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GUÍA DE PRÁCTICAS DEL LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR I Facultad Programa

Ingeniería Ing. Química/Mecánica

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GUÍA DE PRÁCTICAS DEL LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR I

Diego H. Quiñones M. 1

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Facultad de Ingeniería Centro de Laboratorios y Talleres de Ingeniería (CELTI)

Universidad del Atlántico Facultad de Ingeniería Carrera 30 No. 8-49 Puerto Colombia (Atlántico) 2017

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INTRODUCCIÓN

Este documento pretende ser un material de apoyo para el proceso de aprendizaje de los estudiantes de Ingeniería que cursan la asignatura de Transferencia de Calor y busca llevar a la práctica los conocimientos teóricos previamente desarrollados en las clases magistrales para comprender cómo se relacionan con los fenómenos que ocurren cotidianamente, además de entender su importancia en los procesos tecnológicos e industriales. Esta guía busca orientar el trabajo de los estudiantes, de modo que les facilite la preparación de las prácticas de laboratorio, se evite la improvisación durante el desarrollo de los ensayos, se aprovechen mejor los recursos, materiales y equipos disponibles en el laboratorio; además de darles a conocer los fundamentos de los fenómenos estudiados y las normas básicas de seguridad e higiene que se requieren durante el trabajo en el laboratorio. Cada una de las prácticas de laboratorio descritas en esta guía presenta una descripción detallada de los procedimientos a seguir durante la preparación del sistema experimental, la operación de los equipos de laboratorio, la toma de datos experimentales, los objetivos a conseguir en cada práctica, los cálculos sugeridos y presenta también unas preguntas a resolver para enriquecer el análisis de resultados. Los objetivos del Laboratorio de Transferencia de Calor I son:  Desarrollar competencias para el trabajo en equipo, para abordar la solución de problemas propios de la ingeniería relacionados con la transferencia de calor.  Desarrollar procedimientos experimentales para la obtención de datos relevantes y su valoración y análisis en la toma de decisiones.  Desarrollar habilidades básicas para la operación adecuada de equipos de laboratorio.  Desarrollar capacidad de análisis, síntesis y presentación de resultados obtenidos mediante un procedimiento experimental.  Redactar, de acuerdo con normas técnicas, artículos y reportes de investigación académicos y de laboratorio. El laboratorio hace parte de la asignatura teórico-práctica de Transferencia de Calor I en la que se hace una introducción a los fenómenos y leyes que rigen los procesos y aplicaciones que involucran el flujo de energía calórica entre distintos cuerpos o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El curso ofrece al estudiante una visión sobre la importancia de los procesos y mecanismos de transferencia de calor a través del desarrollo de

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expresiones para calcular flujos de calor y distribuciones de temperaturas, así como la resolución de problemas relacionados con el tema. Las competencias a desarrollar por parte de los estudiantes con la componente teórica y práctica de la asignatura son:  Establecer los principios fundamentales que gobiernan los diferentes mecanismos de transferencia de calor, conducción, convección y radiación, para entender los diferentes fenómenos que ocurren en las estructuras de los materiales.  Desarrollar en los estudiantes habilidades de resolución de problemas de conducción de calor en una sola dimensión y multidimensional en estado estable y no estable para emplearlas en problemas de procesos a nivel industrial.  Usar relaciones de coeficientes de transferencia de calor empíricos y teóricos en aplicaciones tal como sistemas de conducción, convección libre y forzada y en problemas de condensación y ebullición para diseñar intercambiadores de calor.  Emplear técnicas analíticas, gráficas y numéricas para resolver problemas de transferencia de calor clásicos y novedosos.

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NORMAS BÁSICAS DE SEGURIDAD E HIGIENE EN EL LABORATORIO

Los siguientes enunciados corresponden a las medidas de seguridad e higiene que deben tenerse en cuenta durante el desarrollo del trabajo en el laboratorio. El conocimiento y cumplimiento de las mismas minimiza los riesgos y accidentes que puedan ocurrir en el lugar de trabajo y permite proteger la salud e integridad física de las personas que se encuentran haciendo uso de las instalaciones del laboratorio, además reduce los impactos negativos y fuentes de contaminación en el área de trabajo y el medio ambiente.  Antes de iniciar el trabajo en el laboratorio, identifique los elementos de seguridad requeridos y su ubicación. Asimismo, identificar las salidas de emergencia, la ruta de evacuación y el personal designado como líder de seguridad.  Durante la realización de las prácticas se debe trabajar por lo menos en la compañía de otra persona.  No está permitido el ingreso de alimentos al laboratorio; ni comer, beber o fumar.  El uso de equipos de protección personal es obligatorio, se deberá utilizar al menos bata de laboratorio, guantes para manipulación de superficies calientes y zapatos cerrados. El cabello debe estar recogido y se debe evitar el uso de accesorios colgantes.  Las manos deben lavarse cuidadosamente después de cualquier manipulación en el laboratorio y antes de retirarse del mismo. También debe evitarse la contaminación de superficies, objetos (teléfonos, lapiceros, manijas de cajones o puertas o libretas) manipulándolos con guantes y manos sin ser previamente lavados.  Evitar el manejo y contacto con sustancias de las que se desconocen sus propiedades y características. Debe consultarse con el personal idóneo (profesor, técnico de laboratorio) cuando su uso sea necesario.  Está prohibido correr en el laboratorio; el desplazamiento debe hacerse en calma y sin apresuramientos.  Todo el área de trabajo debe permanecer libre de objetos, especialmente deben mantenerse despejadas las vías de acceso y evacuación.  Antes de manipular los intercambiadores de calor, verifique los rangos seguros de operación (temperaturas y presiones máximas permisibles).  Antes de iniciar el flujo de vapor o agua caliente, verifique que antes se haya iniciado el flujo de agua fría. El lujo de vapor o agua caliente debe abrirse de último.

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 Al terminar la práctica, cierre el flujo de vapor o agua caliente, y mantenga el flujo de agua de enfriamiento hasta que la temperatura del sistema sea igual a la temperatura ambiente. Nunca deje el flujo de vapor o agua caliente abierto sin flujo de agua fría.  Las válvulas deben abrirse y cerrarse gradualmente dado que si se abren o cierran en forma repentina, el intercambiador sufrirá un choque térmico y mecánico, que puede ocasionar la fatiga de los materiales.  No manipular equipos ajenos a la práctica y de los que se desconoce el procedimiento de operación y riesgos asociados a su uso.  Todo material de desecho que sea corrosivo, tóxico, inflamable, oxidante, radiactivo o explosivo deberá ser etiquetado y ubicado en el contenedor correspondiente.  Se recomienda el uso de un cuaderno o libreta de apuntes (y no hojas de papel sueltas ni borradores) para registrar los datos experimentales y cualquier observación relevante sobre la práctica. Esta información, junto con la guía de la práctica, facilitará la elaboración del informe.

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PRESENTACIÓN DE LOS INFORMES DE LABORATORIO Los informes de laboratorio se realizarán de acuerdo al siguiente formato que emula un artículo científico:

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La calificación de los informes se hará de acuerdo a la ponderación indicada en la Tabla 1.

Tabla 1. Calificación de los informes de laboratorio Ítem

Puntaje

Resumen y Abstract

10 puntos

Palabras claves y keywords

5 puntos

Introducción

80 puntos

Metodología

80 puntos

Resultados

80 puntos

Análisis de resultados

120 puntos

Conclusiones

120 puntos

Referencias

5 puntos

Los plazos establecidos para la entrega de los informes se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2. Calificación de los informes de laboratorio Tiempo de entrega después de realizada la práctica

Máxima calificación

14 días

5.00

21 días

3.00

28 días

2.00

Estos plazos se consideran razonables y facilitarán a los estudiantes realizar sus informes sin que se olviden de detalles y aspectos importantes de la práctica que deberán tener presentes en la preparación de los informes, también se pretende evitar que se acumulen los informes a preparar y se acumule el material a calificar por parte del profesor. Además se busca que los alumnos tengan tiempo suficiente para corregir los informes que presentan algún error y volver a presentarlos. Por esto, los informes que sean entregados por fuera de los plazos establecidos serán penalizados de acuerdo con la Tabla 2 reduciéndose la máxima calificación posible, a menos que se presente una excusa válida y ésta sea presentada de acuerdo al reglamento estudiantil.

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USO DE CIFRAS SIGNIFICATIVAS Los resultados de la práctica se presentarán en notación científica y el reporte de datos experimentales y cálculos se realizará haciendo un correcto uso de las cifras significativas. Se recomienda el uso de notación científica para facilitar la expresión de números muy pequeños o muy grandes haciendo uso de datos con muchas cifras decimales o muchos dígitos enteros. Así, los datos se expresarán como el producto entre un número decimal y una potencia de base 10. El número de cifras después de la coma decimal dependerá de las cifras significativas que deba emplearse para este dato. Las cifras significativas representan los dígitos (enteros o decimales) que son necesarios para expresar en forma correcta un dato obtenido mediante una medida directa o indirecta. Las cifras significativas comprenden todos los dígitos que se conocen con seguridad (o exactitud) y el primero de aquellos que se consideran dudoso (incierto o estimado). L

0

1

2

3

m

Figura 1. Medida de la longitud de una barra

De acuerdo con la Figura 1, dependiendo del observador, la medida de la longitud de la barra con el instrumento empleado podría ser 1.23 m, 1.24 m, 1.25 m, etc. Al observar estas mediciones, puede verse que todas tienen en común una cifra que va hasta el primer decimal, o sea 1.2. Ésta cifra en la que todos están de acuerdo se llama cifra correcta. Obsérvese que la cifra correcta coincide con el nivel degradación máximo del instrumento de medida. En este caso, como la escala del instrumento va hasta el nivel de los centímetros, la cifra correcta va hasta los centímetros. La cifra en la que no todos están de acuerdo es el segundo decimal (3, 4 y 5), corresponde a una aproximación o estimación por parte de quien hace la lectura y se llama cifra dudosa o estimada. La cifra dudosa, es la última cifra significativa de esta medida y se encuentra por debajo de la máxima división de la escala del instrumento de medida.

