clases tc

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  • 8/17/2019 Clases TC

    1/230

     Transferencia de Calor

    Semestre Especial Verano

    2016Prof: Juan Voss

    Email: jvoss61@mail!com

    Universidad Tecnológica MetropolitanaUniversidad Tecnológica Metropolitana

    Ingeniería QuímicaIngeniería Química

    mailto:[email protected]:[email protected]

  • 8/17/2019 Clases TC

    2/230

    2

  • 8/17/2019 Clases TC

    3/230

    Bibliografía:

    McCabe, Warren L. !peraciones "#sicas de Ingeniería Química$, Mc %ra&'(ill.

    !con, )oa*uin + Too, %abriel- roblemas de Ingeniería Química$, /ditorial 0guilar 

    1ern, onald. rocesos de Trans3erencia de Calor$- /ditorial C/C40

    "ird, 4te&art, Lig5t3oot- 6enómenos de Transporte$, /ditorial 7evert8

    Incropera, e Witt- 6undamentos de Trans3erencia de Calor$, /ditorial rentice(all

    9

  • 8/17/2019 Clases TC

    4/230

    ¿Qué es la Transferencia de Calor?

     Transferencia de Calor es la ener"a en tr#nsito de$ido auna diferencia de temperaturas

    %odos de transferencia de calor:

    :

    Conducci&n:  T1  T2

    '((

     T1 ) T2

    *lujo de Calor a trav+s de uns&lido o un ,uidoestacionario!

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    5/230

    ;

    Convecci&n:

    *luido en movimiento- T.

     Ts

    '((

     Ts)

     T. *lujo de Calor desde unasuper/cie a un ,uido enmovimiento

    adiaci&n:

    '1((

    '2((

    *lujo de calor entre super/cies pormedio de ondas electroman+ticas

  • 8/17/2019 Clases TC

    6/230

    <

    CONDUCCIÓN

    aresistenci

     potencial 

     Flujo  α 

    Como la resistencia es el rec"proco de la conductancia

    potencial iaconductanc   x Flujo  α 

    En ener"a cal&rica:Potencial T 34* o 4C5*lujo 37tu89 o 5 -por lo 'ue la conductancia tendr# unidades de 37tu89

    4* o 84C5Cuando la conductancia es referida a un material de #rea detransferencia unitaria- espesor unitario ; tiempo unitario- sele denomina

    CONDUCTIVIDAD TERMICA = 

  • 8/17/2019 Clases TC

    7/230

    =

    es constante con la temperatura!

    ? de alunos materiales puede aumentar o disminuir con latemperatura!

    Para la ma;or"a de los pro$lemas pr#cticos- se considera ? como elpromedio!

    En todo caso- la variaci&n de ? con la temperatura en s&lidos-viene dado por una relaci&n lineal del tipo

    T k k    γ  +=   0?

    0  Conductividad a 04C

      γ   = Constante que indica el cambio deconductividad por grado de cambio en latemperatura.

  • 8/17/2019 Clases TC

    8/230

    >

    etomando- para una pared de rosor < ; super/cie

     L

     Ak ciaConduc   =tan

    Con lo 'ue:

     L

     Ak Q   ∆=

    Sea ( la cantidad de calor transferida- por lo'ue:

    dt 

    dQdQ

      '=

    Aiferenciando ; reemplaBando 3considerando ?cte5

    dx

    dT kdA

    dt 

    dQ=

    '

  • 8/17/2019 Clases TC

    9/230

    ? ? @ d?d?

    dQAB dQA2

    ?

    D

    d

    dD

    '

    2

    '

    1' dQdQdQ   −=

    E

    Si consideramos un cu$o como el de la /ura:De !olu"en ele"en#al d! = d$ d% d&Suponemos 'ue todas las caras- menos la iB'uierda ; derec9a 3;B5-est#n aisladas

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    BF

     

     

     

     

     

    ∂−=

     x

    T kdydz 

    dt 

    dQ '1

    El calor 'ue entra por la cara iB'uierda viene dadopor:

  • 8/17/2019 Clases TC

    11/230

    BB

    Con lo 'ue el radiente total de temperatura en 3Dd5es:

    dx xT 

     xT  2

    2

    ∂∂−∂∂−

    la salida del cu$o:

      

     

     

     

     ∂∂−

    ∂∂−=   dx

     x

     x

    T kdydz 

    dt 

    dQ2

    2'2

    Con lo 'ue:

    dx x

    kdydz dt 

    dQ

    dt 

    dQ

    dt 

    dQ

       

     

     

     

    =−= 2

    2'2

    '1

    '

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    12/230

    B2

    Si el cu$o cam$ia su temperatura en dT rados!

    Por lo 'ue por unidad de tiempo en un intervalo de tiempo ser#3dT8dt5dt!

    Esto $asado en un volumen elemental- por lo 'ue para elevar elvolumen d d; dB en 3dT8dt5dt 4 ser#:

    ( ) dt t 

    T dxdydz cdQ v ∂

    ∂='

    cv  calor espec"/co volum+trico 37tu8ft F4*5

    ue es iual al calor espec"/co 37tu8l$ 4*5 por ladensidad 3l$8ftF5   ρ ccv =

    Por lo 'ue:

    T dxdydz c

    dt 

    dQ

    ∂∂

    =   ρ '

  • 8/17/2019 Clases TC

    13/230

    B9

    Com$inando las ecuaciones

    dx

     x

    T kdydz 

    T dxdydz c

       

     

     

     

    ∂=∂

    ∂2

    2

     ρ 

    'uedando

     

     

     

     

     

     

    ∂=

    ∂2

    2

     x

    c

     ρ 

    Ecuaci&n eneral de

    *ourier

    t8rmica ddi3usivida= ρ c

  • 8/17/2019 Clases TC

    14/230

    B:

    Si al cu$o se le 'uitan los aislantes:

     z 

     y

     x

    c

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

       

     

     

     

    +∂

    +∂

    =∂

     ρ 

    Para el estado estacionario-donde

    '

    2

    '

    1 dQdQ   =Se o$tiene

    dx

    dT kdAdQ

    dt 

    dQ==

    '

  • 8/17/2019 Clases TC

    15/230

    B;

    Conducci'n de calor a #ra!és de una (ared(lana

     T1

     T2

     xT kAQ

    ∆∆−=

    1

    Como el ,ujo de calor esconstante:

    2Por lo 'ue- 'ue el ,ujo de calor unidireccional 3sentido 5- a trav+s

    de una pared plana- de #rea - de un material 9omo+neo deconductividad ? viene dado por:( )

    ( )12

    12

     x x

    T T kAQ

    −−

    −=

  • 8/17/2019 Clases TC

    16/230

    B<

    Escri$iendo esta ecuaci&n en la forma de potencial; resistencia

     R

    T T Q   21

     −=

    kA

     x R   ∆=Con:

    Conducci'n de calor a #ra!és de una (ared

    (lana co"(ues#a T1  T2

     TF

     TG

    7

    C'

     A x∆  B x∆ C  x∆

  • 8/17/2019 Clases TC

    17/230

    B=

    ( ) ( ) ( )433221 T T 

     x

     Ak T T 

     x

     Ak T T 

     x

     Ak q

     B

     B

     A

     A −

    =−

    =−

    =

    el ,ujo de calor en estado estacionario

    Con lo 'ue:( )

    ( )

    ( ) Ak 

     xqT T 

     Ak 

     xqT T 

     Ak 

     xqT T 

     B

     B

     A

     A

    ∆=−

    ∆=−

    ∆=−

    43

    32

    21

    Sumando estas ecuaciones:

    C  B A

     B

     B

     A

     A  R R R

    T T 

     Ak 

     x

     Ak 

     x

     Ak 

     x

    T T q

    ++−

    =∆

    +∆

    +∆

    −=   4141

  • 8/17/2019 Clases TC

    18/230

    B>

    Conducci&n a trav+s de un cilindro 9ueco

    r

    1

    r2

    r

    dr

    <

    '

    dr dT kAq   −= rL A   π 2=

  • 8/17/2019 Clases TC

    19/230

    BE

    Con lo 'ue se o$tiene

    ∫ ∫    −=  2

    1

    2

    1

    2

    r dT k 

    dr 

     L

    q

    π 

    ( )21

    1

    2ln

    2T T 

    r r 

     Lk q   −

     

     

     

     

     =

      π 

    l multiplicarpor:

    ( )

    ( )12

    12

    r r 

    r r 

    −−

    ( )   ( )( )

     R

    T T 

    kAr r 

    T T 

    r r 

    T T 

    kAq

    ml 

    ml 

    21

    12

    21

    12

    21   −

    =−

    =−

    =

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    20/230

    2F

    ( ) ( )

    ( ) ( )12

    12

    12

    12

    ln22ln

    22

     A A

     A A

     Lr  Lr 

     Lr  Lr  Aml 

    −=

    −=

    π π 

    π π 

    Aonde:

    ( )

    kL

    r r 

    kA

    r r  R

    ml    π 2

    ln 1212 =−

    =

    En c#lculos de Hnenier"a- cuando:1

    5,1

    1

    2 < A

     A

    la diferencia entre la media lineal del #rea ; la medialoar"tmica- no so$repasa el 1-I

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    2B

    *lujo a trav+s de cilindros de mKltiples capas

    'rG

    rFr2

    r1

    7

    C

     T1 T2

     TF  TG

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )Cml C  Bml  A Aml  A  Ak r r 

    T T 

     Ak r r 

    T T 

     Ak r r 

    T T q

    34

    43

    23

    32

    12

    21

    −−

    =−

    −=

    −−

    =

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    22/230

    22

    en 'ue:

    ( )

    ( )

    ( )34

    34

    23

    23

    12

    12

    ln

    ln

    ln

     A A

     A A A

     A A

     A A

     A

     A A

     A A A

     Aml 

     Bml 

     Aml 

    −=

    −=

    −=

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )Cml C  Bml  B Aml  A  Ak r r  Ak r r  Ak r r 

    T T q

    342312

    41

    −+−+−−

    =

    Ae la misma forma 'ue con las paredes planas:

    C  B A  R R R

    T T q

    ++−=   41

  • 8/17/2019 Clases TC

    23/230

    29

    Co")inaci'n de con!ecci'n % conducci'n

    T* Tf 

    ( ) f  W  T T Aq   −=

    9 coe/ciente convectivo detransferencia de calor 38m2L5 o

    3$tu89 ft2 4*5

    Para una pared plana

     TG

     TF

     T2

     T1

    '

    9i9o ( ) ( ) ( )433221   T T  AT T 

     x Ak T T  Aq o A

     Ai   −=−∆

    =−=

  • 8/17/2019 Clases TC

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    2:

    Con lo 'ue:

    o A Ai   k  x

    T T q

    11

    41

    +∆+−

    =

    Si de/nimos M como el coe/ciente lo$al de transferencia de calor-tendremos:

    total T !Aq   ∆=)( 41 T T T total    −=∆

    ;

      °⋅⋅

      ⋅

    +

    += "tu F  ft 

    oW 

     # m

     x

    !  o A

     A

    i

    22111

     

  • 8/17/2019 Clases TC

    25/230

    2;

     TG

     TF

     T2

     T1

    rori

    '

    9i

    9o

    Transferencia desde un +uido ,ue +u%e (or el e$#eriorde un #u)o- a uno ,ue +u%e (or el in#erior

    ealiBando la analo"a:

    ( ) oo Aml  Aioii   A Ak r r  A

    T T q

    11

    41

    +−+−

    =

    En este caso- el coe/ciente lo$al de transferencia de calor M- puede$asarse tanto en el #rea interna como en el #rea eterna- 'uedando:

  • 8/17/2019 Clases TC

    26/230

    2<

    ( ) ( )

    ( )

    ( )

    o Aml  A

    oio

    ii

    o

    o

    oo

    i

     Aml  A

    iio

    ii

    ooii

     Ak 

     Ar r 

     A

     A

    o A

     A

     Ak 

     Ar r 

    con

    T T  A! T T  A! q

    11

    11

    4141

    +

    +=

    +−

    +=

    −=−=

  • 8/17/2019 Clases TC

    27/230

    2=

    Es(esor cr.#ico de aislaci'n

    aislanter

    1

    r

    2

     T0 T2

     T190

    ?

