Baterias C y P

7/18/2019 Baterias C y P

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Julio 21 del 2015 1

Universidad Industrial de SantanderLaboratorio de Procesos I

Práctica No. 1: BATERÍA DE CALENTAMIENTO, BATERÍA DE PÉRDIDA

Autores: Laura P. Rodríguez E.1, Ana M. Malagón C.2, Paola Bayona M.3, Ana M. Morales B.4, José U.Camacho G.5, Gustavo A. Rojas A.6

1Cód. 2094046, 2Cód. 2083778, 3Cód. 2103144, 4Cód. 2103115, 5Cód. 2103130, 6Cód. 2093661.

Resumen

Se proponen dos prácticas; primero se hablará sobre la batería de calentamiento, en la quese describirán los diferentes mecanismos de transferencia de calor (conducción, conveccióny radiación), el funcionamiento de los equipos requeridos (tipos de intercambiadores,válvulas, etc.). Y en segunda instancia se tratará la batería de pérdida con el objetivo deestudiar, distinguir y cuantificar las pérdidas por fricción de un fluido que recorre a unconjunto de tuberías y accesorios. La disminución en la caída de presión se presentacuando el fluido se pone en contacto con la superficie de la tubería, produciendo elrozamiento de unas capas con otras o de las partículas entre sí y también se producenpérdidas de forma en transiciones de la batería (estrechamiento o expansión) y en losaccesorios (válvulas, codos).

Palabras Claves

Conducción, Intercambiador de Calor, Radio hidráulico, Rugosidad.

CAP TULO 1BATERÍA DE CALENTAMIENTO

1.1. INTRODUCCIÓN

El calor es la forma de energía que se

puede transferir de un sistema a otrocomo resultado de diferencia en latemperatura que ocurre por medio delos fenómenos de conducción,convección (natural o forzada) yradiación. [1]

La ingeniería de procesos a diario seencuentra con situaciones en las quese requiere la transferencia de calordesde una corriente caliente hasta unafría con varias finalidades. Fines tales

como llevar un fluido a unatemperatura de rango óptimo deoperación, bien sea para un procesoposterior o para alcanzar condicionesde seguridad necesarias en eltransporte y/o almacenamiento; ó parael ahorro de energía (principalmente



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combustible).Para ello, se hace importantemanipular equipos especialmentediseñados en la transferencia de calor,

denominados intercambiadores decalor. Éstos pueden tener diseñosvariables, tales como ventiladores, deplacas, en espiral, doble tubo,rehervidores, serpentín y carcasaentre otros. De esta manera, es degran relevancia que los ingenieros enformación nos familiaricemos con elfuncionamiento de estos equiposutilizados ampliamente en la industria.

1.2. MARCO TEÓRICO

Mecanismos de transferencia decalor

Figura 1. Mecanismos de transferencia decalor

Entre los sistemas físicos, se produceintercambio de energía en forma de

calor entre distintos cuerpos, o entrediferentes partes de un mismo cuerpoque están a distinta temperatura. Porejemplo, el calor se transmite a travésde la pared de una habitaciónfundamentalmente por conducción, el

fluido líquido de un recipiente situadosobre un quemador de gas se calientaen gran medida por convección, y latierra recibe calor del sol casi

directamente por radiación.

1.2.1. Conducción

Flujo de calor a través de mediossólidos por la vibración interna de lasmoléculas y de los electrones libres ypor choques entre ellas. Lasmoléculas y los electrones libres de lafracción de un sistema contemperatura alta vibran con másintensidad que las moléculas de otrasregiones del mismo sistema o de otrossistemas en contacto contemperaturas más bajas. Lasmoléculas con una velocidad más altachocan con las moléculas menosexcitadas y transfieren parte de suenergía a las moléculas con menosenergía en las regiones más frías del

sistema [2]. Las moléculas queabsorben el excedente de energíatambién adquirirán una mayorvelocidad vibratoria y generarán máscalor (energía potencial -absorbecalor- <--> energía cinética -emitecalor).