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En este caso en particular, la forma correcta de expresar la medida es con tres cifras significativas. Sería incorrecto reportarlo con más cifras significativas, por ejemplo 1.225 o 1.230 m. En la Figura 2 se muestran varios ejemplos de lecturas expresadas con el número correcto de cifras significativas, de acuerdo a la escala de los instrumentos de medida que se emplean en el Laboratorio de Transferencia de Calor.

Figura 2. Ejemplos de medidas experimentales presentadas con el número correcto de cifras significativas

Todos los ejemplos anteriores representan medidas directas (obtenidas al usar el instrumento de medida). En algunos casos es necesario realizar medidas indirectas, es decir, estimaciones de la magnitud de una variable de interés mediante cálculos hechos a partir de la magnitud de otras variables medidas directamente. Por ejemplo, el flujo másico de un fluido que sale de un intercambiador de calor, a partir del volumen recogido en un tiempo determinado y la temperatura del mismo; en este caso se emplean una probeta, cronómetro y termómetro para hacer medidas directas del volumen, tiempo y temperatura respectivamente. Con estos datos se puede calcular el flujo másico del fluido, lo que representaría una medida indirecta.

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Tanto las medidas directas como las indirectas deben expresarse con el número correcto de cifras significativas. Para esto deben tenerse en cuenta las siguientes reglas:  Cualquier dígito o cifra diferente de cero es significativo. En números que no contienen ceros, todos los dígitos son significativos. Ejemplos: 643

(tiene tres cifras significativas)

9.873 kg

(tiene cuatro cifras significativas)

 Los ceros situados en medio de dígitos diferentes de cero son significativos. Todos los ceros entre dígitos significativos son significativos. Ejemplos: 901 cm

(tiene tres cifras significativas)

10.009 kg

(tiene cinco cifras significativas)

 Los ceros a la izquierda del primer dígito distinto a cero no son significativos. Los ceros a la izquierda del primer dígito que no es cero sirven solamente para fijar la posición del separador decimal y no son significativos. 0.00000000000000395

(tiene tres cifras significativas)

0.00410

(tiene tres cifras significativas)

2.0

(tiene dos cifras significativas)

 Un cero es significativo si está a la derecha de una cifra significativa. Ejemplos: 41000

(tiene cinco cifras significativas)

0.004100

(tiene cuatro cifras significativas)

 Los números exactos, o que resultan de contar, tienen un número infinito de cifras significativas. Ejemplos: Al contar el número de caras de un dado se obtiene un número exacto: 6 número infinito de cifras significativas)

(tiene

un

OPERACIONES CON CIFRAS SIGNIFICATIVAS:  Las constantes en fórmulas matemáticas y los datos consultados en la bibliografía y utilizadas para realizar cálculos (como la densidad, capacidad calorífica, etc.) no son objeto de variación, se conservan tal cual y no se tienen en cuenta para determinar el número de cifras significativas del resultado, es como si tuvieran infinitas cifras significativas.  SUMAS Y RESTAS

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Se busca el número con menos cifras significativas decimales y el resultado se presenta con ese número de decimales. Ejemplos: 2.097 – 0.12 1.977

← dos cifras significativas después del punto decimal ← después de sumar, el resultado se redondea a 1.98

 MULTIPLICACIÓN Y DIVISIÓN Se busca el número con menos cifras significativas totales y el resultado se presenta con esta cantidad de cifras significativas. Ejemplo: 4.5039 × 2.8 360312 90078 12.61092

← dos cifras significativas totales

← después de multiplicar, el resultado se redondea a 13

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FUNDAMENTOS TEÓRICOS

INTERCAMBIADORES DE CALOR Los intercambiadores de calor son dispositivos diseñados para llevar a cabo procesos de transferencia de energía térmica o calórica entre dos fluidos que se encuentran a diferentes temperaturas y están generalmente separados por una superficie sólida. En algunos casos, la transferencia de calor también se puede dar entre un fluido y una pared sólida. También existen, aunque son muy poco frecuentes, los intercambiadores de contacto directo en los que la transferencia de calor se da por mezcla física de los fluidos. En el campo de la ingeniería, las principales aplicaciones de los intercambiadores de calor involucran procesos de calentamiento, enfriamiento, ventilación y acondicionamiento de espacios o bodegas de almacenamiento, radiación en máquinas de combustión interna, generación de vapor en calderas, condensación, precalentamiento o preenfriamiento de corrientes de proceso y recuperación o rechazo de calor en unidades de proceso como reactores químicos en los que ocurren reacciones endotérmicas y exotérmicas. Algunas de las configuraciones más comunes para este tipo de equipos, y que están disponibles en el Laboratorio de Transferencia de Calor, son:

 Intercambiador de tubo y coraza Están compuestos por una carcasa cilíndrica, también denominada camisa o coraza, en cuyo interior se dispone un haz de tubos de menor diámetro ubicados en forma paralela al eje de la carcasa. Uno de los fluidos circula por el interior de los tubos, mientras que el segundo lo hace por el interior de la carcasa y baña a su vez a los tubos sobre su pared exterior. En los extremos del haz de tubos, se disponen los cabezales del intercambiador que, mediante unas placas apropiadamente dispuestas, obligan al fluido que circula por el interior de los tubos a recorrer un camino sinuoso por el haz de tubos. Asimismo, diversos tabiques deflectores colocados en la carcasa hacen que el fluido externo circule en dirección lo más perpendicular posible al haz de tubos, mejorándose la transmisión de calor. Un intercambiador de este tipo se denomina intercambiador m-n, siendo m el número de pasos o cambios de dirección del fluido de la carcasa, y n el número de pasos del fluido del interior de los tubos.  Intercambiador de doble tubo Están constituidos por dos tubos cilíndricos de diferente diámetro concéntricos (es decir, uno está ubicado al interior del otro) a través de los cuales circulan los fluidos sin mezclarse. La transferencia de calor se da través de la pared del tubo interno, por cuyo

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interior circula generalmente el fluido más caliente, mientras el otro lo hace por el exterior. También se le conoce como intercambiador de doble tubo.  Intercambiador de placas Está formado por un conjunto de placas colocadas paralelamente. El espacio entre placas forma un canal por el que circulan los fluidos. Los canales para el fluido caliente y frío se alternan a lo largo del intercambiador de forma que el calor se transmite a través de las delgadas placas  Condensador Consiste en un cuerpo rectangular prismático que en su interior alberga unos haces tubulares (y/o placas) a través de los cuales circula el fluido de refrigeración. El fluido caliente en forma gaseosa, generalmente vapor de agua, entra al cuerpo rectangular y se condensa cuando entra en contacto con la superficie de los tubos por los que circula el refrigerante. También cuenta con un pozo caliente o depósito de condensado situado en la parte inferior del cuerpo para recoger el fluido condensado.  Vasija o tanque encamisado Son recipientes o tanques agitados cuyo interior debe mantenerse una temperatura constante, por lo que se utiliza un sistema de intercambio de calor para retirar o suministrar calor al interior del recipiente en forma de camisa o serpentín. El uso de camisa o chaqueta, se hace generalmente en forma externa, de modo que envuelva exteriormente al tanque a través de cuyas paredes se transfiere el calor entre el fluido de calentamiento o enfriamiento y el contenido del tanque. Otra opción es el uso de serpentines adosados a la superficie externa de la vasija o inmersos en el interior del recipiente, lo que además proporciona turbulencia adicional al fluido en el tanque.

Intercambiador de doble tubo Intercambiador de tubos y coraza

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Intercambiador de placas

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Condensador

Recipiente encamisado Figura 3. Tipos de intercambiadores de calor

Si se tiene en cuenta la dirección del flujo de ambos fluidos a través de la superficie, los intercambiadores de calor se clasifican en:  Intercambiadores de flujos cruzados. Cuando las corrientes de los dos fluidos fluyen en forma perpendicular entre sí.  Intercambiadores en cocorriente o de flujo en paralelo. Cuando las corrientes entran al intercambiador por el mismo extremo y circulan en el mismo sentido.  Intercambiadores en contracorriente o contraflujo.

Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos y fluyen en sentidos contrarios a través del intercambiador Los intercambiadores más comunes son lo de flujo en paralelo y contraflujo. En la Figura 4 se muestran los perfiles típicos de temperatura en función de la longitud del intercambiador para este tipo de configuraciones.

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Figura 4. Arreglos más comunes para los intercambiadores de calor: (a) Contraflujo; (b) flujo paralelo (T1 = temperatura de entrada del fluido caliente; T2 = temperatura de salida del fluido caliente; t1 = temperatura de entrada del fluido frío, t 2 = temperatura de salida del fluido frío) El diseño de intercambiador de contraflujo es más eficiente que el de cocorriente si se compara la razón de transferencia de calor por unidad de área de superficie. La eficiencia de un intercambiador de contraflujo se debe al hecho que la diferencia de temperatura ∆T entre los dos fluidos sobre la longitud del intercambiador (L) de calor es maximizada como se muestra en la Figura 4.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Donde quiera que exista una diferencia de temperaturas en un medio o ente varios medios, se produce transferencia de calor. Los tres tipos diferentes de procesos de trasferencia de calor son la conducción, la convección y la radiación.