    '

    MtiliBando las ecuaciones:   ( )

    kL

    r r  Rcoducc

    π 2

    ln 12=

    ∑−=  RT T q  01

    2

    0202

    1)(

     Lr  RT T  Aq convec

    π =⇒−=

  • 8/17/2019 Clases TC

    28/230

    2>

    ( )( )

    02

    12

    01

    1ln

    2

    r k 

    r r 

    T T  L

    q+

    −=

      π  

    =os 'ueda:

    Aiferenciando ' c8r a r2 e iualando a cero- o$tenemos el

    m#imo ,ujo de calor

    ( ) ( )   ( )[ ]( )

    01ln

    1122

    02

    12

    0

    2

    2201

    2

    =

    +

    −−−=

    r k 

    r r 

    r k r T T  L

    dr 

    dq   π 

    esolviendo:

    ( )

    0

    2

    k r 

    cr  =

  • 8/17/2019 Clases TC

    29/230

    2E

    Ejemplo 1:Considere una corriente de vapor saturado a 26N4* 'ue ,u;e en elinterior de una tu$er"a de acero de O pul con un AH de 0-2G pul ; AEde 1-0I0 pul!

  • 8/17/2019 Clases TC

    30/230

    9F

    Ejemplo 2:Mn ca$le el+ctrico 'ue tiene un di#metro de 1-I mm ; 'ue est#cu$ierto con un aislante pl#stico 3rosor 2-I mm5 est# epuesto alaire a F00 L ; 90  20 8m2L! El aislante tiene un ? de 0-G 8m!L! Sesupone 'ue la temperatura en la super/cie del ca$le es constante aG00 L ; no es afectada por la cu$ierta!

    a5Calcule el valor del radio cr"tico!$5Calcule la p+rdida de calor por metro de lonitud de ca$le sinaislantec5Calcule la p+rdida de calor por metro de lonitud de ca$le con

    aislante

  • 8/17/2019 Clases TC

    31/230

    9B

    Transferencia de Calor (orcon!ecci'n

    *orBada

    =atural

    *lujo tur$ulento

    *lujo laminar

    Se le aplica una fuerBa mec#nicapara 'ue el ,uido se mueva

    El movimiento del ,uido se produce pordiferencias en las densidades!

  • 8/17/2019 Clases TC

    32/230

    92

    Con!ecci'n for&ada Con!ecci'n Na#ural

  • 8/17/2019 Clases TC

    33/230

    99

    Ca(a l."i#e #ér"ica

    ;

     T

    s

     T

    .

     T

    .

    u.

     Tdt

    dt35

    *lujoli$re Capa

    l"mitet+rmica

    Hnicialmente: T3;5 T.

    dt = valor de (y) para el que la razón [(Ts – T)/(Ts – T.5R 0- 

    En ; 0:   0=∂

    ∂−= y

     f   s y

    T k q

    Hualando a la le; de enfriamiento de =eUton: '8 9 T

  • 8/17/2019 Clases TC

    34/230

    9:

    Se o$tiene:

    =

    ∂∂

    =T T 

     y

    T k 

     s

     y

     f  

    0

    Ad!ecci'n/ des(la&a"ien#o de una "asa de +uido 01con!ecci'n2

    An3lisis re,ueri"ien#o de conser!aci'n de la ener4.aen la ca(a l."i#e Tomando un volumen de control dentro de la capa l"mite 3d d; 15

  • 8/17/2019 Clases TC

    35/230

    9;

    -

    ;

    d

    d;

    dy ycond  $    +•

    , dy yadv $    +•

    ,

     ycond  $    ,•

     yadv $    ,•

    dx xcond  $    +•

    ,

    dx xadv $    +•

    ,

     xcond  $    ,•

     xadv $    ,•

    ;

    B

    dxdy% 

    eu x

    dydx% 

    eu x

    % eudy

    % eu $  $  dx xadv xadv

       

      

     +

    ∂∂

    −=

       

      

     +

    ∂∂

    +   

      

     +−  

     

      

     +≡−   +

    ••

    2222

    2222

    ,,   ρ  ρ  ρ  ρ 

    Por advecci&n

  • 8/17/2019 Clases TC

    36/230

    9<

    dxdy x

    T k 

     xdydx

     xk 

     x x

    T k dy

     x

    T k  $  $  dx xcond  xcond 

        

     

     

     

    =

      

     

     

     

    −∂

    −−  

     

     

     

    −=−  +

    ••

    ,,

    Por conducci&n:

     Transferencia neta a las 'ue las fuerBas en la direcci&n realiBantra$ajo so$re el ,uido:

    ( ) ( )[ ]   ( ) idad vis y presi&nde fuerzas por netotra"ajo

     xy xx

    cuerpode fuerzastra"ajo

     xnet    dxdyu xdxdyu p xdxdy 'uW 

    cos

    ,

     

    τ σ  ∂

    +−∂

    +=

    ealiBando el $alance an#loo en direcci&n ;- la conservaci&n de laener"a 'ueda:

    ( )

    ( ) ( )   ( ) ( )   0

    22

    22

    =++∂∂

    ++∂∂

    +∂∂

    −∂∂

    ++       ∂∂∂∂+      ∂∂∂∂+

           +∂∂−

           +∂∂−

    qvu y

    vu x

     pv y

     pu x

    (v 'u yT k 

     y xT k 

     x% eu

     y% eu

     x

     yy yx xy xx   σ τ τ σ 

     ρ  ρ 

    rapideB de eneraci&n de ener"a por unidad de volumen

    q

  • 8/17/2019 Clases TC

    37/230

    9=

    MtiliBando las ecuaciones de conservaci&n de momento ;realiBando alunas manipulaciones matem#ticas

    +Φ+   

      

     ∂∂

    +∂∂

    −   

      

     ∂∂

    ∂∂

    +   

      

    ∂∂

    ∂∂

    =∂∂

    +∂∂

    q y

    v

     x

    u

     p y

    k  y x

    k  x y

    e

    v x

    e

    uavisdisipaci&n

    t)rmica ycin)ticaener*+aentre

    reversi"leconversi&n

    cos

     

     µ  ρ  ρ 

    Ecuaciones de conservaci&n de momento

    ( )

    ( ) (  p y y y

    uv

     x

    uu

     '  y

     p x y

    uv

     x

    uu

     yy

     xy

     yx

     xx

    +−∂∂

    +∂

    ∂=  

     

      

     ∂∂

    +∂∂

    +∂

    ∂+−∂∂=  

      

      

    ∂∂+

    ∂∂

    σ τ 

     ρ 

    τ σ  ρ 

     Tra$ajando la ener"a t+rmica en funci&n de entalp"a espec"/ca X3por unidad de masa5

     ρ 

     pe ,    +=

  • 8/17/2019 Clases TC

    38/230

    9>

    MtiliBando la ecuaci&n:( ) ( )0=

    ∂∂

    +∂

    ∂ y

    v

     x

    u   ρ  ρ 

    Se o$tiene

    •∧∧

    +Φ+   

      

     ∂∂

    +∂∂

    +   

      

     ∂∂

    ∂∂

    +   

      

    ∂∂

    ∂∂

    =∂

    ∂+

    ∂∂

    q y

     pv

     x

     pu

     y

    T k 

     y x

    T k 

     x y

     , v

     x

     , u   µ  ρ  ρ 

    Si es un asideal:

    dT C  , d   p=∧

    +Φ+  

     

     

     

     ∂∂

    +∂∂

    +  

     

     

     

     ∂∂

    ∂∂

    +   

      

    ∂∂

    ∂∂

    =  

     

     

     

     ∂∂

    +∂∂

    q y

     pv

     x

     pu

     y

    T k 

     y x

    T k 

     x y

    T v

     x

    T uC  p   µ  ρ 

  • 8/17/2019 Clases TC

    39/230

    9E

    Si es un ,uido incompresi$le:dT C dT C deC C   pv pv   ==⇒=

    +Φ+   

      

     ∂∂

    ∂∂

    +   

      

    ∂∂

    ∂∂

    =   

      

     ∂∂

    +∂∂

    q y

    T k 

     y x

    T k 

     x y

    T v

     x

    T uC  p   µ  ρ 

    ealiBando las siuientes simpli/caciones a esta ecuaci&n:

    rcte- propiedades del ,uido constantes- fuerBas decuerpo insini/cantes YZ0- no 9a; reacci&n- no 9a;eneraci&n de calor!dem#s realiBando alunas aproimaciones de capa l"mite

     x

     y

    ∂∂

    >>∂∂

    Se llea a:

    avisdisipaci&n

     p  y

    u

    c

    v

     y

     y

    T v

     x

    T u

    cos

    2

    2

    2

     

       

      

     ∂∂

    +∂∂

    =∂∂

    +∂∂

    α  a coe/ciente disipaci&nt+rmica

  • 8/17/2019 Clases TC

    40/230

    :F

    Aespreciando la disipaci&n viscosa- ; normaliBando la ecuaci&nde capa l"mite utiliBando par#metros adimensionales de lasformas:

     L

     y y y

     L

     x x   ≡∗≡∗   < es una lonitud caracter"stica para la

    super/cie de la pared 3ej: lonitud de unaplaca5

    vv y

    uu   ≡∗≡∗  

     s

     s

    T T 

    T T 

    T  −

    ≡ ∞∗

    2% 

     p p

     ρ ≡∗

    ealiBando los reemplaBos- se o$tiene:Capa l"mite t+rmica

    2

    2

    ∗∂∂=∗∂∂∗+∗∂∂∗∗∗∗

     yT 

    %LvT v

     xT u   α 

    Condiciones defrontera:

    ( ) ( )  1,00,   =∞∗=∗   ∗∗  xT  xT 

  • 8/17/2019 Clases TC

    41/230

    :B

    Ae la ecuaci&n de capa l"mite de velocidad se o$tiene unadimensional 3v8V

  • 8/17/2019 Clases TC

    42/230

    :2

    Si a la ecuaci&n de la de/nici&n de 9 le introducimos lospar#metros adimensionales- o$tenemos:

    ( )

    ( )00   =∗

    =∗

    ∗∂∂

    +=∗∂

    ∂−−

    −= y

     f  

     y s

     s f  

     y

     L

     y

    T T 

    T T 

     L

    ; se de/ne un par#metro adimensional llamado =4 de=usselt

    0=∗

    ∗∂

    ∂=≡

     y f    y

    L -u

  • 8/17/2019 Clases TC

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    :9

  • 8/17/2019 Clases TC

    44/230

    ::

    5ru(o De6nici'n In#er(re#aci'n

    =usselt 3=u5 Qradiente de temperatura adimensional en lasuper/cie

    Peclet 3Pe5 Par#metro de transferencia de caloradimensional

    Prandtl 3Pr5 aB&n de las difusividades de momento ;t+rmica

    e;nolds 3e5 aB&n de fuerBas de inercia ; viscosas

    Stanton 3St5 =Kmero de =usselt modi/cado

     f  k 

    L

    Pr Re 

    c p µ 

     µ 

     ρ %L

    Pr Re 

     -u

  • 8/17/2019 Clases TC

    45/230

    :;

  • 8/17/2019 Clases TC

    46/230

    :<

    Correlaciones (ara de#er"inar el coe6cien#e 7 en+u8os e$#ernos- en con!ecci'n for&ada

