Ingeniería en Alimentos - Fenómenos de Transporte - Año 2016

APLICACIÓN DE UNA HOJA DE CÁLCULO PARA DETERMINACIÓN DE RADIO CRÍTICO Y SELECCIÓN DE AISLANTES Tema: Transferencia de Calor Estado Estable – Determinación de Radio Crítico Introducción Cuando se recubre un cilindro con una capa de material aislante, cuya resistencia es baja, de modo que el aislamiento exterior quede expuesto al aire atmosférico o a cualquier otro fluido, es deseable e importante para la industria conocer el efecto que producirá el aislamiento sobre la transferencia de calor. Este efecto incidirá sobre la pérdida de calor que se produce en la cañería y para la empresa significará costos. Estos costos no son despreciables para la industria, cualquiera sea el rubro al que se dedique, dado que hay una importante cantidad de conducciones que transportan vapor, agua caliente, fluidos calientes o fríos, por lo que es necesario prestar especial atención a dichas perdidas. La determinación de los espesores de aislante a emplear en tuberías es un tema que debe ser resuelto con conocimiento y cuidado y es, en este sentido, que se plantea la presenta práctica, con el objeto de visualizar a través del análisis de diferentes casos la incidencia sobre el flujo de calor de diferentes materiales aislantes empleados frecuentemente en la industria. Actividades a Desarrollar Se diseñó un sencillo Libro Excel con el objeto de visualizar y comprender el efecto de diferentes aislantes sobre cañerías o tuberías, los parámetros a tener en cuenta en la selección de aislantes y la conveniencia de colocar o no los mismos. A los fines mencionados se plantea el calculo del radio crítico en tuberías con aislamiento, la determinación de los coeficientes convectivos interno y externo a las tuberías a través de la selección y aplicación de las correlaciones correspondientes según el tipo de transferencia convectiva involucrada, la graficación de q˙  f (espesor aislante) y las resistencias térmicas  f (espesor aislante) . A través del trabajo con las hojas de cálculo del libro se persigue que Usted, alumno de la asignatura Fenómenos de Transporte, realice en grupo de dos o tres personas las siguientes actividades: 1. Calcule el radio crítico (rc), la resistencia térmica a la conducción (Rk), la resistencia a la convección interna (Rhi) y externa (Rh0), el coeficiente global referido al área externa (U0) o al área interna (Ui) y el flujo de calor por metro de longitud ( q˙ / L ) para diferentes condiciones de trabajo en las que se modifiquen los materiales aislantes usados, los fluidos externos o sus condiciones de flujo y de temperatura. q˙ / L  f (espesor aislante) 2. Represente en dos gráficos y resistencias térmicas  f (espesor aislante) (Rk, Rhi, Rh0, Uo o Ui). 3. Observe las diferencias que se presentan en el radio crítico y el flujo de calor para un mismo aislante con diferentes condiciones externas y concluya con respecto a las mismas.

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4. Observe las diferencias que se presentan en el radio crítico y el flujo de calor para diferentes aislantes a iguales condiciones externas y concluya al respecto. 5. Redacte, grupalmente, un breve informe de las actividades realizadas en clase. El mismo deberá contener las tablas y gráficas obtenidas con la aplicación de la Hoja de Cálculo y las conclusiones emergentes del trabajo. Dicho informe deberá ser presentado al jefe de trabajos prácticos de la cátedra hasta siete días posteriores a la finalización de la actividad. Manual del Usuario del Programa Cargar el entorno Windows, versión 3.0 ó superior. Ejecutar el programa Excel 4.0 ó versiones superiores. Abrir el libro de trabajo que contiene las hojas de cálculo con las aplicaciones referidas previamente  En el libro de trabajo aparecerán cuatro hojas de cálculo y tres hojas de datos que contienen las propiedades termofísicas del aire, agua y vapor saturado a diferentes temperaturas de las cuales se podrán extraer los valores de dichas propiedades a emplear en las correlaciones para calcular los coeficientes convectivos.  La primera hoja que se debe de abrir para proceder a confeccionar la tabla de valores es la de resistencias, flujo de calor, en la misma se introducirá el radio externo del aislante al que se desea calcular las resistencias térmicas y el flujo de calor. Recuerde que el menor radio externo que deberá ingresar es aquel que coincide con el radio externo del tubo metálico (tubo desnudo). Automáticamente el programa procederá a calcular las resistencias, el coeficiente global y el flujo de calor al radio ingresado para el aislante y condiciones del fluido interno y externo especificadas.  Ingresados los datos en las celdas se generarán automáticamente los gráficos de flujo de calor por unidad de longitud y resistencias térmicas correspondientes en la hoja de cálculo denominada gráficos.   

Situaciones a Trabajar Situación 1-A: Un fluido que se encuentra a 120ºC se hace circular por el interior de un tubo de cobre de 10 y 12mm de diámetro interior y exterior respectivamente. En las condiciones de flujo interno, el coeficiente convectivo hi tiene un valor de 500kcal/m2 h ºC. Se desea aislar este tubo mediante un revestimiento de amianto. Sabiendo que el tubo está enfriado por convección natural de aire a 20ºC, con un coeficiente convectivo h o de 12kcal/m2 h ºC. La conductividad térmica del cobre es de 325 kcal/m h ºC y la del amianto es de 0,225kcal/m h ºC. Se desea: a) Obtener las expresiones genéricas del coeficiente global en función del radio del aislante térmico (amianto), referido al área externa y al área interna. b) Calcular el radio crítico c) Realizar una gráfica de q = f (espesor aislante) d) Realizar una gráfica de resistencias térmicas = f (espesor aislante). Es decir una gráfica en la que se representen la resistencia térmica por conducción en el aislante, la resistencia térmica por convección interna y externa y la resistencia global en función del espesor del aislante e) Enuncie las conclusiones a las que arriba

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Situación 1-C: Si a Usted le dieran por elegir entre dos materiales aislantes más aparte del amianto, que asumimos tienen un costo similar (situación hipotética), para recubrir el tubo de la situación 1 ¿Cuál elegiría? Fundamente su respuesta a partir de las gráficas de flujo de calor que obtenga. Los materiales propuestos son: yeso de conductividad térmica igual a 0,5948 Kcal/hmºC y lana de fibra de vidrio cuya conductividad térmica es de 0,0355 Kcal/hmºC. Situación 2: Un aislamiento de baquelita es utilizado en un cable de 10mm de diámetro. La temperatura superficial del cable es 200ºC, debido a una corriente eléctrica que se hace pasar por el cable. El cable está en un fluido a 25ºC, y el coeficiente de convección es de 140W/m2K a) ¿Cuál es el radio crítico asociado con el revestimiento? b) ¿Cuál es el flujo de calor para el cable sin revestimiento y con revestimiento de baquelita que corresponda al radio crítico? c) ¿Cuánta baquelita debe agregarse para reducir la transferencia de calor asociada con el cable de revestimiento en un 25%?

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