Conducción. Es el modo de trasferencia de calor a través de sólidos y a través de fluidos estacionarios. El mecanismo físico de conducción es la difusión de energía originada por las interacciones entre moléculas del medio. La ecuación que cuantifica el proceso de trasferencia de calor por conducción se conoce como ley de Fourier. En el caso unidimensional y estacionario, la tasa de trasferencia de calor a través de una pared vendrá dada por la siguiente e expresión:

T T  Q   k A 2 1   x 

(1)

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Dónde: Q = tasa de transferencia de calor (W) k = conductividad térmica de la pared (W/m-K) A = área perpendicular a la dirección del flujo de calor (m2) x= espesor de la pared (m) T2 = temperatura en la superficie fría de la pared (K) T1 = temperatura en la superficie caliente de la pared (K) Un concepto importante para evaluar la transferencia de calor es el de resistencia térmica (R) que en forma general corresponde a:

R

T2  T1 Q

(2)

A partir de las ecuaciones 1 y 2 podemos deducir que para el caso de la transferencia por conducción (Rconduc.), la resistencia térmica corresponde a: Rconduc. 

x kA

(3)

Convección. Es el modo de transferencia de calor entre una superficie y un fluido en movimiento a diferentes temperaturas. Es consecuencia de la superposición de dos fenómenos físicos, energía transportada por el movimiento aleatorio de las moléculas (difusión) y energía transportada por el movimiento macroscópico del fluido (gran número de moléculas moviéndose colectivamente). Podemos clasificar la transferencia de calor por convección en, convección forzada y convección natural. La convección forzada ocurre cuando el flujo del fluido es causado por medios externos como un ventilador, una bomba o el viento atmosférico, y la convección natural ocurre cuando el flujo está inducido por fuerzas de flotabilidad, las cuales resultan de diferencias de densidad causadas por variaciones de temperatura en el fluido. La tasa de transferencia de calor por convección entre una superficie y un fluido viene dada por la ley de enfriamiento de Newton, descrita por la expresión: Q   h A TS  T 

Donde

(4)

Q = tasa de transferencia de calor (W) h = coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m 2-K)

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A = área de transferencia de calor (m2) Ts = temperatura en la superficie (K) T = temperatura en el fluido (K) Existe una resistencia de convección, Rconvec., análoga a la de conducción:

Rconvecc. 

TS  T 1  (5) Q hA

BALANCES DE ENERGÍA EN EL INTERCAMBIADOR Los balances de energía para el fluido caliente y el frío se determinan de acuerdo a las ecuaciones 10 y 11, respectivamente: Q

= ṁ Cp (T − T )

Q = ṁ Cp (t − t )

(10) (11)

Donde 𝑚̇ = flujo másico del fluido caliente (kg/s), 𝑚̇ = flujo másico del fluido frío (kg/s), Cp = calor específico del fluido caliente (J/kg), Cp = calor específico del fluido frío (J/kg), T1 = temperatura de entrada del fluido caliente (K), T2 = temperatura de salida del fluido caliente (K), t1 = temperatura de entrada del fluido frío (K), t2 = temperatura de salida del fluido frío (K). Para determinar las pérdidas de energía en el sistema, Q p, se emplea la ecuación 8:

Q = Q −Q

(8)

DIFERENCIA MEDIA LOGARÍTMICA DE TEMPERATURA En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente expresar la razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos como se observa en la ecuación 1:

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Q = UA ∆T

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(6)

Donde U = coeficiente total de transferencia de calor (W⁄m − K), As = área superficial para la transferencia de calor total, ∆T = diferencia de temperatura verdadera, la cual puede variar entre los fluidos caliente y frío a lo largo del intercambiador. La razón de la transferencia de calor en un intercambiador también se puede expresar de una manera análoga a la ley de Newton del enfriamiento como se indica en la siguiente ecuación: Q = UA ∆T

(7)

Donde ∆T es la diferencia media logarítmica de temperatura y se determina mediante las ecuaciones 8 y 9:

ΔTml 

(T1  t 2 )  (T2  t1 ) , para intercambiadores en contraflujo ln(T1  t 2 ) /(T2  t1 )

(8)

ΔTml 

(T1  t1 )  (T2  t 2 ) , para intercambiadores en flujo paralelo ln(T1  t1 ) /(T2  t 2 )

(9)

Donde T1 = temperatura de entrada del fluido caliente (K), T2 = temperatura de salida del fluido caliente (K), t1 = temperatura de entrada del fluido frío (K), t2 = temperatura de salida del fluido frío (K). COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR En un intercambiador de calor, el flujo de calor en su camino desde el fluido caliente hasta el frio, tiene que vencer resistencia ejercida por la capa límite de fluido caliente, la resistencia de la pared de separación y la resistencia ejercida por la capa límite del fluido frio. Teniendo tres resistencias en serie que conforma una resistencia total (Rt) de acuerdo a la ecuación.

Rt 

1 x 1   hh Ah KA hC AC

(10)

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Donde Ah y AC son las área de la superficie del tubo en contacto con el fluido caliente y frío, h h y hC son los coeficientes de convección del fluido caliente y del frío, x es el espesor de la pared de los tubos interiores, K la conductividad térmica del material de fabricación de los tubos interiores y A el área media de los tubos interiores (promedio entre A h y AC). El calor transferido, Q, puede estimarse a través del valor de la resistencia total, R t, del intercambiador y las temperaturas en los fluidos caliente y frío:

Q

T ,h  T ,c Rt

(11)

Donde T∞,h y T∞,c son las temperaturas medias del fluido caliente y del fluido frío. Definiendo el coeficiente global de transferencia de calor, U, como un factor que, para una configuración geométrica e hidrodinámica dada, nos da el valor del calor total transferido, al multiplicarlo por el área de intercambio, A, y por la diferencia total de temperaturas, se tiene la expresión: Q  U A T , h  T , c  (12)

CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN Las velocidades promedio de los fluidos empleados en un intercambiador de calor pueden ser estimadas a partir del caudal, el diámetro de los tubos y las propiedades a físicas de los fluidos a la temperatura promedio debido a que las temperaturas de los fluidos varían a lo largo del intercambiador. Para abordar del cálculo del coeficiente de convección, h, para ambos fluidos es necesario determinar varios números adimensionales como el Reynolds (Re), el número de Prandtl (Pr) y el número de Nusselt (Nu).

Re D 

V D 

(13)

En donde ρ es la densidad del fluido, V es la velocidad media del fluido en la sección transversal, D es el diámetro interior del tubo y μ es la viscosidad dinámica del fluido. Si Re D < 2300, el tipo de flujo es laminar. A partir de ReD ≈ 2300 inicia la turbulencia y con ReD ≈ 10000 se tienen condiciones totalmente turbulentas.

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Pr 

 CP

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(14)

Kf

Donde Cp es la capacidad calorífica del fluido y Kf es la conductividad térmica del fluido. Para la obtención del Nusselt en los tubos, NuD, se selecciona la correlación experimental que corresponda a las condiciones del intercambiador. Algunas correlaciones se muestran en la Tabla 3:

Tabla 3. Correlaciones experimentales para el cálculo de Nu D Condiciones

Correlación para calcular NuD

régimen laminar totalmente desarrollado y Pr≥0.6

NuD = 3.66

Régimen laminar con desarrollo de condiciones térmicas con velocidades de perfil Régimen turbulento totalmente desarrollado, con 0.6≤Pr≤160, ReD≥10000 y L/D≥10

NuD  3.66 

(15) 0.0668( D / L) Re D Pr

1  0.04( D / L) Re D Pr 2 / 3

(16)

NuD = 0.023 ReD0.8 Prn;

(17)

n = 0.4 si el fluido se está calentando n = 0.3 si el fluido se está enfriando

Régimen turbulento totalmente desarrollado, con 0.5≤Pr≤2000, 3000 10

NuD = 0,026 ReD0.8 Pr1/3;

(22)

A continuación, el coeficiente de transferencia de calor individual para el fluido que circula por la parte interna de los tubos se calcula a partir de la ecuación:

hi 

Nu D K f Dint

(23)

MÉTODO DE EFECTIVIDAD NTU Si las temperaturas de salidas del intercambiador no son conocidas, para calcular la tasa de transferencia de calor a partir de la diferencia media logarítmica de temperaturas tendríamos que resolver el problema por iteración, partiendo de un valor aproximado de una de las temperaturas. Este método sería lento y costoso. En estos casos es preferible usar el método de efectividad NTU (número de unidades de transmisión). Primero definimos la efectividad, ε, como el cociente entre el calor realmente intercambiado y el máximo que podría transferirse en un intercambiador de área infinita (o con coeficiente de transferencia infinito) en flujo contracorriente. La efectividad será: ε

Qreal Qmax

(24)

Con Qreal es el calor realmente transferido y Qmax sería el máximo calor que podría transferirse en el intercambiador bajo condiciones ideales (U y/o A infinitos); es decir, Qmax = (m Cp)min (T1-t1). Así, la efectividad puede calcularse mediante alguna de las dos siguientes expresiones: ε

T1  T2 , si m hCph  m CCpC T1  t1

(25)

24

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ε

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t 2  t1 , si m CCpC  m hCph T1  t1

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(26)

Donde 𝑚̇ = flujo másico del fluido caliente (kg/s), 𝑚̇ = flujo másico del fluido frío (kg/s), Cp = calor específico del fluido caliente (J/kg), Cp = calor específico del fluido frío (J/kg), T1 = temperatura de entrada del fluido caliente (K), T2 = temperatura de salida del fluido caliente (K), t1 = temperatura de entrada del fluido frío (K), t2 = temperatura de salida del fluido frío (K).