Representada por la ley de laconducción de calor de Fourier:

=

= −

Donde:

k: Conductividad térmica



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A: Área de contacto térmico

1.2.2. Convección

Es el flujo de calor mediante corrientes

dentro de un fluido (líquido ogaseoso). La convección es eldesplazamiento de masas dealgún líquido o gas. Cuandouna masa de un fluido secalienta al estar en contactocon una superficie caliente, susmoléculas se separan y sedispersan, causando que lamasa del fluido llegue a sermenos densa. Cuando llega aser menos denso se desplazaráhacia arriba u horizontalmentehacia una región fría, mientrasque las masas menos calientes,pero más densas, del fluidodescenderán o se moverán enun sentido opuesto al delmovimiento de la masa más

caliente (el volumen de fluidomenos caliente es desplazadopor el volumen más caliente).Mediante este mecanismo losvolúmenes más calientestransfieren calor a losvolúmenes menos calientes deese fluido (un líquido o un gas)[1].

Representada por la ley deenfriamiento de Newton:

= ℎ( − )

Donde:

h: Coeficiente de convección

A: Superficie que entrega calor

T A: Temperatura de la superficie

T: Temperatura del fluido

1.2.3. Radiación

La radiación térmica es energíaemitida por la materia que seencuentra a una temperatura dada, seproduce directamente desde la fuentehacia afuera en todas las direcciones.Esta energía es producida por loscambios en las configuracioneselectrónicas de los átomos omoléculas constitutivos ytransportados por ondaselectromagnéticas o fotones, por lorecibe el nombre de radiaciónelectromagnética. La masa en reposode un fotón (que significa luz) esidénticamente nula. Por lo tanto,atendiendo a relatividad especial, unfotón viaja a la velocidad de la luz y no

se puede mantener en reposo. (Latrayectoria descrita por un fotón sellama rayo). La radiaciónelectromagnética es una combinaciónde campos eléctricos y magnéticososcilantes y perpendiculares entre sí,que se propagan a través del espaciotransportando energía de un lugar aotro [1].

1.2.4. Intercambiadores de calor Es un dispositivo donde participan doso más corrientes de proceso, unasactúan como fuentes de calor y lasotras actúan como receptores delcalor, el cual se transfiere a través de



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las paredes metálicas de los tubos queconforman el equipo (contactoindirecto). Los equipos utilizados paracalentar fluidos emplean

generalmente vapor como fuente decalentamiento, los equipos utilizadospara enfriar fluidos empleanusualmente agua como fluido deenfriamiento. Cuando existe unadiferencia de temperatura entre untubo y el fluido que circula por él, setransfiere calor entre la pared del tuboy el fluido.

1.2.4.1. Intercambiador de calorde tubo doble

Es el tipo más simple deintercambiador de calor consta de dostubos concéntricos de diámetrosdiferentes, como se muestra en lafigura:

Figura 2. IC de tubo doble.

En un intercambiador de este tipo uno

de los fluidos pasa por el tubo máspequeño, en tanto que el otro lo hacepor el espacio anular entre los dostubos. [1]

1.2.4.2. Intercambiador de calorCompacto

Es diseñado específicamente para

lograr una gran área superficial detransferencia de calor por unidad devolumen. La razón entre el áreasuperficial de transferencia de calor deun intercambiador y su volumen sellama densidad de área β.

Un intercambiador de calor con β >

700 m2 /m3 (o 200 ft2 / ft3) se clasificacomo compacto.

En los intercambiadores compactoslos dos fluidos suelen moverse demanera perpendicular entre sí y a esaconfiguración de flujo se le conocecomo flujo cruzado, el cual todavía seclasifica más como flujo no mezcladoo mezclado, dependiendo de suconfiguración, como se muestra en lafigura [1]:

Figura 3. IC de calor compacto.

1.2.4.3. Intercambiador de calorde tubos y coraza

Estos intercambiadores de calorcontienen un gran número de tubos (aveces varios cientos) empacados en



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un casco con sus ejes paralelos al deéste.

La transferencia de calor tiene lugar a

medida que uno de los fluidos semueve por dentro de los tubos, entanto que el otro se mueve por fuerade éstos, pasando por la coraza.

Es común la colocación dedesviadores en la coraza para forzar alfluido a moverse en direccióntransversal a dicha coraza con el fin demejorar la transferencia de calor, ytambién para mantener unespaciamiento uniforme entre lostubos.

Figura 4. IC de calor de coraza y tubos (unpaso por la coraza y un paso por los tubos).

Los intercambiadores de tubos ycoraza se clasifican todavía mássegún el número de pasos que serealizan por la coraza y por los tubos.

