. "a mayor&a de operaciones industriales en las cuales esta involucrada la transferencia de calor son llevadas a cabo ba!o condiciones de estado estacionario. sin embargo las condiciones de estado no estacionario son encontradas encontradas en los procesos batc-, batc-, enfriamiento y calentamiento calentamiento de materiales tales como metales o vidrio y ciertos tipos de procesos de regeneració r egeneraciónn y activación.

1.1.1. Conducción "a transf transfere erenci nciaa de calor calor a trav# trav#ss de un mater material ial fi!o es acomp acompaña añada da por el mecanismo conocido como conducción . "a velocidad de flu!o de calor por conducción es  proporcional al área aprovecable aprovecable para la transferencia de calor y al gradiente de temperatura en dirección del flu!o de calor. "a velocidad velocidad de flu!o de calor en una dirección Fourier  como dada entonces puede ser e$presada por la ecuación o  Ley de Fourier   como dQ d θ 

= −kA

dt  dx

 

)1.1*

donde Q / cantidad de calor transferido en el tiempo, 0 )tu2* k / constante de proporcionalidad, designada como la conductividad t#rmica y definida por la Ec. )1.1*, 02m. °( )tu2.pie.°3*  A / área de transferencia de calor calor perpendicular a la dirección del flu!o de calor, calor, 4 4 m  ) pies * t  /   / temperatura °( )°3*  x / longitud de la ruta de conducción en dirección del flu!o de calor, m )pies* "a conductividad t#rmica es una propiedad de cualquier material dado, y su valor  debe ser determinado e$perimentalmente. 5ara sólidos, el efecto de la temperatura sobre la conductividad t#rmica es relativamente pequeña a temperaturas normales. 6ebido a que la conductividad varia apro$imadamente en formas lineales con la temperatura, se pueden obte obtene nerr adec adecua uada dass apro apro$i $ima maci cion ones es de dise diseño ño,, empl emplea eand ndoo un valo valorr prom promed edio io de conductividad t#rmica basado en el promedio aritm#tico de temperatura de un material dado. 5ara el caso común de flu!o de calor al estado estacionario, la Ec. )1.1* puede e$presarse como Q

θ 

= q = −kAm

∆t   x

 

)1.4*  LUIS MONCADA MONCADA ALBITRES  ALBITRES 

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donde q / velocidad de transferencia de calor, 0 )tu2* ∆t  / gradiente de temperatura temperatura )fuerza impulsora*, impulsora*, °( )°3*  Am / área promedio de transferencia de calor perpendicular a la dirección de flu!o de calor, m4 )pies4* el Am se debe conocer como una función de  x, donde  Am

=

1

 x 4

x4

−  x1

∫ 

 x1

dx  x

 

)1.7*

se dan e!emplos de valores de  Am para diversas funciones de  x en la tabla que sigue. Area proporcional a (onstante

 Am  A1 = A2  A4

 x

−  A1

ln) A4 2  A1 *

 x2

 A4  A1

1.1.2. Convección "a transferencia de calor por el mezclado f&sico de porciones fr&as y calientes de un transferenci encia a de caor caor !or convecci convección ón . El mezclado puede fluid fluidoo es cono conoci cida da como como transfer ocurrir como un resultado de diferencias de densidad, como en la convección natura , o como el resultado de la inducción mecánica o agitación, como en el caso de la convección  for"ada.

"a siguiente siguiente ecuación, ecuación, conocida conocida como la  Ley de enfria#iento de Ne$ton  se usa como base para la evaluación de las velocidades velocidades de transferencia de calor por convección. dQ d θ 

= hA∆t   

)1.8*

"a constante de proporcionalidad h es designada como el coeficiente de transferencia de calor, y es una función del tipo de agitación y la naturaleza del fluido. El coeficiente de trans transfe fere renc ncia ia de calo calor, r, es simi simila larr a la cond conduc ucti tivi vida dadd t#rm t#rmic icaa k , es frecue frecuente ntemen mente te determ determina inada da sobre sobre la base base de datos datos e$p e$peri erimen mental tales. es. 5ara 5ara las condi condicio ciones nes de estad estadoo estacionario, la Ec. )1.7* será q

= hA∆t   

)1.9*

donde h / coeficiente de transferencia por convección, 02m 4.°( )tu2.pie4.°3*

1.1.3. Radiación (uando la energ&a radiante es transferida desde una fuente acia un receptor sin que  LUIS MONCADA MONCADA ALBITRES  ALBITRES 

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e$istan e$istan de por medio mol#culas mol#culas de otra sustanci sustancia, a, el m#todo de transferen transferencia cia de calor calor es designado como radiación. asándose en la segunda "ey de la termodinámica, oltzman estableció la ecuación ecuación que describe la velocidad a la cual una fuente da calor, calor, denominada denominada tambi#n como la "ey de la cuarta potencia dQ d θ 

= σε  AT  8  

)1.:*

donde σ  /  / constante de ;tefan oltzmann 9,:< x 1=>? 02m4.°@ 8 ó   =,1?  tu2)*)pie4*)°*8 ε  / emisividad emisividad de la superficie  A / área e$puesta a la transferencia de calor, m 4 ) pies4* T  /  / temperatura absoluta, °@ ) ° * "a emisividad depende de las caracter&sticas de la superficie emitente y es similar a la conductividad t#rmica y al coeficiente de transferencia de calor, puede ser determinada e$perimentalmente. 5arte de la energ&a radiante interceptada por un receptor, es absorbida, y parte puede ser refle!ada. En adición, el receptor, se comporta tambi#n como una fuente. 5udiendo emitir energ&a radiante. El ingeniero esta usualmente interesado en la velocidad neta de intercambio de calor  entre los cuerpos. Algo de la energ&a radiante indicada por la Ec. 1.: puede ser retornada a la fuente por refle$ión desde el receptor, y el receptor, desde luego emite energ&a radiante la cual puede ser parcial o completamente absorbida por la fuente. "a Ec. 1.: debe entonces modificarse para obtener la velocidad neta de calor radiante intercambiado entre dos cuerpos. "a ecuación general de estado estacionario es 8   T 1  8 T 4        F  A  F  E  −     F  A qde 1 a 2 = 0,171A  1== 1==          1

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F E 4 4

   

)1.