clase 5
25
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador Fuerza de Resistencia al Movimiento y transferencia de Calor en el Flujo Externo
-
Upload
junior-pantaleon-quispe -
Category
Documents
-
view
214 -
download
0
description
clase de transferencia de calor y masa
Transcript of clase 5
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Fuerza de Resistencia al Movimiento y
transferencia de Calor en el Flujo Externo
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Resistencia al Movimiento debida a
la Fricción y la Presión.
Toda fuerza de movimiento
tiene una fuerza de resistencia
F movimiento
F resistencia
El cuerpo ejerce una fuerza sobre el
fluido para hacerlo a un lado
Medir la fuerza de
resistencia al movimiento
sobre un automóvil en un
túnel de viento.
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Fluido en reposo, fuerzas
perpendiculares de presión
sobre la superficie de un cuerpo
Fuerzas cortantes
tangenciales sobre la
superficie (no deslizamiento)
La fuerza de resistencia al movimiento se debe a los
efectos combinados de la presión y de las fuerzas
cortantes sobre la pared en la dirección perpendicular
al flujo, estas componentes tienden a mover al cuerpo
en esa dirección y su suma se llama
SUSTENTACION
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Placa alineada paralela a la dirección del flujo la
RESISTENCIA DEPENDE SOLO de la
FUERZA CORTANTE
Placa perpendicular a la dirección del flujo la
RESISTENCIA DEPENDE SOLO de la
PRESION
+ +
+
- - - -
La resistencia al movimiento que actúa sobre una placa plana
perpendicular al flujo depende solo de la presión y es independiente de
la fuerza cortante de la pared , la cual actúa perpendicular a la pared.
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
RESISTENCIA DE FLUIDOS:
la fuerza que un fluido ejerce
sobre un cuerpo que se mueve
a través de el.
La característica del coeficiente de la resistencia al movimiento de un cuerpo es:
𝐶𝐷 =𝐹𝐷
12 𝜌𝑉2𝐴
𝐶𝐷 = Coeficiente de arrastre
= Fuerza de resistencia 𝐹𝐷
Coeficiente total de resistencia al movimiento es :
𝐶𝐷 = 𝐶𝐷𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 + 𝐶𝐷𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
𝐶𝐷𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 = 0
𝐶𝐷 = 𝐶𝐷𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 = 𝐶𝑓
𝐹𝐷𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 = 0
𝐹𝐷 = 𝐹𝐷𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 = 𝐹𝑓 = 𝐶𝑓𝐴𝜌𝑉2
2
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
La Transferencia de Calor Afecta la Fuerza de
Resistencia al movimiento.
Si Re1 = Re2 entonces Cf1 = Cf2
Dos cuerpos geométricamente semejantes
tienen el mismo valor de coeficiente de
fricción en el mismo numero de Reynolds.
Parámetros antes de eliminar las dimensiones.
L, V, T, v, alfa
Parámetros después de eliminar las dimensiones
Re, Pr
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Por lo tanto el efecto que ocasiona la transferencia de calor
aparece también en el Numero de Nusselt y tiene la
forma funcional siguiente:
𝑁𝑢𝑥 = 𝑓1(𝑥∗, 𝑅𝑒𝑥, Pr) Numero de Nussselt Local
Numero de Nussselt Promedio 𝑁𝑢 = 𝑓2(𝑅𝑒𝐿, Pr)
Los datos experimentales para la transferencia de calor se relaciona a través
de la ley de las potencias de la forma:
𝑁𝑢 = 𝐶 𝑅𝑒𝐿𝑚𝑃𝑟𝑛
m y n son exponentes constantes
C depende de la configuración
geométrica y del flujo.
La Temperatura de Película evalúa las propiedades del fluido. 𝑇𝑓 =
𝑇𝑠 + 𝑇∞
2
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
El flujo de la capa limite de velocidad se inicia como laminar
La transición del flujo laminar hacia turbulento depende de la configuración geométrica de la superficie, aspereza, velocidad corriente arriba
El número de Reynolds a una distancia x para una placa plana se expresa como:
𝑅𝑒𝑥 = 𝜌𝑉𝑥𝜇
Coeficiente de Fricción
Flujo Laminar
Flujo Turbulento
𝐶𝑓 = 1.33
𝑅𝑒𝐿1/2
𝑅𝑒𝐿 < 5 𝑥 105
𝐶𝑓 = 0.074
𝑅𝑒𝐿1/5
5 𝑥 105 ≤ 𝑅𝑒𝐿 ≤ 107
Para toda la placa
Para toda la placa o cuando el flujo laminar es pequeña
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Convección Externa Forzada en Cilindros
y Esferas
Re esta denominado por:
𝑅𝑒𝑥 = 𝜌𝑉𝑥𝜇
Vx es la velocidad uniforme del fluido al aproximarse al cilindro y esfera.
