Practica 1 INTRODUCCION

 

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL  ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

INTRODUCCIÓN ALUMNA: Montero González Nadia Jocelyne BOLETA: 2018321742

GRUPO: 2IV50 PROFESOR: Ricardo Santillán

 

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA TRANSFERENCI A DE CALOR

El coeficiente total de transferencia de calor es el inverso de la suma de las diferentes resistencias que pueden oponerse al flujo calorífico, impulsado por el potencial motriz de la diferencia de temperatura entre la alta y la baja. Este coeficiente total considera la resistencia del calor que se presenta entre el medio o fluido que está en contacto con la superficie interior de la pared o tubería, la resistencia al paso del calor del material que forma la pared, las distintas resistencias que se agregan por las capas que recubren la pared o tubería y la resistencia que produce por la película de líquido, gas, aire o fluido en el exterior o ambiente circundante. Todas ellas se Suma de las Ecuación de Fourier suman y resistencias forman el   Q= U*A* ∆T  ∆T  ∑R=( ) + Lm/km + ( )  coeficiente total   de transferencia de calor. Las ecuaciones básicas para estos cálculos son las siguientes: 

Donde: U es el inverso de la resistencia R hi, ho, los coeficientes de transferencia individuales de las corrientes o películas en el lado caliente y en el lado exterior. km, es el coeficiente de c onductividad térmica de cada material  presente Lm, el espesor de cada material Q el calor total transferido A es el área de transferencia. En el calculador se asume área unitaria. ∆T es la diferencia de temperatura entre las superficie caliente y fría.

Si un coeficiente de película es muy grande con relación al resto, pudiera despreciarse. El coeficiente menor proporciona la mayor resistencia y el coeficiente total de transferencia es muy cercanamente cercanament e el recíproco de la resistencia mayor. Este criterio nos sirve para saber cuál de los procesos que ocurren es el controlante o de mayor importancia en la transferencia de calor. Así el proceso controlante será aquel que más resistencia oponga al flujo del calor. Si se trata de un sistema de intercambio calórico, desde un fluido caliente a otroenfrío, proceso que es muy común industria y que lo encontramos el calentamiento indirecto de en losla fluidos térmicos, en la evaporación y condensación, en la destilación, etc, o en los

 

sistemas de refrigeración y climatización de las edificaciones, para el enfriamiento de los fluidos (agua - fluidos frigoríficos), entonces nos conviene reducir la resistencia al paso del calor y para eso, eliminar incrustaciones, suciedades, aumentar el régimen de flujo,. Pero si se trata de aislar térmicamente, lo conveniente es aumentar resistencias al paso del calor, impedir que se nos escape la energía al medio exterior y para esto debemos colocar revestimientos aislantes y cubiertas que hermeticen e impidan la destrucción de los revestimientos o la penetración del vapor, en caso de

superficies

frías.

El procesador de cálculo que aquí se presenta, calcula las resistencias y las agrega, los coeficientes individuales de cada proceso de transferencia y el coeficiente total, así como el calor total transferido. En esta versión del procesador no considera el fenómeno de trasferencia de calor que pudiera ocurrir del lado interior de la pared, caliente o frío , (hi), si es que esa pared está en contacto con la circulación libre o forzada de un fluido. Una de las razones para no considerar esto es que el objetivo principal que perseguimos, es facilitar los cálculos complejos enfocando el resultado a la reducción de las pérdidas del calor. Demostrar que aumentando las capas o revestimientos y reduciendo los coeficientes de conductividad térmica, podemos frenar el flujo de calor al exterior, que constituyen las perdidas. Las tablas siguientes contienen la información de los coeficientes de conductividad térmica de los materiales y de la emisividad de las superficies más empleadas en la industria. Ambos valores se requieren para registrar en el procesador de cálculo. c álculo.  Coeficiente de conductividad térmica de materiales (sólidos)   Materiales 

temperatura, ºC 

 Aceros, hierro, aleaciones 

coeficiente 

k=kcal/(hm2)(ºC/m)

Acero, 1% de C

18

39,0

Acero, 1% de C

100

38,6

Fundición

54

41,1

Fundición

102

39,8

Hierro puro

18

58,0

Hierro puro

100

54,5

Hierro forjado Hierro forjado Níquel cromo con hierro

18 100

52,0 51,5

301,302,303,304,316 301,302,303,304 ,316

100

14

301,302,303,304,316

500

18,5

308

100

13,1

308

500

18,6

309,310

100

11,9

309,310

500

16,1

 

