La fase inicial consiste en identificar las dimensiones y los materiales de los tubos que componen el equipo, seguidamente se efectuarán los cálculos pertinentes a cada uno de los tubos que componen el banco para determinar la transferencia de calor en ellos. Finalmente se realizará una comparación de la cantidad de calor que expide cada tubo hacia el exterior a través de sus paredes.
Nota: los tubos se enumeraron de izquierda a derecha 1,2,3,4
Descripción de aislante térmicos
En las empresas y en las plantas requieren operar a temperaturas muy frías o muy calientes. Estas temperaturas se obtienen en sistemas donde ocurren reacciones químicas y es importante tenerla en su fase y mantenerla fuera de peligro para la empresa o para las personas que laboran en dicha empresa para eso se coloca un aislante térmico que es usado para tuberías con su función de disminuir las perdidas de calor. En el caso de la UNEXPO “Luis Caballero Mejías”, existe un banco de prueba donde se lleva a cabo el estudio de la eficiencia de los aislantes térmicos, donde se toma el vapor sobrecalentado proveniente de la caldera de la planta de vapor, que luego serán introducido en cada uno de los tubos, de los cuales tres poseen aislamiento térmico y el otro se encuentra descubierto.
El proceso consiste en comparar la transferencia de calor por conducción y convección entre cada uno de los aislantes que recubren los tubos del banco de prueba. Para ello es necesario identificar los materiales y las dimensiones de los tubos, la temperatura que se encuentra el fluido a través de ellos, de igual manera el régimen que se encuentra el mismo.
Vídeo demostrativo de los aislantes
Metodología aplicada
A continuación, se muestra detalladamente el procedimiento realizado para la determinación de la transferencia de calor en cada uno de los tubos.El banco de prueba para el estudio de la eficiencia del aislante térmico está compuesto por cuatro tubos de diámetros iguales, de los cuales solo tres poseen aislamiento térmico. Las dimensiones y materiales serán expresados en el siguiente cuadro:
Dimensiones y materiales de los tubos
Coeficientes de conductividad térmica de cada aislante
Se tomará en cuenta que la temperatura de entrada para los cuatro tubos del banco fue de 131,7 ◦C, la temperatura externa de los tubos fue 25 ◦C. Los coeficientes convectivos para la parte interna y externa de los tubos son los siguientes:
hin = 175 W/m2.◦C
hex = 25 W/m2.◦C
Determinación de la transferencia de calor para cada uno de los tubos
Los cálculos se llevaron a cabo mediante la aplicación de la fórmula de transferencia de calor por conducción y convección combinada. A continuación, se muestran las ecuaciones utilizadas con la que se realizaron los cálculos:
• Resistencia Térmica total
Utilizando una analogía eléctrica y usando los coeficientes convectivos y conductivos para cada uno de los tubos del banco, se obtuvo la resistencia térmica total.
Donde:
Rtotal: Resistencia térmica total (◦C/W)
R1: Radio interior del cilindro (m)
R2: Radio exterior del cilindro (m)
K: Coeficiente de conductividad térmica (W/m.◦C)
h1: Coeficiente convectivo interno (W/m2.◦C)
h2: Coeficiente convectivo externo (W/m2.◦C)
• Transferencia de calor por conducción y convección combinadas
Para determinar la transferencia de calor que ocurre en cada uno de los tubos es necesario dividir la diferencia de temperaturas entre la resistencia térmica total.
Donde:
Q ̇: Razón de transferencia de calor (W)
T1: Temperatura interna del tubo (◦C)
T2: Temperatura externa del tubo (◦C)
RESULTADOS
Análisis de resultado
Para el estudio de la transferencia de calor que se presenta en el banco utilizado para determinar la eficiencia del aislante, se establecerá una comparación a través de los resultados obtenidos en la metodología aplicada. En el banco se consta de cuatro tubos de los cuales uno no posee aislamiento térmico, la transferencia de calor que ocurre en dicha tubería es de 989,91 W lo que nos sirve como base para comparar cada uno de los aislantes, para que esta manera se seleccione el más eficiente.
El tubo dos (2) posee aislamiento térmico por lo tanto se obtuvo una resistencia térmica total de 2,20 ℃/W y una transferencia de calor por medio de las paredes de 48,5 W, esto quiere decir, que la transferencia de calor hacia los alrededores disminuyó debido a que el material aislante ejerce una resistencia al flujo de calor que trata de salir hacia los alrededores. En el tubo número tres (3) se obtuvo una menor resistencia térmica total esto se debe que el coeficiente de conductividad térmica de ese aislante es menor, debido a esto habrá un mayor flujo de calor hacia los alrededores lo cual se refleja en el resultado dando 49,85 W mayor a la anterior.
Con respecto al aislante que recubre el tubo cuatro (4) se observa la menor resistencia térmica total en comparación de los aislantes anteriores, por lo tanto, la transferencia de calor será mucho mayor que la de los tubos dos (2) y tres (3), esto ocurre debido a que este tubo posee un diámetro de aislamiento menor que los otro, a pesar de poseer un coeficiente de conductividad térmica menor.
Se sabe que un aislante es más eficiente si su conductividad térmica es bastante baja, pero también influye el espesor del mismo. Al aumentar el espesor se incrementa la resistencia a la conducción de la capa del aislamiento, por lo que la razón transferencia de calor hacia los alrededores disminuye de manera más eficiente, ya que a una mayor área la resistencia térmica total disminuye. Por lo que se concluye que el aislante del tubo dos (2) es el más eficiente ya que posee un coeficiente de transferencia de calor de 0.037 W/m.℃, un diámetro de aislamiento de 0,095m y una razón de transferencia de calor de 48,5 W.
Conclusiones
• Se identificaron los materiales y dimensiones de los tubos que componen el banco de prueba siendo este de hierro fundido de diámetro de 0,045m para cada uno de ellos.
• Se determinó la transferencia de calor por conducción y convección para cada uno de los tubos con diferente aislamiento térmico.
• Se comparó la transferencia de calor entre los 4 tubos aislados, donde se determinó que el aislante del tubo 2 es el más eficiente ya que tiene una razón de transferencia de calor de 48,5 W
Referencias Bibliográficas
1.-Van Wylen (2002). Fundamentos de Termodinámica. 2da. Edición
Editorial Limusa. México. 197 pp.
2.-Wark, Kenneth y Donald E. Richards (2001). Termodinámica. 6ta. Edición.Mc Graw-Hill / Interamericana de España. Madrid. 760 pp
3.-Cengel, Ghajar (2011). Transferencia de Calor y Masa Fundamentos y Aplicaciones. (4ta Ed). México: McGraw Hill. Interamericana de España. Madrid. 450 pp
