El cálculo por convección se calcula usando la ecuación de Newton, que considera que la densidad de flujo de calor por unidad de área es proporcional a la diferencia de temperaturas entre la superficie y la temperatura del fluido: q/A = h · ΔT, donde h es el factor de convección o coeficiente de película.
¿Cómo se determina el coeficiente convectivo de transferencia de calor?
La ley de enfriamiento de Newton establece que la tasa de transferencia de calor que abandona una superficie a una temperatura T s para pasar a un fluido del entorno a temperatura T f se establece por la ecuación: Q convection = h A (T s – T f ) donde el coeficiente de transferencia de calor h tiene las unidades de W/m 2,
- O Btu/s.in 2,F.
- El coeficiente h no es una propiedad termodinámica.
- Es una correlación simplificada entre el estado del fluido y las condiciones de flujo, por lo cual generalmente se la conoce como una propiedad de flujo.
- La convección está ligada al concepto de una capa de contorno que es una delgada capa de transición entre una superficie, que se supone adyacente a las moléculas estacionarias, y el flujo de fluido en el entorno.
Esto se puede observar en la siguiente figura que muestra un flujo sobre una placa plana. Donde u(x,y) es la velocidad de dirección x. A la región que va hasta la arista externa de la capa de fluido, definida como el 99% de la velocidad de la corriente libre, se denomina espesor de la capa de contorno del fluido d (x). Se podría hacer un croquis similar de la transición de temperatura desde la temperatura de la superficie a la temperatura de los alrededores.
- En la siguiente figura se muestra un esquema de la variación de la temperatura.
- Observe que el espesor de la capa del contorno térmico no necesariamente es el mismo que el del fluido.
- Las propiedades del fluido que componen el Número de Prandtl rigen la magnitud relativa de los dos tipos de capas del contorno.
Un Número de Prandtl (Pr) de 1 implicaría el mismo comportamiento para ambas capas del contorno. Al mecanismo real de transferencia de calor a través de la capa del contorno se lo toma como conducción, en la dirección y, a través del fluido estacionario cercano a la pared que es igual a la tasa de convección que va desde la capa límite al fluido.
Esto puede expresarse de la siguiente manera: h A (T s – T f ) = – k A (dT/dy) s Es decir que el coeficiente de convección para una determinada situación puede evaluarse midiendo la tasa de transferencia de calor y la diferencia de temperatura, o midiendo el gradiente de temperatura adyacente a la superficie y la diferencia de temperatura.
La medición de un gradiente de temperatura a través de una capa de contorno requiere gran precisión y, por lo general, se logra en un laboratorio de investigación. Muchos manuales contienen valores tabulados de los coeficientes de transferencia de calor por convección para diferentes configuraciones.
| Medio | Coeficiente de transferencia de calor h ( W/m 2, K) |
| Aire (convección natural) | 5-25 |
| Aire/vapor supercalentado (convección forzada) | 20-300 |
| Petróleo (convección forzada) | 60-1800 |
| Agua (convección forzada) | 300-6000 |
| Agua (en ebullición) | 3000-60.000 |
| Vapor (en condensación) | 6000-120.000 |
¿Cómo se calcula transferencia de calor?
(en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor H = ∆Q/∆t, está dada por la ley de la conducción de calor de Fourier.
¿Qué es el coeficiente de convección h?
El coeficiente de película, coeficiente de convección o coeficiente de transmisión superficial, representado habitualmente como h, cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección.
¿Qué es convección de calor fórmula?
Un modelo de transferencia de calor q” por convección, llamado ley de enfriamiento de Newton, describe flujo como: q” = hc (TS – 𝑇∞) Donde : hc (𝛼) =coeficiente convectivo de transferencia de calor o coeficiente pelicular, se expresa 𝑊 𝑚2 𝐾.
¿Qué es la transferencia de calor por conduccion convección y radiacion?
