Material Didáctico Dr. Jorge Alejandro Loza Yáñez INGENIERÍA TÉRMICA Material Didáctico Dr. Jorge Alejandro Loza Yáñez Relación: ISES. Ingeniería Térmica. L43912 . Unidad de aprendizaje II. Ciclo de Rankine.

INGENIERÍA TÉRMICA Bombas y Evaporadores

Clasificación general de bombas Bombas Centrífugas (Bombas roto dinámicas) Producen un incremento en la presión y flujo de fluido mediante el incremento de la velocidad de flujo con la ayuda de un impulsor rotatorio. Incluyen las bombas de flujo axial, radial y flujo mixto. Bombas de desplazamiento positivo Peran mediante el llenado de una cavidad con fluido y después desplazándolo. Tienen un flujo constante para cada ciclo pero pueden variar la presión de descarga.

Las bombas centrífugas puedes clasificarse en: Bombas de succión Bombas in-line Bombas de doble succión Bombas verticales Bombas horizontal Bombas sumergibles Bombas de auto- purga Bombas de flujo axial Bombas regenerativas Las bombas de desplazamiento positivo pueden clasificarse como: Bombas reciprocantes (diafragma y émbolo) Bomba rotatoria

DESPLAZAMIENTO POSITIVO El cambio de la presión tiene un enorme efecto en el caudal Flujo Variante que depende de la presión La capacidad neta de succión varía de acuerdo al flujo y la presión CENTRÍFUGAS El flujo aumenta cuando la viscosidad aumenta. Líquidos llenan cavidades dando mayor eficiencia volumétrica El flujo se reduce cuando la viscosidad aumenta. Más ineficientes DESPLAZAMIENTO POSITIVO La capacidad neta de succión varía de acuerdo al flujo y la velocidad Usualmente dan mayor presión El cambio de la presión tiene poco a nada de efecto en el caudal Flujo constante independiente de la presión

Bombas Centrífugas

Bomba de succión Bomba de doble- succión Bombas de pistón que realizan la succión a presión atmosférica Bomba de doble- succión Bombas de pistón en las cuáles el fluido entra y se descarga en ambos lados impulsor eliminando posibles faltas de balance originados por la hidráulica del sistema

Bomba in-line Bomba verticales Bombas cuyo peso es soportado por las tuberías Bomba verticales Bombas eje de rotación del impulsor se encuentra en sentido vertical

Bomba sumergible Bomba auto-purga Bombas con sellos herméticos que impiden que el motor sea averiado por contacto con el fluido. Excelentes para evitar la cavitación Bomba auto-purga Bombas que contienen una cavidad que funciona como reserva de fluido para iniciar la operación de succión inicial

Bomba regenerativa o de turbina Bomba flujo axial Bombas que permiten la entrada fluido transversalmente al eje de rotación del propulsor Bomba regenerativa o de turbina Bombas que usan fuerza centrífuga y empuje mecánico para obtener altas elevaciones de presión en bajos volúmenes, para ello usan múltiples cuchillas en el impulsor.

Bombas de Desplazamiento Positivo

Bomba manual Bomba reciprocantes Bombas que desplazan fluido en ciclos de volúmenes constantes Bomba reciprocantes Bombas en las cuáles el fluido entra a una cámara de bombeo mediante una válvula de admisión y después es expulsado por una válvula de salida mediante la acción de un pistón o un diafragma. Bombas muy eficientes, de auto-purgado, capaces de elevar considerablemente la presión de pequeños volúmenes de fluido

Bomba rotatoria Bombas que usan dispositivos de empuje adentro de una cavidad. Su diseño es flexible y eficiente

Fuerza Neta de Succión en bombas Bajas presiones de succión en una bomba pueden hacer que el fluido se evapore y por lo tanto causar cavitación, daños físicos y reducir la eficiencia de la bomba Temperatura Presión Vapor AGUA Elevación Máxima (oC) (kPa) (m) 0.6 10.3 5 0.9 10.2 10 1.2 15 1.7 20 2.3 10.1 25 3.2 10.0 30 4.3 9.9 35 5.6 9.8 40 7.7 9.5 45 9.6 9.4 50 12.5 9.1 55 15.7 8.7 60 8.3 65 7.8 70 32.1 7.1 75 38.6 6.4 80 47.5 5.5 85 57.8 4.4 90 95 84.5 100 101.33 0.0

La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada produciendo una fuerte y súbita descompresión. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido, formándose burbujas o, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

Potencia Hidráulica 1 HP ≡ 33,000 ft·lbf/min por definición = 550 ft·lbf/s ya que 1 min  = 60 s = 550×0.3048×0.45359237 m·kgf/s  ya que 1 ft = 0.3048 m = 76.0402249068 kgf·m/s 1 lb = 0.45359237 kg = 76.0402249068×9.80665 kg·m2/s3 g = 9.80665 m/s2 = 745.69987158227022 W since 1 W ≡ 1 J/s = 1 N·m/s  = 1 (kg·m/s2)·(m/s) O dado que 1 hp = 550 ft·lbf/s, 1 ft = 0.3048 m, 1 lbf ≈ 4.448 N, 1 J = 1 N·m, 1 W = 1 J/s: 1 hp = 746 W