El número de unidades de transmisión (NTU) es un parámetro adimensional ampliamente usado para el análisis de intercambiadores de calor y se define como: NTU 

U A (m Cp )min

(27)

Por otro lado podemos definir el coeficiente de capacidad C R como: CR 

(m Cp )min (28) (m Cp )max

Ahora podemos expresar ε como función de CR y de NTU:

 



1  e  NTU 1 C R  , para flujo paralelo (29) 1  CR

1  e NTU1C R 

1  CR e NTU1C R 

T2  T1   (T1  t1)

, para flujo en contracorriente

Si m hCph  m CCpC

(30)

(31)

t 2  t1  CR (T1  T2 )

25

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Ingeniería Ing. Química/Mecánica t 2  t1   (T1  t1)

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Si m CCpC  m hCph

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(32)

T2  T1  CR (t 2  t1)

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PRÁCTICA I: INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA SISTEMATIZADO (EDIBON)

I.1.      I.2.

OBJETIVOS Realizar el balance global de energía y cálculo de la eficiencia en un intercambiador de tubos y coraza en flujo contracorriente y paralelo. Determinar la influencia del caudal y el régimen de flujo en la transferencia de calor. Determinar teóricamente los coeficientes individuales y global del intercambiador de calor de tubos y coraza. Determinar experimentalmente el coeficiente global de transferencia de calor. Realizar un análisis del intercambiador empleando el método de efectividad NTU para realizar estimaciones en el intercambiador de calor. MATERIALES Y MÉTODOS

Computador, agua suavizada, unidad de intercambiador de calor de tubos y coraza (TICT, Edibon), unidad base y de servicio (TIUS, Edibon) y caja-interface. En este intercambiador el agua caliente da un paso por los tubos internos y el agua de enfriamiento da un paso por la carcasa.

Tubos internos

Carcasa

Tabla I.1. Datos del intercambiador Cantidad: 21 tubos con arreglo rectangular. Diámetro interno: 8 mm. Diámetro externo: 10 mm. Longitud cada tubo: L = 500 mm. Material: acero inoxidable. Diámetro interno: D = 148 mm. Diámetro externo: D = 160 mm. Longitud de intercambio de la carcasa: L = 500 mm. Material: PVC glass Accesorios: 4 deflectores colocados en forma transversal

El equipo también cuenta con siete sensores de temperatura (tipo J) para medir la temperatura en el agua fría y caliente en diferentes puntos del intercambiador, además cuenta con dos sensores para el registro del caudal de las corrientes de fluido caliente y frio.

27

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(b)

(a) Figura I.1. Intercambiador de calor de tubos y coraza, TICT EDIBON (a) y unidad base y de servicio, TIUS EDIBON (b)

I.3. 1. 2. 3. 4. 5.

METODOLOGÍA Comprobar que las válvulas están abiertas y que tenemos configuración en flujo contracorriente. Comprobar que el depósito de calentamiento está lleno de agua, por encima del interruptor de nivel. Encender la bomba y la resistencia (alimentación del equipo). Fijar la temperatura del depósito en 45°C (ST16). Fijar el caudal de agua caliente en unos 1.0 l/min (SC1) y ajustar el caudal de agua fría hasta alcanzar condiciones de operaciones estacionarias manteniéndose la temperatura fijada en el depósito constante. EXPERIMENTO 1: Balance global de energía y cálculo de pérdidas

6. Repetir los pasos 5 y 6 para distintas temperaturas del agua del depósito: 45°C, 50°C, 55°C y 60°C registrando en cada caso los valores de las temperaturas indicados por los sensores, así como los caudales. 7. Completar la Tabla I.2. con los datos experimentales: Tabla I.2. Datos del Experimento 1

ST-16 (°C)

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

45

50

55

60

ST-1 (°C) ST-2 (°C)

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ST-3 (°C) ST-4 (°C) ST-5 (°C) ST-6 (°C) ST-7 (°C) SC-1 (l/min)

1.0

1.0

1.0

1.0

SC-2 (l/min)

EXPERIMENTO 2: Determinación de la eficiencia (comparación de flujo contracorriente vs paralelo) 8. Repetir pasos 1, 2 y 5. En este caso fijar la temperatura del depósito en 60°C (ST16). 9. Posicionar las válvulas convenientemente para intervenir el sentido del flujo de agua fría consiguiendo una deposición en flujo paralelo. 10. Asegurarnos de que se mantienen a 60°C en el depósito y que circulan los mismos caudales de agua fría y agua caliente que fijamos en el paso 9 11. Una vez estabilizado el sistema registrar los valores de las temperaturas indicados por los sensores, así como los caudales y completar la Tabla I.2 con los datos experimentales (Nota: Tenga en cuenta que los datos del Ensayo 5 de la Tabla I.3. corresponden a los datos previamente registrados para el Ensayo 4 de la Tabla I.2).

Tabla I.3. Datos del Experimento 2

ST-16 (°C)

Ensayo 5 (Flujo contracorriente) 60

Ensayo 6 (Flujo paralelo) 60

ST-1 (°C) ST-2 (°C) ST-3 (°C) ST-4 (°C) ST-5 (°C) ST-6 (°C)

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ST-7 (°C) SC-1 (l/min)

1.0

1.0

SC-2 (l/min)

EXPERIMENTO 3: Influencia del caudal en la transferencia de calor. Cálculo del número de Reynolds. 12. Repetir el paso 8. 13. Posicionar las válvulas convenientemente para intervenir el sentido del flujo de agua fría consiguiendo una posición en flujo contracorriente. 14. Fijar el caudal de agua caliente (SC1) hasta unos 1.0 L/min aproximadamente, manteniendo constante el caudal de agua fría. 15. Cuando se estabilice el sistema anotar las temperaturas y caudales en la Tabla I.4. 16. Repetir los pasos 13 y 14 para caudales de agua caliente de 1.5, 2.0, y 2.5 l/min. (Nota: Tenga en cuenta que los datos del Ensayo 7 de la Tabla I.4. corresponden a los datos previamente registrados para el Ensayo 4 de la Tabla I.3.).

Tabla I.4. Datos del Experimento 3

ST-16 (°C)

Ensayo 7

Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10

60

60

60

60

1.0

1.5

2.0

2.5

ST-1 (°C) ST-2 (°C) ST-3 (°C) ST-4 (°C) ST-5 (°C) ST-6 (°C) ST-7 (°C) SC-1 (l/min) SC-2 (l/min)

30

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RESULTADOS EXPERIMENTO 1:

17. A partir de los datos registrados en la Tabla I.2. calcular el calor cedido por el agua caliente, el calor absorbido por el agua fría, las pérdidas de calor, la diferencia de temperaturas media logarítmicas y el coeficiente global de transferencia de calor. Registrar los resultados en la Tabla I.5: Tabla I.5. Resultados del Experimento 1 Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

Qh (w) Qc (w) Q𝒑 (w) ∆Tlm (K) U (w/m2 K)

EXPERIMENTO 2: 18. A partir de estas medidas recogidas en la Tabla I.3. realizar los cálculos de efectividad experimental, calor cedido por el agua caliente, diferencia de temperaturas media logarítmicas entre el agua caliente y el agua fría, los parámetros U A, NTU, C R y efectividad obtenida por el método NTU; además de las temperaturas de salida para el agua caliente y fría a partir de la efectividad experimental (T2, t2). Registrar estos resultados en la Tabla I.6: Tabla I.6. Resultados del Experimento 2 Ensayo 5 Flujo contracorriente

Ensayo 6 Flujo paralelo

ɛ Q h (w) ∆Tlm (K) U.A (w/m2 ) NTU CR

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ɛNTU T2 (°C) t 2 (°C) EXPERIMENTO 3: 19. A partir de los datos registrados en la Tabla I.4. calcular el calor cedido por el fluido caliente, ganado por el fluido frio, la pérdida de calor, la diferencia de temperaturas medias logarítmicas entre el agua caliente y agua fría, el coeficiente global de calor y el número de Reynolds para cada fluido. Registrar estos resultados en la Tabla I.7:

Tabla I.7. Resultados del Experimento 3 Ensayo 7

Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10

Qh (w) Qc (w) Q (w) ∆Tml (K) U (w/m2 K) Reh Rec

I.5. 

  

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Comparar la tasa de transferencia de calor y la diferencia de temperaturas media logarítmica en flujo paralelo y en flujo contracorriente, indicando cuál de las dos configuraciones mejora la transferencia de calor. Representar la distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador (flujo paralelo y contra corriente) y comentar las diferencias. Representar gráficamente la relación entre el coeficiente global de transferencia de calor y el Re del fluido caliente. Discutir el comportamiento observado. Comentar los valores obtenidos, comparando la efectividad experimental (ε) con la efectividad obtenida por el método NTU.

32

GUÍA DE PRÁCTICAS DEL LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR I Facultad Programa  

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Comparar los valores medidos de las temperaturas a la salida del intercambiador con las obtenidas a partir del método de efectividad NTU. Comentar la influencia del flujo de agua caliente en la efectividad y en las temperaturas.

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PRÁCTICA II: INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCÉNTRICOS SISTEMATIZADO (EDIBON)

II.1.      

OBJETIVOS Realizar el balance global de energía en el intercambiador de calor de tubos concéntricos y determinar y las pérdidas de calor. Comparar la transferencia de calor en condiciones de flujo contracorriente y paralelo. Calcular la diferencia de temperaturas media logarítmica y el coeficiente global de transferencia de calor. Estimar las temperaturas de salida del agua caliente y del agua fría con el método de efectividad NTU y compararlas con los valores medidos. Representar la distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador en ambas configuraciones. Estimar la influencia del caudal de agua caliente y el régimen de flujo en la transferencia de calor en el intercambiador.

II.2.