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| Title: | Conducción, convección, radiación. Equilibrio térmico |
| Authors: | |
| Keywords: | BGAI Conducción Convección Radiación Equilibrio térmico Física – Estados de la materia |
| Issue Date: | 7-Dec-2011 |
| Citation: | Pinto, P. (Productor). (2011, 07 de diciembre). Conducción, convección, radiación. Equilibrio térmico., Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=U2Q0_4UGils |
| Abstract: | Conducción: transmisión de calor por contacto sin transferencia de materia. Convección: transmisión de calor por la transferencia de la propia materia portadora del calor. Radiación: transmisión de energía por medio de la emisión de ondas electromagnéticas o fotones. |
| Description: | Video en YouTube, con duración de 1:27 minutos |
| URI: | https://www.youtube.com/watch?v=U2Q0_4UGils http://biblioteca.udgvirtual.udg.mx/jspui/handle/123456789/2433 |
| Appears in Collections: | Audiovisuales |
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¿Qué es transferencia de calor por conveccion ejemplos?
Convección, que es la transferencia de calor por el movimiento macroscópico de un fluido. Este tipo de transferencia se produce, por ejemplo, en una caldera de aire forzado y en sistemas de climatización.
¿Qué son las fuerzas de convección?
La convección es el transporte de energía térmica que tiene lugar simultáneamente con el transporte del propio medio. Las transferencias de calor por convección son muy importantes en la naturaleza. La mayor parte de las corrientes marítimas y vientos atmosféricos son notables ejemplos de corrientes convectivas.
¿Cuál es la fórmula de la ley de Fourier?
La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura. J=−K ∂T ∂x Siendo K una constante característica del material denominada conductividad térmica.
¿Qué dice el teorema de Fourier de un ejemplo?
La curva de un sonido musical es periódica, se repite a intervalos perfectamente regulares. El teorema de Fourier nos dice que tal curva puede recomponerse con la superposición de curvas análogas simples tales como 1, 2, 3 u otro número entero de ondas que suceden en cada período de la curva original.
¿Dónde se aplica Fourier?
De Wikipedia, la enciclopedia libre Las primeras cuatro aproximaciones para una función periódica escalonada Una serie de Fourier es una serie infinita que converge puntualmente a una función periódica y continua, Puede ser solo a trozos de funciones (por partes), pero continua en esas partes.
Las series de Fourier constituyen la herramienta matemática básica del análisis de Fourier empleado para analizar funciones periódicas a través de la descomposición de dicha función en una suma infinita de funciones sinusoidales mucho más simples (como combinación de senos y cosenos con frecuencias enteras).
El nombre se debe al matemático francés Jean-Baptiste Joseph Fourier, que desarrolló la teoría cuando estudiaba la ecuación del calor, Fue el primero que estudió tales series sistemáticamente, y publicó sus resultados iniciales en 1807 y 1811, Esta área de investigación se llama algunas veces análisis armónico,
- Es una aplicación usada en muchas ramas de la ingeniería, además de ser una herramienta sumamente útil en la teoría matemática abstracta.
- Sus áreas de aplicación incluyen análisis vibratorio, acústica, óptica, procesamiento de imágenes y señales, y compresión de datos.
- En ingeniería, para el caso de los sistemas de telecomunicaciones, y a través del uso de los componentes espectrales de frecuencia de una señal dada, se puede optimizar el diseño de un sistema para la señal portadora del mismo.
Refiérase al uso de un analizador de espectro, Las series de Fourier tienen la forma: donde y se denominan coeficientes de Fourier de la serie de Fourier de la función,
¿Qué es el término convectivo?
La palabra ‘convectivo’ está formada con raíces latinas y significa ‘ relativo a la transferencia de calor mediante la circulación o movimiento de las partes calentadas de un líquido o gas ‘.
¿Qué es el mecanismo convectivo?