Asbesto

37 - 150

0.074-0,101

Lana mineral

37 - 315

0.045-0.085

Corcho granulado

128 - 144

0.037

Plancha de corcho

170

0.037

420 - 545

0.064 0.075

427

2,68

500

0,22

20

0,60

0 - 100

0.061

Yeso en polvo Ladrillos alúmina (92 - 99%) Ladrillos aislante caolín Ladrillos construcción Madera

Emisividad de diversas superficies  

El valor de emisividad a introducir i ntroducir tiene que corresponderse con el último revestimiento de la superficie, el que estará radiando calor al ambiente exterior

emisividad de diversas superficies Ref: Transmisión del Calor, McAdams    Materiales 

temperatura, ºC 

emisividad   

 Aceros inoxidables, inoxidables, aleaciones. 

301

24

0.21 - 0.27

215-490

0.44 - 0.36

24

0.28

 Aluminio, aleaciones. aleaciones. 

24

0.08 - 0.11

Cubiertas de aluminio

38

0.216

100

0.09

Cobre 

80

0.018 0.019

 Acero 

24

0.10 - 0.15

100

0.066

304 (8,18) 316 cromoniquel

Chapa comercial y pulido

Acero pulido Hiero pulido Cinc comercial pulido

Cinc, chapa galvanizada Plancha hierro galvanizada

427 - 1030 0.14 - 0.38 227- 327

0.045 0.053

100

0.21

28

0.23 - 0.28

 

 Amianto, cartón cartón 

23

0.96

100 - 320

0.75

50-1000

0.96

Esmalte blanco 

19

0.90

Ladrillos rojos 

21

0.93

Carbón grafitado   Negro de humo humo  

COEFICIENTE

“U”  “U”   El coeficiente total de transferencia transfe rencia de calor “U” se define como la intensidad total de transferencia de calor a través de un material. El

factor

TOTAL

“U”

DE

como

se

TRANSFERENCIA

le

denomina

DE

CALOR

comúnmente,

es

el

coeficiente de transferencia de calor resultante después de tener en cuenta la conductividad térmica y la conductancia de la capa superficial, sus unidades son: (SI) watts/ hr x m2 de área x diferencia de temperatura en ºC o (Sist. métrico) Kcal. / hr. x m2 de área x diferencia de temperatura en ºC o (Sist. inglés) BTU/ hr x pie 2 de área x diferencia de temperatura en ºF. Normalmente se aplica a estructuras compuestas, tales como paredes, techos y tejados. Para

calcular

el

factor

“U”,

se

encuentra

primero

la

resistencia total y después su recíproco. Para conocer “U” debemos de saber con que materiales se va

a construir, su espesor, la conductancia de los mismos, la velocidad del viento exterior y el movimiento del aire interior. Para esto existe una tabla de los materiales (Ver Tabla 1) de los cuales se conocerán sus coeficientes de transmisión “U”, conductividad conductividad “K” y convección convecc ión “f”; por lo tanto para calcular “U” usaremos la siguiente expresión.  

 

Donde:    Donde:

R 

= Resistenci Resistencia a del elemento.

fi  = Coeficient Coeficiente e de convección al interior en watts/m 2 ºC (película de aire interior) fe  = Coeficiente de convección al exterior en watts/m2 ºC (película de aire exterior) a 

= Coeficient Coeficiente e de transmisión de calor del aire por

convección, como uso de, cámara de aire en espacios verticales y horizontale horizontales. s. K 1…K 3 

= Coeficientes de conductividades térmicas de los

E1 … E3 

= Espesores de los materiales en metros.

materiales en watts m / ºC m 2 y un m de espesor.

El calor total transferido por conducción varía directamente con el tiempo, área y diferencia de temperatura, e inversamente con el espesor del material. La ganancia de calor a través de paredes, pisos y techos variará según las siguientes características: características:  A)

Tipo de construcción. construcción.

B)

Área expuesta a diferente temperatura. temperatura.

C)

Tipo y espesor del aislante.

D)

Diferencia de temperatura entre el espacio acondicionado y la temperatu temperatura ra ambiente.