Por ejemplo, los intercambiadores enlos que todos los tubos forman una Uen la coraza se dice que son de unpaso por la coraza y dos pasos por lostubos. De modo semejante, a unintercambiador que comprende dos

pasos en la coraza y cuatro pasos enlos tubos se le llama de dos pasos porla coraza y cuatro pasos por los tubos[1]. (figura 5)

Figura 5. Arreglos del flujo en pasos múltiples

en los intercambiadores de calor de coraza ytubos.

1.2.4.4. Intercambiador decarcasa y tubo

En este intercambiador un fluido fluyepor el interior de los tubos, mientras elotro es forzado a través de la carcasay sobre el exterior de los tubos.

Para asegurar que el fluido por el ladode la carcasa fluya a través de lostubos e induzca una mayortransferencia de calor, se colocan,deflectores ó placas verticales.

Figura 6. IC de carcasa y tubo.



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Resultan muy apropiados paraaplicaciones de intercambio de calorde líquido hacia líquido, siempre quelas corrientes de los fluidos caliente y

frío se encuentren más o menos a lamisma presión

1.2.4.5. Intercambiador de calorregenerativo

Es el que se relaciona con el pasoalternado de las corrientes de losfluidos caliente y frío a través de la

misma área de flujo.

IC regenerativo estático: es una masaporosa que tiene una gran capacidadde almacenamiento de calor, como lamalla de alambre de cerámica. El calorse transfiere del fluido caliente hacia lamatriz del regenerador durante el flujodel mismo, y de la matriz hacia el fluidofrío durante el paso de éste.

IC regenerativo dinámico: es untambor giratorio y se establece un flujocontinuo del fluido caliente y del frío através de partes diferentes de esetambor, de modo que diversas partesde este último pasan periódicamente através de la corriente caliente,almacenando calor, y después através de la corriente fría, rechazando

este calor almacenado. [1]1.2.5. Coeficiente de transferencia

de calor total U

Un intercambiador de calor estárelacionado con dos fluidos que fluyen

separados por una pared sólida Enprimer lugar, el calor se transfiere delfluido caliente hacia la pared porconvección, después a través de la

pared por conducción y, por último, dela pared hacia el fluido frío de nuevopor convección. Cualesquiera efectosde la radiación suelen incluirse en loscoeficientes de transferencia de calorpor convección.

1

=

1

=

1

=

1

ℎ + +

1

ℎ

Donde:

A: Superficie del tubo

h: Coeficiente de transferencia de calordel tubo

R: Resistencia térmica del tubo

En donde los subíndices i y o se refierena las superficies interior y exterior de lapared que separa los dos fluidos,respectivamente. Cuando el espesor de la

pared del tubo es pequeño y laconductividad del material de tubo eselevada, la relación se simplificaquedando [1]:

1

≈

1

ℎ+

1

ℎ

1.2.6. Factor de incrustación

En el transcurso del tiempo se acumulandepósitos sobre las superficies de

transferencia de calor de losintercambiadores que incrementan laresistencia térmica y hacen quedisminuya la velocidad de transferenciade calor. El efecto neto de la acumulaciónde depósitos se cuantifica mediante elllamado factor de incrustación, Rf, que



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está tabulado para los diferentes fluidos.La acumulación puede producirse en lapared interior, en la exterior o en las dossimultáneamente lo cual se reflejará en el

coeficiente global de transferencia decalor cuya expresión general quedará:

1

=

1

ℎ + +

1

ℎ

+ 0

En donde Rfi y Rfo son los factores deincrustación en esas superficies.

1.2.7. Trampa de vapor

Las trampas de vapor son un tipo deválvula automática que filtra elcondensado (es decir vapor condensado)y gases no condensables como lo es elaire esto sin dejar escapar al vapor. En laindustria, el vapor es regularmente usadopara calentamiento o como fuerza motrizpara un poder mecánico. Las trampas devapor son usadas en tales aplicacionespara asegurar que no se desperdicie elvapor.

CAP TULO 2BATERÍA DE PÉRDIDA

2.1. INTRODUCCIÓN

En la industria de procesos esfrecuentemente usado el transporte defluidos en tuberías lo que representa elencontrarse con pérdidas porrozamiento que ocurren al presentarseuna resistencia al movimiento delfluido que fluye a través de las. Lapérdida de carga se genera por laviscosidad, se relaciona directamentecon el esfuerzo de corte de la pared

del tubo y representa la alturaadicional que el fluido necesita paraelevarse a través de una bomba con elpropósito de vencer las pérdidas

debidas a la fricción o a los fenómenosde turbulencia que se originan en losductos.

La parte de la física que estudia elmovimiento de los fluidos (gases ylíquidos) en un estado estático odinámico, así como sus aplicacioneses la mecánica de fluidos. El estudiode las pérdidas de carga constituye unprimer objetivo básico, pues de ello

dependerá la energía que se debaproporcionar al fluido con un equipoapropiado (una bomba por ejemplo), ytambién el caudal que se requierepara recorrer la instalación.

Así de esta forma, la pérdida de cargaestá en función de variables como eltipo de régimen de flujo. Y no se debeolvidar que además de las pérdidas decarga lineales que se provocan en lacirculación de un conducto, tambiénse producen pérdidas de cargaparticulares en partes tanfundamentales como lasbifurcaciones, válvulas, cambiossúbitos, codos, etc.

2.2. MARCO TEORICO

2.2.1. Pérdidas de carga

Las pérdidas de carga en unainstalación son de dos clases: linealeso singulares. Las pérdidas de cargalineales se definen como las pérdidas



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de superficie en el contacto del fluidocon el conducto, rozamiento de unascapas del fluido con otras (régimenlaminar) o de las partículas del fluido

entre sí (régimen turbulento). Tienenlugar en flujo uniforme, por lo queprincipalmente suceden en los tramosde conductos de sección constante.Las pérdidas singulares se definencomo las pérdidas de forma, quetienen lugar en las transiciones(estrechamientos o expansiones de lacorriente), codos, válvulas y en todaclase de accesorios de conductos. Laspérdidas totales son la suma de lasdos anteriores.

∆ = ∆ + ∆

2.2.1.1. Pérdidas de carga lineales

Son las que provienen del contactoentre el fluido y el conducto, y por lotanto vienen directamenteproporcionales a la longitud de cadatramo del mismo. Vienen dadas por laecuación de Darcy-Weisbach:

∆ =

2

∆ℎ =

2

Donde:

f: Factor de fricciónL: Longitud de la tubería

D: Diámetro de la tubería

: Densidad del fluido

La pérdida de carga lineal esdirectamente proporcional a lavelocidad del líquido y a la longitud deltramo de tubería que estamos

considerando, e inversamenteproporcional a su diámetro. Laspérdidas de carga son muy sensiblesal diámetro, otra relación que complicael diseño de las redes, puesto quediámetro y velocidad son los factoresque permiten hacer circular un ciertocaudal por el conducto. Cuando eldiámetro disminuye, la pérdida decarga aumenta de manera importante.

2.2.1.2. Pérdidas de cargasingulares

Además de las pérdidas de cargacontinuas o por rozamiento, seproduce otro tipo de pérdidas en losconductos debido a fenómenos deturbulencia que se originan al paso defluidos por puntos singulares de las

tuberías, como cambios de dirección,codos, juntas, derivaciones, etc, y quese conocen como pérdidas de cargasingulares (hs). La fórmula quepermite calcularlas es la siguiente:

∆ = Ϛ

2

El coeficiente ζ será característico de

cada singularidad.

Pérdidas en estrechamientos y

ensanchamientos. Aunque el valor delcoeficiente de pérdidas es función delnúmero de Reynolds y de la rugosidadrelativa. Para números de Reynolds



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altos (>104) normalmente elcoeficiente de pérdidas sueleconsiderarse únicamente como unafunción de la geometría, en concreto

de la relación de áreas.

Pérdidas en codos y bifurcaciones. Elcoeficiente de pérdidas de este tipo deaccesorios es función del Re, larugosidad relativa de la tubería y delas características geométricas delaccesorio. Para un número deReynolds suficientemente elevado elcoeficiente de pérdidas puede

considerarse únicamente función de lageometría.

Pérdidas en válvulas. El coeficiente depérdidas de una válvula depende deltipo de válvula y de su grado deapertura θ.

Pérdidas en salidas y entradas de

depósitos. El coeficiente de pérdidasde estos elementos puede calcularsecomo un caso particular deestrechamiento y ensanchamientobruscos donde la sección aguas arribay la sección aguas abajorespectivamente se consideraninfinitas.