Convección (convection): Es la transferencia de calor en la que un fluido en movimiento recibe o cede energía a una interfase. Se presenta cuando una superficie a cierta temperatura está en contacto con un fluido en movimiento a temperatura diferente. Es el resultado combinado de la conducción y la advección.
¿Qué variables determinan el coeficiente global de transferencia de calor?
Coeficientes de transferencia de calor experimental para el enfriamiento de licor en intercambiadores de placas Experimental heat transfer coefficients for the liquor cooling in plate heat exchanger Enrique Torres-Tamayo, Yoalbys Retirado-Medianeja, Ever Góngora-Leyva Instituto Superior Minero Metalúrgico.
- Centro de Estudio de Energía y Tecnología Avanzada de Moa. Holguín.
- Cuba RESUMEN La pérdida de eficiencia del proceso de enfriamiento del licor amoniacal, mediante el uso de intercambiadores de calor de placas, está asociada a imprecisiones en la estimación de los coeficientes de transferencia de calor y la acumulación de incrustaciones en la superficie de intercambio.
El objetivo de la investigación es determinar los coeficientes de transferencia de calor y la influencia de las incrustaciones en la pérdida de eficiencia de la instalación. Mediante un procedimiento iterativo se estableció la ecuación del número de Nusselt y su relación con el número de Reynolds y Prandtl.
- Se utilizó un diseño experimental multifactorial.
- Los resultados predicen el conocimiento de los coeficientes para el cálculo del número de Nusselt en ambos fluidos.
- Los valores de los coeficientes del licor amoniacal son inferiores, ello se debe a la presencia de componentes gaseosos.
- La ecuación obtenida muestra correspondencia con el modelo de Buonapane, el error comparativo es del 3,55 %.
Palabras claves: intercambiador de calor de placas, coeficientes de transferencia de calor, eficiencia térmica. ABSTRACT The loss of efficiency of the ammonia liquor cooling process, by means of the plate heat exchanger, is associated to the incorrect estimate of the heat transfer coefficients and the accumulation of inlays in the exchange surface.
The objective of the investigation is to determine the transfer coefficients and the influence of the inlays in the efficiency loss of the installation. By means of an iterative procedure was obtained the Nusselt number equation and the relationship with the Reynolds and Prandtl number, for it was used it a design experimental multifactorial.
The results predict the knowledge of the coefficients for the calculation of the Nusselt number for both fluids. The ammonia liquor coefficients values are inferior, due to the presence of gassy components. The obtained equation shows correspondence with the Buonapane pattern, the comparative error is 3,55 %.
Key words: plate heat exchanger, heat transfer coefficients, thermal efficiency. INTRODUCCIÓN Los procesos de intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas y separados por una pared sólida ocurren en muchas aplicaciones de las empresas productoras de níquel. El dispositivo que se utiliza para llevar a cabo este proceso se denomina intercambiador de calor.
En la Unidad Básica de producción Lixiviación se produce el enfriamiento del licor amoniacal con el fin de facilitar el proceso de lixiviado de la pulpa laterítica. Los intercambiadores de calor de placas, en comparación con los de carcasa y tubos, son los más eficientes siempre que la diferencia de temperatura entre ambas corrientes fluidas sea baja.
Logran una alta eficiencia gracias a la gran superficie de intercambio que existe entre los dos fluidos, ellos circulan por canales muy estrechos en los que es posible incrementar la superficie de contacto, pero en cambio presentan problemas de incrustaciones y elevada pérdida de carga debido al uso de fluidos incrustantes (licor amoniacal).
Lo anterior ha motivado el desarrollo de la presente investigación, con el objetivo de determinar los coeficientes de transferencia en intercambiadores de calor de placas y la influencia de las incrustaciones en la pérdida de eficiencia de la instalación.