MATERIALES Y MÉTODOS

Computador, agua suavizada, unidad de intercambiador de calor de tubos concéntricos ampliado (TITCA, Edibon), unidad base y de servicio (TIUS, Edibon) y caja-interface. En este intercambiador el agua caliente circula por el tubo interior y agua fría circula por el espacio anular. Conformado por dos tubos concéntricos de cobre, con las siguientes dimensiones:

 

Longitud del intercambio de calor: L= 4 m (dividido en 4 secciones de 1 m cada una)

Tubo interior:

Diámetro interno: Dint = 0.016 m Diámetro externo: Dext = 0.018 m Espesor= 0.010 m Área interna de transferencia de calor: Ah = 0.0503 m2 Área externa de transferencia de calor: Ac = 0.0565 m2



Tubo exterior:

Diámetro interno: Dint = 0.026 m Diámetro externo: Dext = 0.028 m

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Figura II.1. Intercambiador de calor de tubos concéntricos ampliado, TITCA EDIBON. II.3.

METODOLOGÍA 1.

Comprobar que las válvulas están abiertas y que tenemos configuración en flujo contracorriente. 2. Comprobar que el depósito de calentamiento está lleno de agua, por encima del interruptor de nivel. 3. Encender la bomba y la resistencia (alimentación del equipo). 4. Fijar la temperatura del depósito en 45°C(ST16) EXPERIMENTO 1: Balance global de energía en el intercambiador y estudio de pérdidas 5. Fijar el caudal de agua caliente en unos 1.0 l/min (SC1) y ajustar el caudal de agua fría hasta alcanzar condiciones de operación estacionarias manteniéndose la temperatura fijada en el depósito constante. 6. Anotar las medidas de temperaturas y caudales en la Tabla II.1. 7. Repetir los pasos 5 y 6 para distintas temperaturas del agua del depósito: 50°C, 55°C y 60°C. Tabla II.1. Datos del Experimento 1

ST16(°C)

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

45

50

55

60

ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST4(°C) ST5(°C)

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ST6(°C) SC1(l/min)

1.0

1.0

1.0

1.0

SC2(l/min)

EXPERIMENTO 2: Estudio de transferencia de calor en condiciones de flujo contracorriente y en condiciones de flujo paralelo 8. Posicionar las válvulas convenientemente para invertir el sentido del flujo de agua fría consiguiendo una disposición en flujo paralelo. 9. Asegurarnos de que se mantienen 60°C en el depósito y que circulan los mismos caudales de agua fría y caliente que fijamos en el paso 5. 10. Una vez estabilizado el sistema anotar las medidas de temperatura y caudales en la Tabla II.2. (Nota: Tenga en cuenta que los datos del Ensayo 5 de la Tabla II.2. corresponden a los datos previamente registrados para el Ensayo 4 de la Tabla II.1.).

Tabla II.2. Datos del Experimento 2

ST16(°C)

Ensayo 5 (flujo contracorriente) 60

Ensayo 6 (flujo paralelo) 60

1.0

1.0

ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST4(°C) ST5(°C) ST6(°C) SC1(l/min) SC2(l/min)

EXPERIMENTO 3: Influencia del caudal en la transferencia de calor. Cálculo del número de Reynolds. 11. Posicionar las válvulas convenientemente para intervenir el sentido del flujo de agua fría consiguiendo una posición en flujo contracorriente.

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12. Fijar el caudal de agua caliente (SC1) hasta unos 1.0 L/min aproximadamente, manteniendo constante el caudal de agua fría. 13. Cuando se estabilice el sistema anotar las temperaturas y caudales en la Tabla II.3. 14. Repetir los pasos 12 y 13 para caudales de agua caliente de 1.5, 2.0 y 2.5 l/min. (Nota: Tenga en cuenta que los datos del Ensayo 7 de la Tabla II.3. corresponden a los datos previamente registrados para el Ensayo 4 de la Tabla II.2.).

Tabla II.3. Datos del Experimento 3

ST-16 (°C)

Ensayo 7

Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10

60

60

60

60

1.0

1.5

2.0

2.5

ST-1 (°C) ST-2 (°C) ST-3 (°C) ST-4 (°C) ST-5 (°C) ST-6 (°C) ST-7 (°C) SC-1 (l/min) SC-2 (l/min)

II.4.

RESULTADOS EXPERIMENTO 1:

15. A partir de los datos registrados en la Tabla II.1. calcular el calor cedido por el agua caliente, el calor absorbido por el agua fría, las pérdidas de calor, la diferencia de temperaturas media logarítmicas y el coeficiente global de transferencia de calor. Registrar los resultados en la Tabla II.4: Tabla II.4. Resultados del Experimento 1 Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

Qh (w)

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Qc (w) Q𝐩 (w) ∆Tlm (K) U (w/m2 K)

EXPERIMENTO 2: 16. A partir de estas medidas recogidas en la Tabla II.2. realizar los cálculos de efectividad experimental, calor cedido por el agua caliente, diferencia de temperaturas media logarítmicas entre el agua caliente y el agua fría, los parámetros U A, NTU, C R y efectividad obtenida por el método NTU; además de las temperaturas de salida para el agua caliente y fría a partir de la efectividad experimental (T2, t2). Registrar estos resultados en la Tabla II.5: Tabla II.5. Resultados del Experimento 2 Ensayo 5 Flujo contracorriente

Ensayo 6 Flujo paralelo

ɛ Q h (w) ∆Tlm (K) U.A (w/m2 ) NTU CR ɛNTU T2 (°C) t 2 (°C) EXPERIMENTO 3: 17. A partir de los datos registrados en la Tabla II.3. calcular el calor cedido por el fluido caliente, ganado por el fluido frio, la pérdida de calor, la diferencia de temperaturas medias logarítmicas entre el agua caliente y agua fría, el coeficiente global de calor y el número de Reynolds para cada fluido. Registrar estos resultados en la Tabla II.6:

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Tabla II.6. Resultados del Experimento 3 Ensayo 7

Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10

Qh (w) Qc (w) Q (w) ∆Tml (K) U (w/m2 K) Reh Rec

I.5.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES



Comparar la tasa de transferencia de calor y la diferencia de temperaturas media logarítmica en flujo paralelo y en flujo contracorriente, indicando cuál de las dos configuraciones mejora la transferencia de calor.



Representar la distribución de temperaturas para flujo contracorriente y para flujo paralelo. Para ello preparar graficas usando en el eje de ordenadas los valores de la temperatura del agua caliente y el agua fría, y en el eje de las abscisas representar la posición a lo largo del intercambiador en metros (x). Tener en cuenta que la longitud de cada sección de intercambio es 1 m. Comentar las diferencias.

   

Representar gráficamente la relación entre el coeficiente global de transferencia de calor y el Re del fluido caliente. Discutir el comportamiento observado. Comentar los valores obtenidos, comparando la efectividad experimental (ε) con la efectividad obtenida por el método NTU. Comparar los valores medidos de las temperaturas a la salida del intercambiador con las obtenidas a partir del método de efectividad NTU. Comentar la influencia del flujo de agua caliente en la efectividad y en las temperaturas.

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PRÁCTICA III: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE VASIJA ENCAMISADA (EDIBON)

III.1.      

OBJETIVOS

Realizar el balance global de energía en el sistema y determinar el calor cedido por el fluido caliente, el calor ganado por el fluido frío y las pérdidas de calor. Determinar la efectividad del intercambiador tanto experimentalmente como teóricamente (con el método NTU). Estudiar la influencia del caudal de agua caliente en la transferencia de calor en el intercambiador. Estudiar el efecto del número de Reynolds de agitación sobre la transferencia de calor. Estudiar el efecto sobre la transferencia de calor de la masa de agua contenida en la vasija. Calcular la diferencia de temperaturas media logarítmica y el coeficiente global.

III.2.

MARCO TEÓRICO

El funcionamiento de las vasijas (tanques o recipientes) agitadas puede ser: 



Por lotes o batches, cuando la masa contenida en la vasija permanece constante. Una vez calentada o enfriada hasta una temperatura determinada, se vacía el contenido y se vuelve a llenar para repetir el proceso. También permite mantener la temperatura constante en el fluido, que será de gran utilidad en muchos procesos químicos. De alimentación continua, cuando existe un caudal permanente de entrada y salida a la vasija. Es un proceso continuo de renovación del líquido de la vasija.

CÁLCULO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADORES DE VASIJA AGITADA 

Cuando los fluidos se alimentan continuamente:

Cuando la vasija agitada funciona con ambos fluidos circulando continuamente, la tasa de transferencia de calor entre ambos corresponde a la siguiente expresión: dQ Q   U A Tlm dt

(III.1)

Siendo U el coeficiente global de transferencia de calor, A el área de transferencia de calor y ∆𝑇 la variación de temperatura logarítmica media. 

Cuando los fluidos operan por lotes:

Dado que la masa de fluido de la vasija no se renueva, su temperatura irá aumentando o disminuyendo a medida que transcurre el tiempo, debido al fluido que circula por la camisa o por el serpentín. La tasa de transferencia de calor para el fluido de la vasija será:

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dQ dTv Q   m Cp dt dt

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(III.2)

Siendo m la masa de fluido contenido en la vasija, Cp la capacidad calorífica y dTv/dt la variación de la temperatura del fluido de la vasija con el tiempo. Si despreciamos pérdidas de calor podemos Igualar las expresiones (III.1), que aplica para el fluido en la camisa y (III.2), para el fluido contenido en la vasija; luego, reordenando términos e integrando a ambos lados se obtiene: dTv

U A

 T   m C

(III.3)

dt

p

Si se asume que la temperatura del fluido en la vasija es uniforme en todo el recipiente en un instante determinado (Tv) y que el incremento de temperatura que se produce en el intercambiador entre ambos fluidos es: ∆𝑇 = 𝑇 + 𝑇 , siendo 𝑇 la temperatura media del fluido que circula por la camisa o por el serpentín: Tlm 

Tl ,i  Tl ,o

(III.4)

2

Donde 𝑇 , 𝑦 𝑇 , son las temperaturas a la entrada y a la salida respectivamente). Asumiremos también que 𝑇 permanece constante con el tiempo. De este modo: Tv , 2



Tv ,1

dTv U A  Tlm  Tv m C p

t

 dt

(III.5)

0

Por lo tanto, el tiempo transcurrido desde que la temperatura del fluido de la vasija pasa de 𝑇 hasta 𝑇 , es: t

 T  Tv ,1 ln  lm T T U A v,2  lm

mCp

,

  (III.6)  

Del mismo modo, la evolución de la temperatura final del fluido de la vasija con el tiempo es: 𝑇

III.3.

