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LAB. PRQ-203

UNIVERSIDAD MAYOR, REAL Y PONTIFICIA SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA Facultad de Ciencias y Tecnología

Laboratorio de Operaciones 2 (LAB PRQ-203) Transferencia de Calor en un Intercambiador de Vasija con Serpentín GRUPO: miércoles 16:00-18:00 PRÁCTICA Nº 6 INTEGRANTES: Paucara Vásquez Alejandra Melani Flores Zaico Kliver Ramos Cayhuara Graciela Zuna Estrada Lucero Concepción Uzeda Rodríguez Adriana Vanessa DOCENTE: Ing. Máximo Arteaga Fecha de realización: 09/10/2019 Fecha de presentación:16/10/2019 SUCRE – BOLIVIA

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Contenido 1. INTRODUCCION................................................................................................3 2. FUNDAMENTO TEORICO.................................................................................3 2.1

Intercambiador de calor tipo serpentín.........................................................3

2.2. Aplicaciones.....................................................................................................4 2.3 Características Técnicas..................................................................................4 2.4 Tipos de Serpentin............................................................................................4 2.5 Ventajas y desventajas.....................................................................................6 3. OBJETIVOS........................................................................................................7 3.2 Objetivo General...............................................................................................7 3.3 Objetivos Específicos.......................................................................................7 4. MATERIALES......................................................................................................7 5. PROCEDIMIENTO..............................................................................................7 6. ESQUEMA DE LA PRACTICA...........................................................................8 7. TABULACIÓN DE DATOS..................................................................................8 8. CÁLCULOS.........................................................................................................9 9. GRAFICAS........................................................................................................16 10.

CONCLUSIONES..........................................................................................17

11.

BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................17

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TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN INTERCAMBIADOR DE VASIJA CON SERPENTÍN 1. INTRODUCCION Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. Son de uso común en variedad de aplicaciones, desde los sistemas domésticos de calefacción y acondicionamiento del aire hasta los procesos químicos y la producción de energía en plantas grandes. 2. FUNDAMENTO TEORICO 2.1 Intercambiador de calor tipo serpentín Se denomina serpentín o serpentina a un tubo de forma frecuentemente espiral, utilizado comúnmente para enfriar vapores provenientes de la destilación en un calderín y así condensarlos en forma líquida. Suele ser de vidrio, cobre u otro material que conduzca el calor fácilmente. Los serpentines se usan desde la antigüedad en la destilación de bebidas alcohólicas, aunque en la actualidad cualquier proceso de refinado de crudos u obtención de un producto químico puede utilizar un serpentín, bien para enfriar, bien para calentar líquidos o gases.

Los calentadores de agua para el hogar que funcionan con gas butano llevan un serpentín, que es expuesto a las llamas y dentro del cual circula el agua a calentar. También se utiliza un aparato muy parecido para esterilizar la leche, el cual la somete a un cambio brusco de temperatura haciéndola pasar de un serpentín caliente a otro refrigerado en un lapso breve. El serpentín también forma parte de los equipos de aire acondicionado. El serpentín es un equipo intercambiador de calor que al estar en contacto con el aire de retorno el cual regresa caliente, enfría el aire y lo envía de nuevo mediante los LABORATORIO OPERACIONES UNITARIAS II

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ductos transportadores a las instalaciones y mediante este proceso la temperatura del aire presente en las instalaciones se mantiene cálido y agradable. Los Serpentines son usados en muchas y diversas aplicaciones, cada una tiene sus desafíos. Las aletas de placa y los tubos aletados, combinadas junto con diferentes patrones de tubos; permiten adaptar los serpentines y vencer los desafíos.  Aletas de Placa. - Cada aleta es cortada de una hoja lisa de metal y luego agujerada en un patrón especifico que acomoda todos los tubos.  Tubos Aletadas. - (Espirales) Una hilera delgada de material, es tensionada a cada tubo individualmente. Estos tubos aleteados se pueden colocar casi a cualquier distancia deseada. Estos son los estilos más comunes de aletas, cada uno tiene sus ventajas permitiendo un diseño apropiado del serpentín para su aplicación y requerimientos. 2.2. Aplicaciones  Como ya se mencionó se pueden aplicar a cualquier sistema de refrigeración, acondicionares de aires ó enfriadores de líquidos como:  Aires acondicionados centrales.  Aires acondicionados Vehiculares.  Unidades condensadoras para refrigeración comercial e industrial.  Vitrinas refrigeradas.  Botelleros y congeladores.  Enfriadores de agua ó aceites 2.3 Características Técnicas     