El número de Reynolds crítico para el flujo que pasa a través de un cilindro circular o una esfera
𝑅𝑒𝑐𝑟 ≅ 2𝑥105
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Flujo a Través de Banco de Tubos Es común encontrar flujo cruzado sobre banco de tubos.
ejemplo: Refrigeradores , acondicionadora de aire, condensadores etc
ALINEADOS ESCALONADOS
Patrón de flujo para los bancos de tubos
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
D: Longitud característica
Paso transversal
Paso longitudinal
Paso diagonal 𝑆𝐷 =
𝑆𝐿 =
𝑆𝑇 =
𝑅𝑒𝐷 = 𝜌𝑉𝑚𝑎𝑥𝐷
𝜇
El Reynolds se define sobre la
velocidad máxima
Para flujo estacionario 𝑉𝑚𝑎𝑥 =
𝑆𝑇𝑆𝑇 − 𝐷
𝑉
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Numero de Nusselt en banco de tubos
UnavezqueseconoceelnúmerodeNusseltyporlotantoelcoeficientedetransferenciadecalorpromedioparaelbancodetubossepuededeterminarlarandetransferenciadecalorapartirdelaleydeenfriamientodeNewton,medianteunadiferenciadetemperaturasapropiadasΔT.
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Conocida el numero de Nusselt y el coeficiente de transferencia de calor promedio para el banco de tubos se puede determinar la razón de la transferencia de calor a partir de la ley de Newton del enfriamiento mediante una diferencia de temperaturas apropiadas.
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Reducción de la Transferencia de Calor a Través de Superficies: Aislamiento Térmico
Los materiales aislantes térmicos son productos naturales (minerales, vegetales)o sintéticos, que presentan una elevada resistencia al paso del calor reduciéndola transferencia de éste a su través.
Funciones Características
Ahorro en la utilización de energía al aumentar la resistencia térmica de la envolvente.
Mejora del confort térmico Contiene en su interior aire o algún gas
seco encapsulado, en estado inerte. Poseen baja conductividad térmica
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Con un aislante (lana mineral) de 18 [mm] de espesor se obtiene: 133,13 [kcal/h] de ahorro 1.065.040 [kcal/año] 52,88 [US$/año] Estos son US$ ahorrados por cada metro de tubería.
Disminución calor en función del aumento del espesor
BENEFICIOS
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Razones Para Aislar Conservación de la Energía : Conserva la energía mediante la reducción de la velocidad del flujo de calor , es la razón principal de las superficies aisladoras.
Protección y Comodidad Personal : Una superficie que esta demasiado caliente representa un peligro para las personas que trabajan en esa zona, tacarlas ocurriría accidentes, para prevenir se reduce la T° por debajo de los 60°C con aislamiento térmico.
Reducción de la Variación y la Fluctuaciones de la Temperatura : La temperatura en un recinto puede variar mucho entre la sección media y los bordes si no se encuentra aislado.
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Los materiales para aislamiento absorben la vibración y las ondas sonoras, y se usan para minimizar la transmisión del sonido.
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Tipos de Aislantes
Es un aislamiento térmico flexible de espuma elastomérica diseñado para instalaciones en el exterior y para trabajar a altas temperaturas (hasta 150ºC) reduce el riesgo de condensación. Su buena conductividad térmica minimiza las pérdidas de energía en las tuberías de alimentación y retorno, dando mayor eficiencia. No se degrada con la acción del sol o las condiciones atmosféricas.
o Armaflex
Características técnicas:
• T° de empleo -50°C a +150°C • Conductividad térmica < 0,035 w/(m°k) • Peculiaridades aislamiento térmico que
garantiza la misma T° superficial. • Descripción: caucho sintético color negro.
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Tipos de Aislantes o Lana de Vidrio
La lana de vidrio es tanto un aislante térmico como acústico , importantes ventajas son su bajo peso y alta resilencia, lo que implica ahorros en el transporte. Su principal uso es la aislación de techos.
– Conductividad térmica desde 0,033 a 0,045 [W/m|C] a 20 [|C].
– Incombustibilidad. – Durabilidad y estabilidad dimensional. – Fácil instalación y manipulación. – No es tóxico. – Resistente a la putrefacción.
Características Técnicas:
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Tipos de Aislantes o Poliuretano
Este material es aplicable in situ en forma de spray presenta estructura ligera, rígida y de celdas cerradas.
Características Técnicas:
– Formato: Spray, Placas y medias cañas. – Espesores: Desde 25 [mm] hasta 100 [mm]. – Diámetros interiores: Desde ½ “ hasta 24”. – Densidad: 35 a 40 [kg/m3]. – Conductividad Térmica: 0,020 – 0,025 [W/mK] – Temperaturas de utilización: -200 a 110 [ºC] – Usos: Parades, ductos, cañerías. – Aplicaciones: In situ en forma de Spray, vertido
o colado. – Ventajas: Se moldea de acuerdo a la superficie.
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
El Valor «R» del Aislamiento R : Es la resistencia térmica del material por unidad
de área superficial.
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑅 =𝐿
𝐾
Si duplicamos L se duplica el valor de R del aislamiento plano
L : espesor del aislamiento K : conductividad térmica
(aislamiento plano)
Para aislamiento de tubos el valor de R es :
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑅 =𝑟2𝐾𝑙𝑛𝑟2𝑟1
(aislamiento de tubos)
Razón de transferencia de calor a través del aislamiento.
𝑄 = ∆𝑇
𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑅𝑥𝐴𝑟𝑒𝑎
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
Transferencia de calor Ciclo – Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador
MUCHAS GRACIAS
Ing. Beatriz Salvador