,

=𝑇

− 𝑇

−𝑇

,

·𝑒

∙ ∙

·

(III.7)

MATERIALES Y MÉTODOS

Computador, agua suavizada, cronómetro, probeta, unidad de intercambiador de vasija encamisada (TIVE, Edibon), unidad base y de servicio (TIUS, Edibon) y caja-interface.

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La vasija (o depósito interior) del intercambiador está fabricada en acero inoxidable AISI 304 (espesor 1.5 mm) y tiene como dimensiones externas 140 x 140 x 350 mm. Está provista de un agitador electrónico con varilla de agitación en forma de hélice y con un rango de giro entre 50 y 2000 rpm. La camisa (o depósito) exterior por el que circula el agua caliente, está fabricado en PVC glass (espesor 8 mm) y sus dimensiones son 200 x 200 x 350 mm.

Figura III.1. Intercambiador de vasija encamisada, TIVE EDIBON. III.4.

METODOLOGÍA

1. Comprobar que las válvulas están abiertas y que tenemos configuración en flujo paralelo. 2. Comprobar que el depósito de calentamiento está lleno de agua, por encima del interruptor de nivel. 3. Comprobar que la válvula AV9 está abierta y que la válvula AV10 está cerrada. 4. Encender la bomba y la resistencia (alimentación del equipo). EXPERIMENTO 1: Balance global de energía y cálculo de pérdidas 5. Fijar la temperatura del depósito en 45°C (ST1). 6. Fijar el caudal de agua caliente en unos 1.0 L/min (SC1) y ajustar el caudal de agua fría hasta alcanzar condiciones de operación estacionarias manteniéndose la temperatura fijada en el depósito constante. 7. Fijar la velocidad de giro del agitador en 500 rpm. 8. Anotar las medidas de temperatura y caudales en la Tabla III.1. 9. Repetir los pasos 5, 6 y 8 para distintas temperaturas del agua del depósito: 50 °C, 55°C y 60°C.

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Tabla III.1. Datos del Experimento 1 Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

45

50

55

60

1.0

1.0

1.0

1.0

Volumen vasija (L)

5.5

5.5

5.5

5.5

Velocidad giro (rpm)

500

500

500

500

ST16 (°C) ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST4(°C) ST5(°C) SC1 (L/min) SC2 (L/min)

EXPERIMENTO 2: Determinación de la eficiencia del intercambiador. Método NTU. 10. Fijar la temperatura del depósito en 60 °C (ST16). 11. Fijar el caudal de agua caliente en unos 1.0 L/min (SC1) y ajustar el caudal de agua fría hasta alcanzar condiciones de operación estacionarias manteniéndose la temperatura fijada en el depósito constante. 12. Fijar la velocidad de giro del agitador en 500 rpm. 13. Anotar las medidas de temperatura y caudales en la Tabla III.2. (Nota: Tenga en cuenta que los datos del Ensayo 5 de la Tabla III.2 corresponden a los datos previamente registrados para el Ensayo 4 de la Tabla III.1). 14. Aumentar la velocidad de giro del agitador hasta 1000 rpm. 15. Asegurarnos d que se mantiene 60 °C en el depósito y que circulan los mismos caudales de agua fría y caliente que fijamos en el paso 11. 16. Una vez estabilizado el sistema registrar los valores de las temperaturas indicados por los sensores, así como los caudales y completar la Tabla III.2 con los datos experimentales Tabla III.2. Datos del Experimento 2

ST16 (°C)

Ensayo 5

Ensayo 6

60

60

ST1(°C)

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ST2(°C) ST3(°C) ST4(°C) ST5(°C) SC1 (L/min)

1.0

1.0

Volumen vasija (L)

5.5

5.5

Velocidad giro (rpm)

500

1000

SC2 (L/min)

EXPERIMENTO 3: Influencia del caudal en la transferencia de calor. Cálculo del número de Reynolds. 17. Fijar el caudal de agua caliente hasta 1.0 L/min manteniendo constante el caudal de agua fría. 18. Cuando se estabilice el sistema, anotar las temperaturas y caudales en la Tabla III.3. 19. Repetir los pasos 17 y 18 para caudales de 1.5, 2.0 y 2.5 L/min.

(Nota: Tenga en cuenta que los datos del Ensayo 7 de la Tabla III.3. corresponden a los datos previamente registrados para el Ensayo 4 de la Tabla III.2.). Tabla III.3. Datos del Experimento 3 Ensayo 7

Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10

1.0

1.5

2.0

2.5

Volumen vasija (L)

5.5

5.5

5.5

5.5

Velocidad giro (rpm)

500

500

500

500

ST16 (°C)

65

ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST4(°C) ST5(°C) Tmh = (ST4+ST5)/2 SC1 (L/min) SC2 (L/min)

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EXPERIMENTO 4: Influencia de la agitación en la vasija sobre la transferencia de calor en operación por lotes 20. Comprobar que la válvula AV10 está cerrada. 21. Llenar la vasija, suministrando agua de la red. Una vez alcanzado el nivel del rebosadero (V = 5.5 litros), cerrar el suministro de agua. 22. Encender la bomba y la resistencia (alimentación del equipo). 23. Fijar la temperatura del depósito en 60 °C (ST16) y el caudal de agua caliente en 1.0 L/min (SC1). 24. Fijar la velocidad de giro en 500 rpm. 25. Anotar las medidas de temperatura en la Tabla III.4 a la vez que se pone en marcha el cronómetro. 26. Anotar las medidas de la temperatura en la vasija (ST2) y a la entrada y salida del agua caliente (ST1 y ST3) cada minuto de tiempo transcurrido. 27. Transcurridos 10 minutos, volver a anotar las medidas de temperaturas y registrarlas en la Tabla III.4. 28. Repetir los pasos 21 a 27 para distintas velocidades de giro: 1000 rpm y 1500 rpm, y completar la Tabla III.4 con los datos obtenidos:

Tabla III.4. Datos del Experimento 4 Tiempo (min)

Ensayo 11

Ensayo 12

Ensayo 13

ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ST1 (°C) SC1 (L/min) Volumen vasija Velocidad giro

60 1.0 5.5 L 500 rpm

60 1.0 5.5 L 1000 rpm

60 1.0 5.5 L 1500 rpm

EXPERIMENTO 5: Influencia de la masa de fluido en el interior de la vasija sobre la transferencia de calor en operación por lotes

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29. Repetir los pasos 21 a 27 y registrar las temperaturas y caudales en la Tabla III.5. Realizar los ensayos para distintos volúmenes en la vasija (4 litros y 3 litros), manteniendo constante la agitación en 500 rpm y la temperatura inicial en el depósito en 60°C. Para obtener estos volúmenes bastará con abrir la válvula AV10 lentamente y medir con una probeta el volumen desalojado de la vasija. Completar con los datos registrados la Tabla III.5.

Tabla III.5. Datos del Experimento 5 Tiempo (min)

Ensayo 14 (V = 5.5 litros)

Ensayo 15 (V = 4 litros)

Ensayo 16 (V = 3 litros)

ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ST1 (°C) SC1 (L/min) Volumen vasija (L) Velocidad giro (rpm) III.5.

60 1.0

60 1.0

60 1.0

5.5

4

3

500

500

500

RESULTADOS EXPERIMENTO 1:

30. A partir de estas medidas recogidas en la Tabla III.1 calcular el calor cedido por el agua caliente (Qh), el calor absorbido por el agua fría (Qc), las pérdidas de calor (QP), el incremento de temperatura media (∆Tml) y el coeficiente global de transferencia de calor (U). Tabla III.6. Resultados del Experimento 1 Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

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Qh (w) Qc (w) QP (w) ∆Tml (K) U (w/m2 k)

EXPERIMENTO 2: 31. A partir de las medidas recogidas en la Tabla III.2 calcular la efectividad experimental (ε), el calor cedido por el agua caliente (Qh), la diferencia de temperaturas media logarítmica entre el agua caliente y el agua fría (∆Tml), los parámetros U·A, NTU y CR, la efectividad obtenida con el método NTU (εNTU) y las temperaturas a la salida del intercambiador tanto del agua caliente como del agua fría obtenidas a partir de la efectividad (T h,o y Tc,o). completar la Tabla III.7. Tabla III.7. Resultados del Experimento 2 Ensayo 5

Ensayo 6

ε Qh (w) ∆Tlm (k) U·A (w/k) NTU CR εNTU Th,o (°C) Tc,o (°C)

EXPERIMENTO 3: 32. A partir de las medidas recogidas en la Tabla III.3 calcular el calor cedido por el agua caliente (Qh), el calor absorbido por el agua fría (Qc), la pérdida de calor (QP), la diferencia de temperaturas media logarítmica entre el agua caliente y el agua fría (∆Tml), el

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coeficiente global de transferencia de calor (U), las velocidades del agua caliente y del agua fría en el intercambiador (vh, vc) y el número de Reynolds para el agua caliente y para el agua fría (ReDh, ReDc). Completar la Tabla III.8.

