Intercambiadores de Calor: Método de la diferencia media logarítmica (LMTD) - Clase 23 TC

Método de la Diferencia Media Logarítmica en Intercambiadores de Calor

Resumen de la Sección: En esta sección, se introduce el método de la diferencia media logarítmica para analizar los intercambiadores de calor. Se establecen las suposiciones y consideraciones utilizadas en el análisis de estos dispositivos, como el flujo estacionario, la constancia del calor específico y la despreciable conducción axial de calor. También se presentan las ecuaciones fundamentales utilizadas en el análisis.

Análisis General de los Intercambiadores de Calor

• Los intercambiadores de calor permiten el intercambio de calor entre dos fluidos sin mezclarse.

• Se consideran dispositivos estacionarios y unidimensionales.

• Las propiedades de los fluidos no cambian con el tiempo, pero pueden variar con la posición.

• Se desprecia la conducción axial de calor a lo largo del tubo y las superficies exteriores están perfectamente aisladas.

Ecuaciones Fundamentales

• La tasa de transferencia de calor en un fluido que cambia su temperatura se calcula mediante:

• Tasa = Flujo másico * Calor específico * Diferencia de temperaturas.

• La ecuación general para el coeficiente global de transferencia de calor es:

• Tasa = Coeficiente global * Área superficial * Diferencia logarítmica media.

• El coeficiente global tiene en cuenta todos los mecanismos dentro del intercambiador (convección, conducción y resistencias adicionales).

Razón de Capacidad Calorífica

• La razón de capacidad calorífica (C) es el producto del flujo másico y el calor específico.

• Representa la velocidad de transferencia de calor necesaria para cambiar la temperatura en un grado.

• Cuanto mayor sea la razón de capacidad calorífica, menor será el cambio de temperaturas para una misma transferencia de calor.

Casos Especiales: Condensadores y Calderas

• En los condensadores, un fluido cambia de fase de gas a líquido. En las calderas, ocurre lo contrario.

• En estos casos, el fluido permanece a una temperatura constante durante el cambio de fase.

• El análisis se realiza considerando un delta t que tiende a cero.

Conclusiones

En esta clase sobre el método de la diferencia media logarítmica en intercambiadores de calor, se han presentado las suposiciones y ecuaciones fundamentales utilizadas en su análisis. Se ha destacado la importancia de la razón de capacidad calorífica y se han mencionado los casos especiales de condensadores y calderas. Este método proporciona una herramienta útil para calcular y analizar la transferencia de calor en estos dispositivos.

Vaporización y energía requerida

Resumen de la sección: En esta sección se habla sobre la vaporización y la energía requerida para que un fluido pase de una fase a otra. Se menciona que esta información se puede obtener de las tablas de termodinámica al final de los libros de termodinámica. También se explica el concepto de vapor saturado y cómo calcular la energía requerida para el cambio de fase.

• La vaporización es la energía requerida para que el fluido pase de una fase a otra por unidad de masa.

• Esta información se puede obtener de las tablas de termodinámica al final de los libros.

• Se utiliza el concepto de vapor saturado y se realiza una resta entre la entalpía del vapor y la entalpía del líquido saturado.

• Esto nos da el calor latente o energía requerida para el cambio de fase.

Intercambiadores con cambio de fase

Resumen de la sección: En esta sección se habla sobre los intercambiadores en los cuales hay un cambio de fase en los fluidos. Se menciona que es importante conocer cuánta energía se requiere para que un fluido pase de un estado a otro, ya que esto permite seleccionar o diseñar intercambiadores adecuados.

• Los intercambiadores con cambio de fase son aquellos en los cuales hay un cambio en el estado del fluido.

• Es importante conocer cuánta energía se requiere para este cambio, ya que esto permite seleccionar o diseñar intercambiadores adecuados.

• El cálculo de la energía requerida se puede realizar utilizando el calor latente de vaporización.

• Con esta información, se pueden trabajar con intercambiadores en los cuales hay cambio de fase.

Ecuación del intercambiador de calor

Resumen de la sección: En esta sección se habla sobre la ecuación utilizada para analizar un intercambiador de calor. Se menciona que el coeficiente global de transferencia de calor y la diferencia de temperatura pueden variar a lo largo del intercambiador, por lo que no se puede tomar simplemente un promedio. También se introduce el concepto del delta T medio logarítmico.