En la determinación de los coeficientes de transferencia de calor y la eficiencia térmica de un intercambiador es necesaria la integración de varios conceptos de termotecnia y dinámica de los fluidos, y buena parte está dada por consideraciones experimentales. Estos coeficientes se definen en términos de la resistencia térmica total para la transferencia de calor entre dos fluidos, ello incluye las resistencias por convección y conducción para superficies planas o cilíndricas,
Los coeficientes de transferencia de calor, obtenidos de forma experimental, para diferentes aplicaciones se exponen en la literatura consultada, Los autores resumen las técnicas experimentales usadas para obtener los coeficientes y su dependencia de diferentes números adimensionales: Nusselt, Reynolds y Prandtl.
- En todos los casos los resultados son aplicables a las condiciones específicas en que se desarrollaron los experimentos, por lo que en escenarios diferentes es necesario comprobaciones experimentales que permitan determinar la aplicabilidad de los resultados.
- Existen varios trabajos de investigación desarrollados con el fin de obtener los coeficientes de transferencia de calor mediante el uso de métodos numéricos y técnicas computacionales, en general se obtienen simulaciones que permiten predecir el comportamiento de las variables en intercambiadores de calor de placas para diferentes condiciones de operación.
La obtención de modelos matemáticos y el empleo de métodos de optimización son usados por varios investigadores, los que permiten el análisis de los parámetros geométricos, ángulos de las placas, y el impacto en el diseño de los intercambiadores de calor.
El análisis de los trabajos precedentes demuestra la necesidad de usar resultados experimentales en la estimación de los coeficientes de transferencia en intercambiadores de calor, los errores que se comenten en la selección y evaluación de las instalaciones son menores y permiten predecir la dependencia de los coeficientes con los números adimensionales: Nusselt, Reynolds y Prandtl.
MÉTODOS Y MATERIALES Mediante el uso de los coeficientes de transferencia de calor por convección para ambos fluidos y el conocimiento de las resistencias por incrustaciones, el coeficiente global de transferencia de calor se obtiene por la siguiente expresión : El valor del coeficiente global (U) depende de los coeficientes de transferencia de calor por convección de los fluidos frío y caliente (h l, h a ) y está fuertemente influenciado por la forma de las corrugaciones de las placas, los parámetros de trabajo y las propiedades de los fluidos.
Investigaciones anteriores han reportado el procedimiento para la obtención de los coeficientes con fluidos de características diferentes, se plantea la necesidad de obtener los mismos de forma experimental cuando no existe referencia en la literatura, debido a los errores que se cometen en la selección de los equipos de intercambio térmico.
Las resistencias térmicas de ensuciamiento (R l, R a ) se generan como consecuencia de que los fluidos pueden transportar contaminantes, y con el paso del tiempo estos se van depositando sobre las superficies. De este modo se crea una capa entre el fluido y la superficie que crece en espesor y genera una resistencia térmica adicional con un valor significativo para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor. Las resistencias de conducción y por incrustaciones de las placas, cuando se realiza la limpieza del intercambiador de calor, son despreciables en comparación con las de convección para ambos fluidos. Para el cálculo de los coeficientes de convección es necesario establecer su relación con números adimensionales tales como: Reynolds ( Re ), Nusselt ( Nu ), Prantdl ( Pr ). Los valores de los coeficientes c y n se obtienen de forma experimental y dependen del tipo de flujo y. La longitud característica del canal ( L c ), luego de algunas transformaciones, se determina por la siguiente expresión: L c =2.b Donde: k: conductividad térmica del fluido; W/m·K. b: ancho del canal o distancia entre placas; m. Procedimiento de cálculo Para calcular el valor de los coeficientes n, c l, c a se aplica un procedimiento a partir del cual los resultados experimentales convergen, se ha dispuesto la misma dependencia del número de Nusselt