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INSTALACIONES TÉRMICAS Y FRIGORÍFICAS
SESIÓN 02
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
ESCUELA SUPERIOR DE TECNOLOGÍA
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
2. Intercambiadores de contacto indirecto
• De tubos concéntricos o doble tubo
El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo dentro de
otro tubo, este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en
contracorriente como en equicorriente, circulando el fluido caliente o el frío a
través del espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubería
interior.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
• De carcasa y tubos
Se utiliza una carcasa común para muchos tubos; éste intercambiador, debido a que
funciona con un solo paso de fluido en el lado de la carcasa y un solo paso de fluido
en el lado de los tubos se denomina intercambiador.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
• De placas
El total del líquido que pasa a través del intercambiador se divide en partes
iguales en función del número de placas que disponga el intercambiador. Cada
dos placas se genera un canal de circulación por el que fluye una de esas
porciones de líquido.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
• Intercambiadores compactos
Están diseñados para conseguir una gran área superficial de transferencia de calor por
unidad de volumen. En los intercambiadores compactos, los dos fluidos normalmente
se mueven en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración del flujo recibe el
nombre de flujo cruzado. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
• Regeneradores
Es un tipo de intercambiador
de calor donde el calor del
fluido caliente se almacena de
forma intermitente en un
medio de almacenamiento
térmico antes de ser
transferido al fluido frío. Tiene
una única ruta de flujo en la
que los fluidos calientes y fríos
pasan alternativamente.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor clásica ocurre solamente a través de los procesos de
conducción, convección, radiación o cualquier combinación de ellos. La
transferencia de calor asociada al cambio de fase de una sustancia (como, por
ejemplo, la asociada al proceso de ebullición del agua líquida) a veces se
considera como un tipo de convección. La definición de estos procesos es la
siguiente:
Conducción:
Es un proceso mediante el cual fluye el calor desde una región alta de
temperatura o a otra de baja temperatura dentro de un medio (sólido, líquido y
gaseoso), o entre medios diferentes que estén en contacto físico directo. La
energía se transmite por comunicación molecular sin desplazamiento apreciable
de las moléculas.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
Convección:
Es un proceso de transporte de energía por la acción combinada de conducción
de calor, almacenamiento de energía y movimiento de mezcla. Tiene gran
importancia como mecanismo de transferencia de energía entre una superficie
sólida, líquido o gas.
Radiación:
Es un proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo de alta temperatura a
uno de baja temperatura, cuando estos están separados por un espacio,
incluso puede ser el vacío.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de
calor. En otras palabras, la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir
la energía cinética de sus moléculas a otras adyacentes o a sustancias con las que está en contacto. En
el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(m·K) (equivalente a J/(m·s·K) y
en unidades básicas a (Kg·m)/(K·s3 ))
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
La conducción se da
cuando el calor se
transmite de un cuerpo
a otro a través del
contacto.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
https://www.youtube.com/watch?v=8LWmFqJ5HpI
De acuerdo al video explique el fenómeno de transferencia de calor por conducción, convección y radiación.
Añada un ejemplo para cada caso.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
𝑊
𝑚 . 𝐾
=
𝐽
𝑚. 𝑠. 𝐾
=
𝑁. 𝑚
𝑚. 𝑠. 𝐾
=
𝑁
𝑠. 𝐾
=
𝐾𝑔. 𝑚
𝑠3. 𝐾
Donde:
W = Watt (Unidad de Potencia)
J = Joule (Unidad de Energía)
N = Newton (Unidad de Fuerza)
Kg = Kilogramo (Unidad de masa)
m = Metro (Unidad de longitud)
K = Kelvin (Unidad de temperatura absoluta)
s = Segundo (Unidad de tiempo)
UNIDADES DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
CONDUCCIÓN
A la mención de la palabra conducción debemos evocar de inmediato conceptos de actividad atómica
y molecular, pues hay procesos en estos niveles que sustentan este modo de transferencia de calor.
La conducción se considera como la transferencia de energía de las partículas más energéticas a las
menos energéticas de una sustancia debido a las interacciones entre las mismas.
El flujo de calor o transferencia de calor por unidad de área:
𝑞𝑥
" =
𝑊
𝑚2
Es la velocidad con que se transfiere el calor en la dirección x por área unitaria perpendicular a la
dirección de transferencia, y es proporcional al gradiente de temperatura, en esta dirección.