    Para no entrar nuevamente en relaciones matem#ticasenorrosas- simpli/caremos nuestro raBonamiento!

    partir de mediciones eperimentales se in/ere una relaci&npara el c#lculo del coe/ciente 9- 'ue tiene la forma

    nmC  -u L

      Pr Re= C- m- n son a menudoindependientes de lanaturaleBa del ,uido

    C- m- n var"an por la eometr"a ; tipo de ,ujo!Por otro lado todas las propiedades se evalKan a la

     Temperatura media de la capa l"mite Tf - tam$i+n llamada temperatura de Pel"cula

    2

    ∞+=T T 

    T   s f  

    # &

  • 8/17/2019 Clases TC

    47/230

    :=

    ealiBando los desarrollos matem#ticos- con informaci&nemp"rica- se deduce 'ue para ,ujo laminar paralelo a unaplaca plana- el =4 de =usselt 'ueda:

    6,0Pr Pr Re332,0   31

    2

    1

    ≥==  k  x

     -u  x x

    Como nos interesa el valor so$re toda la placa- o$tenemos losvalores promedio:

    6,0Pr Pr Re664,0   31

    21

    ≥==  k 

     x -u  x x

    Como es valor medio- se puede escri$ir =u

  • 8/17/2019 Clases TC

    48/230

    :>

    Para nKmeros de Prandtl pe'ue]os 3metales l"'uidos5

    10005,0Pr 565,0   21

    ≥≤=  x x x   /e /e -u  

    Para un ,ujo laminar so$re una placa isot+rmica- C9urc9ill ; >Boe-recomiendan la siuiente ecuaci&n de correlaci&n Knica 3para todo=4 de Prandtl5 para o$tener el coe/ciente local de convecci&n

    ( )[ ]

     x x

     x x

     x

     -u -ucon

     /e -u

    2

    100

    Pr 0468,01

    Pr Re3387,0

    41

    32

    3121

    =

    ≥+

    =

     

  • 8/17/2019 Clases TC

    49/230

    :E

    *lujo tur$ulento so$re placa plana

    Para ,ujo tur$ulento- utiliBando analo"as de e;nolds o de

    C9ilton^Col$urn- se o$tiene

    60Pr 6,0Pr Re0296,0   31

    54

  • 8/17/2019 Clases TC

    50/230

    ;F

    >$teniendo el valor promedio del coe/ciente convectivo- de laforma:

    ∫ = L

    dx L

    0

    1

    En 'ue se intera so$re la rei&n laminar ;despu+s so$re la rei&n tur$ulenta :( )c x x ≤≤0( ) L x xc   ≤≤

       

       += ∫ ∫ 

    c

    c

     x L

     xtur"lam L dxdx

     L

    0

    1

    Se supone un cam$io a$rupto entre laminar ; tur$ulento enc ; utiliBando las ecuaciones de 9 local para am$as Bonas- einterando o$tenemos:

    21

    ,5

    4

    ,

    31

    54

    Re664,0Re037,0

    :

    Pr Re037,0

    c xc x

     L L

     A

    con

     Au - 

    −=

       

       −=

  • 8/17/2019 Clases TC

    51/230

    ;B

    Si suponemos un =4 de e;nolds de transici&n representativo e-c  I 10I la ecuaci&n se reduce a:

    31

    54

    Pr 871Re037,0         −=  L Lu - plica$le si se cumplen las siuientes condiciones:

    5

    ,

    85

    105Re

    10Re105

    60Pr 6,0

     x

     x

    c x

     L

    =

    ≤<

    ≤≤

  • 8/17/2019 Clases TC

    52/230

    ;2

    Me#odolo4.a (ara un c3lculo decon!ecci'n1!^ Esta$lecer la eometr"a de la con/uraci&n!

    ^ ,ujo so$re placa plana^ ,ujo alrededor de una esfera- cilindro- etc^ ,ujo a trav+s de un $anco de tu$os^ etc

    2^ Especi/car la temperatura de referencia adecuada ;evaluar las propiedades del ,uido!

    ^ temperatura promedio- de pel"cula- de lasuper/cie- etc!

    F!^ Calcular el =4 de e;nolds o de Peclet para determinar elr+imen de ,ujo!

    G!^ Se selecciona una ecuaci&n 'ue se ajuste a la eometr"a; r+imen de ,ujo- si es necesario se reevalKan las propiedadesde acuerdo a las ecuaciones seleccionadas e 9ip&tesisdadas!

    I!^ Se calcula 9 ;8o el ,ujo de calor

  • 8/17/2019 Clases TC

    53/230

    ;9

    9lu8o alrededor de un cilindro

    A_V

    u.35

    Punto deestancamientodelantero

    Capa l"mite

    Punto de separaci&n

    El =4 de e;nolds est# de/nidocomo:

      υ  µ 

     ρ  %0%0 0   ==Re

    Si eA ` 210I la capa l"mite permanece como laminar- ; laseparaci&n ocurre en _04!Si eA  210I ocurre la transici&n de la capa l"mite - ; la

    separaci&n se retrasa a _1G04!

  • 8/17/2019 Clases TC

    54/230

    ;:

    'u" se de/ne un coe/ciente de arrastre- en funci&n de la fuerBa

    de arrastre 3*A5 'ue actKa so$re el cilindro!

    ( )22%  A F 

    C  f  

     0 0

     ρ ≡

    f   #rea frontal del cilindro 3b

  • 8/17/2019 Clases TC

    55/230

    ;;

    Coe/ciente de arrastre para

    esferas

    v

    %0 0 =Re

  • 8/17/2019 Clases TC

    56/230

    ;<

    N: de Nussel# en funci'n del 3n4ulo de se(araci'n

    Coordenadaanular- _

           =     u       _

    =4 de=usselt localpara ,ujo deaire normala un cilindrovertical

  • 8/17/2019 Clases TC

    57/230

    ;=

    Mna correlaci&n para el =4 de =usselt local- ; en el punto de

    estancamiento delantero para Pr 0-6

    ( )   31

    21

    Pr Re15,10  0 0 -u   ==θ 

    Para c#lculos en inenier"a interesa m#s las condiciones

    promedio lo$ales!3

    1

    Pr Rem 0 0   C k 

     0u -    =≡ Correlación de

    Hilpert 

    ReD  C "

    0-G G 0- 0-FF0

    G G0 0-11 0-FI

    G0 G000 0-6F 0-G66

    G000 G0000 0-1F 0-61

    G0000 ̂ G00000 0-02N 0-0I

    Constantes para cilindro circular en ,ujo cruBado

  • 8/17/2019 Clases TC

    58/230

    ;>

    5eo"e#r. a

    ReD C "

    Cuadrado

    I10F  10I 

    I10F  10I 

    0-2G6

    0-102

    0-I

    0-6NI

    We#ono

    I10F  10I 

    I10F  1-I10G 1-I10G  10I 

    0-1IF

    0-1600-0FI

    0-6F

    0-6F0-N2

    Placa vertical

    G10F  1-I10G  0-22 0-NF1

    A

    AV

    V

    A

    AV

    V

    AV

    Constantes para cilindros no circulares en ,ujocruBado de un as

  • 8/17/2019 Clases TC

    59/230

    ;E

    >tra correlaci&n para el cilindro circular en ,ujo cruBado

    41

    Pr 

    Pr Pr Re   

     

      

     =

     s

    nm

     0 0 C u -   Zhukauskas

  • 8/17/2019 Clases TC

    60/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    61/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    62/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    63/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    64/230

    F F,::F F,; F,;=:

  • 8/17/2019 Clases TC

    65/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    66/230

    currir# en 2 si:

    ( ) ( ) 0.  0.  T  0   − en su defecto

    22

    21

    2

    2  0. . . .  T T  L 0+

    <

       

      +=

    En este caso: .

  • 8/17/2019 Clases TC

    67/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    68/230

    < dif i d t t l l d f i i t

  • 8/17/2019 Clases TC

    69/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    70/230

    =F

    Caída de presión a través de un banco de tubos

    14,02

    2     

      =∆

     L - 2

     f   p m

     µ 

     µ 

     ρ 

     µ 

    m 02=Re

    lineapor tubosdeNmeroN

    tubosdebancodelanc5ob

    tubosdosentrelibredistancia4sistemaelo3rece*ue3luodemínima#reaa

    JOgGsKm#sico caudal W

    a

    W m#sicavelocidad %

    tuboslosdeeHterior di#metro 

    T

    t

    m

    mm

    =

    =

    =−=

    =

    ===

     0

    )()(   2m"-  0. a T t m   −=

    9lu8o in#erior

  • 8/17/2019 Clases TC

    71/230

    =B

    9lu8o in#erior

    Como en todo sistema- las correlaciones de transferencia de calorest#n "ntimamente relacionadas con las condiciones de ,ujo!Por el interior de un tu$o- el =4 de e;nolds se de/ne:

     µ 

     ρ   0um 0 ≡Re

    um  velocidad media del ,uido so$re la secci&n

    transversal del tu$oA di#metro del tu$o

    El =4 de e;nolds cr"tico 3donde se inicia latur$ulencia5

    2300Remin

    2300Re ,

     0

    c 0

    ar  La Flujo  

    Considerando un tu$o circular ; ,ujo m#sico

      µ π  0

    m 0

    4Re   =

    Ae/nimos la temperatura media T : Es la temperatura media de un

  • 8/17/2019 Clases TC

    72/230

    =2

    Ae/nimos la temperatura media Tm : Es la temperatura media de un,uido en una secci&n dada! Es una temperatura de referenciaconveniente para ,ujos internos- como lo es T. en ,ujo eterno!

  • 8/17/2019 Clases TC

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    =9

    ;

    %ediante $alances de ener"a- se tiene 'ue el calor totaltransferido 3'conv5 es:

    dem#s tenemos

    ( )T 

    cm

     / 

    dx

    T d 

    dx

    dT 

     p

    m ∆=∆

    −=

    Hnterando- entre i ; o nos 'ueda:

    teconscm

     /L

    T  L

     pi

    o tanln   ==  

     

     

     

     

    ∆∆

    sT 

    m pconv dT cmdq 

    =Si suponemos 'ue el calor super/cial 3's5 es constante- tenemos: /dxqdAqdq  s sconv   ==

    entonces:

     p

     sm

    cm

     /q

    dx

    dT 

    =

    T q s   ∆= si consideramoscomo( )m s   T T T    −=∆

    entonces

    35

    Como la transferencia total se produce entre la entrada ;

  • 8/17/2019 Clases TC

    74/230

    =:

    Como la transferencia total se produce entre la entrada ;salida- ; es con respecto a la super/cie de contacto:

    )(

    )(

    ,

    ,

    om so

    im si

    T T T 

    T T T 

    −=∆

    −=∆

    Por lo 'ue:( ) ( )[ ]   ( )oi pom sim s pconv   T T cmT T T T cmq   ∆−∆=−−−=     ,,

    eemplaBando el producto ; cp de 35m

    i

    o

    ioml  s

    i

    o

    io

     sconv

    T T T  y 0L /L A

    queen

    T T  Aq

    ∆∆

    ∆−∆=∆==

    ∆∆

    ∆−∆=

    ln

    :

    ln

     π 

  • 8/17/2019 Clases TC

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    =;

    tenemos

    ml  sconv   T  Aq   ∆=

    Si tomamos el total de transferencia 3eterna- interna-conducci&n- etc5\ se reescri$e como:

    ml  s   T  A! q   ∆=

     Ts  constante

  • 8/17/2019 Clases TC

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    =<

  • 8/17/2019 Clases TC

    77/230

    ==

    9lu8o Tur)ulen#o den#ro de #u)er.ascircularesecordar de cursos anteriores:

    82

     f  C  f   =

    dem#s se tiene 'ue:

    32

    32

    Pr Pr Re

    Pr 8  0

     0 -u.t  f  

    ==

    Ecuaci'n de Di##usJoel#er

    n

     0 0 -u   Pr Re023,0  5

    4

    =Calen#a"ien#o0TsKT"2n = G-Enfria"ien#o0TsLT"2

    n = G-@Condiciones

    10

    10000Re160Pr 7,0

    ≥≤≤

     0

     L

     0

  • 8/17/2019 Clases TC

    78/230

    =>

    14,0

    3154 Pr Re027,0     

      =

    3

     0 0 -u µ  µ 

    Ecuaci'n de

  • 8/17/2019 Clases TC

    79/230

    =E

    entre pe'ue]as ; moderadas!