con el de Reynolds para ambos lados del intercambiador debido a que se tiene una misma geometría. Donde: Para conseguir que los valores converjan es necesaria la obtención de una nueva ecuación, luego de algunas transformaciones a la expresión 1 y utilizando las propiedades de los logaritmos se obtiene: Al igual que la ecuación 4 esta nueva expresión presenta la forma de la ecuación de una recta. Con los valores de c l, c a obtenidos en la expresión 4, se introducen en la ecuación 8 de forma que se obtiene un nuevo valor de “n”. Mediante el uso de un proceso iterativo, y el uso del software profesional MATHCAD 13, es posible la convergencia del método de cálculo. Donde: Eficiencia e incrustaciones de los intercambiadores de calor de placas La influencia de las incrustaciones en la pérdida de eficiencia de los intercambiadores de calor se determinó mediante el coeficiente global de transferencia de calor en función de los parámetros de entrada y salida del equipo, El factor de incrustaciones (R d ) se obtiene mediante la comparación del valor del coeficiente global de transferencia de calor, obtenido de forma experimental cuando el equipo está limpio (U máx, con los valores experimentales de la ecuación 12 en función del tiempo. La eficiencia es el porcentaje que representa la relación del desempeño real del equipo con respecto al desempeño máximo Técnica experimental De acuerdo con el procedimiento de cálculo establecido, las principales variables involucradas en el proceso de enfriamiento del licor amoniacal en la U.B.P. Lixiviación de la empresa niquelífera son las siguientes:
Temperatura de entrada del licor amoniacal y agua de enfriamiento Temperatura de salida del licor amoniacal y agua de enfriamiento Flujo másico del licor amoniacal y agua de enfriamiento Presión de entrada y salida del licor amoniacal y agua de enfriamiento
Los experimentos, para determinar los coeficientes de transferencia de calor, se efectuaron fijando dos variables: el flujo másico de agua y el flujo másico del licor amoniacal, el resto de las variables se consideraron aleatorias. Los niveles de cada variable se obtuvieron a partir de los parámetros de trabajo del proceso de enfriamiento del licor amoniacal en la empresa “Comandante Ernesto Che Guevara”.
El intercambiador de calor de placas usado en la experimentación se encuentra instalado en el propio proceso productivo, ello permitió garantizar la semejanza geométrica. El área de intercambio térmico es de 589 m 2 y las placas usadas son del tipo Chevron. El número de corridas experimentales se obtuvo mediante un diseño multifactorial, de acuerdo con los niveles prefijados de cada una de las variables suma un número de 25; pero con el objetivo de comprobar la validez de los experimentos y disminuir los errores de observación, en todos los niveles se efectuaron 3 réplicas, lo que concluye con un total de 75 corridas experimentales.
En la tabla 1 se muestra un resumen del diseño experimental efectuado. La influencia de las incrustaciones en la pérdida de eficiencia de los intercambiadores de placas durante el enfriamiento del licor amoniacal se determinó mediante cinco corridas experimentales, el tiempo de duración fue de 109 días. Antes de cada experimento se realizó la limpieza del sistema mediante el desarme y el uso de los productos químicos apropiados para estos casos.
Densidad= 1,026 g/l Temperatura= 42 ºC Porciento de níquel = 11 g/l Porciento de cobalto = 0,4 g/l Porciento de amoniaco = 73 g/l Porciento dióxido de carbono = 34 g/l Sólidos ≤ 120 p
RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados experimentales de las variables medidas en el intercambiador de placas, para determinar los coeficientes de transferencia de calor por convección, se exponen en la tabla 2, En todos los casos se confirma que la dispersión entre los resultados obtenidos no es significativa, encontrándose el error estándar de la media aritmética por debajo del 5 %.
Resultados de los coeficientes Los valores de n, c l, c a se determinaron mediante un proceso iterativo usando el software profesional Mathcad 13, los resultados experimentales mostrados en la tabla 2 y el procedimiento de cálculo ( ecuaciones 4 a la 11 ). Los valores de los coeficientes obtenidos son los siguientes: n=0,657; c a =0,2883; c l =0,2791.
