Termodinmica

TermodinmicaIntegrantes:CHAPON AYALA, ManuelMEJA YAURI, Daniel EduardoIntercambiador de calorUn intercambiador de calor es un dispositivo que permite la transferencia de calor de un fluido ms caliente a otro menos caliente.

Intercambiadores de calor industriales

Tipos de intercambiadores de calor que se pueden encontrar en el mercado y en las industrias. Se clasifican en:

Contacto indirecto o recuperadores: Tubos concntricos o de doble tubo; coraza y tubos; placas; compacto; regeneradores.

Contacto directo: Torres de enfriamiento.Intercambiadores de tubos concntricos o doble tuboLos intercambiadores de calor de tubos concntricos o doble tubo son los ms sencillos que existen. Estn constituidos por dos tubos concntricos de dimetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor dimetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la direccin de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. A continuacin se pueden ver dos imgenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.

Ejercicio 1Se va a calentar agua en un intercambiador de tubo doble a contraflujo, desde 20C hasta 80C, a razn de 1,2 kg/s. El calentamiento se va a realizar por medio de agua geotrmica de la que se dispone a 160C con un gasto de masa de 2 kg/s. El tubo interior es de pared delgada y tiene un dimetro de 1,5 cm. Si el coeficiente de transferencia de calor total del intercambiador, respecto al rea externa del tubo, es de 640 W/m2-C, determine la longitud requerida de ese intercambiador para lograr el calentamiento deseado. Se va a calentar agua en un intercambiador de tubo doble a contraflujo por medio de agua geotrmica. Se debe determinar la longitud requerida de ese intercambiador de calor. Consideremos que:Existen condiciones estables de operacin.El intercambiador de calor est bien aislado de modo que la prdida de calor hacia los alrededores es despreciable, y por consiguiente, la transferencia de calor desde el fluido caliente es igual a la transferencia de calor hacia el fluido fro.Los cambios en las energas cinticas y potenciales de las corrientes de los fluidos son despreciables.No se tiene incrustaciones.Las propiedades de los fluidos son constantes.Tomamos los calores especficos del agua y del fluido geotrmico como 4,18 y 4,31 kJ/kg-C, respectivamente (datos). En la figura se observa el intercambiador de calor

La velocidad de la transferencia de calor en este intercambiador puede ser determinada a partir deQ = [mcp(Tsal Tent)]agua = (1,2 kg/s)(4,18 kJ/kg-C)(8020)C = 301 kWDado que todo este calor es suministrado por el agua geotrmica, se determina que la temperatura de salida de esta agua esQ = [mcp(Tent Tsal)]geotrmica = (2 kg/s)(4,31 kJ/kg-C)(160Tsal)C = 301 kWEntonces, Tsal= 125CConociendo las temperaturas de entrada y de salida de los dos fluidos, la diferencia de temperatura media logartmica para este intercambiador a contraflujo quedaT1 = Th,ent Tc,sal = (160 80)C = 80CT2 = Thsal Tc,ent = (125 20)C = 105C

Luego,

Entonces se determina que el rea superficial del intercambiador es Q = U0A0Tml 301.000 W = 640 W/m2-CA092C A0 = 5,11 m2Para proporcionar esta gran rea superficial de transferencia de calor la longitud del tubo debe serA0 = DL 5,11 m2 = 0,015mL Ejercicio 2Para la produccin de un cierto producto, se requiere ingresar a un reactor un flujo de agua de 1.800 m3/h a 20C. Sin embargo el agua se extrae desde la red pblica a slo 8C. Se pretende instalar un intercambiador de calor de tubos concntricos el cual utilizar un fluido de alta temperatura con un flujo de 1.000 m3/h a 130C. Se le solicita dimensionar el rea A0 del intercambiador de tubos concntricos.Datos: Cp,agua = 1 cal/g-C ; Cp,fluido = 0,5 cal/g-C ; agua = 1.000 kg/m3; fludo = 2.500 kg/m3

Coeficiente de transferencia de calor global U0 = 267,8 W/m2 - CSOLUCIN:Si se identifican las variables conocidas se tiene: th,in, tc,in, tc,out, flujo fro y flujo caliente.Este tipo de problemas de dimensionamiento de intercambiadores de tubos concntricos posee un algoritmo de solucin clsico.1. Calcular el calor transferido total.2. Luego, bajo la hiptesis de inexistencia de prdidas de calor, calcular th,out.3. Finalmente, calcular el rea del intercambiador a partir de las ecuaciones:

El calor absorbido por el agua se calcula a partir de la siguiente ecuacin:

Entonces,

Bajo el supuesto de que no hay prdidas de calor importantes podemos imponer que:

Pero adems se tiene que:

Luego,

Entonces:

Calculamos:

Luego se puede obtener el rea del intercambiador como: