PREGUNTAS TEÓRICAS CE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA CENGEL TERCERA EDICIÓN

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

11.1C Clasifique los intercambiadores de calor según el tipo de flujo y explique las características de cada uno.

Los intercambiadores de calor se clasifican según el tipo de flujo como flujo paralelo, flujo encontrado, flujo cruzado.

En el flujo paralelo, tanto los fluidos caliente y frío entrar en el intercambiador de calor en el mismo extremo y se mueven en la misma dirección. En la lucha contra el flujo de los fluidos caliente y frío entrar en el intercambiador de calor a extremos opuestos y fluyen en dirección opuesta. En el cruce de corrientes, el fluido caliente y frío las corrientes se mueven perpendicularmente el uno al otro.

11.2C Clasifique los intercambiadores de calor según el tipo de construcción y explique las características de cada uno.

En cuanto al tipo de construcción, intercambiadores de calor se clasifican como compacto, carcasa y el tubo e intercambiadores de calor regenerativos.

Intercambiadores de calor compactos están diseñados específicamente para obtener grandes áreas de superficie de transferencia de calor por unidad de volumen. La gran área superficial en los intercambiadores compactos se obtiene sujetando placas delgadas o aletas corrugadas con poco espacio entre sí a las paredes que separan los dos fluidos. En los intercambiadores de calor compactos, los fluidos suelen moverse de manera perpendicular entre sí.

Los cambiadores de calor de carcasa y tubos contienen un gran número de tubos empacados en su carcasa con sus ejes paralelos al eje de la carcasa.

Intercambiadores de calor regenerativos implican el paso alternativo de las corrientes del los fluidos caliente y frío a través de la misma área de flujo.

11.3C ¿Cuándo un intercambiador se clasifica como compacto? ¿Piensa el lector que un intercambiador de tubo doble se puede clasificar como compacto?

Un intercambiador de calor se clasifica como compacto si β> 700 m2/m3 o (200 ft2/ft3), donde la razón entre el área superficial de transferencia de calor de un intercambiador y su volumen se llama densidad de área β. La densidad de área de un intercambiador de calor de doble tubo no puede ser del orden de 700. Por lo tanto, no puede ser clasificado como un intercambiador de calor compacto.

11.4C ¿En qué se diferencia un intercambiador de calor de flujo cruzado y uno a contraflujo? ¿Cuál es la diferencia entre los fluidos de flujo mezclado y no mezclado en el flujo cruzado?

En los intercambiadores de calor de contraflujo, los líquidos frío y caliente se mueven paralelos entre sí, pero entrar en el intercambiador de calor por los extremos opuestos y fluyen en dirección opuesta. En los intercambiadores de calor de flujo cruzado, los dos fluidos suelen moverse de manera perpendicular entre sí. Se dice que el flujo cruzado es no mezclado en virtud de que las aletas de placa fuerzan al fluido a moverse por un espacio particular entre ellas e impiden su movimiento en la dirección transversal, es decir paralelo a los tubos. Se dice que el flujo cruzado es mezclado dodo que el fluido tiene libertad para moverse en dirección transversal. Cuando el líquido está libre para moverse en la dirección transversal, el cruce de corrientes se dice que es mixta.

11.5C ¿Cuál es el papel de los desviadores en los intercambiadores de tubo coraza? ¿De que manera la presencia de los desviadores afecta la transferencia de calor y las necesidades de potencia de bombeo? Explique

En los intercambiadores de carcasa y tubos es muy común la colocación de desviadores en la carcasa para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicha carcasa con el fin de mejorar la transferencia de calor y para mantener el espaciamiento uniforme entre los tubos.

11.6C Dibuje un intercambiador de tubos y coraza de un paso por la coraza y seis pasos por los tubos. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de usar seis pasos por los tubos en lugar de solo dos del mismo diámetro?

Usando seis pasos de tubos en un intercambiador de calor de carcasa y tubo aumenta la superficie de transferencia de calor, y la tasa de transferencia de calor aumenta. Pero también aumenta los costes de fabricación.

11.7C Dibuje un intercambiador de tubos y coraza de dos pasos por la coraza y ocho pasos por los tubos. ¿Cuál es la razón primaria de utilizar tantos pasos por los tubos?

Utilizar tantos tubos aumenta la superficie transferencia de calor, y esto a su vez aumenta la tasa de transferencia de calor.

11.8C ¿Qué es un intercambiador regenerativo de calor? ¿En qué se diferencia un intercambiador de tipo estático de uno del tipo dinámico?

Intercambiadores de calor regenerativos implican el paso alternativo de las corrientes del los fluidos caliente y frío a través de la misma área de flujo. El intercambiador de calor regenerativo tipo estático es básicamente una masa porosa que tiene una gran capacidad de almacenamiento de calor, como la malla de alambre de cerámica. El fluido caliente y frio fluyen a través de esta masa porosa de manera alternada. El calor se transfiere desde el fluido caliente a la matriz del regenerador durante el flujo del mismo, y de la matriz hacia el fluido frío durante el paso de este. Por tanto la matriz sirve como un medio de almacenamiento temporal de calor.

