Balance de Momentum Calor y
Masa.
Ing. Química
Alumna: Valeria Cruz Llinas
7mo “C”/5to “C”
Docente: José Román Jiménez
Monola
22 de octubre del 2020, Coatzacoalcos, Ver.
TecNM Campus
Coatzacoalcos
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TRANSFERENCIA EN LA INTERFAZ, Resúmenes de Química
TRANFERENCIA EN LA INTERFAZ, BALANCE DE MOMENTUM, CALOR Y MASA
Tipo: Resúmenes
2019/2020
1 / 9
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Balance de MomentumCalor y
Masa.
Ing. Química
Alumna: Valeria Cruz Llinas
7mo “C”/5to “C”
Docente: José Román Jiménez
Monola
22 de octubre del 2020, Coatzacoalcos, Ver.
TecNM Campus
Coatzacoalcos
Teoría de la capa límite en flujo laminar y turbulento Uno de los factores más importantes que influyen en la transferencia térmica es la resistencia al flujo térmico a través de las diversas “capas” que forman la barrera entre los dos fluidos. La fuerza motriz para la transferencia térmica es la diferencia de temperatura entre los fluidos calientes y fríos; a mayor diferencia, mayor será la velocidad a la que el calor fluirá entre ellos, y el diseñador debe optimizar los niveles de temperatura en cada etapa para maximizar la ratio total de transferencia de calor. La resistencia a la transferencia térmica está formada por 5 capas:
- La “capa límite” interna formada por el fluido que se mueve en contacto cercano con la superficie interna del tubo.
- La capa de ensuciamiento formada por deposiciones de sólidos o semisólidos en la pared interna del tubo (que puede o no estar presente).
- El grosor de la pared del tubo y el material usado influirán en la resistencia al flujo de calor a través del propio tubo.
- La capa de suciedad formada por deposiciones de sólidos o semisólidos en la superficie exterior del tubo (que puede o no estar presente).
- La “capa límite” externa, formada por el flujo que se mueve en contacto con la superficie exterior del tubo. Los valores que se utilizan para [2] y [4] suelen ser especificados por el cliente, como resultado de su experiencia, mientras que el ingeniero seleccionará el diámetro y longitud del tubo, el espesor y los materiales aptos para la aplicación. La resistencia al flujo de calor resultante de [1] y [5] (designados coeficientes parciales de transferencia de calor), depende en gran medida de la naturaleza de los fluidos, pero fundamentalmente también de la geometría de las superficies con las que están en contacto. Es importante destacar que los valores finales están fuertemente influenciados por lo que ocurre en el nivel de las capas límite, pues es aquí donde el fluido está en contacto con la superficie de transferencia térmica. Las capas límite Cuando un fluido viscoso fluye en contacto con un tubo a una baja velocidad, lo hará de manera que no se produzca ningún entremezclado de fluidos: en la capa límite, el fluido en contacto con el tubo, verá su velocidad reducida ligeramente por un arrastre viscoso y el calor fluirá hacia (o desde) la pared del tubo por conducción y/o convección. A medida que la velocidad aumenta, en algún momento se pasa a un régimen turbulento. En un flujo turbulento, se asume que aparecen vórtices de diferentes escalas que interactúan entre sí, punto en el que la capa límite se rompe y se separa de la pared del tubo y el fluido se mezcla con la parte más interna del mismo (la más alejada de la pared del tubo).
dependiendo de otros factores impredecibles. Al tratarse de un área de incertidumbre, los ingenieros tratan de evitar diseños que funcionen en este régimen. Como se puede observar en este caso, cuando usamos tubos corrugados, éstos proporcionan una mejora considerable si el número de Reynolds es superior a 2.000, pero inferior al nivel de 10.000, que es el requerido para un flujo turbulento en un tubo liso. Flujo turbulento Para números de Reynolds por encima de 10.000, existen perturbaciones en el flujo y esta condición se describe como ‘flujo turbulento’, en el que la capa límite se mezcla significativamente con el grueso del fluido. Este es el modo más eficiente de trabajar para un intercambiador de calor. Este gráfico muestra cómo la corrugación en regímenes turbulentos proporciona una mejora significativa para números de Reynolds por encima de 10.000, cuando se compara con los tubos lisos equivalentes.
Se han intentado diferentes técnicas para reducir el valor del número de Reynolds crítico (valor al que se empieza a producir el flujo turbulento), pero la mayoría tienen la desventaja de que también aumentan la resistencia del fluido a fluir, aumentando la pérdida de carga a una ratio que crece más rápidamente de lo que decrece la resistencia de la capa límite. Algunas no son utilizables cuando el fluido presenta sólidos en suspensión; otras tampoco lo son cuando el fluido es muy viscoso. Una técnica universalmente útil y que no presenta las desventajas anteriores, consiste en deformar el tubo con un surco o indentación continua en espiral a lo largo del mismo, o bien indentaciones intermitentes puntuales. La investigación demuestra que seleccionando la profundidad, ángulo y anchura de la indentación correctamente, el número de Reynolds crítico puede ser reducido significativamente por debajo de 10.000. Para valores del número de Reynolds por encima de 10.000, este tipo de deformación también incrementa significativamente la cantidad de turbulencia y por tanto la ratio de intercambio térmico, el cual, si se balancea correctamente junto con otros factores, puede ayudar a reducir el área total de intercambio requerida y por tanto también el coste del intercambiador de calor. Así es como diseñamos los intercambiadores de tubo corrugado. Teoría de la doble película. Resistencia Determinante en la difusión entre Fases La resistencia total de la transferencia de masa entre las fases, será la suma de las resistencias de las fases y de la interfase. En la mayoría de los casos esta última se considera despreciable, por lo cual la resistencia total a la transferencia se considerará como la suma de las resistencias de las fases únicamente. Coeficientes Globales de Transferencia de Masa El interés de los coeficientes globales se cifra en que se refieren a concentraciones ponderales, mientras que en los coeficientes individuales intervienen concentraciones interfásicas. Por su sentido físico el coeficiente global de transferencia de masa difiere de los coeficientes individuales, pero se expresa con las mismas unidades de medida, que dependerán de las unidades en que se mida la fuerza motriz y la cantidad de masa a transferir. Es de destacar, que en las diferencias de concentraciones admitidas condicionalmente como fuerza motriz (y
- y) o (x - x), las magnitudes y* y x* realmente representan concentraciones límites (de equilibrio) que no existen en el flujo, cuyos valores se hallan en tablas, manuales, etc. Las concentraciones de las fases se modifican cuando se mueven a lo largo de la interfase, lo cual cambia la fuerza motriz. Por tanto, en la ecuación fundamental de la transferencia de masa se deberá introducir la magnitud de la fuerza motriz media (∆ym O ∆xm), dicha ecuación se escribe de la forma siguiente. M = Ky A ∆ym M = Kx A ∆xm Fuerza Motriz Media para un Proceso de Transferencia de Masa El movimiento de los flujos en las operaciones de transferencia de masa,