  • 8/17/2019 Clases TC

    80/230

    >F

    ' p p

    2

    ,, omim

    m

    T T T 

    +=

    Para =4 de Prandtl pe'ue]os3metales l"'uidos5( )23 105Pr 103   −− ≤≤  x x

     827,00185,082,4  0 0  /e -u   +=

    condiciones

    Para temperatura super/cial constante ; Pe ) 100- se recomienda!

    8,002,00,5  0 0  /e -u   +=

    42

    53

    1010

    1005,9Re106,3

  • 8/17/2019 Clases TC

    81/230

    >B

    Para Bonas de transici&n- se utiliBa el r#/co siuiente- en el cualse o$tiene el coe/ciente jW de Col$urn

    ( )

    ( )

    14,03

    2

    ,,

    14,03

    2

    4

    ln

       

      

        

      

        

      

       

      

    −=  

     

      

        

      

       

     

     

     

     =

     µ 

     µ  µ 

     µ 

     µ  µ 

     ρ  s p

    m

     s

    m s

    imom s p

     p

     , k 

    c

     L

     0

    T T 

    T T 

    T T 

    c

    %c

     j

    TRAN

  • 8/17/2019 Clases TC

    82/230

    >2

    Tu)os NO circulares

    Para conductos no circulares- en la ma;or"a de los casos seutiliBa el di#metro 9idr#ulico 3A

    9

    5- con el cual se calculan los =4de e;nolds ; Prandtl!

     / 

     A 0   c

    4≡

    c  #rea transversal 3super/cie de ,ujo5

    P per"metro mojado 3per"metro de transferencia5

    En ,ujo laminar- eisten ma;ores diferencias- en especial en lases'uinas- donde el coe/ciente se acerca a cero!

    En este caso se utiliBan los valores ta$ulados siuientes:

    0 -u  0 ≡

  • 8/17/2019 Clases TC

    83/230

    >9

    Secci&n Transversal

    $8a 8 cte

     Tscte

    ^ G-F6 F-66 6G

    1-0 F-61 2- IN

    1-GF F-NF F-0 I

    2-0 G-12 F-F 62

    F-0 G-N F-6 6

    G-0 I-FF G-GG NF

    -0 6-G I-60 2

    . -2F N-IG 6

    ^ F-11 2-GN IF

     0 f   Re

    a$

    a$

    a

    $a

    $a

    $

    a$

    Anillos de #u)os concén#ricos

  • 8/17/2019 Clases TC

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    >:

    Anillos de #u)os concén#ricosTs,i

    Ts,o

    Tm, um

    *PPo

    *PPi

    ( )TT′′

  • 8/17/2019 Clases TC

    85/230

    >;

    ( )mi sii T T q   −=   ,( )mo sio T T q   −=′′   ,

     0 -u

     0 -u

    o

    o

    i

    i

    ( ) ( )io

    io

    io

     0 0 0 0

     0 0 0   −=

    −−=

    π π π    2244

  • 8/17/2019 Clases TC

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  • 8/17/2019 Clases TC

    87/230

    >=

    Ai8Ao =uii =uoo

    0-00 ^^^^ G-F6G . 0-0000

    0-0I 1N-1 G-N2 2-10 0-02G

    0-10 11-1 G-FG 1-FF 0-0I62

    0-20 -G G-FF 0-0I 0-10G1

    0-G0 6-IF G-N 0-60F 0-12F0-60 I-12 I-0 0-GNF 0-2GII

    0-0 I-I0 I-2G0 0-G01 0-20

    1-00 I-FI I-FI 0-FG6 0-FG60

    ∗iθ 

      ∗oθ 

  • 8/17/2019 Clases TC

    88/230

    >>

    /emplo

    Un intercambiador de calor de doble tubo, est# 3ormado por dos tubos

    conc8ntricos. Un 3luido circula por el tubo interior + otro circula por el espacioanular. Calcular el coe3iciente de trans3erencia de calor para una corriente degasolina circulando por el espacio anular de un intercambiador de este tipo, enlas siguientes condicionesi#metro eHterior del tubo interno 2;,: mm- i#metro interior del tubo eHterno9E mm- Caudal ;,2 m9G5.

    ropiedades R S =BF OgGm9- Cp S 2::2 )GOg 1- V S F,: cp- OS F,B> WGm 1Jdespreciar la corrección por temperatura de paredK

    Con!ecci'n Na#ural

  • 8/17/2019 Clases TC

    89/230

    >E

    Con!ecci'n Na#ural0>i)re2El movimiento del ,uido se de$e a las fuerBas de empuje dentro de

    +ste- el empuje se de$e a la presencia com$inada de unaradiente de densidad del ,uido ; una fuerBa 'ue es proporcionala la densidad 3normalmente 5

    ?

    gu

    ρ ρ∞

    Τ > Τ∞

    ρ∞Τ∞u∞S F

    Ts  T∝

     T∝ ,ρ∝

    g

    H, u

    +, v

    uJ+K

    En el desarrollo de la capa l"mite para convecci&n natural- aparecet+ i d i d / i t l +t i d i&

  • 8/17/2019 Clases TC

    90/230

    EF

    un t+rmino denominado coe/ciente volum+trico de epansi&nt+rmica- 'ue se de/ne:

     pT 

     

     

     

     

     

    ∂−=

      ρ 

     ρ 

    β   1

    En forma aproimada:

    T T   −−

    −≈∞

    ∞   ρ  ρ 

     ρ β 

      1

    dem#s tenemos 'ue al desarrollar las ecuaciones demomento ; ener"a- aparece un rupo adimensionaldenominado =4 de Qras9of 3Qr5

    ( )2

    3

    v

     LT T  * 2r   s L

    ∞−=  β 

    Este =4 juea el mismo papel en la convecci&n natural 'ue ele;nolds en convecci&n forBada!e;nolds raB&n entre fuerBas inerciales a las viscosasQras9of raB&n entre las fuerBas de empuje a las viscosas

    Correlaciones (ara con!ecci'n na#ural04eo"e#r.as su"er4idas2

  • 8/17/2019 Clases TC

    91/230

    EB

    04eo"e#r.as su"er4idas25eo"e#r.a

    Correlaci'nReco"endada

    Res#ricci'n

    Placas Verticales

    =inuna

    Placas inclinadas!Super/cie fr"a arri$a o

    super/cie caliente a$ajo

  • 8/17/2019 Clases TC

    92/230

    E2

    Capa límite t8rmica, lí*uida +vapor 

    Capas límite de velocidadlí*uida + de vapor 

    apor, v

    g

    +

    H

    Ts

    δ(HK

    XmJHK

    lí*uido, l

    T∝

    TJ+K

    uJ+K

    Tsat

    (so)re una (laca !er#ical

    l realiBar las suposiciones siuientes- se pueden o$tener

  • 8/17/2019 Clases TC

    93/230

    E9

    resultados Ktiles! Estas se oriinan de un an#lisis de =usselt

    1!^ Se supone ,ujo laminar ; propiedades constantes

    para la pel"cula l"'uida!2!^ Se supone 'ue el as es un vapor puro ; atemperatura uniforme iual a Tsat! Sin un radiente detemperatura en el vapor- la transferencia de calor a lainterfaB l"'uido^vapor puede ocurrir s&lo por

    condensaci&n en la interfaB ; no por conducci&n delvapor!

    F!^ Se supone insini/cante el esfuerBo cortante en lainterfaB l"'uido^vapor- en cu;o caso !

    G!^

  • 8/17/2019 Clases TC

    94/230

    E:

    Capa límite t8rmica, lí*uida + vapor 

    Capas límite de velocidad lí*uida + de vapor 

    Wapor, v

    +

    H

    Ts

    δ(HK

    lí*uido, l

    Tsat

    dH

    =usselt 3suposiciones 1 a la G5

    0=∂∂

    =δ  y y

    u

    )( xm

    •• +↓

    md m

     

    ( )     ←   ⋅dx"q s

      ←   •md 

           ←

    = md q   f*  s

    dq

    Ae la Gg suposici&n- se o$tiene la ecuaci&n de momento

  • 8/17/2019 Clases TC

    95/230

    E;

    p -

    l l 

     ' 

    dx

    dp

     y

    u

     µ  µ  −=∂

    ∂   12

    2

    Y es la fuerBa de cuerpo- 'ue dentro de la pel"cula es: rl !Si se considera las aproimaciones de capa l"mite- se o$tiene:

    ( )

       

      −

    −=

    22

    2

    1)(

    δ δ  µ 

    δ  ρ  ρ    y y *  yu

    vl 

    ( )   * dx

    dp y p v ρ ≈≈∂∂  +0/( )vl 

     * 

     y

    u ρ  ρ 

     µ −−=

    ∂∂

    2

    2

    Hnterando dos veces ; aplicando las condiciones de frontera

      el per/l de velocidades en la pel"cula'ueda 00)0(   =∂∂= =δ  y yuu   +

    Si se de/ne Q35 ,ujo de masa de condesado por unidad deanc9o el cual se puede o$tener en t+rminos de una interal

  • 8/17/2019 Clases TC

    96/230

    E<

    anc9o- el cual se puede o$tener en t+rminos de una interal'ue inclu;e el per/l de velocidad

    ∫    Γ ≡=•

    )(

    0 )()(

    )(  xl   xdy yu"

     xm   δ 

     ρ 

    Hnsertando la ecuaci&n anterior- e interando se o$tiene:

    vl l  *  x

     µ 

    δ  ρ  ρ  ρ 

    3

    )()(

    3−=Γ 

    Para o$tener la variaci&n espec"/ca de δ, ; por ende de Γ - conrespecto a - se de$e recurrir a $alance de ener"a!

     Tomando un elemento diferencial- en una arte de la interfaB l"'uido^

    vapor de anc9o unitario ; lonitud d- la transferencia de calor enla pel"cula- d'- de$e ser iual a la li$eraci&n de ener"a causadapor la condensaci&n en la interfaB! Por lo 'ue:•

    =   md dq   f* 

    315

    3F5

    325

    Hnorando la advecci&n- la transferencia a trav+s dela interfaBd $ i l l t f i l / i

  • 8/17/2019 Clases TC

    97/230

    E=

    de$e ser iual a la transferencia por la super/cie

    ( )dx"qdq  s   ⋅= 

    Ae$ido a 'ue la distri$uci&n de la temperatura en el l"'uido eslineal- se puede utiliBar la le; de *ourier para epresar el ,ujo decalor super/cial ( )

    δ  s sat l 

     s

    T T k q

      −= 3G5

    Com$inando 1-F-G se o$tiene[ ]

     f* 

     s sat l 

    T T k 

    dx

    δ 

    −=

    Γ 3I5

    Aerivando la ecuaci&n 325

    dx

    d  * 

    dx

    vl l    δ 

     µ 

    δ  ρ  ρ  ρ    2)(   −=

    Γ 365

    Com$inando la ecuaci&n 3I5 ; 365

  • 8/17/2019 Clases TC

    98/230

    E>

    dx

     * 

    T T k d 

     f* vl l 

     s sat l l 

    )(

    )(3

     ρ  ρ  ρ 

     µ δ δ 

    −=

    Hnterando desde 0- donde δ  0- 9asta

    ( )( )

    41

    4)(

    −−=

     f* vl l 

     s sat l l 

     *  xT T k  x

     ρ  ρ  ρ  µ δ  3N5

    Hntroduciendo este valor en la ecuaci&n 325 se o$tiene Γ 35

  • 8/17/2019 Clases TC

    99/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    100/230

    Con lo 'ue el =4 de =usselt promedio nos 'ueda

    1

  • 8/17/2019 Clases TC

    101/230

    BFB

    ( )

    ( )

    41

    3

    943,0

    ′−==

    l  s sat l 

     f* vl l 

     L L

    k T T 

     L * 

     Lu - 

     µ 

     ρ  ρ  ρ 

    9f se evalKa a Tsat- ; las propiedades del l"'uido se de$enevaluar a a temperatura de pel"cula !( )   2 s sat  f     T T T    +=

    para placas inclinadas- se reemplaBa por cos θ- donde θ es el#nulo entre la vertical ; la super/cie! Para valores randes deθ se de$e usar con precauci&n ; no es aplica$le para θ=π/2.