La estimación correcta de los coeficientes evita errores en el diseño de las instalaciones térmicas y la pérdida de capacidad en el proceso de intercambio térmico. El análisis del coeficiente global y su dependencia de los coeficientes de transferencia de calor por convección para el licor amoniacal y el agua, se expresa a través del número de Nusselt y los coeficientes n, c l, c a obtenidos. Resultado del número de Nusselt para el licor amoniacal La figura 1 muestra el comportamiento del número de Nusselt en función del Reynolds para los fluidos que intervienen en el proceso de intercambio térmico (licor amoniacal y agua). Se observa un incremento de los valores de Nusselt con el aumento del número de Reynolds, ello está asociado al incremento de la velocidad del fluido por el interior de los canales del intercambiador de placas y con ello un incremento de la turbulencia que favorece la transferencia de calor entre ambas corrientes fluidas.
- Los valores de Nusselt del agua son mayores que los obtenidos con el licor amoniacal, ello se debe a la presencia de componentes gaseosos en el licor que reducen el coeficiente de transferencia de calor por convección.
- En la figura 2 se expone el comportamiento del número de Nusselt en función del Reynolds en intercambiadores de calor de placas según el criterio de varios investigadores y el obtenido en este trabajo señalado con el nombre de “Licor amoniacal” en la gráfica.
El modelo de Buonopane presenta un comportamiento similar al obtenido en esta investigación con un error comparativo del 3,55 %. Los resultados obtenidos por Thonon y Maslov se alejan de los aquí presentados con valores superiores de los coeficientes de transferencia de calor y un error comparativo superior al 20 % por lo que no es recomendable el empleo de esos resultados en los cálculos ingenieriles para la selección y evaluación de instalaciones térmicas en la industria del níquel con el uso de intercambiadores de calor de placas. Resultados de la pérdida de eficiencia en el intercambiador de calor de placas El comportamiento del factor se expone en la figura 3, Se observa tendencia al incremento, alcanzando valores que sobrepasan los 0,00025 m 2 K/W. Es necesario prestar atención al incremento del factor luego de la limpieza, ello debe estar asociado a la existencia de partículas incrustadas en las placas que provocan la pérdida de capacidad y de eficiencia del proceso de enfriamiento del licor amoniacal. En la figura 4 se muestra el comportamiento de la eficiencia en función del tiempo. Los resultados exponen tendencias a la reducción de la eficiencia con el incremento del tiempo de trabajo de la instalación. Los requerimientos del proceso establecen mantener la temperatura de salida del licor amoniacal por debajo de 30 ºC, ello se logra cuando la eficiencia térmica es superior al 70 %.
- El tiempo indicado para la limpieza del equipo es de 105 días de funcionamiento continuo.
- Los resultados obtenido son aplicables solo para fluidos con características similares al estudiado en la investigación (licor amoniacal), para otros fluidos es necesario establecer el historial de comportamiento de las instalaciones, propósito que se desarrolla con el fin de minimizar los errores que se comenten en la selección y explotación de las instalaciones de intercambio térmico en la industria del níquel.
CONCLUSIONES Los valores de los coeficientes son los siguientes: n=0,657; ca=0,2883; cl=0,2817. Ellos permiten el cálculo del número de Nusselt y el coeficiente global de transferencia de calor para el enfriamiento del licor amoniacal y fluidos de similares características en las empresas del níquel.
El incremento de las incrustaciones en función del tiempo de explotación de la instalación determina la reducción de la eficiencia. Los máximos valores se encuentran cercanos a 90 % y los mínimos se localizan en 70 % para tiempos de explotación de 105 días, por lo que se recomienda la limpieza y mantenimiento de los equipos de intercambio térmico en este período.
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¿Qué es el flujo convectivo?
Definición: Circulación de la masa de un fluido durante un proceso de transferencia de calor por convección, de importancia en sistemas pasivos de refrigeración de reactores de agua ligera.