Evaporadores

Antecedentes: Un evaporador es un intercambiador de calor diseñado para generar el cambio de fase de una substancia líquida a su estado gaseoso Los evaporadores: 1) Directos: Un medio cede calor sensible a un medio más frío para que lo utilice como calor latente de vaporización 2) En cíclos: Un medio cede energía a un fluido denominado refrigerante que será expandido bruscamente hasta alcanzar su evaporación al mismo tiempo que reduce su temperatura*. El descenso de temperatura permite al refrigerante absorber calor sensible de los alrededores del evaporador y transformarlo en calor latente de vaporización. La absorción de calor sensible que se remueve de los alrededores permite que los evaporadores sean utilizados en sistemas de refrigeración * Como parte de un sistema cíclico de refrigeración o acondicionamiento de aire

Clasificación semántica general: VAPORIZADORES (Un tipo de intercambiador de calor) Calderas: Combustible a calor latente de vaporización Vaporizadores: Calor latente o sensible de un fluido a calor latente de vaporización de otro fluido Evaporador: Convencionalmente cuando se evapora agua Hervidor: En columnas de destilación aplicado para evaporar cualquier substancia Evaporadores de planta de fuerza: Para generación de potencia Evaporadores químicos: Concentrar una solución química evaporando agua

Clasificación por régimen de flujo de refrigerante: VAPORIZADORES (Un tipo de intercambiador de calor) Evaporador seco: Más común Proceso de evaporación continuo Mezcla líq/vap a “mitad” del recorrido Recuperación como vapor sobrecalentado Evaporador inundado: Operan con refrigerante líquido Mayores tasas de transferencia Bajas temperaturas Evaporador sobrealimentado: Operados con exceso de refrigerante Evaporador de película descendente: Inducidos por gravedad Operan a contracorriente

Fundamentos de diseño Caso: Evaporador de un efecto para enriquecimiento de una fase líquida* Flujos considerados en el proceso: * Efecto: Etapa de evaporación mantenida en un solo dispositivo independiente para una operación unitaria de transferencia de calor.

Diagrama de datos: Para el diseño básico de un efecto:

Hasta el momento solo considerando conducción del calor Balance de energía y la Ley de conducción del calor Hasta el momento solo considerando conducción del calor Forma diferencial más general de la ley de Fourier Expresa el calor transferido por unidad de tiempo en un material homogéneo Transferencia de calor por conducción en función del tiempo para dos extremos de una frontera separados una distancia x y que se encuentran a una temperatura constante diferente en cada lado de la frontera

Finalmente: Definición matemática de conductancia Así se define el coeficiente de transferencia de calor por unidad de tiempo debida a la conducción:

Problema: Se requiere un evaporador de una etapa para concentrar una solución acuosa que contiene 10% de sólidos hasta alcanzar 30%. El flujo de la solución es de 250 kg/h. Si la presión del evaporador es 77 kPa (abs) y el vapor disponible es 200 kPa (manómetro). Calcular: a) La cantidad de vapor requerida por hora b) El área de transferencia de calor si el coeficiente es 1700 J m-2 s-1 oC-1 Asumir que la temperatura de la alimentación es de 18 oC Paso 1: Datos

Paso 2: Balance de Materia. Base de cálculo 1 hora de operación 3 1 2

Paso 3: Balance de Energía. Asumir que el calor cedido al proceso por el vapor de alimentación es debido a: A) Calor latente por su condensación B) Calor sensible por su cambio de temperatura desde su máxima Tsat a la entrada y su máxima Tsat en el interior del evaporador ..y que el calor es absorbido por la solución: C) como calor sensible para alcanzar su temperatura de ebullición y D) como calor latente para lograr la evaporación A B C D Por lo tanto se requieren:

Paso 4: Área de transferencia de calor. B Tipicos coeficientes de transferencia de calor para: Aire: 10 - 100 W/m2K Agua: 500 - 10 000 W/m2K Hevir agua flujo forzado en refrigeradores: 300 - 1000 W/m2K Hervir agua en evaporadores: 1500 - 6000 W/m2K www.engineeringtoolbox.com

Resistencias a la transferencia de calor La resistencia a las transferencias de calor pueden expresarse como el recíproco de la conductanica: La suma de las distintas resistencias consideradas a la transferencia de calor se conoce como COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Donde: U = Coeficiente total de transferencia de calor (W/m2K) A = Área de contacto para cada lado de fluido (m2) k = Conductividad térmica del material (W/mK) h = Coeficiente de convección individual para cada fluido (W/m2K) dx = Espesor de pared (m)

Conductividad térmica de algunos materiales 298 K(varía con la temperatura) Polipropileno : 0.1 - 0.22 W/mK Acero inoxidable : 16 - 24 W/mK Aluminio : 205 - 250 W/mK Cobre : 401 W/mK Hierro : 80, 68, 60 W/mK (@ 25,125,225 oC) Acero, Carbon 1% : 43 W/mK

Coeficientes totales de transferencia de calor para distintos materiales Fluido Superficie de transmisión Coeficiente de trasferencia de calor total (Btu/ft2 hr oF) (W/m2 K) Agua Hierro Aire o Gas 1.4 7.9 Acero blando 2.0 11.3 Cobre 2.3 13.1 40 - 50 230 - 280 60 - 70 340 - 400 60 - 80 340 - 455 Aire 1.0 5.7 Vapor de agua 2.5 14.2 3.0 17 160 910 185 1050 205 1160 Acero Inox. 120 680 (www.engineeringtoolbox.com)