Tabla III.8. Resultados del Experimento 3 Ensayo 7

Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10

Qh (w) Qc (w) QP(w) ∆Tlm (k) U (w/m2 K) vh (m/s) vc (m/s) ReDh ReDc EXPERIMENTO 4: 33. A partir de estas medidas recogidas en la Tabla III.4 calcular el calor cedido por el agua caliente (Qh), el calor absorbido por el agua fría (Qc), la pérdida de calor (QP), el incremento de temperatura media entre el agua caliente y el agua fría (∆Tml), el coeficiente global de transferencia de calor (U), el incremento de temperatura del agua de la vasija después de transcurridos 10 minutos (Tv2-TV1). Completar la Tabla III.9.

Tabla III.9. Resultados del Experimento 4 Ensayo 11

Ensayo 12

Ensayo 13

Qh (w) Qc (w) QP (w) ∆Tlm (K)

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U (w/m2 K) Tv2-Tv1

EXPERIMENTO 5: 34. A partir de los datos recogido en la Tabla III.4 calcular el calor cedido por el agua caliente (Qh), el calor absorbido por el agua fría (Qc), la pérdida de calor (QP), el incremento de temperatura media entre el agua caliente y el agua fría (∆Tml), el coeficiente global de transferencia de calor (U), el incremento de temperatura del agua de la vasija después de transcurridos 10 minutos (Tv2-TV1). Completar la Tabla III.10.

Tabla III.10. Resultados del Experimento 5 Ensayo 14

Ensayo 15

Ensayo 16

Qh (w) Qc (w) QP (w) ∆Tlm (K) U (w/m2 K) Tv2-Tv1

III.6. 



ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Representar la distribución de temperaturas para el primer ensayo (500 rpm) y para el segundo (1000 rpm). Para ello representar en el eje de coordenadas los valores de la temperatura del agua caliente y el agua fría en C (T), y en el eje de abscisas representar la posición a lo largo del intercambiador en metros (X). Tener en cuenta que la longitud del intercambio es aproximadamente el perímetro de camisa que tenemos dos puntos de medida. Representar la evolución de la temperatura de la vasija con el tiempo a partir de los datos experimentales y comparar esta tendencia con lo predicho por la Ecuación III.7.

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PRÁCTICA IV: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS (EDIBON)

IV.1.   

OBJETIVOS

Realizar el balance global de energía y cálculo de la eficiencia en un intercambiador de placas en flujo contra corriente y flujo paralelo Calcular las diferencias de temperatura media logarítmica y el coeficiente global de transferencia de calor. Representar la distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador (flujo paralelo y contra corriente).

IV.2.

MARCO TEÓRICOS

El siguiente proceso para calcular la transferencia de calor en un intercambiador de placas será válido para intercambiadores de paso simple en ambos fluidos y podrá aplicarse tanto a flujo contracorriente como paralelo. El área de intercambio de calor en este tipo de intercambiadores es: A=Nxa=NxLxW

(IV.1)

Donde, N es el número de placas térmicas (número total de placas menos las 2 de los extremos), a es el área de una placa, L es la altura de la placa (en la dirección del flujo) y W es el ancho de la placa. Para determinar el flujo másico de ambos fluidos a través de cada paso simple, habrá que tener en cuenta si el número de placas es impar o par. Si el número de placas es impar los flujos másicos se calculan con las fórmulas:

m h 

2 Mh , para el fluido caliente N 1

m c 

(IV.2)

2 Mc , para el fluido frío (IV.3) N 1

Donde Mh y Mc son respectivamente los flujos másicos totales del fluido caliente y frío que entran en el intercambiador, N + 1 es el número de pasos totales de ambos fluidos.

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Si el número de placas es par, uno de los fluidos tendrá N/2 pasos mientras que el otro tendrá N/2+1 pasos simples. Así, los flujos másicos se calculan con las fórmulas y 5:

m h 

Mh N 2

m C 

MC N 2 1

o m h 

Mh , N 2 1

o m C  M C , N 2

para el fluido caliente (IV.4)

para el fluido frío

(IV.5)

El coeficiente global de transferencia de calor, U, tendrá la misma expresión:

=

+ +

+𝑅

(IV.6)

Siendo, Rf la resistencia de ensuciamiento, x el espesor de las placas, K la conductividad térmica de las placas, hh y hc los coeficientes de transferencia de calor del fluido caliente y el frío, respectivamente. El coeficiente de transferencia de calor para el fluido caliente se define como:

hh 

Nu h K h De

(IV.7)

Siendo Kh la conductividad térmica del fluido caliente, De el diámetro equivalente y Nuh el número de Nusselt para el fluido caliente. El coeficiente de transferencia para el fluido frío se define de forma análoga, pero variando las propiedades del fluido al estar a distinta temperatura media. Se define el diámetro equivalente para un intercambiador de placas de acuerdo a la ecuación:

De 

4 Volumen 4WLb   2b Área 2WL

(IV.8)

Donde b es la separación entre placas contiguas.

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El número de Nusselt se obtiene a partir de las tablas de características de las places del intercambiador. Estas tablas o gráficos suelen estar en posesión de los fabricantes. En ellas se relaciona el número de Nusselt y el número de Prandtl con el número de Reynolds. El número de Reynolds para el fluido caliente (análogamente para el fluido frío) se definirá así: Re h 

 h v h D e m h De 2 m h   h h h W

(IV.9)

Donde μh es la viscosidad dinámica basada en la temperatura media del fluido caliente. IV.3.

MATERIALES Y MÉTODOS

Computador, agua suavizada, unidad de intercambiador de placas ampliado (TIPLA, Edibon), unidad base y de servicio (TIUS, Edibon) y caja-interface.

Figura IV.1. Intercambiador de placas, TIPLA EDIBON.

El intercambiador de calor está constituido por varios platos de acero inoxidable corrugado, que son desmontables. Posee 4 conexiones para entrada y salida de agua caliente y fría. El flujo maximo permitido es de 12m3/h. la máximum presión de trabajo permisible es 10 bar. Pueden usarse hasta 20 platos como máximo. La capacidad del circuito interno es de 0.176 l y el externo es de 0.22 l. El área es de 0.32 m2. El equipo además cuenta con 10 sensores de temperatura tipo J, 5 sensores destinados para medir la temperatura del agua fría (a la entrada, salida y varias posiciones intermedias) y el resto es para medir las correspondientes temperaturas en el circuito del agua caliente.

IV.4.

METODOLOGÍA

53

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Verificar que los sensores de caudal y temperatura estén conectados a la caja-interface de control y que ésta, a su vez, se encuentre conectada al computador. Corroborar que el equipo se encuentre conectado al transformador de 110 V a 220 V. Encender el computador y la caja-interface de control. Iniciar el software de control y adquisición de datos dando click sobre el icono TCC que se encuentra en el Escritorio del PC. Dar click en el botón Conectar para iniciar la conexión entre el equipo y el computador. Comprobar que las válvulas están abiertas y que se tiene configuración en flujo paralelo. Comprobar que el depósito de calentamiento está lleno de agua por encima del interruptor de nivel. Encender la bomba y la resistencia (alimentación del equipo). EXPERIMENTO 1: Balance global de energía en el intercambiador y estudio de pérdidas

9. Fijar la temperatura del depósito en 45°C (ST16). 10. Fijar el caudal de agua caliente en 1.0 L/min (SC1) y ajustar el caudal de agua fría hasta alcanzar condiciones de operación estacionarias, manteniéndose a la temperatura fijada en el depósito constante. 11. Anotar las medidas de temperaturas y caudales en la hoja que se registran en el equipo. 12. Repetir los pasos 9 a 11 para distintas temperaturas del agua del depósito: 50°C, 55°C y 60°C y completar la Tabla IV.1.

Tabla IV.1. Datos del Experimento 1

ST16(°C)

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

45

50

55

60

ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST4(°C) ST5(°C) ST6(°C) ST7(°C) ST8(°C)

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ST9(°C) ST10(°C) SC1(L/min)

1.0

1.0

1.0

1.0

SC2(L/min)

EXPERIMENTO 2: Determinación de la eficiencia del intercambiador (comparación de flujo contracorriente vs paralelo) 13. Posicionar las válvulas para invertir el sentido del flujo de agua fría y conseguir una disposición de flujo en contracorriente. 14. Fijar la temperatura del depósito en 60°C (ST16). 15. Fijar el caudal de agua caliente en 1.0 L/min (SC1) y ajustar el caudal de agua fría hasta alcanzar condiciones de operación estacionarias, manteniendo constante la temperatura en el depósito. 16. Una vez estabilizado el sistema registrar los valores de las temperaturas indicados por los sensores, así como los caudales y completar la Tabla IV.2. con los datos experimentales. (Nota: Tenga en cuenta que los datos del Ensayo 5 de la Tabla IV.2. corresponden a los datos previamente registrados para el Ensayo 4 de la Tabla IV.1.).

Tabla IV.2. Datos del Experimento 2

ST16(°C)

Ensayo 5

Ensayo 6

Flujo paralelo

Flujo contracorriente

60

60

ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST4(°C) ST5(°C) ST6(°C) ST7(°C) ST8(°C)

55

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ST9(°C) ST10(°C) SC1 (L/min)

1.0

1.0

SC2 (L/min)

EXPERIMENTO 3: Influencia del caudal en la transferencia de calor. Cálculo del número de Reynolds. 17. Se repiten los pasos del 1 al 8 anteriormente mencionados. 18. Fijar la temperatura del depósito en 60°C (ST16). 19. Fijar el caudal de agua caliente en 1.0 L/min manteniendo constante el caudal de agua fría. A su vez hay que conseguir la misma temperatura media en el agua caliente (para que las propiedades físicas del agua caliente no varíen durante la práctica). Para ello habrá que disminuir la potencia de la resistencia del depósito y hacer el promedio de las temperaturas del agua caliente: Tmh = (T1+T2+T3+T4+T5)/5, hasta alcanzar un valor lo más próximo posible al del ensayo anterior. 20. Cuando se estabilice el sistema anotar las temperaturas y caudales en la Tabla IV.3. 21. Repetir los pasos 19 y 20 para caudales de agua caliente de 1.5 L/min, 2 L/min y 2.5 L/min. (Nota: Tenga en cuenta que los datos del Ensayo 7 de la Tabla IV.3 corresponden a los datos previamente registrados para el Ensayo 5 de la Tabla IV.2).