• La ecuación utilizada para analizar un intercambiador de calor es análoga a la ley de enfriamiento de Newton.

• El coeficiente global de transferencia de calor y la diferencia de temperatura pueden variar a lo largo del intercambiador.

• No se puede tomar simplemente un promedio, por lo que se utiliza el delta T medio logarítmico.

• Para determinar el coeficiente global y el delta T medio logarítmico, se pueden aplicar los métodos vistos en videos anteriores.

Selección y diseño de intercambiadores

Resumen de la sección: En esta sección se habla sobre las acciones prácticas que un ingeniero necesita realizar en relación a los intercambiadores. Se menciona que es necesario seleccionar o diseñar un intercambiador que logre un cambio específico en la temperatura. También se mencionan los métodos utilizados para predecir las temperaturas en los fluidos.

• Un ingeniero puede necesitar seleccionar o diseñar un intercambiador de calor.

• El objetivo es lograr un cambio específico en la temperatura.

• Se pueden utilizar métodos como el delta T medio logarítmico y el número de unidades de transferencia para predecir las temperaturas en los fluidos.

Método del delta T medio logarítmico

Resumen de la sección: En esta sección se explica en detalle el método del delta T medio logarítmico. Se menciona que este método utiliza ecuaciones derivadas de un balance de energía y permite calcular la diferencia media logarítmica de temperatura. También se menciona que este método es utilizado para intercambiadores con varios pasos.

• El método del delta T medio logarítmico utiliza ecuaciones derivadas de un balance de energía.

• Permite calcular la diferencia media logarítmica de temperatura, utilizando el delta T 1 y el delta T 2.

• La temperatura media logarítmica es mayor en los intercambiadores en contraflujo que en los intercambiadores en flujo paralelo.

• Para intercambiadores con varios pasos, se puede calcular la diferencia media logarítmica y multiplicarla por un factor de corrección.

Cálculo del delta T 1 y delta T 2

Resumen de la sección: En esta sección se explica cómo calcular el valor del delta T 1 y el delta T 2. Se menciona que estos valores dependen del tipo de flujo en el intercambiador, ya sea flujo paralelo o contraflujo. También se menciona que la temperatura del fluido caliente siempre se coloca primero en las ecuaciones.

• El valor del delta T 1 depende de la diferencia entre la temperatura del fluido caliente a la entrada y la temperatura del fluido frío más cercana.

• En los intercambiadores en flujo paralelo, el delta T 1 es igual a la diferencia entre la temperatura del fluido caliente a la entrada y la temperatura del fluido frío a la entrada.

• En los intercambiadores en contraflujo, el delta T 1 es igual a la diferencia entre la temperatura del fluido caliente a la entrada y la temperatura del fluido frío a la salida.

• El valor del delta T 2 es igual a la diferencia entre las otras dos temperaturas (temperatura del fluido caliente a la salida y temperatura del fluido frío a la salida).

Ventajas de los intercambiadores en contraflujo

Resumen de la sección: En esta sección se habla sobre las ventajas de utilizar intercambiadores en contraflujo. Se menciona que para las mismas temperaturas de entrada y salida, el delta T medio logarítmico es mayor en los intercambiadores en contraflujo. Esto significa que con menos área se puede lograr una transferencia de calor similar.

• Los intercambiadores en contraflujo tienen ventajas sobre los intercambiadores en flujo paralelo.

• Para las mismas temperaturas de entrada y salida, el delta T medio logarítmico es mayor en los intercambiadores en contraflujo.

• Esto significa que con menos área se puede lograr una transferencia de calor similar.

Cálculo del factor de corrección

Resumen de la sección: En esta sección se explica cómo calcular el factor de corrección para intercambiadores con varios pasos. Se menciona que los libros de transferencia de calor presentan gráficas con valores p y r, los cuales dependen de las temperaturas en el lado coraza y en el lado tubo.

• Para intercambiadores con varios pasos, se puede calcular la diferencia media logarítmica y multiplicarla por un factor de corrección.

• Los libros de transferencia de calor presentan gráficas con valores p y r, los cuales dependen de las temperaturas en el lado coraza y en el lado tubo.

• Estos valores permiten tener en cuenta el número de pasos con los que se está trabajando.

Cálculo de la diferencia media logarítmica y el factor de corrección

Resumen de la sección: En esta sección, se explica cómo calcular la diferencia media logarítmica y el factor de corrección en un intercambiador de calor. Se muestra un procedimiento paso a paso para determinar estos valores.