     Tam$i+n se puede usar para condensaci&n en la super/cieinterna o eterna de tu$os de radio - si ))δ!

  • 8/17/2019 Clases TC

    102/230

    Si suponemos 'ue la densidad del l"'uido es muc9o ma;or 'ue

  • 8/17/2019 Clases TC

    103/230

    BF9

    la del vapor:Para ,ujo laminar e 100

    ( )

    41

    32

    943,0

    −′==

    l  s sat l 

     f* l 

     L L

    k T T  L * 

    k  Lu - 

     µ  ρ 

    Eperimentalmente se 9an encontrado desviaciones- por lo 'uese utiliBa esta correlaci&n ampli/cada un 20

    ( )

    4132

    13,1

    ′==

    l  s sat l 

     f* l 

     L L

    k T T 

     L * 

     Lu - 

     µ 

     ρ 

    Para ,ujo de condensado con e ) 100- se utiliBa:

    4,0

    31

    2

    32

    Re0077,0  

    ==

     L L

     *L

     Lu - 

     µ 

     ρ 

  • 8/17/2019 Clases TC

    104/230

    Condensaci'n (or in#erior de #u)os/

  • 8/17/2019 Clases TC

    105/230

    BF;

    Condensaci'n (or in#erior de #u)os/

    Para velocidades de vapor $ajas

    35000Re  ,

    ,  

  • 8/17/2019 Clases TC

    106/230

    BF<

    !ire

    /stan*ue

    7eactor 

    * , , + , pagua a =FXC. /l estan*ue se descarga mediante una tubería de acero inoH 0I4I 9F: de B$ c8dula :F, tambi8n aislada. 0 su veZ ingresa aguasu3iciente como para mantener el nivel constante- si no ingresara agua, el estan*ue se vaciaría en BF min.La Tubería de acero inoH, tiene B; m, + descarga en un reactor *ue trabaa isot8rmicamente a

  • 8/17/2019 Clases TC

    107/230

    BF=

    a"(liadas o con ale#as

  • 8/17/2019 Clases TC

    108/230

    BF>

  • 8/17/2019 Clases TC

    109/230

    BFE

  • 8/17/2019 Clases TC

    110/230

    BBF

  • 8/17/2019 Clases TC

    111/230

    BBB

  • 8/17/2019 Clases TC

    112/230

    BB2

  • 8/17/2019 Clases TC

    113/230

    BB9

  • 8/17/2019 Clases TC

    114/230

    Caso Real Modelo

  • 8/17/2019 Clases TC

    115/230

    BB;

    1!^ T es funci&n de B ; perola in,uencia de B es m#simportante

    1!^ T es s&lo funci&n de B

    2!^ Por el etremo de la aleta3#rea 275 ; los $ordes 3#rea27< D 27

  • 8/17/2019 Clases TC

    116/230

    BB<

    0))(2(22   =−∆−⋅−⋅∆+ a z  z  z  z  z 

    T T  z W  BW q BW q

    Aividiendo por 27B- ; pasando al limite cuando B tiende acero

    ( )a z  T T 

     B

    dz 

    dq−=−

    Hntroduciendo la le; de *ourier         −= dz dT k q z  -siendo ? la conductividad

    calor"/ca delmetal- 'ue se considera constante- se o$tiene:

    ( )aT T kB

    dz 

    T d −=

    2

    2

    Esta ecuaci&n se resuelve con las siuientes condiciones del"mite:

    C!

  • 8/17/2019 Clases TC

    117/230

    BB=

    C!

    Hntroduciendo las siuientes varia$les adimensionales:

    calor dentransmisiódealadimensionecoe3icient 

    aladimensiondistancia 

    aladimensionatemperatur  

    ==

    ==

    =−−

    kB

    L - 

     L

     z 

    T T 

    T T 

    a3

    a

    22

    ζ 

    Ae acuerdo a esto- el pro$lema puede replantearse de estaforma:

    011

    0

    2

    2

    2

    =ΘΘ=Θ

    ==

    ζ 

    ζ  ζ ζ  d 

    d  - 

    d  +con 

    Hnterando esta ecuaci&n diferencial ; o$teniendo las dosconstantes de interaci&n se o$tiene:

  • 8/17/2019 Clases TC

    118/230

    BB>

    constantes de interaci&n- se o$tiene:

    ( ) ( ) ( )ζ ζ   -  sen -  -    tan!cos!   −=Θ

    ue se puede epresar

    ( )

     - 

     - 

    cos!

    1cos!   ζ −=Θ

    Es preciso resaltar esto es s&lo v#lido si las p+rdidas de caloren los $ordes es desprecia$le!

  • 8/17/2019 Clases TC

    119/230

    BBE

    ∫ ∫ 

    ∫ ∫ −

    −=Ω

    W L

    a3

    W L

    a

    dzdyT T 

    dzdyT T 

    0 0

    0 0

    )(

    )(

    o $ien:

     - 

     -  sen- 

     -  - d 

    d  tan!)1(

    1

    cos!

    1  1

    0

    1

    0

    1

    0 =  

      

      −−=Θ

    =Ω

    ∫ 

    ∫ ζ 

    ζ 

    ζ 

    Con

    kB

     L

    kB

    L - 

     f  

    2'2 22==

  • 8/17/2019 Clases TC

    120/230

    B2F

  • 8/17/2019 Clases TC

    121/230

    B2B

  • 8/17/2019 Clases TC

    122/230

    B22

    INTERCAMJIADORE< DEINTERCAMJIADORE< DE

  • 8/17/2019 Clases TC

    123/230

    B29

    CA>ORCA>ORasos en construcción de un intercambiador de calor

    B.' /speci3icaciones del proceso

    2.' /lección del tipo de intercambiador 

    9.' ise^o t8rmico

    :.' ise^o mec#nico

    ;.' Construcción

    Diferencia de #e"(era#ura

  • 8/17/2019 Clases TC

    124/230

    B2:

    Diferencia de #e"(era#ura

    *uerBa motriB mediante la cual se trans/ere

    el calor!^En un e'uipo industrial- s&lo se puedenconocer las temperaturas de entrada ;salida 3es posi$le medirlas5- tanto del ,uidofr"o como caliente- se les denomina

    temperaturas de proceso!En adelante llamaremos T a la temperaturasdel ,uido caliente ; t a la temperatura del,uido fr"o\ con el su$"ndice 1 a la entrada ;su$"ndice 2 a la salida:

     T1  temperatura de entrada del ,uidocalientet2  temperatura de salida del ,uido fr"oCon el su$"ndice c a fr"o- ; su$"ndice 9 acaliente!

    Si tenemos un sistema de tu$os conc+ntricos- o$servamos dos tiposde ,ujos:

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    125/230

    B2;

    1!^ *lujo en contracorriente: *luido fr"o ; ,uido caliente van endirecciones opuestas!

    2!^ *lujo paralelo o cocorriente: *luido fr"o ; ,uido caliente van en lamisma direcci&n

     T2  T2 T1  T1

    t1 t1t2 t2

     T1

     T2t1

    t2

     T1

     T2

    t1

    t2

    < <

    Y Y

     T T

    t t

    C>=TC>HE=TE

    P

  • 8/17/2019 Clases TC

    126/230

    B2<

    la resistencia de pel"cula del ,uido en el #nulo!

    ∑  ++=

    om

    m

    i k 

     L

     R  11

    ; en t+rminos del coe/ciente lo$al de transferencia de calor

    ∑  ++==

    om

    m

    i k 

     L

     R

    111

    Como para 'ue coincidan los valores de los coe/cientes depel"cula- de$en referirse a la misma #rea de transferencia decalor! Por lo tanto si la referimos al #rea ma;or 3eterna del tu$o

    o5- nos 'ueda:

    oi

    o

    m

    o

    ii

    o

    o  0

     0

     0

     0

     0

    1ln

    2

    1++=

  • 8/17/2019 Clases TC

    127/230

    B2=

    estado estacionario se escri$e:

    t !AQ   ∆=∆t es la diferencia de temperatura entre las dos corrientes parala super/cie total o!

    En muc9os casos se considera desprecia$le la resistencia de la

    pared del tu$o- con lo 'ue el coe/ciente lo$al 'ueda

    ( ) ioo

    ioo

    oioooiio

     A A! 

    +=+=+=

      11111

    35

    Pudiendo calcular los coe/cientes de pel"cula- por ejemploutiliBando los m+todos ; correlaciones ;a vistas- la ecuaci&n 35 seutiliBa para determinar el #rea de transferencia!

    Si se pueden o$tener las temperaturas de proceso- el calor totaltransferido se o$tiene de:

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    128/230

    B2>

    )()( 2112 T T Cpmt t CpmQ cc   −=−=  

    En cuanto a los coe/cientes de pel"cula- se denominacoe/ciente de pel"cula controlante- al menor de ellos- pudiendollear a ser uno desprecia$le al lado del otro!

    Como se o$serva en la /ura anterior- las variaciones detemperatura no son lineales!Por lo 'ue se de$e o$tener una forma de diferencia 'uerepresente mejor la diferencia de temperatura entre los dos ,uido!Esta diferencia- tam$i+n es distinta si el ,uido es encontracorriente o paralelo!

    Para desarrollar lo anterior- se de$en realiBar alunassuposiciones:^M es constante en toda la tra;ectoria^Estado estacionario

    ^Calor espec"/co constante^

  • 8/17/2019 Clases TC

    129/230

    MtiliBando las formas diferenciales ; sustitu;endo T:

    C

  • 8/17/2019 Clases TC

    130/230

    B9F

    ( ) dLat t t Cpm

    CpmT ! dt CpmdQ

    cccc

      ′′

    −−+==   12

    comodando la ecuaci&n para t ; <

    ∫ ∫    

     

     

     

    −+−

    =′′

    t Cpm

    Cpm

    t Cpm

    Cpm

    dt dL

    Cpm

    a! 

    cc

    cccc

    112

    Hnterando entre 0 ;

  • 8/17/2019 Clases TC

    131/230

    B9B

    Se o$tiene una ecuaci&n m#s simpli/cada

    ( )   12

    21ln1

    1

    t T 

    t T 

    CpmCpmCpm

    !A

    cccc   −−

    −=

    Ae 35 despejamos ; lareemplaBamos- 'uedando:

    ( )cc CpmCpm  

    ( ) ( )( )

    ( ) ( )   1221

    1221

    12

    12

    21

    1221

    lnln1/

    1

    t T 

    t T 

    t T t T 

    t t 

    t T 

    t T 

    t t T T Cpm

    !A

    cc   −−

    −−−−

    =−−

    −−−=

    Como:

    ( )12 t t CpmQ cc   −=  

    'ueda( ) ( )

    ( )

    −−−

    = 1221t T t T 

    !AQ

  • 8/17/2019 Clases TC

    132/230

    B92

    ( )( )  

       

      

     −−

    12

    21lnt T 

    t T Q

    si   ( )

    ( )121

    212

    t T t 

    t T t 

    −=∆

    −=∆ Aiferencia de temperaturas en el terminalcalienteAiferencia de temperaturas en el terminal frio

    ( )    

      

     ∆∆∆−∆

    =12

    12ln t t 

    t t !AQ

  • 8/17/2019 Clases TC

    133/230

    B99

    ( )

    ( )221

    112

    t T t 

    t T t 

    −=∆

    =∆  Terminal caliente

     Terminal fr"o

    ( )    

      

     ∆∆∆−∆

    =12

    12

    ln   t t 

    t t !AQ

    Con lo 'ue el ,ujo de calor para ,ujos paralelos 'ueda:

    Se puede compro$ar 'ue el ,ujo en contracorriente es m#se/ciente 3las diferencias loar"tmicas de temperatura sonma;ores5 al ,ujo paralelo- eceptuando cuando uno de los

    ,uidos se comporta en forma isot+rmica 3vapor condensando5!

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    134/230

    B9:

  • 8/17/2019 Clases TC

    135/230

    B9;

    12

    21

    t t 

    T T 

    Cpm

    Cpm R

    cc

    −==

    1

    2

    t t 

    T T  R

    −−

    =

    eneraliBando

  • 8/17/2019 Clases TC

    136/230

    B9<

    ( )   ccCpmdA

    t T t "a

    dt 

    =

    −′+′   )(1

    Ae la ecuaci&n de - despejamos T dej#ndolo enfunci&n de t ; lo remplaBamos

    ( )( )

    ( )∫ ∫ =

    ′+

    ′−−+−

    −′+′−−′

    2

    1   1ln1

    1

    1

    1

    1212

    t ccCpm

    dA

    t "

    dt "

    t  R Rt T 

    dt  R

     Rt "T " Ra  

    interando

    ( ) ( )( ) ccCpm A

    t "t "

    t  R Rt T t  R Rt T 

     Rt "T " Ra   = ′+ ′+−−+− −+−′+′−−′   12

    112

    212

    12   11ln

    11ln

    11

    Msando su$"ndice 1 para terminal fr"a ; su$"ndice 2 para lacaliente

    ( ) ( ) 2211   11 t "a! t "a!    ′+′=′+′=

  • 8/17/2019 Clases TC

    137/230

    B9=

    ( ) ( )2211 !!

    ;

     212121   t T t t T t    −=∆−=∆

  • 8/17/2019 Clases TC

    138/230

    B9>

    ( ) c x t "a!    ′+′=   1tc es la temperatura en 'ue se evalKan las propiedades del

    ,uidoAe/niendo adem#s:

    12

    1

    t t 

    t t  F  cc −

    −=

    ;

    cc

    t r 

    ! ! 

    t "

    t t  # 

    ∆=

    ∆=

    −=

    +′−

    =2

    1

    1

    12

    1

    12

    )1( 

    ( ) ( )   

     

     

     

     

    ∆∆

    ∆−∆=

    ∆∆

    ∆−∆=

    12

    12

    1221

    1221

    lnln   t t 

    t t ! 

    t ! t ! 

    t ! t ! 

     A

    Q x

    eemplaBando en las ecuaciones de m#s arri$a- nos'ueda: ( ) ( )[ ]

    ( )cc

    cc

     # 

    r

     # 

    r r  #  F 

      1

    )ln(

    1ln1

    11−

    ++

    −+=

  • 8/17/2019 Clases TC

    139/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    140/230

    INTERCAMJIADORE< DE DOJ>ETUJO9lu8o en con#racorrien#e

  • 8/17/2019 Clases TC

    141/230

    B:B

    8

  • 8/17/2019 Clases TC

    142/230

    B:2

    dido

    9io

    9o

    interno referido a #reaeterna

    El coe/ciente lo$al sin o$strucciones- 'ue llamaremos Mc- viene dadopor 3referido a la super/cie eterna5:

    oio

    oio

    c

    oio

    oioc

    !  R R!  +=⇒+=+=  11

    1

    reando las resistencias por o$strucciones- o$tenemos el MA llamado coe/ciente lo$al de dise]o:

  • 8/17/2019 Clases TC

    143/230

    B:9

    dodic 0

     R R! !   ++=   11

    Si consideramos: d diD do

    Entonces:d 

    c 0

     R! ! 

      +=   11

     Z la ecuaci&n de *ourier nos 'ueda

    t  A! Q  0   ∆=

    es la super/cie real- en la 'ue inclu;e incrustaciones! Estasuper/cie es un estimado de funcionamiento para un ciertotiempo- pasado este tiempo estimado- se de$er# limpiar ele'uipo- esto utiliBando los factores de o$strucci&n ta$ulados!d3depositado5)d3permitido5

    En un e'uipo instalado- midiendo las diferencias de temperaturas-podemos o$tener d para un cierto periodo!

  • 8/17/2019 Clases TC

    144/230

    B::

     0c

     0c

    c 0d  ! ! 

    ! ! 

    ! !  R

      −=−=

      11

    Ca.das de (resi'n en el in#erca")iador

    Para 'ue el ,uido est+ en movimiento- se de$e instalar una$om$a- 'ue desarrolle su/ciente cara como para vencer lasp+rdidas eneradas por sinularidades- anteriores ;posteriores al intercam$iador- ca"da de presi&n delintercam$iador ; presi&n 'ue est+ el recipiente de descara!

  • 8/17/2019 Clases TC

    145/230

    In#erca")iador dedo)le #u)o en serie

    In#erca")iador dedo)le #u)o en serie

  • 8/17/2019 Clases TC

    146/230

    B:<

    do)le #u)o en serie do)le #u)o en serie(aralelo

    HH

    H

     T1

     T2

    t1

    t2

     T

     T1

     T

    2,, T Cpm   1,,   t Cpm cc

     5 t 2

    2t  55 t 2

    2

    ccCpm2

    ccCpm

    Diferencia de #e"(era#uras (ara el arre4lo serie(aralelo  5 

     5  ml t 

    !AT T CpmQ   ∆=−=

    2

    )( 2

    ( )   ( )( )   ( )[ ]

    122

    122

    ln   t T t T 

    t T t T t 

     5 

     5  5 

    ml  −−−−−

    =∆;

    Sustitu;endo ; acomodando:

    ( )

    ( )   ( )( )( )12

    2

    122

    2 ln2   t T 

    t T 

    t t T T 

    T T 

    Cpm

    !A 5 

     5 

      −−

    −−−−

    =

  • 8/17/2019 Clases TC

    147/230

    B:=

    ( ) ( ) ( )12122p

    Sea:  ( )( )

    cc 5 

     5 

    CpmCpm

    t t T T  R

    2122 =−−=

    ( )( )12

    2ln12 t T 

    t T 

     R

     R

    Cpm

    !A  5 

     5 

     5 

      −−

    −=

    ( )( )1

    21

    ln12 t T 

    t T 

     R

     R

    Cpm

    !A  55 

     55 

     55 

      −−

    −=

    Para el intercam$iador HH

    35

    35

    Como las capacidades calor"/cas 3Cp5- se consideranconstante entonces:

    cc 55  5 

    C

    Cpm R R R

    2=′==

  • 8/17/2019 Clases TC

    148/230

    B:>

    Cpm2

    1

    1

    1

    12

    t T 

    T T  6 

    t T 

    t t .   5 

     5  5 

    −−

    =−−

    =  

    de/niendo

     5  5  .  R 6    ′= Z para el intercam$iador HH

    11

    1

    11

    12

    t T 

    T T  6 

    t T 

    t t .   55 

     55  55 

    −−

    =−−

    =  

     55  55  .  R 6    ′=

    Por otro lado 5  5 

     5 

    tT

    t t 

    tT

    t T 

    tT

    t T . 

    −−

    −−−

    =−−

    =−1 1212

  • 8/17/2019 Clases TC

    149/230

    B:E

     5 

     5  5 

    .  R

    t T 

    t T 

    t T t T t T 

    ′−−=

    −−

    −−−

    1

    1

    12

    2

    111

    eemplaBando en las ecuaciones 35 ; 35

    ( )( ) 5 

     5 

      .  R

     R

     R

    Cpm

    !A

    ′−−

    −′′

    =1

    1ln

    12  

    ( )( ) 55 

     55 

    .  R

     R

     R

    Cpm

    !A

    ′−−

    −′′=

    1

    1ln

    12  

    3a5

    3$5

    Hualando am$as ecuaciones

    ( ) ( ) 55  5  . .  −− 11

  • 8/17/2019 Clases TC

    150/230

    B;F

    ( )( )

    ( )( ) 55  5  .  R.  R ′−

    =′− 11

    Con lo 'ue se o$tiene 'ue:

     55  5 

     55  5 

     6  6 

    . . 

    =

    =

    Sumando las ecuaciones 3a5 ; 3$5

    ( )( )   12

    2ln1

    2

    1

    1ln

    1

    2

    t T 

    t T 

     R

     R

    .  R

     R

     R

    Cpm

    !A 5 

     5 

     5 

      −

    −′′

    =′−

    −−′′

    =

  • 8/17/2019 Clases TC

    151/230

    )( 21

    CpmQ

    T T Cpmt !AQ −=∆=

  • 8/17/2019 Clases TC

    152/230

    B;2

    )( 21 T T 

    !A

    Cpm

    !A

    Qt  −==∆

     Z de/nimos

    ( )11 t T t    −=∆   γ  

    Se o$tiene 'ue

    )(

    )(

    11

    21

    t T !A

    T T Cpm

    −−

    γ  

    Si se de/ne( )

    ( )   γ  

     6 

    Cpm

    !A y

    t T 

    t T  / 

    =−−

    =′

     11

    12

  • 8/17/2019 Clases TC

    153/230

    Para una corriente fr"a en serie ; n corrientes calientes enparalelo

    1

  • 8/17/2019 Clases TC

    154/230

    B;:

    ( )

    ′′+  

     

     

     

    ′′′′−  

     

     

     

    ′′−=

    ′′− R /  R R

    n /    21

    1

    1ln1

    1

    γ  

    con( )

    12

    21

    11

    21

    t t 

    T T n R y

    t T 

    t T  / 

    −−

    =′′−−

    =′′  

    Ejemplo:Mn $anco de intercam$iadores de do$le tu$o opera con el ,ujocaliente en serie de F004* a 2004* ; el ,uido fr"o en seiscorrientes paralelas de 104* a 2204*! kCu#l es la diferencia

    real de temperaturas t

    ( )  558,0

    1902206

    200300

    091,0190300

    190200

    =−

    −=′

    =−−=′

     R

     / 

    Sustitu;endo ;despejando

    242,0=γ  

  • 8/17/2019 Clases TC

    155/230

    Por lo 'ue: ( )11min t T C qreal    −=ε 

    C id l , id f " l " i C C

  • 8/17/2019 Clases TC

    156/230

    Consideremos 'ue el ,uido fr"o es el m"nimo: Cc  Cmin

    ( )   )( 1211min t t C t T C q c   −=−=ε Aespejando T1

    )(1

    1211 t t t T    −+=ε 

    estando t2

    )(11

    1221 t t t T    −   

       −=−ε 

    Por otro lado: ( )12max

    min12 t t 

    C C T T    −−=

    estando t1

    35

    ( )12max

    min1112 t t 

    C t T t T    −−−=−

    35

    Hntroduciendo 35

    ( ) ( )12min

    1212

    1t t 

    C t t t T    −−−=− 35

  • 8/17/2019 Clases TC

    157/230

    Se de/ne como:

    minC

    !A -!T  =

    ( ) ( )12max

    1212C ε 

    adem#s   ( ) ( )( )( )21

    12

    211212

    ln

    )(

    t T 

    t T 

    t T t T !At t C q c

    −−

    −−−=−=

    Hntroduciendo 35 ; 35 ;

    de/niendo:  max

    min

    C C   =∗

    ( )

    ( )

    −−

    −−−

    =∗∗

    C C 

    !AC 

    C C 

    !A

    1exp1

    1exp1

    min

    minε E/ciencia de unintercam$iador de do$le tu$o

    ; ,ujo cruBado

  • 8/17/2019 Clases TC

    158/230

  • 8/17/2019 Clases TC

    159/230

    INTERCAMJIADORE< DE TUJO CORAPA0CARCA

  • 8/17/2019 Clases TC

    160/230

     Tipos ; partes principales de un intercam$iador de tu$o ; coraBa!

