Transferencia de calor y análisis de intercambiadores de calor

TEMA 1:

1. Explique de qué manera las aletas mejoran la transferencia de calor desde una superficie. También explique cómo la adición de aletas puede disminuir la transferencia de calor desde una superficie.

Al añadir unas superficies extendidas se produce una mejora de Q al haber mayor superficie de intercambio. Una eficiencia mayor que 1 indica que las aletas están mejorando su Q. Sin embargo, no se puede justificar el uso de aletas a menos que se cumpla que la eficiencia es mayor que 1, ya que es la única manera de justificar su coste. Por otro lado, si la eficiencia es menor que 1, estaría afectando a Q ya que actuaría como un aislante.

2. El área de superficies de transferencia de calor de una aleta es igual a la suma de todas las superficies de las aletas expuestas al medio circundante, incluida la superficie de la punta de la aleta. ¿En qué condiciones la transferencia de calor desde la punta de la aleta es cero?

• Para una aleta infinitamente larga
• Para puntas de aleta aislada
• Convección y radiación combinadas desde la punta de la aleta
• Temperatura específica general a lo largo de toda la longitud L.

3. Eficiencia y efectividad de una aleta.

- La eficiencia es la transferencia de calor real entre la transferencia de calor ideal desde la aleta si estuviese a temperatura base (Qreal/Qideal)

- La efectividad es la transferencia de calor de la superficie con aletas entre la transferencia de calor de la superficie sin aletas (Qaleta/ Qsin aleta)

4. Aletas soldadas y fundidas

- Las fundidas son mejores porque se comportan como una aleta homogénea del mismo material. A las soldadas se les añade un material de aporte para realizar la soldadura y este puede disminuir la conductividad y tener menor eficiencia.

TEMA 2

1. ¿Qué es Fourier? ¿Se duplica por un problema específico de Q cuando se duplica el tiempo?

Es un número adimensional (F) que caracteriza la conducción de calor (Q). Es la relación entre la velocidad de conducción y la velocidad de almacenamiento de energía. Es directamente proporcional al tiempo, por lo que si se duplica también lo hará F y F es igual a (alfa*t) / L^2

2. Considere una esfera y un cilindro de iguales volúmenes hechos de hierro. Inicialmente están a la misma temperatura y expuestos a la convección en el mismo entorno. ¿Cuál se enfría más rápido?

Asesfera = 4piR^2 y Ascilindro = 2piRL+2piR^2, si el calor se define como Q = h*As*AT, Ascilindro > Asesfera y Qcilintro > Qesfera, por tanto el cilindro se enfría más rápido.

3. Numero de Biot

Es la razón de la resistencia interna de un cuerpo a la conducción de calor con respecto a su resistencia externa a la convección de calor. Por lo tanto, un número de Bi pequeño representa poca resistencia a la conducción de calor, y por tanto, causa un gradiente de temperatura pequeño dentro del cuerpo. Bi = h*Lc/k

4. Análisis de sistemas concentrados

Se supone que la temperatura interior de un cuerpo permanece constante en todo momento V solo cambia con el tiempo. Este tipo de análisis se acepta solo si Bi es menor o igual a 0,1.

TEMA 3 y 4:

1. En los análisis de intercambiadores de calor, ¿qué es la capacidad calorífica? ¿Cómo son los cambios de temperatura de los fluidos calientes y fríos en un intercambiador de calor si los dos fluidos tienen la misma capacidad calorífica? ¿Qué quiere decir una capacidad calorífica de infinito para un fluido en un intercambiador?

La capacidad calorífica representa la velocidad de transferencia de calor necesaria para cambiar la temperatura de esa corriente en 1ºC conforme fluye por el intercambiador de calor. Cuanto mayores la capacidad calorífica, se producirán menores cambios, la variación de temperatura será directamente proporcional al calor. Dependerá del caudal másico, en caso de tener el mismo caudal ambos flujos, el salto de temperatura de los fluidos sería el mismo. Un fluido absorbe y libera una gran cantidad de calor a temperatura constante durante su proceso de cambios de fase. La razón de capacidad calorífica de un fluido durante un proceso de este tipo debe tender al infinito ya que el cambio en la temperatura es casi 0.

2. ¿En qué se diferencia un intercambiador de calor de flujo cruzado de uno a contraflujo? ¿Cuál es la diferencia entre los flujos mezclados y no mezclados del flujo cruzado?

El intercambiador de flujo cruzado hace circular los flujos de forma perpendicular entre sí.

El intercambiador de contraflujo hace circular los flujos en dirección contraria entre sí, haciéndolos entrar a cada uno por cada extremo.

El flujo mezclado tiene libertad para moverse en la dirección transversal y el no mezclado está obligado por las aletas a circular por un espacio entre ellas que le impide su movimiento en la dirección transversal.

3. ¿Qué función tienen los separadores o baffles en un intercambiador de calor de carcasa y tubo? ¿De qué manera la presencia de los baffles afecta la transferencia de calor y las necesidades de potencia de bombeo?

Se colocan de forma que fuerzan al fluido a que se mueva de forma transversal a la misma y así aumentar la transferencia de calor. Al forzar al fluido a moverse en dirección transversal a la carcasa, se mejora Q y para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos, se ve afectada las necesidades de potencia de bombeo.

4. Método de análisis de intercambiadores de calor

Método LMTD: se usa para seleccionar un intercambiador de calor que logre un cambio de temperatura específico de una corriente de fluido de masa conocida.

Método de NTU: se necesita conocer el área de la superficie para la transferencia de calor, pero se ignoran las temperaturas de salida. Hay que determinar el rendimiento con respecto a la transferencia de calor. La efectividad energética dependerá de la configuración geométrica del intercambiador. También debemos conocer el número de unidades de transferencia NTU.

5. Si F=1, ¿Qué tipo de intercambiador sería?

Sería de contraflujo, y si fuese menor sería de flujo cruzado y de carcasa y tubo de pasos múltiples.