Cálculo de la diferencia media logarítmica y el factor de corrección

• La diferencia media logarítmica (TMLD) se calcula utilizando las temperaturas de entrada y salida de los fluidos caliente y frío.

• El factor de corrección se utiliza en casos específicos, como intercambiadores en contraflujo con múltiples pasos.

Procedimiento para determinar la diferencia media logarítmica

• Seleccionar el tipo de intercambiador.

• Determinar cualquier temperatura desconocida utilizando fórmulas específicas.

• Calcular la temperatura media logarítmica (TMLD) utilizando las temperaturas conocidas.

• Calcular el factor de corrección si es necesario.

Ejemplo práctico: cálculo del tamaño del intercambiador

• Se presenta un ejemplo donde se utiliza un intercambiador de calor para calentar aceite desde los 15°C hasta los 65°C.

• Se proporcionan datos como el diámetro del tubo interno, el flujo másico del aceite y el coeficiente total de transferencia de calor.

• Se sigue un procedimiento similar al explicado anteriormente para determinar la tasa de transferencia de calor y la longitud del tubo requerido.

Cálculo de la temperatura desconocida y la tasa de transferencia de calor

Resumen de la sección: En esta sección, se explica cómo calcular una temperatura desconocida y la tasa de transferencia de calor utilizando un balance energético.

Cálculo de la temperatura desconocida y la tasa de transferencia de calor

• Utilizar el balance energético para determinar una temperatura desconocida.

• Aplicar el balance energético al fluido caliente o frío, dependiendo del caso.

• Calcular la tasa de transferencia de calor utilizando los datos conocidos.

Ejemplo práctico: cálculo del flujo másico y la temperatura desconocida

• Se presenta un ejemplo donde se calcula el flujo másico y una temperatura desconocida en un intercambiador que involucra vapor en condensación.

• Se utiliza el diagrama del cambio de fase para determinar que la temperatura de salida es igual a la temperatura de entrada debido al cambio fase.

Cálculo final utilizando diferencia media logarítmica

Resumen de la sección: En esta sección, se muestra cómo utilizar los resultados obtenidos anteriormente para calcular finalmente el tamaño del intercambiador.

Cálculo final utilizando diferencia media logarítmica

• Calcular la diferencia media logarítmica (TMLD) utilizando las temperaturas conocidas.

• Determinar el coeficiente de transferencia de calor total si no se conoce.

• Calcular el área superficial de transferencia de calor para determinar el tamaño del intercambiador.

Ejemplo práctico: cálculo final del tamaño del intercambiador

• Se utiliza el ejemplo anterior para calcular la diferencia media logarítmica y finalmente determinar el tamaño del intercambiador.

• Se utilizan los datos previamente calculados, como la tasa de transferencia de calor y el coeficiente total de transferencia de calor.

Conclusión:

En este video se explicó cómo calcular la diferencia media logarítmica y el factor de corrección en un intercambiador de calor. También se mostró un ejemplo práctico para ilustrar estos cálculos. Estos conceptos son fundamentales para determinar el tamaño adecuado de un intercambiador y diseñarlo correctamente.

Intercambiador a Contraflujo de un Solo Paso

Resumen de la Sección: En esta sección, se explica el paso 5 del proceso para determinar el coeficiente de transferencia de calor total en un intercambiador a contraflujo de un solo paso.

Cálculo del Área Superficial de Transferencia de Calor

• El cálculo del área superficial de transferencia de calor se realiza utilizando la fórmula A = Q / (U * ΔTlm), donde A es el área superficial, Q es la tasa de transferencia de calor, U es el coeficiente global de transferencia de calor y ΔTlm es la diferencia logarítmica media.

• Para despejar el valor del área superficial, se reemplazan los valores conocidos en la fórmula y se calcula. En este caso, se obtiene un valor de 0.96 metros cuadrados.

Cálculo de la Longitud del Tubo

• La longitud del tubo necesaria se calcula utilizando la fórmula L = A / (π * D), donde L es la longitud del tubo, A es el área superficial y D es el diámetro del tubo.

• Al reemplazar los valores conocidos en la fórmula, se obtiene la longitud requerida del tubo.

Con esto concluye el cálculo necesario para determinar las condiciones requeridas en un intercambiador a contraflujo de un solo paso.