El regenerador de tipo dinámico consiste en un tambor giratorio y se establece un flujo continuo del fluido caliente y del frío a través de partes diferentes de ese tambor, de modo que diversas partes de este ultimo pasan periódicamente a través de la corriente caliente, el almacenamiento de calor y después a través de la corriente fría, rechazando este calor almacenado. Una vez más el tambor sirve como medio de transportar el calor del fluido caliente al fluido frío.

EL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR TOTAL

11.9C ¿Cuáles son los mecanismos de transferencia de calor que intervienen durante esa transferencia del fluido caliente hacia el frio?

El calor es transferido primero del fluido caliente hacia la pared por convección, después a través de la pared por conducción y por último de la pared hacia el fluido frío otra vez por convección.

11.10C ¿En qué condiciones la resistencia térmica del tubo de un intercambiador de calor es despreciable?

Cuando el espesor de la pared del tubo es pequeño y la conductividad térmica del material del tubo es alta, que suele ser el caso, la resistencia térmica del tubo es despreciable.

11.11C Considere un intercambiador de calor de tubo doble y flujo paralelo de longitud L. Los diámetros interiores y exteriores del tubo interior son D1 y D2, respectivamente, y el diámetro interior del tubo exterior es D3. Explique cómo determinaría las dos áreas superficiales de transferencia de calor, Ai y Ao. ¿Cuándo resulta razonable suponer que Ai ≈ Ao ≈ As?

Las áreas de transferencia de calor de la superficie son Ai = πD1L y Ao = L πD2. Cuando el grosor del tubo interno es pequeño, es razonable suponer que Ai ≅ Ao

11.12C ¿Resulta razonable la aproximación hi ≈ ho ≈ h para el coeficiente de transferencia de calor por convección en un intercambiador de calor, cuando el espesor de la pared del tubo es despreciable?

No, no es razonable decir que hi ≈ ho ≈ h, porque puede tratarse de dos fluidos completamente diferentes por tanto tendrán diferente coeficientes de conductividad térmica.

11.13C ¿En qué condiciones se puede determinar el coeficiente de transferencia de calor total de un intercambiador a partir de U = (1/hi + 1/ho)^-1?

Cuando el espesor de la pared del tubo es pequeño y la conductividad térmica del material del tubo es alta, la resistencia térmica del tubo es despreciable y el interior y exterior de la superficie del tubo son casi idénticas (Ai ≅ Ao ≅As).

Q=∆TR

Q= ∆T

1hi∗2∗π∗r i∗L

+ 12∗π∗k∗L

ln( rori )+ 1ho∗2∗π∗ro∗L

1U i

= 1h i

+ 1ho

Entonces, el coeficiente global la transferencia de calor de un intercambiador de calor puede ser determinado a partir de U = (1/hi + 1/ho) -1.

11.14C Cuales son las restricciones con respecto a la relación UAS=UiAi=UoAo para un intercambiador de calor. En este caso, U es el coeficiente de transferencia de calor por convección adentro del tubo.

El coeficiente de transferencia de calor total U de un intercambiador de calor no tiene significado a menos que se especifique el área sobre la cual se basa. En especial, este es el caso cuando uno de los lados de la pared del tubo tiene aletas y la otra no, ya que el área superficial del lado con aletas es varias veces mayor que la que no las tiene.

Cuando la pared del tubo es pequeño y la conductividad térmica del material del mismo es alta, como suele ser el caso, la resistencia térmica de dicho tubo es despreciable (R=0) y las superficies interior y exterior del mismo son casi idénticas.

11.15C En un intercambiador de tubo doble y de pared delgada, ¿Cuándo resulta razonable la aproximación U = hi? En este caso, U es el coeficiente de transferencia de calor total y hi es el coeficiente de transferencia de calor por convección adentro de tubo.

Cuando uno de los coeficientes de convección es mucho más pequeño que él otro ho << hi, y Ai ≈ A0≈ As. Entonces tenemos (1 / hi > > 1 / ho) y por lo tanto Ui = U0 = U ≅ hi.

11.16C ¿Cuales son las causas comunes de incrustación en un intercambiador de calor? ¿Cómo afectan las incrustaciones a la transferencia de calor y a la caída de presión?

El tipo más común de suciedad es la precipitación de depósitos sólidos en el líquido y en las superficies de transferencia de calor. Otra forma de incrustaciones es la corrosión

química. Los intercambiadores de calor también pueden ser ensuciados por el crecimiento de algas en los líquidos calientes. Este tipo de suciedad se llama incrustaciones biológicas. Las incrustaciones representan una resistencia adicional a la transferencia de calor y hace que la tasa de transferencia de calor en un intercambiador de calor disminuya, y la pérdida de carga aumente.

11.17C ¿Cómo se toma en cuenta la resistencia térmica debido a las incrustaciones en un intercambiador de calor? ¿De qué manera la velocidad del fluido y la temperatura influye sobre las incrustaciones?

El efecto de la suciedad en una transferencia de calor es representado por un Rf factor de ensuciamiento. Su efecto sobre el coeficiente de transmisión térmica se explica por la introducción de una resistencia térmica Rf / As. El aumento de suciedad aumenta la temperatura y disminución de la velocidad.

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA SEDE QUITO

FACULTAD DE INGENIERÍAS

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

NOVENO SEMESTRE

PREGUNTAS Y EJERCICIOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

MISHEL GUALOTO

Quito, 08-04-2011