    1!^ C> I!^ AE*ES2!^ ESPEJ>S 6!^ ESPCHA>ESF!^ 7HASG!^ TPS

    Hnformaci&n mas detallada: %anual del Hneniero u"mico cap!11

    De+ec#ores

  • 8/17/2019 Clases TC

    161/230

    B

  • 8/17/2019 Clases TC

    162/230

    B

  • 8/17/2019 Clases TC

    163/230

    B

  • 8/17/2019 Clases TC

    164/230

    B

  • 8/17/2019 Clases TC

    165/230

    B

  • 8/17/2019 Clases TC

    166/230

    B

  • 8/17/2019 Clases TC

    167/230

    B

  • 8/17/2019 Clases TC

    168/230

    B

    1!^

  • 8/17/2019 Clases TC

    169/230

    B

    t T 

    dA

    ! t T 

    dA

    ! dT Cpm   −+−=− 

    ( )∫ ∫    +−=− 2 55  5  t t T dT 

    Cpm

    !dA

    El $alance de calor en < Y a la entrada del ,uidocaliente es

    ( )   ( ) 5  55 cc t t CpmT T Cpm   −=−   2

  • 8/17/2019 Clases TC

    170/230

    B=F

    7alance de calor porpaso

    ( ) 5  5 cc   t T dA

    ! dt Cpm   −=2

    ( ) 55  55 cc   t T dA! dt Cpm   −−=2

    ( )( ) 5  55 

     5 

     55 

    t T t T 

    dt dt 

    −−−=

  • 8/17/2019 Clases TC

    171/230

    Para o$tener los valores de * T entramos a un r#/co de HC 1^2

  • 8/17/2019 Clases TC

    172/230

    B=2

    Ca.da de (resi'n lado de la carcasa

    Sea = el nKmero de de,ectores14,0

    µ

  • 8/17/2019 Clases TC

    173/230

    ( ) ( )

     se

     s s

     se

     s s

     s  s 0

     -  0 f2

     0 * 

     -  0 f2

     /  φ φ  ρ    10

    22

    1022,5

    1

    2

    1

    ×

    +

    =

    +

    =∆

       

      

     =

     s

     s µ 

     µ φ 

    s ravedadespec"/ca del ,uido

    Ca.da de (resi'n lado de los #u)os

    )/(1022,5

    2

    10

    2

     piel" s 0

     Ln f2 / 

    t e

    t t   

    φ ×=∆

    n =4 de pasos< laro de los tu$os

  • 8/17/2019 Clases TC

    174/230

    B=:

    Ca.da de (resi'n ori4inada (or los ca")ios de direcci'n 0r2

    Aenominando ca$eBas de velocidad a : * % 

    2

    2

  • 8/17/2019 Clases TC

    175/230

    *

    Se consideran G ca$eBas de velocidad por paso como p+rdida- conlo 'ue nos 'ueda:

    [ ]22

    2

    4 piel"

     * 

     s

    n / r   =∆

    V velocidad 3pie8s5s ravedad especi/ca aceleraci&n de ravedad 3pie8s25

  • 8/17/2019 Clases TC

    176/230

    B=<

    iscosidad Caída de presión permitida B mNsGm2 9; ONGm2B a BF mNsGm2 ;F ' =F ONGm2

    %ases + vapores

     0lto vacío F,: a F,> ONGm2

    acío medio F,B H presión absolutaB a 2 bar F,; H presión manom8trica en el sistemaor encima de BF bar F,B H presión manom8trica en el sistema

    Cuando la caída de presión deba ser elevada, se debe poder garantiZar *ue la

    elevada velocidad resultante del 3luido no provo*ue erosión o vibración.

    Un criterio aproHimado de vacíos

    de a"ao vacío resión atmos38rica BFF a

  • 8/17/2019 Clases TC

    177/230

    B==

    acío medio BFF a F,B a

     0lto vacío F,B a BF'; aUltra alto vacío JU(K BF'; a BF'B2 a

    /n cuanto a la sobrepresión, se puede encontrar un criterio ende a

    "aa presión resión atmos38rica BF H atmMedia presión BF H atm :F H atm 0lta presión sobre :FH atm

    7/4UM/N/4

    Lo primero *ue debemos realiZar es determinar lo b#sico de un

  • 8/17/2019 Clases TC

    178/230

    B=>

    p *intercambiador de tubos + carcasa

    B.' eterminar el tipo de intercambiador Jsegn T/M0K

    2.' eterminar di#metro + con3iguración de tubos

    9.' eterminar la ubicación de los 3luidos

    :.' eterminar el nmero de pasos por la carcasa o carcasas en serie

    ;.' eterminar el nmero de tubos, nmero de pasos + di#metro de carcasa

  • 8/17/2019 Clases TC

    179/230

    B=E

    B.' 7ealiZar el balance de energía calórica2.' Con las cuatro temperaturas, se calcula la media logaritmica9.' 4e calculan 7 + 4, + con la con3iguración *ue tiene el IC se busca el

    corrector 6t de temperatura.:.' 4e obtienen las propiedades 3ísicas;.' Calcular el #rea de 3luo por el interior de los tubos JatK

      velocidad m#sica %t

    tuboBdeltransversa#reaa pasosdenImeron 

    tubosdenImeroN 

    ====

    '

    '

    t t 

    n

     -aa

    totalm#sico3luo  Wt ==t 

    t t 

    a

    W 2

    /L !7/N 04!4 N! 4!N UNIC!4, /N %/N/70L /4 UN

    !7/N0MI/NT! "04IC!

  • 8/17/2019 Clases TC

    180/230

    B>F

    i + J K

    >.' Calcular 5o , coe3iciente convectivo por lado carcasa.Jcorrelación dadaK

    E.' !btener el valor de T& para determinar el 3actor de corrección

    BF.' !btener U  Jde dise^o, inclu+e incrustacionesK

    BB.' Calcular #rea + compararla con el #rea real

    B2.' 4i 0real  0calc el intercambiador puede utiliZarse.

     0dem#s debe cumplir B9.' Calcular la caída de presión a ambos lados

    4i ambos valores son menores *ue la caída de presión aceptada, elintercambiador puede ser utiliZado.

    tuboslospor caliente3luido 

    carcasalapor caliente3luido 

    )()(

    )()(

    t T T T 

    T T t T 

    3o3io

    3o3io

    −=−

    −=−

    4i es un IC nuevo

    B.' !btener las cuatro temperaturas + los dos 3luos, mediante balance de calor,+ calcular la temperatura media logarítmica.

  • 8/17/2019 Clases TC

    181/230

    B>B

    2.' Mediante 6t ver la cantidad de pasos por la carcasa. J6t F,=;K

    9.' Considerando los tipos de 3luido, se estiman los U mediante las tablas.

    :.' Con U estimado, se calcula el #rea.

    ;.' /legir el di#metro de los tubos Jm#s comunes _$ + B$ del tipo "W%K + lacon3iguración de los tubos Jcuadrada o triangularK

    .' Con la cantidad de pasos, con3iguración + nmero de tubos, se obtieneel di#metro interior aproHimado de la carcasa JtablasK

    E 4e calcula de nuevo el #rea de trans3erencia

  • 8/17/2019 Clases TC

    182/230

    B>2

    E.' 4e calcula de nuevo el #rea de trans3erencia

    BF.' Con todos los datos, se calculan los coe3icientes de trans3erencia decalor interno + eHterno.

    BB.' 4e calcula el U de dise^o

    B2.' 4e compara el U calculado con el estimado.4i son iguales o similares, se termina el c#lculo4i son di3erentes, se toma el U calculado + se va al paso :.en muc5os casos se mantiene la con3iguración + tipos de tubos, +sólo se modi3ica la cantidad de tubos

    B9.' 4e calcula la caída de presión a ambos lados

  • 8/17/2019 Clases TC

    183/230

    B>9

  • 8/17/2019 Clases TC

    184/230

    B>:

  • 8/17/2019 Clases TC

    185/230

    (a+ *ue considerar los agueros correspondiente a las barrasespaciadoras, *ue van aproHimadamente como sigue

  • 8/17/2019 Clases TC

    186/230

    B><

    Ai#metro carcasa 3As53m5

    =4 de $arras

    Wasta 0-G G

    0-G 0-F 6

    0-F 1-22 m#s 10

  • 8/17/2019 Clases TC

    187/230

    Tolerancias entre tubo + de3lector, de3lector + carcasa, se debe ver enlas normas T/M0, en manuales Jperr+K, libros de dise^o e*uipos detrans3erencia de calor, etc.

    Aiferencia entre el di#metro de la carcasa 3As5 ; el di#metro del

  • 8/17/2019 Clases TC

    188/230

    B>>

    Aiferencia entre el di#metro de la carcasa 3As5 ; el di#metro del

    de,ector3Af5As 3m5 As Af 3m5

    0-2 0-FF 0-002I

    0-FF 0-GF 0-00F2

    0-GF 0-I 0-00F

    0-I 0- 0-00GI

    0- 1-FN 0-00IN

    m#s 0-00N6

    /ntre tubo + de3lector, el ori3icio debe ser de un di#metro F,> mm superior al

    di#metro del tubo, en a*uellos casos en *ue la m#Hima longitud nosoportada sea menor a F,EB m + de F,: mm en caso contrario

    M#Hima longitud de tubo no soportado

    Tubos de acero al carbono + de alta aleación 5asta :FF XC o aceros debaa aleación 5asta :;FXC o aleaciones de ní*uel cobre 5asta 9B;XC o

  • 8/17/2019 Clases TC

    189/230

    B>E

    aleaciones cromo ní*uel 5asta ;9;XC

    Ai#metro del tu$o3puladas5

    %#ima lonitud nosoportada 3m5

    182 1-11N

    F8G 1-I20

    1 1-N01 O 2-2F0

    ara cobre, aluminio + sus aleaciones

    Ai#metro del tu$o3puladas5

    %#ima lonitud nosoportada 3m5

    182 0-60

    F8G 1-F20

    1 1-620

    1 O 1-F0

    Ejemplo 6!1 del li$ro Procesos de Transferencia de Calor-A!LernIn#erca")iador de do)le #u)o (ara )enceno#olueno

    Se desea calentar 20 l$89 de $enceno fr"o de 0 a 1204*

  • 8/17/2019 Clases TC

    190/230

    BEF

    usando tolueno caliente 'ue se enfr"a de 160 a 1004*!

  • 8/17/2019 Clases TC

    191/230

    BEB

    j

    I!^ Calcular velocidad de masa

    6!^ >$tener la viscosidad a Tc o tc 3dependiendo cual ,u;e por elinterior5 ; calcular el nKmero de e;nolds

    N!^ >$tena jW para el interior de tu$os

    !^ Calcular Prandtl- propiedades evaluadas a Tc o tc !