Gradiente de Temperatura =
𝑑𝑇
𝑑𝑥
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en:
𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑘 =
𝑊
𝑚 . 𝐾
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
Conductividad Térmica
de algunos materiales
de ingeniería.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
Ejemplo 1:
La pared de un horno industrial se construye con ladrillo de arcilla refractaria de 0.15 m de espesor que tiene una
conductividad térmica de 1.7 W/m⋅K. Mediciones realizadas durante la operación en estado estable revelan
temperaturas de 1400 y 1150 K en las superficies interna y externa, respectivamente. ¿Cuál es la velocidad de
pérdida de calor a través de una pared que tiene 0.5 m por 3 m de lado?
Suposiciones:
1. Condiciones de estado estable.
2. Conducción unidimensional a través de la pared.
3. Conductividad térmica constante.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
Solución Ejemplo 1: Se pide la velocidad de pérdida del calor, es decir se pide:
∆𝑄
∆𝑡
=
𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 (𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎)
𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
=
𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠
𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜
= 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠
1. Recopilando información:
Ɛ = 0.15 m (Espesor de la pared)
k = 1.7 W/m.K (Constante de conductividad en (Watts/(metros . Kelvin))
A = 0.5m x 3m = 1.5m2 ( Área de la pared aislante)
Tc = 1400 K (Temperatura del foco caliente en grados Kelvin)
Tf = 115 K (Temperatura del foco frío en grados Kelvin)
2. Reemplazando datos en la fórmula:
∆𝑄
∆𝑡
= 1.7
𝑊
𝑚.𝐾
𝑥 1.5𝑚2
𝑥
1400𝐾 −1150𝐾
0.15𝑚
= 2.55
𝑊.𝑚
𝐾
𝑥
250𝐾
0.15𝑚.
= 4250 𝑊 = 4250
𝐽
𝑠𝑒𝑔
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
Durante un diseño de un depósito para productos alimenticios, se desea conocer la tasa de
transferencia de calor por metro cuadrado que se presentaría a través de las paredes de ladrillo
(25cm de espesor y conductividad térmica de 0.7 W/m.K).
Si la temperatura interior debe Mantenerse a 5°C y temperatura ambiente a 30°C.
Calcule el valor de tasa de transferencia por unidad de superficie (Watts/m2)
Ejemplo 2:
Suposiciones:
1. Condiciones de estado estable.
2. Conducción unidimensional a través de la pared.
3. Conductividad térmica constante.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
Solución Ejemplo 2: Se pide la tasa de transferencia de velocidad de pérdida del calor por
unidad de superficie, es decir se pide W/m2, la fórmula queda de la
siguiente manera.
∆𝑄
∆𝑡. 𝐴
= 𝑘
𝑇𝑐 − 𝑇𝑓
𝜀
=
𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠
𝑚2
= 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎
1. Recopilando información:
Ɛ = 25cm = 0.25 m (Espesor de la pared)
k = 0.7 W/m.K (Constante de conductividad en (Watts/(metros . Kelvin))
Tc = 30°C = 303K (Temperatura del foco caliente en grados Kelvin)
Tf = 5°C = 278K (Temperatura del foco frío en grados Kelvin)
2. Reemplazando datos en la fórmula:
∆𝑄
∆𝑡.𝑚2 = 0.7
𝑊
𝑚.𝐾
𝑥
303𝐾 −278𝐾
0.25𝑚
= 0.7
𝑊
𝑚.𝐾
𝑥
25𝐾
0.25𝑚
= 70
𝑊
𝑚2
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
Caso de Análisis 1:
Durante un diseño de un depósito para productos alimenticios, se desea conocer la tasa de transferencia
de calor por metro cuadrado que se presentaría a través de las paredes de yeso de 20cm de espesor. Para
verificar el coeficiente del yeso recurra a la tabla.
Si la temperatura interior debe Mantenerse a 5°C y temperatura ambiente a 30°C.
• Calcule el valor de tasa de transferencia por unidad de superficie (Watts/m2)
• Calcule el espesor de la pared si se requiere mantener los valores de temperatura y tasa de
transferencia cuando el yeso es reemplazado por madera pesada.
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
Caso de Análisis 2:
La pared de un horno industrial se construye con ladrillo de concreto celular de 0.25 m de espesor.
Mediciones realizadas durante la operación en estado estable revelan temperaturas de 1500 y 1150 K en
las superficies interna y externa, respectivamente. ¿Cuál es la velocidad de pérdida de calor a través de
una pared que tiene 0.6 m por 2.5 m de lado?
Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
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Sesión 2.pdf

  • 1. INSTALACIONES TÉRMICAS Y FRIGORÍFICAS SESIÓN 02 Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino ESCUELA SUPERIOR DE TECNOLOGÍA Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 2. 2. Intercambiadores de contacto indirecto • De tubos concéntricos o doble tubo El intercambiador de calor más sencillo se compone de un tubo dentro de otro tubo, este montaje de corrientes paralelas funciona, tanto en contracorriente como en equicorriente, circulando el fluido caliente o el frío a través del espacio anular, mientras que el otro fluido circula por la tubería interior. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 3. • De carcasa y tubos Se utiliza una carcasa común para muchos tubos; éste intercambiador, debido a que funciona con un solo paso de fluido en el lado de la carcasa y un solo paso de fluido en el lado de los tubos se denomina intercambiador. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 4. • De placas El total del líquido que pasa a través del intercambiador se divide en partes iguales en función del número de placas que disponga el intercambiador. Cada dos placas se genera un canal de circulación por el que fluye una de esas porciones de líquido. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 5. • Intercambiadores compactos Están diseñados para conseguir una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. En los intercambiadores compactos, los dos fluidos normalmente se mueven en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración del flujo recibe el nombre de flujo cruzado. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 6. • Regeneradores Es un tipo de intercambiador de calor donde el calor del fluido caliente se almacena de forma intermitente en un medio de almacenamiento térmico antes de ser transferido al fluido frío. Tiene una única ruta de flujo en la que los fluidos calientes y fríos pasan alternativamente. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 7. TRANSFERENCIA DE CALOR La transferencia de calor clásica ocurre solamente a través de los procesos de conducción, convección, radiación o cualquier combinación de ellos. La transferencia de calor asociada al cambio de fase de una sustancia (como, por ejemplo, la asociada al proceso de ebullición del agua líquida) a veces se considera como un tipo de convección. La definición de estos procesos es la siguiente: Conducción: Es un proceso mediante el cual fluye el calor desde una región alta de temperatura o a otra de baja temperatura dentro de un medio (sólido, líquido y gaseoso), o entre medios diferentes que estén en contacto físico directo. La energía se transmite por comunicación molecular sin desplazamiento apreciable de las moléculas. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 8. Convección: Es un proceso de transporte de energía por la acción combinada de conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de mezcla. Tiene gran importancia como mecanismo de transferencia de energía entre una superficie sólida, líquido o gas. Radiación: Es un proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo de alta temperatura a uno de baja temperatura, cuando estos están separados por un espacio, incluso puede ser el vacío. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 9. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 10. La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras, la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras adyacentes o a sustancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(m·K) (equivalente a J/(m·s·K) y en unidades básicas a (Kg·m)/(K·s3 )) CONDUCTIVIDAD TÉRMICA La conducción se da cuando el calor se transmite de un cuerpo a otro a través del contacto. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 11. https://www.youtube.com/watch?v=8LWmFqJ5HpI De acuerdo al video explique el fenómeno de transferencia de calor por conducción, convección y radiación. Añada un ejemplo para cada caso. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 12. 𝑊 𝑚 . 𝐾 = 𝐽 𝑚. 𝑠. 𝐾 = 𝑁. 𝑚 𝑚. 𝑠. 𝐾 = 𝑁 𝑠. 𝐾 = 𝐾𝑔. 𝑚 𝑠3. 𝐾 Donde: W = Watt (Unidad de Potencia) J = Joule (Unidad de Energía) N = Newton (Unidad de Fuerza) Kg = Kilogramo (Unidad de masa) m = Metro (Unidad de longitud) K = Kelvin (Unidad de temperatura absoluta) s = Segundo (Unidad de tiempo) UNIDADES DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 13. CONDUCCIÓN A la mención de la palabra conducción debemos evocar de inmediato conceptos de actividad atómica y molecular, pues hay procesos en estos niveles que sustentan este modo de transferencia de calor. La conducción se considera como la transferencia de energía de las partículas más energéticas a las menos energéticas de una sustancia debido a las interacciones entre las mismas. El flujo de calor o transferencia de calor por unidad de área: 𝑞𝑥 " = 𝑊 𝑚2 Es la velocidad con que se transfiere el calor en la dirección x por área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia, y es proporcional al gradiente de temperatura, en esta dirección. Gradiente de Temperatura = 𝑑𝑇 𝑑𝑥 Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 14. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en: 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑘 = 𝑊 𝑚 . 𝐾 Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 15. Conductividad Térmica de algunos materiales de ingeniería. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 16. Ejemplo 1: La pared de un horno industrial se construye con ladrillo de arcilla refractaria de 0.15 m de espesor que tiene una conductividad térmica de 1.7 W/m⋅K. Mediciones realizadas durante la operación en estado estable revelan temperaturas de 1400 y 1150 K en las superficies interna y externa, respectivamente. ¿Cuál es la velocidad de pérdida de calor a través de una pared que tiene 0.5 m por 3 m de lado? Suposiciones: 1. Condiciones de estado estable. 2. Conducción unidimensional a través de la pared. 3. Conductividad térmica constante. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 17. Solución Ejemplo 1: Se pide la velocidad de pérdida del calor, es decir se pide: ∆𝑄 ∆𝑡 = 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 (𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎) 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 = 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 = 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 1. Recopilando información: Ɛ = 0.15 m (Espesor de la pared) k = 1.7 W/m.K (Constante de conductividad en (Watts/(metros . Kelvin)) A = 0.5m x 3m = 1.5m2 ( Área de la pared aislante) Tc = 1400 K (Temperatura del foco caliente en grados Kelvin) Tf = 115 K (Temperatura del foco frío en grados Kelvin) 2. Reemplazando datos en la fórmula: ∆𝑄 ∆𝑡 = 1.7 𝑊 𝑚.𝐾 𝑥 1.5𝑚2 𝑥 1400𝐾 −1150𝐾 0.15𝑚 = 2.55 𝑊.𝑚 𝐾 𝑥 250𝐾 0.15𝑚. = 4250 𝑊 = 4250 𝐽 𝑠𝑒𝑔 Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 18. Durante un diseño de un depósito para productos alimenticios, se desea conocer la tasa de transferencia de calor por metro cuadrado que se presentaría a través de las paredes de ladrillo (25cm de espesor y conductividad térmica de 0.7 W/m.K). Si la temperatura interior debe Mantenerse a 5°C y temperatura ambiente a 30°C. Calcule el valor de tasa de transferencia por unidad de superficie (Watts/m2) Ejemplo 2: Suposiciones: 1. Condiciones de estado estable. 2. Conducción unidimensional a través de la pared. 3. Conductividad térmica constante. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 19. Solución Ejemplo 2: Se pide la tasa de transferencia de velocidad de pérdida del calor por unidad de superficie, es decir se pide W/m2, la fórmula queda de la siguiente manera. ∆𝑄 ∆𝑡. 𝐴 = 𝑘 𝑇𝑐 − 𝑇𝑓 𝜀 = 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 𝑚2 = 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎 1. Recopilando información: Ɛ = 25cm = 0.25 m (Espesor de la pared) k = 0.7 W/m.K (Constante de conductividad en (Watts/(metros . Kelvin)) Tc = 30°C = 303K (Temperatura del foco caliente en grados Kelvin) Tf = 5°C = 278K (Temperatura del foco frío en grados Kelvin) 2. Reemplazando datos en la fórmula: ∆𝑄 ∆𝑡.𝑚2 = 0.7 𝑊 𝑚.𝐾 𝑥 303𝐾 −278𝐾 0.25𝑚 = 0.7 𝑊 𝑚.𝐾 𝑥 25𝐾 0.25𝑚 = 70 𝑊 𝑚2 Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 20. Caso de Análisis 1: Durante un diseño de un depósito para productos alimenticios, se desea conocer la tasa de transferencia de calor por metro cuadrado que se presentaría a través de las paredes de yeso de 20cm de espesor. Para verificar el coeficiente del yeso recurra a la tabla. Si la temperatura interior debe Mantenerse a 5°C y temperatura ambiente a 30°C. • Calcule el valor de tasa de transferencia por unidad de superficie (Watts/m2) • Calcule el espesor de la pared si se requiere mantener los valores de temperatura y tasa de transferencia cuando el yeso es reemplazado por madera pesada. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 21. Caso de Análisis 2: La pared de un horno industrial se construye con ladrillo de concreto celular de 0.25 m de espesor. Mediciones realizadas durante la operación en estado estable revelan temperaturas de 1500 y 1150 K en las superficies interna y externa, respectivamente. ¿Cuál es la velocidad de pérdida de calor a través de una pared que tiene 0.6 m por 2.5 m de lado? Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino
  • 22. Ing. Jorge E. Gamarra Tolentino