Tubería de cobre o en aluminio, liso o ranurado. Cabezales o soportes fabricados en lámina galvanizada o aluminio. Aletas fabricadas en aluminio perfectamente espaciadas entre sí de acuerdo a las necesidades, las aletas pueden ser ranuradas o corrugadas. La tubería es expandida mecánicamente asegurando un contacto perfecto y uniforme entre laminillas y el tubo. Todos los productos son probados con Nitrógeno seco a 500 PSI.

2.4 Tipos de Serpentin  Serpentines evaporadores para baja temperatura. - Para aplicaciones donde la descongelación se hace por resistencia Eléctrica. El espacio entre aleta es de 6 milímetros. Recomendado para aplicaciones donde se requiere temperatura menor a 32º F. LABORATORIO OPERACIONES UNITARIAS II

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Serpentines evaporadores para media temperatura. - Para aplicaciones donde la descongelación se hace por aire. El espacio entre aleta es de 4 milímetros. Recomendado para aplicaciones donde se requiere temperatura mayor a 32º F.



Serpentines Condensadores. - El serpentín del condensador es donde se elimina el calor. La unidad de consolidación está situada en el exterior. Su capacidad original es la de un intercambiador de calor, en el que recoge una sustancia (refrigerante) de su estado vaporoso a fundido. A partir de ese momento, el calor latente es cedido por el contenido y se intercambiará con el refrigerante del condensador. En el ciclo de refrigeración, una bomba de calor transfiere el calor de una fuente cercana de baja temperatura a un fregadero de alta temperatura.



Serpentines De Vapor. - El vapor es el medio preferido para la transferencia de calor en la mayor parte de la industria, para los serpentines de calentamiento de aire. Mover el vapor del calentador al punto de uso es fácil y económico, y el vapor proporciona mucha más energía a una temperatura constante cuando se condensa. Con vapor, el control del proceso es fácil y rápido, y prácticamente no hay tiempo de demora. Tomar decisiones sobre los materiales y la construcción de serpentines es un proceso de varios pasos que implica muchos factores.





Serpentines Estándar (Tipo S): Este tipo de serpentín se usa en la mayoría de aplicaciones en las que las temperaturas de entrada del aire son superiores a 35°F (2°C) y el vapor se halla a una presión constante. Se usa en aplicaciones de proceso de temperatura elevada y para sistemas HVAC "recalentados". No se recomiendan sin embargo, en puntos donde se requieren temperaturas de salida del aire inmediatamente después del

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serpentín, como en sistemas de calentamiento de varias zonas, o donde se usa una válvula de control de vapor modulado para controlar la temperatura. 

Serpentines Centifeed (Tipo C): El serpentín centifeed de una sola fila se puede usar en puntos donde el aire está por debajo de la congelación o si se usa un control de modulación. Se recomienda cuando: Una única fila proporciona el rendimiento necesario Se puede usar una válvula de control de vapor modulado Incluso si se requieren temperaturas de salida de aire en toda la superficie del serpentín Se usan tubos de acero inoxidable Un serpentín centifeed es un tubo plano (que recibe el nombre de tubo de distribución interno de vapor) insertado en un tubo con aletas externo. El tubo central se alimenta con vapor, que viaja por el tubo y se descarga después en el tubo exterior. A continuación, viaja hacia atrás entre la pared externa del tubo de distribución y la pared interna del tubo con aletas al colector de condensado. El tubo interno actúa como un trazador de vapor para mantener caliente el tubo con aletas en toda su longitud.