2.2.2. Radio hidráulico.

Para conductos de sección transversal

no circular (rectangular, ovalada, etc.),se utiliza el concepto de radiohidráulico. El radio hidráulico (rh) es ladivisión entre el área neta de lasección transversal de un flujo (A) y elperímetro mojado (PM). El perímetro

mojado se define como la suma de lalongitud de la sección del ducto querealmente está en contacto con elfluido.

Figura 7. Ejemplos de seccionestransversales no circulares completamente

llenas.

=

2.2.3. Número de Reynolds

Es un número adimensional quedescribe el tipo de flujo dentro de unatubería totalmente llena de fluido.

=

=

Donde:

Re: Número de Reynolds

D: Diámetro de la tubería circular

V: Velocidad media del flujo

ρ: Densidad del fluido



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μ: Viscosidad dinámica (dependientede la temperatura del fluido)

ϑ: Viscosidad cinemática (dependiente

de la temperatura del fluido)2.2.4. Regímenes de flujo de fluidos

en tuberías

2000<Re<4000, entre estos dos tiposde flujo se encuentra la zona crítica,donde el fluido puede comportarseindistintamente como laminar oturbulento dependiendo de muchosfactores.

Régim en lam in ar . Se presentacuando la velocidad del flujo esrelativamente baja. El principal factorde caída de presión en este régimenes la viscosidad del líquido. Laspartículas no tienen movimiento cercade las paredes del tubo y elmovimiento se realiza en cilindrosconcéntricos.

Régimen tu rb u len to . Se presenta arelativas altas velocidades. El principalfactor de caída de presión en esterégimen se debe en formapredominante a la rugosidad del tubo.

2.2.5. Rugosidad de las tuberías

En el interior de los tubos comercialesexisten protuberancias o

irregularidades de diferentes formas ytamaños cuyo valor medio se conocecomo rugosidad absoluta (k), y quepuede definirse como la variaciónmedia del radio interno de la tubería.

Un mismo valor de rugosidad absolutapuede ser muy importante en tubos depequeño diámetro y ser insignificanteen un tubo de gran diámetro, es decir,

la influencia de la rugosidad absolutadepende del tamaño del tubo. Por ello,para caracterizar un tubo por surugosidad resulta más adecuadoutilizar la rugosidad relativa (k/D), quese define como el cociente entre larugosidad absoluta y el diámetro de latubería [2].

2.2.6. Diagrama de Moody

Diagrama experimental válido parafluidos incompresibles cuyo objetivoes determinar el coeficiente depérdidas (ξ) a partir de la rugosidad

relativa y del número de Reynolds.Este coeficiente se utilizará en laecuación de Darcy-Weisbach paracalcular las pérdidas en la tubería. El

margen de error de los valores deldiagrama es menor al 5 %.

Para el ensayo de laboratorio sedeterminará primero el coeficiente depérdidas a partir de la diferencia depresiones y, junto con el número deReynolds, se hallará en el diagrama elvalor de la rugosidad relativa [2].

Zonas del diagrama

Zona Laminar : Se usa para flujolaminar (Re≤2000). El coeficiente depérdida no depende prácticamente dela rugosidad del material.



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Zona Crítica: El flujo cambiaconstantemente de laminar aturbulento y no se puede definir en quérégimen se encuentra.

Zona Turbulenta: Se usa para flujoturbulento (Re≥4000). Se identificandos zonas, transición turbulenta yturbulenta plena. En la última el flujono depende prácticamente de laviscosidad por lo que la curva sevuelve recta.

REFERENCIAS

[1] Çengel, Y.A, Ghajar, A. J. (2004).Transferencia de Calor y Masa:fundamentos y aplicaciones (pp.2-6, 17-29, 667-704). Mexico. McGraw-Hill.

[2] Mott, R. L. (2006). Mecánica defluidos (6th ed., pp. 230, 236-237). México: PEARSONEDUCACIÓN.

Esplugas, S., Chamarro, M. S.(2005). Introducción. En:Fundamentos de transmisión decalor.La universidad deBarcelona, España. pp. 8-13.

ÇENGEL, Y., & CIMBALA, J. (2006).Mecánica de fluidos :fundamentos y aplicaciones.México: McGraw-Hill.

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