EVALUACIÓN DEL ESPESOR DEL AISLANTE TÉRMICO REQUERIDO EN EL SISTEMA...

EVALUACIÓN DEL ESPESOR DEL AISLANTE TÉRMICO REQUERIDO EN EL SISTEMA DE SECADO DE BANDEJA TIPO ESTRELLA CON FLUJO BIDIRECCIONAL

Primera imagen.png

_{Imagen creada por el autor Hive account@benayetfranco en el programa Autodesk Inventor Professional 2017 para esta publicación.}

RESUMEN

_{El objetivo principal de la presente investigación fue la determinación del espesor del aislante térmico requerido para el sistema de secado de bandeja tipo estrella con flujo bidireccional. Para ello, inicialmente se procedió a la descripción del sistema de secado a través de un isométrico elaborado con el programa AutoCAD, permitiendo conocer la distribución y las dimensiones del sistema en estudio. Posteriormente, se determinaron las pérdidas de calor en todo el sistema de secado mediante la ley de enfriamiento de Newton y la ley de conservación de la energía, obteniéndose un valor de 396,9027 W; de igual forma se calculó el espesor para la lana mineral y la fibra de vidrio para la red de tubería del secador, obteniéndose}

_{un espesor global de 1 pulg y 1,5 pulg respectivamente. Seguidamente, se estimaron los costos de los aislantes térmicos siendo la lana mineral el más económico, permitiendo un ahorro energético de 80,3904 W y manteniendo una temperatura de superficie menor a 60°C como lo establecen las normas de la Occupational Safety and Health Administration (OSHA); en cuanto al equipo de secado se concluyó que no amerita aislamiento térmico, debido a que el valor obtenido de espesor no fue superior a 0,08 pulg (siendo un valor no comercializado), por lo tanto se mantiene una temperatura de contacto menor a la permisible.}

VISTA LATERAL DEL TRAMO DE TUBERÍA EN ESTUDIO.

Tuberiapequeña.png

_{Imagen creada por el autor Hive account@benayetfranco en PowerPoint para esta publicación.}

CÁLCULOS

CÁLCULOS PARA LA PERDIDA DE CALOR POR CONVECCION FORZADA INTERNA PARA EL TRAMO 1.

Nota: Al desconocerse las temperaturas a la salida de cada tramo de tubería se asume una temperatura cuyo valor se encuentre en un rango entre la temperatura de entrada y la temperatura de pared del tramo, esta temperatura permite realizar los cálculos, pues es un dato faltante, cuyo valor debe coincidir posteriormente con la temperatura real de salida.

Determinación del área transversal.

Cuando un sólido geométrico se corta en dos mitades, se expondrá un área. La superficie expuesta, se denomina área de la sección transversal.

Area transversal.png

Determinación del caudal de referencia.

Para este estudio se trabajo a apertura única de rotàmetro de 140mm, por lo cual se uso la siguiente ecuación donde los valores 0.1 y 0.24 son constantes dependientes de la altura del rotàmetro.

caudal de referencia.png

Determinación de la temperatura media.

Representa el promedio aritmético de las temperaturas medias en la admisión y la salida; la cual permanece constante en una sección transversal.

Temperatura media.png

Determinación de la temperatura de película.

Es el promedio aritmético de las temperaturas de la superficie y del flujo libre. De esta forma, se supone que las propiedades del fluido se mantienen constantes en esos valores a lo largo de todo el flujo.

Temperatura de pelicula.png

Una vez obtenida la temperatura de pelicula se determinan las propiedades del Fluido (Aire caliente a 1 atm de presión).

Determinación del caudal de aire corregido.

Cuando se trabaja en condiciones que no son las correspondientes a las condiciones de trabajo de un equipo medidor de flujo, se realiza una corrección del caudal a través de la siguiente ecuación. Donde el caudal corregido está representado de la siguiente manera, al considerar que las condiciones de trabajo son a presión constante.

Tomando como temperatura de referencia 20ºC=293,15 K.

Caudal corregido.png

Determinación de la velocidad del fluido.