2.5 Ventajas y desventajas 

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    

Ventajas Estos tipos de intercambiadores se utiliza cuando ay falta de tiempo o de dinero para adquirir un intercambiador comercial ya que son fáciles de construir en un taller. Son fácil removibles y transportables se usan mucho para instalaciones provisoras. El rendimiento del intercambiador es bueno y son fáciles de limpiar exterior mente. La limpieza interior no es un problema ya que generalmente la aplicación es generar vapor. Se puede usar tanto para calentamiento o enfriamiento. Desventajas El vapor no ensucia, pero es bastante corrosivo. Solo se utiliza cuando generalmente el requerimiento de área es pequeño Nos e recomienda cuando el fluido que circula por el interior del tubo es incrustante. Una desventaja notable es el costo de capital frente al costo de operación.

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3. OBJETIVOS 3.2 Objetivo General  Estudiar la transferencia de calor en intercambiadores vasija-serpentín. 3.3 Objetivos Específicos  Determinar las temperaturas y caudales de ambos fluidos (caliente y frio)  Determinar el coeficiente de convección interna y externa.  Determinar las medias de temperatura para flujo paralelo y contracorriente  Determinar el flujo de calor cedido por el flujo caliente  Determinar el calor ganado por el flujo frio  Determinar el calor perdido tomando en cuenta todas las resistencias del equipo 4.     

MATERIALES Computadoras Unidad base (termostato, caldera, bomba, tubos) Interface (computadora censores medidores de nivel y caudal) Regla Calibrador Vernier

5. PROCEDIMIENTO  Conectar el equipo y la interface a la toma corriente.  Poner en funcionamiento la computadora, para posteriormente activar el software Tic.  Encendemos la interface (controlador de todo el sistema) y ponemos en marcha el software Tic, el cual mide y controla todo el circuito por medio de censores.  Llenar el tanque con agua hasta que llegue al sensor de nivel para posteriormente ser calentado automáticamente.  Hacer fluir el agua para ambos flujos a diferentes tipos de caudal para las temperaturas de 40°, 45°, 50°, 55° y 60°C; controlando el tiempo que tarda en llegar de una temperatura a otra y tomar datos de las temperaturas y caudales que nos vota el simulador.  Culminada la practica apagar la interface y cerrar el software Tic.

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6. ESQUEMA DE LA PRACTICA

Vasija

Agitador

Serpentín

7. TABULACIÓN DE DATOS di (m) 0,00435

do (m) 0,00635

d agitador (m) 0,0254

a (m) 0,179

b (m) 0,179

H del H2O (m) 0,302

Rev ¿ min 500 Agua Caliente

e (m) 0,00 8

L serpentín (m) 1,5

w(

Corrida T(°C) ST-16 40 45 50 55 60

SC1 caudal caliente (lt/min) 1.50 1.40 1.20 1.50 1.40

SC2 caudal frio (lt/min) 1.5 1.5 1.4 1.4 1.4

Agua Fría

S-T4 t1 (°C) Entrada

S-T5 t2 (°C) Salida

S-T1 T1 (°C) Entrada

S-T3 T2 (°C) Salida

30.8 36.5 41.2 44.7 51

27.2 30.4 33 35.1 39.9

20.6 20.4 20.6 20.8 21

22.6 23.7 25.2 25.8 28.2

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8. CÁLCULOS Ecuaciones: Calor Cedido (Agua caliente) q cedido =w∗Cp∗(t 1−t 2) Calor Ganado (Agua fría) q ganado=w∗Cp∗(T 2−T 1 ) Calor perdido q P =U∗Ao∗DTLM Área del cilindro AO =π∗d o∗L π π A f 0= ∗(D 2i −d 20) a fi = ¿ di2 4 Numero de Nusselt (Conveccion forzada turbulenta) 4  Dittus-Boelter 0.5