.  RESISTENCIA TÉRMICA “R” “R”   

 

La resistencia térmica “R” se define como la resistencia de

un material al flujo de calor, y es por definición, el recíproco del coeficiente coeficiente de transferencia de calor R = 1/C Sus unidades son: Sistema internacional (SI) Diferencia de temperatura en ºC x m2 de área / watts / hr o Sistema Métrico diferencia de temperatura en ºC x m2 de área / Kcal/ hr. o Sistema Inglés diferencia de temperatura x pie2 de área / BTU/ hr. “R” es muy útil puesto  que los valores de resistencia

pueden sumarse en forma numérica. R total = R1 + R2 + R3 Donde: R1, R2, R3 son resistencias individ individuales. uales.

CONDUCTANCIA “C”  La conductancia térmica ”C” se define cómo la intensidad de

transferencia de calor que se tiene a través de un material y sus unidades son: son : (SI) Watt / hr. x m 2 de área x diferencia de temperatura temperatura en ºC o ( SM ) Kcal / hr x m2de área x diferencia de temperatura en OC o (S Inglés ) BTU/ hr x pie2 de área por diferencia de temperatura en ºF. Este es un factor utilizado frecuentemente con materiales de construcción, espacios de aire, etc., y difiere únicamente de la conductividad térmica en el hecho de que es un factor para un espesor dado de un material, mientras que la conductividad conductivi dad térmica es un factor de transferencia de calor por metro de espesor. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA “K” 

exterior r  Muro exterio

 Aquí vemos cómo cómo la transmisión transmisión y la convección actúan actúan simultáneamente.

x

 

Material

Espesor en m

1 Película de aire exterior

K

29.1

2 Aplanado de mortero

0.02

0.87

3 Tabique rojo recocido

0.13

0.87

4 Aplanado de yeso

0.02

0.70

5 Película de aire interior

9.3

COEFICIENTE DE PELICULA  El papel de los intercambiadores térmicos ha adquirido una creciente importancia recientemente al empezar a ser conscientes consciente s los técnicos de la necesidad de ahorrar energía. En consecuencia se desea obtener obtene r equipos óptimo óptimos, s, no sólo en función de un análisis térmico y rendimiento rendimien to económico de lo invertido, sino también en función del aprovechamiento energético del sistema Un cambiador de calor consiste en un límite sólido, buen conductor, que separa dos fluidos fluido s que se intercambian energía por transmisión de calor. Una de las primeras tareas en el análisis térmico de un cambiador de calor de carcasa carc asa y tubos consiste en evaluar el coeficiente global de transmisión de calor entre las dos corrientes fluidas. En el caso de intercambiadores de carcasa y tubos, el coeficiente coeficient e global de transmisión de calor (U) se basa en la superficie exterior A e de los tubos.

 

Como la pared es delgada y de material buen conductor del calor, su resistencia térmica es despreciable (a menos que esté recubierto de costra o suciedad) suciedad). . - Cálculo de los coeficientes de convección 

El análisis de la convección en una capa límite es compleja, por lo que es frecuente el empleo del análisis dimensional o técnicas analógicas. La obtención del coeficiente de película se realiza por correlación derivada del análisis dimensional Nu es el número de Nusselt Pr   es el número de Prandtl  es Re es el número de Reynolds l es una longitud característica

h es el coeficient coeficiente e de película K   coeficiente de conductividad térmica del fluido  coeficiente c es la velocidad media

El coeficiente de convección está contenido en el número de Nusselt, y para que h pueda ser determinada, es necesario experimentar para obtener los valores de las constante y de los exponentes a y b para cada caso particular. El criterio que decide si el flujo es laminar o turbulento en convección forzada es el valor del número de Reynolds: Para un tubo: Re < 2300 laminar

Re > 2300 turbulento

Cuando se utiliza cualquier ecuación empírica ha de tenerse mucho cuidado en utilizar las temperaturas prescritas para determinar las propiedades de los fluidos.

 

INTERCAMBIADOR INTERCAMBIAD OR DE CALOR.

 

 

La conductividad térmica se define como la intensidad de transferencia transferen cia de calor a través de un material, sus unidades son: watt / hr x m2 de área x diferencia de temperatura en ºC x 1 m de espesor. Para reducir la transferencia de calor a través de un material, el factor de conductividad térmica “K”, deberá

ser tan pequeño como sea posible, a su vez el material debe ser tan grueso como sea posible.