Se despeja la velocidad de la Ecuación para la determinación del caudal volumetrico y se sustituye.

Determinación del número de Reynolds.

Las propiedades del aire se evalúan a la temperatura de película, los valores fueron extraídos de la tabla mediante interpolación.

Determinación del número de Nusselt.

Expresa la relación entre la fricción del fluido y la transferencia de calor para flujo laminar sobre una placa plana.

Determinación del coeficiente convectivo.

El número de Nusselt representa el mejoramiento de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción a través de la misma capa. Entre mayor sea el número de Nusselt, más eficaz es la convección. Un número de Nusselt de Nu=1 para una capa de fluido representa la transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.

coeficiente convectivo.png

Determinación del área superficial de transferencia de calor.

Representa el área superficial de contacto con el fluido. A continuación, se muestran las expresiones utilizadas para distintas configuraciones geométricas.

area longitudinal.png

Determinación del coeficiente de fricción.

El coeficiente de fricción es un parámetro importante en los estudios de transferencia de calor ya que está directamente relacionado con el coeficiente de transferencia de calor y con los requisitos de potencia del equipo de trabajo. En la mayor parte de los casos se determina de forma experimental y generalmente varía con la ubicación a lo largo de la superficie.

coeficiente de friccion.png

Determinación del número de Stanton.

Razón de la transferencia de calor en la pared con respecto a la transferencia de calor en la pared por convección. El número de Stanton puede determinarse por distintas analogías, sin embargo, una de las más exactas corresponde a la analogía de Reynolds.

Determinación de la temperatura real de salida.

Para la determinación de la temperatura de salida real del fluido, se utiliza la siguiente expresión, que se originó a partir de datos experimentales y la relación de distintas analogías que involucran la cantidad de movimiento del fluido por convección y la razón de transferencia de calor de la superficie en cilindros y tuberías.

Temperatura de salida real.png

Si el valor de la temperatura real de salida difiere del valor de temperatura de salida asumido entonces es necesario llevar a cabo un proceso iterativo hasta la lograr la igualdad entre ambas, solo al cumplirse esta condición se obtendrá un valor real de perdida de calor.

Determinación de la diferencia media logarítmica de temperatura.

Se obtiene al seguir el rastro del perfil real de temperaturas del fluido a lo largo de la geometría en estudio y es una representación exacta de la diferencia de temperatura promedio entre el fluido y la superficie.

TEMP. MEDIA LOGARITMICA.png

Determinación de la pérdida de calor.

La razón de la transferencia de calor por este mecanismo se calcula tomando ciertas consideraciones a la razón de transferencia de calor por convección que se obtiene a través de la ecuación de conservación de la energía.

PERDIDA DE CALOR.png

Sistema en estudio.

_{Todas las imágenes fueron creadas por el autor Hive account@benayetfranco en powerpoint para esta publicación.}

RESULTADOS

De manera análoga se realizaron los demás calculas de perdida de calor para los diferentes tramos de tuberías a excepción de los tramos 5, 6 y 10, ya que en estos el gradiente de temperatura fue despreciable al igual que su longitud, lo que genero una perdida de calor insignificante. obteniéndose los siguientes resultados:

_{Imagen creada por el autor Hive account@benayetfranco en el programa Autodesk Inventor Professional 2017 y powerpoint para esta publicación.}

REFERENCIAS

Cengel, Yunus A. (2007). Transferencia de calor y masa. Tercera Edición México, Editorial: McGraw-Hill.
Geankoplis, Christie (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias. México, Editorial: Continental S.A
J.P. Holman (1986). Transferencia de calor. Editorial: McGraw-Hill.
Donald Q. Kern (1965). Procesos de transferencia de calor. Editorial: McGraw-Hill.
Perry, R. H. (1997). Manual del Ingeniero Químico. México: McGraw-Hill.

EVALUACIÓN DEL ESPESOR DEL AISLANTE TÉRMICO REQUERIDO EN EL SISTEMA DE SECADO DE BANDEJA TIPO ESTRELLA CON FLUJO BIDIRECCIONAL (PARTE I)