Intercambiador de calor 2

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Intercambiador de calor 2

  1. 1. 1) Intercambiador de Calor: Un intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidosque se encuentran a temperaturas diferentes evitando que se mezclen entre sí. Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre 2 fluidosque se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. En lapráctica los intercambiadores de calor son de uso común en una amplia variedad de aplicaciones, desdelos sistemas domésticos de calefacción y acondicionamiento del aire hasta los procesos químicos y laproducción de energía en las plantas grandes. Los intercambiadores de calor difieren de las cámaras demezclado en el sentido de que no permiten que se combinen los 2 fluidos que intervienen. En un intercambiador de calor la transferencia de calor suele comprender convección en cadafluido y conducción a través de la pared que los separa. En el análisis de los intercambiadores de calorresulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total U que toma en cuenta lacontribución de todos estos efectos sobre dicha transferencia. La razón de la transferencia de calorentre los fluidos en un lugar dado a un intercambiador depende de la magnitud de la diferencia detemperatura local, la cual varía a lo largo de dicho intercambiador.3) ¿Cuál es la relación entre el Coeficiente Integral de Transmisión de Calor, el área deTransferencia y la Resistencia Calorífica?La relación que existe entre ellos está siguiendo el modelo de la Ley de enfriamiento de Newton:Donde: Q=U*A* (Ts-Ti)Donde: U=coeficiente global de transferencia de calor U*A=1/Rt entonces U=1/(A*Rt)4) ¿Cómo se mide el área de Transferencia de Calor?a) Para una Pared Plana:Según la ley de Fourier que viene dada por: q= -k (dt/dx)Entonces para medir el área de Transferencia para pared plana quedaría:
  2. 2. Donde la Resistencia Térmica es:b) Para Paredes no Plana:Según la Ley de Fourier que viene dada por: q= -k (dT/dr)Entonces para medir el área de Transferencia para paredes no planas quedaría:Donde la Resistencia Térmica es:5) COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE UN INTERCAMBIADOR. FACTOR DE INCRUSTACIÓN.- En el estudio de los intercambiadores de calor se supone que el tubo exterior, carcasa o casco, estáperfectamente aislado térmicamente, es decir, no existe intercambio de calor con el exterior. Entoncesse puede considerar que, a efectos de transferencia de calor, el intercambiador se comporta como unapared cilíndrica ( el tubo o tubos interiores ) bañada por dos fluidos a diferente temperatura.
  3. 3. Según la analogía termoeléctrica Q-punto = ( Ti - To ) / Rthtotal ; Q-punto = U * A * ( Ti - To ) => U * A = 1/ Rthtotal => 1 / ( U * A ) = Rthtotal- Siendo Ai el área de la superficie interior y Ao el área de la superficie exterior de transferencia de calor.- Siendo hi el coeficiente de película interior y ho el coeficiente de película exterior.- En el caso de que la pared del tubo interior sea lo suficientemente delgada Ai = Ao = A .- Si el material del que está hecho el tubo es buen conductor del calor la resistencia térmica debida aconducción es despreciable, entonces:
  4. 4. - Las dos condiciones anteriores se dan casi siempre, quedando:6) Como se expresa el coeficiente integral de transmision de calor, referido a la superficie interna:- El coeficiente global de transferencia, U, depende de la superficie que se considere, interior ( A1 ) oexterior ( A2 ) .- Si A = A1 = 2 pr1 L =>- Si A = A2 = 2 pr2 L =>
  5. 5. 7 )-¿ cual es la relacion entre los coeficientes integrales (Uo,Ui) y los diametros (Do,Di)?U= coefisiente integral de trasmisión de calor,relacionada directamente con la resistencia calorífica porla ec:UA= 1/ E.RD0=diámetro externo de una pared cilíndricaDi= diámetro interno de una pared cilíndricaU0= coefisiente integral de trasmisión de calor referido al area de la superficie externa U0= 1 Dext + x . 1 Dext + 1/ hint Dint km Dm hextU1= coeficiente integral de trasmisión de calor referido al area de la superficie internaU1= 1. x + Di 1 + 1 . DI/ hint Km Dm hext Dextcomo la diferencia de temperature entre los fluidos y la cantidad de calor intercambiada sonindependientes del area elegida, se ha de cumplir que:Uo / Ui= Di / Do8) Como se expresa la diferencia de temperatura media entre los fluidos que intercambian calor desdeuno a otro extremo de un intercambiador:
  6. 6. - La potencia térmica , Q-punto, puesta en juego en el intercambiador de tubo doble responde a lasiguiente expresión:U: coeficiente global de transferenciaAs: superficie de intercambio- En caso de flujo paralelo: DT1 = Th,ent - Tc,ent ; DT2 = Th,sal - Tc,salTh,ent: temperatura de entrada del fluido calienteTh,sal: temperatura de salida del fluido calienteTc,ent: temperatura de entrada del fluido frioTc,sal: temperatura de salida del fluido frio9) Realice un diagrama para flujo en paralelo y flujo en contracorriente en funcion del fluido caliente yfrio:Tubo Doble: Es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido por dos tubos concéntricosde diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluyepor el espacio anular entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dosconfiguraciones en cuanto a la dirección del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En laconfiguración en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo entremo y fluyen en el mismosentido. En la configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen ensentidos opuestos.-- En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puedeser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.-- En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frio puede sersuperior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene cuando la temperatura de
  7. 7. salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida delfluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.-- En la figura siguiente se muestran esquemas de las dos configuraciones así como la evolución de latemperatura de los fluidos en cada una de ellas:10) Deduzca el Balance Global de Entalpias en un intercambiador basado en los balances para fulñidocaliente y frio:Balance energético del fluidoEn el evaporador, el fluido absorbe del aire la siguiente potencia:Pfrigo = Qf× ( h2 – h1 ) en WdondePfrigo: Potencia frigorifica del circuitoQf : caudal másico de fluido, en kg/sh1 : entalpía específica del fluido a la entrada del evaporador, en J/kg
  8. 8. h2 : entalpía específica del fluido a la salida del evaporador, en J/kg1→ 1’: el fluido, en estado difásico (líquido/gas) a la salida de la válvula de expansión, termina deevaporarse a temperatura constante Tev, que es la temperatura de evaporación a la presión de baja delcircuito,1’→ 2 : el fluido en estado vapor es recalentado de Tev a T2.El calor cedido por el aire al fluido se descompone en:- por un lado, calor latente de cambio de estado (evaporación del fluido),- por otro, calor sensible, cuando la temperatura del fluido varía (calentamiento del fluido deTev a T2),El fluido penetra en estado difásico al evaporador, y sale de este en estado vapor.Observación: Se desprecian en este caso las pérdidas de presión del circuito, y en particular las pérdidasproducidas en el evaporador y en las canalizaciones. Se considera por lo tanto que los intercambiostérmicos en el evaporador se producen a presión constante, a la presión de baja del circuito.

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