    !^ Calcular 9i

    10!^ Convertir 9i a 9io : 9io  9i 3i 85 9i 3AH8AE5

    p

     p p   am2   =

    nulo

    Se siuen los mismos pasos desde el G al 3en este caso no seconvierte el coe/ciente convectivo5Con:

  • 8/17/2019 Clases TC

    192/230

    BE2

    ( )

    1

    2

    1

    2

    2

    2

    1

    2

    2

    4

    4

     0

     0 0 0

     0 0a

    e

    a

    −=

    ×=

    −=

    5medoperímetro

    3luode#reaπ 

    Coe/cientes lo$ales

    11!^ Calcular

    12!^ Calcular

    1F!^ Calcular de MA 1G!^ El valor de - se trasforma a lonitud- ; se ve cuantas re'uiere!

    ( )oiooio

    c

    !  +=

    c 0

     R! !   +=  11

    /emplo calculo IC tubo + carcasa + uso programa Unisim

    ise^ar un intercambiador de tubo + carcasa para el siguiente problema

    2FFFF OgG5 J:2X0IK, de un *ueroseno, salen por la base de una columna de

  • 8/17/2019 Clases TC

    193/230

    BE9

    agotamiento lateral a 2FFXC + se 5a de en3riar a EFXC por un intercambio con

    petróleo ligero J9:X0IK a =FFFF OgG5 *ue viene de un almacenamiento a:FXC. /l *ueroseno entra en el intercambiador a una presión de ; bar + elpetróleo a bar en ambascorrientes.ara tener en cuenta posibles incrustaciones se incluir# un 3actor deensuciamiento de F,FFF9; WGm2 XC'B en la corriente del crudo + F,FFF2WGm2 XC'B en la corriente del *ueroseno

    4oluciónUtiliZando los pasos del diagrama de 3luo, se tiene

    "aso #

  • 8/17/2019 Clases TC

    194/230

    BE:

    er especi3icaciones + realiZar los balances de energía para obtener valores3altantes.

    eroseno e#r'leocrudo

    *lujom#sico

    L89 20000 N0000

     Temp!Entrada

    qC 200 G0

     T! salida qC 0

    Presi&nentra $ar I 6-I

    Ca"dapresi&n

    $ar 0- 0-

    *actorensuc

    m2qC8 0-0002 0-000FI

    Calor total entregado por el Oeroseno

    ( ) kW Q   4,15099020047,23600

    20000=−×=

  • 8/17/2019 Clases TC

    195/230

    BE;

    3600

    ara calcular la temperatura de salida del petróleo, se considerala temperatura de entrada para el Cp luego se austa.

    ( )   4,15094001,23600

    700002   =−× t 

    T2 S =>,`C + el promedio de ;E`C

    "aso $ropiedades 3ísicas

    t d di lid

  • 8/17/2019 Clases TC

    196/230

    BE<

    ueroseno entrada promedi

    o

    salida

     Temperatura 4C 200 1GI 0

    Calor espec"/co ?J8?4C 2-N2 2-GN 2-26

    Conductividadt+rmica

    8m4C 0-1F 0-1F2 0-1FI

    Aensidad L8mF 60 NF0 NN0

    Viscosidad L8ms310F5

    0-22 0-GF 0-

    Petr&leo entrada promedio

    salida

     Temperatura 4C G0 I N

    Calor espec"/co ?J8?4C 2-01 2-0I 2-0

    Conductividadt+rmica

    8m4C 0-1FI 0-1FG 0-1FF

    F

    "aso %

    Coe3iciente global

  • 8/17/2019 Clases TC

    197/230

    BE=

    ara un intercambiador de este tipo el coe3iciente global estar# en elintervalo 9FF a ;FF WGm2XC- por ello se empeZar# con 9FF WGm2XC

  • 8/17/2019 Clases TC

    198/230

    "aso 5

     0rea de trans3erencia de calor 

  • 8/17/2019 Clases TC

    199/230

    BEE

    23

    0   86,700,71300

    104,1509m A   =

    ××

    =

    "aso &

    istribución + tama^o de tubos

  • 8/17/2019 Clases TC

    200/230

    2FF

    4e usar# un intercambiador de cabeZal 3lotante por su e3icacia + 3#cillimpieZa.

    Ningn 3luido es corrosivo ni se trabaa a alta presión, por lo *ue elmaterial ser# acero al carbono.

    /l petróleo es m#s sucio *ue el *ueroseno, por lo *ue el petróleo va porlos tubos.

    4e usar#n tubos de / S BE,F; mm + I S B:,>9 mm con L S ; m

    Tendr# con3iguración triangular con pitc5 JtK S 29,>B mm conJtG/KSB,2;

    "aso '

    Nmero de tubos

     0*uí 5a+ m#s de una 3orma de obtenerlos

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    201/230

    2FB

    'Una es d#ndose una velocidad por los tubos, + se distribu+e todo el 3luopor la cantidad necesaria de tubos. Luego se ve el #rea de los tubos + seobtiene el nX de pasadas de acuerdo al #rea *ue se calculó.

    'La otra es

     rea de trans3erencia J0tBK de un tubo

    23

    1   2992,051005,19   m At    =×××=  −π 

    Nmero de tubos es decir 2:F tubos2372992,0

    89,70==

    Como son 2 pasos, tubos por paso S B2F tubos

    C#lculo de velocidad por los tubos

     rea transversal de 3luo S   ( )   223 0001727,01083,14

    4m=×   −

    π 

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    202/230

    2F2

    /l #rea por paso S   202073,00001727,0120   m=×

    Caudal S   30237,0820

    1

    3600

    70000m=×

    elocidad por los tubos t S   [ ] sm

    14,102073,0

    0237,0

    =

    /sta velocidad est# dentro del rango deseado, pero mu+ cerca dedel límite in3erior JB mGsK, por lo *ue se ver# m#s adelante si esnecesario modi3icarla

  • 8/17/2019 Clases TC

    203/230

    "aso )Coe3iciente de trans3erencia de calor lado de los tubos

  • 8/17/2019 Clases TC

    204/230

    2F:

  • 8/17/2019 Clases TC

    205/230

    2F;

  • 8/17/2019 Clases TC

    206/230

    2F<

  • 8/17/2019 Clases TC

    207/230

    2F=

  • 8/17/2019 Clases TC

    208/230

    EVAORADORE<

    ¿Qué es % (ara ,ué sir!e un E!a(orador?

  • 8/17/2019 Clases TC

    209/230

    Efec#o de los fac#ores de (roceso/

    1!^ Concentraci&n de la soluci&n!

    2!^ Solu$ilidadF!^ Sensi$ilidad t+rmica de los materialesG!^ *ormaci&n de espumasI!^ Presi&n ; temperatura

    6!^ *ormaci&n de incrustaciones ; materiales deconstrucci&n!

    Ti(os de E!a(oradores

    1!^ %armita a$ierta!

    2!^ Evaporador de tu$os 9oriBontales con circulaci&n natural!

  • 8/17/2019 Clases TC

    210/230

    2BF

    2! Evaporador de tu$os 9oriBontales con circulaci&n natural!

    ^ Knico 'ue utiliBa vapor dentro de los tu$os

    F!^ Evaporadores de calandria 3tu$os verticales cortos5^ tu$os de no m#s de 6 ft de laro!

  • 8/17/2019 Clases TC

    211/230

    2BB

  • 8/17/2019 Clases TC

    212/230

    2B2

    G!^ Evaporador de tu$os verticales laros

    3Circulaci&nnatural5

  • 8/17/2019 Clases TC

    213/230

    2B9

    I!^ Evaporador de circulaci&n forBada

  • 8/17/2019 Clases TC

    214/230

    2B:

  • 8/17/2019 Clases TC

    215/230

    2B;

  • 8/17/2019 Clases TC

    216/230

    2B<

    p 8 p

    Si la velocidad de transferencia de calor a trav+s de lasuper/cie- viene dada por: ' M T

    Esta diferencia de temperatura es entre el vapor de calefacci&n; la soluci&n dentro del evaporador!Ae$ido a 'ue la disminuci&n de aua- concentra la soluci&n- enla ma;or"a de los casos aumenta su viscosidad ; disminu;e lacapacidad de transferir calor! Por otro lado si la concentraci&naumenta- la Temperatura de e$ullici&n aumenta- de$ido a lama;or concentraci&n! Este aumento de temperatura dee$ullici&n c8r al aua se le denomina elevaci&n del punto dee$ullici&n 3EPE5

    Para soluciones diluidas- la EPE es desprecia$le- pero paraconcentraciones ma;ores afecta el rendimiento del evaporador!Para o$tener la EPE- se utiliBa la rela de A9rin- la cual indica'ue la temperatura de e$ullici&n de cual'uier soluci&n es unafunci&n lineal con respecto a la del aua a la misma presi&n!

  • 8/17/2019 Clases TC

    217/230

    2B=

  • 8/17/2019 Clases TC

    218/230

    2B>

    Por otro lado- la columna de soluci&n l"'uida produce una cara9idrost#tica- la 'ue 9ace aumentar la temperatura de e$ullici&n ;por ende disminu;e la diferencia de temperatura

    Este efecto de la cara 9idrost#tica puede estimarse:

  • 8/17/2019 Clases TC

    219/230

    2BE

     / vT 

    t  s

     R   ∆=∆

    λ 03,0

    JpiesKca5idrost#ticarga

    J"tuGlbKsaturacióndepresiónlaaón,vaporiZacidelatentecalor  JTaaguadevapor delespecí3icovolumen 

    7KJsoluciónladeebullicióndeatemperatur  

    6KJebullicióndepuntodelca5idrost#tielevación

    7

    =∆

    ==

    °=

    °=∆

     s

     R

    l" piesv

    λ 

    )/3

    Coe6cien#es de #rans"isi'n de calor

  • 8/17/2019 Clases TC

    220/230

    22F

    El coe/ciente lo$al es la suma de I resistencias:^Coe/ciente de pel"cula del lado del vapor^Hncrustaciones o ensuciamiento del tu$o por el lado delvapor^esistencia de la pared del tu$o^Hncrustaciones o ensuciamiento del tu$o por el lado del

    l"'uido^Coe/ciente de pel"cula del lado del l"'uidoSe tiene adem#s 'ue la resistencia del metal- ; el ensuciamientopor el lado del vapor es desprecia$le!El coe/ciente de pel"cula del lado del vapor es muc9o ma;or 'ueel del lado del l"'uido- por lo 'ue el coe/ciente del lado del

    l"'uido es el controlante!Ae$ido a la di/cultad para o$tener los coe/cientes de pel"cula-los resultados se epresan en funci&n del coe/ciente lo$al-$asado en la diferencia neta de temperaturas 3incluido EPE ;por efecto de cara 9idrost#tica5!

  • 8/17/2019 Clases TC

    221/230

    22B

    C3lculo de un e!a(orador de si"(le efec#o

  • 8/17/2019 Clases TC

    222/230

    222

    Jalance de "asa/5lo)al/ 9 = > S Vor s'lido/ $99 = $>>

     F  x

     L x

    Econo".a de !a(or/0V

  • 8/17/2019 Clases TC

    223/230

    229

    vapor entalpía

    ncale3acciólí*uidosalidaentalpía

    ncale3accióvapor entradaentalpíaoconcentradlí*uido3luoentalpía

    =

    =

    ==

     s

     s

     L

     , 

     , 

    Si no eiste una EPE ;8o por efecto de la cara 9idrost#tica- WV es la entalp"a de vapor saturado a la presi&n 3P53temperatura3T55 en 'ue est# tra$ajando el evaporador

    eordenando el $alance de ener"a

    %  L s F  %,  L.  F   +=+   λ ncale3acciódevapor delóncondensacidelatentecalor = sλ 

    Si las soluciones son diluidas- o se conocen lascapacidades calor"/cas ; sin aumentos detemperaturas

    )( ref   F  F  F  T T Cp   −=

  • 8/17/2019 Clases TC

    224/23