Tabla IV.3. Datos del Experimento 3 ST16(°C)

Ensayo 7

Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10

60

60

60

60

ST1(°C) ST2(°C) ST3(°C) ST4(°C) ST5(°C) ST6(°C) ST7(°C) ST8(°C) ST9(°C) ST10(°C)

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Tmh = (ST1+ST2+ST3+ST4+ST5)/5 SC1 (L/min)

1.0

1.5

2.0

2.5

SC2 (L/min)

IV.5.

RESULTADOS EXPERIMENTO 1:

22. A partir de los datos registrados en la Tabla IV.1. calcular el calor cedido por el agua caliente, el calor absorbido por el agua fría, las pérdidas de calor, la diferencia de temperaturas medias logarítmicas y el coeficiente global de transferencia de calor. Registrar los resultados en la Tabla 4:

Tabla IV.4. Resultados del Experimento 1 Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

Qh (w) Qc (w) Q𝐩 (w) ∆Tlm (K) U (w/m2 K) EXPERIMENTO 2: 23. A partir de estas medidas recogidas en la Tabla IV.2. realizar los cálculos de efectividad experimental, calor cedido por el agua caliente, diferencia de temperaturas media logarítmicas entre el agua caliente y el agua fría, la efectividad experimental y la obtenida por el método NTU; además de las temperaturas de salida para el agua caliente y fría a partir de la efectividad experimental (Th,o, Tc,o). Registrar estos resultados en la Tabla IV.5.

Tabla IV.5. Resultados del Experimento 2 Ensayo 5

Ensayo 6

Flujo paralelo

Flujo contracorriente

ɛ

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Q h (w) ∆Tlm (K) NTU ɛNTU Th,o (°C) Tc,o (°C)

PRACTICA 3: 24. A partir de los datos registrados en la Tabla IV.3. calcular el calor cedido por el fluido caliente, ganado por el fluido frio, la pérdida de calor, la diferencia de temperaturas medias logarítmicas entre el agua caliente y agua fría, el coeficiente global de calor y el número de Reynolds para cada fluido. Registrar estos resultados en la Tabla IV.6.

Tabla IV.6. Resultaos del Experimento 3 Ensayo 7

Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10

Qh (w) Qc (w) Q𝐩 (w) ∆Tlm (K) U (w/m2 K) Reh Rec

III.6. 



ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Comparar la tasa de transferencia de calor y la diferencia de temperaturas media logarítmica en flujo paralelo y en flujo contracorriente, indicando cuál de las dos configuraciones mejora la transferencia de calor. Comentar los valores obtenidos, comparando la efectividad experimental (ꜫ) con la efectividad obtenida por el método NTU (ꜫNTU)

58

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Comparar los valores medidos de las temperaturas a la salida del intercambiador con las obtenidas a partir de la efectividad experimental. Comentar la influencia del flujo de agua caliente en la efectividad y en las temperaturas.

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PRÁCTICA V: INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CORAZA (AGUA – VAPOR)

V.1.    V.2.

OBJETIVOS Realizar el balance global de energía en el sistema y determinar el calor cedido por el fluido caliente, el calor ganado por el fluido frío y las pérdidas de calor. Determinar la efectividad del intercambiador tanto experimentalmente como teóricamente (con el método NTU). Calcular la diferencia de temperaturas media logarítmica y el coeficiente global. MATERIALES Y MÉTODOS

Probeta, balde, intercambiador de calor de tubos y coraza, cronómetro, guantes para manipulación de superficies calientes y termómetro. En este intercambiador el agua fría da dos pasos por los tubos internos y el vapor de agua saturado da un paso por la carcasa en donde se condensa.

Tubos internos

Carcasa

Tabla V.1. Datos del intercambiador de calor Cantidad: 18 tubos con arreglo triangular. Espacio entre tubos: 13/16 pulg. Diámetro interno: 0.25 pulg. Diámetro externo: 0.375 pulg. Longitud cada tubo: L = 2.642 pies. Material: cobre. Diámetro nominal: 6 pulg, cédula: 40. Diámetro interno: 6.065 pulg. Diámetro externo: 6.625 pulg. Longitud de intercambio de la carcasa: L = 2.462 pies. Material: acero al carbono Accesorios: 6 deflectores verticales del tipo segmentado, 2 bridas y 2 toberas verticales en los extremos.

El equipo también cuenta con cuatro manómetros tipo carátula, cuatro termómetros tipo carátula, un rotámetro y válvula reguladora de presión.

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Figura V.1. Intercambiador de tubos y coraza (1: entrada de vapor, 2: entrada de agua, 3: salida de agua, 4: salida de condensado) V.3.

METODOLOGÍA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Abrir completamente y en forma gradual las válvulas W1 y W2 para iniciar el flujo de agua fría hacia el intercambiador de calor. Abrir completamente la válvula W4 (salida de agua caliente). Abrir la válvula de alivio de la coraza para realizar la purga del sistema de gases no condensables. Abrir en forma gradual la válvula V1 que permite el flujo de vapor de la línea principal de vapor de la caldera. Abrir completamente la válvula V3 para la salida de condensado. Abrir gradualmente la válvula V2 que inicia la entrada de vapor al intercambiador de calor. Esperar el tiempo necesario para que se realice la purga de la carcasa y se observe salida de vapor en forma constante desde el intercambiador. Luego, cierre la válvula de alivio. Si se desea regular el flujo de agua fría al intercambiador de calor, se debe manipular la válvula W2 y comprobar el caudal en el rotámetro ubicado a la entrada del intercambiador de calor.

EXPERIMENTO 1: Balance global de energía y cálculo de pérdidas 9. Ajustar la presión de entrada de vapor al intercambiador a 20 psig, manipulando la válvula V2 y esperar a alcanzar el estado estacionario. 10. Para determinar el caudal de condensado, abrir completamente y en forma gradual la válvula V3 y cerrar la válvula V4. Recoger en un balde el condensado que sale del

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11. 12.

13. 14. 15.

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intercambiador registrando con cronómetro el volumen recogido en una cantidad de tiempo y la temperatura del mismo. Repetir el procedimiento por triplicado y registrar los datos en la Tabla V.2. Abrir completamente y en forma gradual la válvula V4 y cerrar la válvula V3. Para verificar el caudal de agua que sale del intercambiador, abrir completamente y en forma gradual la válvula W3 y cerrar la válvula W4. Recoger en un balde el agua caliente que sale del intercambiador registrando con cronómetro el volumen recogido en una cantidad de tiempo. Repetir el procedimiento por triplicado y registrar los datos en la Tabla V.2. Abrir completamente y en forma gradual la válvula W4 y cerrar la válvula W3. Registrar en la Tabla V.2. la temperatura y presión de entrada y salida de agua y vapor. Repetir los pasos 9 a 14 para distintas presiones de entrada de vapor, entre 5 y 20 psig, registrando en cada caso los valores de las temperaturas, presiones y caudales en la Tabla V.2. con los datos experimentales: Tabla V.2. Datos del Experimento 1 PV1 (psig) PV2 (psig) TV1 (°C) TV2 (°C) PW1 (psig) PW2 (psig) TW1 (°C) TW2 (°C) Réplica 1

V (mL) t (s)

Réplica 2 Réplica 3 Réplica 1

V (mL) t (s) V (mL) t (s) V (mL)

Presión entrada vapor Presión salida vapor

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

20

15

10

5

Temperatura entrada vapor Temperatura salida vapor Presión entrada agua Presión salida agua Temperatura entrada agua Temperatura salida agua Vol. condensado recogido Tiempo cronometrado

Vol. agua salida recogido

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Ingeniería Ing. Química/Mecánica t (s)

Réplica 2 Réplica 3

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Tiempo cronometrado

V (mL) t (s) V (mL) t (s)

16. 17. 18. 19. 20.

Una Vez terminada la experiencia, cerrar lentamente la válvula V1 en la línea de vapor. Cerrar la válvula V2. Abrir completamente la válvula W2 para que fluya agua de enfriamiento al máximo. Abrir la válvula de alivio de presión. Cuando el equipo alcance la temperatura ambiente, cerrar las válvulas W2 y W1 en forma gradual. 21. Dejar abiertas durante un tiempo razonable las válvulas w4 y V4 para drenar el equipo. Por último cerrar ambas válvulas. V.4.

RESULTADOS EXPERIMENTO 1: 22. A partir de los datos registrados en la Tabla V.2. calcular el calor cedido por el agua caliente, el calor absorbido por el agua fría, las pérdidas de calor, la diferencia de temperaturas media logarítmicas, el coeficiente global de transferencia de calor, los parámetros NTU, CR y efectividad obtenida por el método NTU; además de las temperaturas de salida para el agua caliente y fría a partir de la efectividad experimental (T2, t2). Registrar estos resultados en la Tabla I.6. Registrar los resultados en la Tabla V.5: Tabla I.5. Resultados del Experimento 1 Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

Qh (w) Qc (w) Q𝐩 (w) ꜫ ∆Tlm (K) U (w/m2 K) NTU

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Ingeniería Ing. Química/Mecánica

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CR ɛNTU T2 (°C) t 2 (°C)

V.5.   

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Comentar los valores obtenidos, comparando la efectividad experimental (ε) con la efectividad obtenida por el método NTU. Comparar los valores medidos de las temperaturas a la salida del intercambiador con las obtenidas a partir del método de efectividad NTU. Comentar la influencia de la presión de vapor a la entrada en la efectividad y en las temperaturas.

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