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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA LAB. INTEGRAL III “OPERACIÓN Y DETERMINACION DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCENTRICOS” PRÁCTICA 1 CASTRO PEREZ DELIA BERENICE

Nombre:

No. de Control

Araiza Pilipenko Diego

16070223

Barriguete Ledo Sergio Gerardo

15071678

Calles Segundo Velia Soraida

16070073

Eliseo Murillo Miguel Alejandro

16070085

Estrada Cruz Juan Antonio

16070441

Medina Cano Jesús Adrián

15071677

Núñez Ramos Pablo Isaac

15071080

Orozco Bravo Daniel

15071845

Ortega Moreno Giulia Georgette

15071819

Pelcastre Vega Carlos Arturo

16070163

Plascencia González Harold Christhoper

15070902

Ramos Mendoza Oriana

15071883

Ramos Plasencia Ana Cecilia

15071817

Rivera López María Fernanda

15071840

Rodríguez Fernández Viridiana

16070083

Salazar Espinoza Luisa Fernanda

16070086

Sánchez Mar César Aaron

15071924 Fecha de realización de la práctica: 06/02/19 Fecha de reporte de la práctica: 13/02/19 1

INDICE:

Página:

OBJETIVO………………………………………………………………………………3

MARCO TEORICO……………………………………………………………………3-4

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO…………………………………………………5

PROCEDIMIENTO EMPLEADO………………………………………………………6

DATOS EXPERIMENTALES………………………………………………………… 7-8

RESULTADOS………………………………………………………………………… 8

DISCUSIÓN DE RESULTADOS……………………………………………………… 8-9

COMENTARIOS………………………………………………………………………… 9

COMPETENCIAS APLICADAS Y/O DESARROLLADAS ………………………….10

BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………. 10

APÉNDICES………………………………………………………………………….11-14

2

OBJETIVO Determinar experimentalmente los coeficientes individuales y el coeficiente global de transferencia de calor para un intercambiador de doble tubo.

MARCO TEÓRICO El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas y separados por una pared sólida, ocurre en muchas aplicaciones de ingeniería. El dispositivo que se utiliza para llevar a cabo este intercambio se denomina intercambiador de calor. Los intercambiadores normalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo de flujo y el tipo de construcción. El intercambiador de calor más simple es aquel en el que los fluidos calientes y frio se mueven en la misma dirección o en direcciones opuestas en una construcción de tubos concéntricos (o doble tubo). En el arreglo de flujo paralelo, los fluidos calientes y frio entran por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el mismo extremo. En el arreglo de contraflujo, los fluidos entran por extremos opuestos, fluyen en direcciones opuestas y salen por extremos opuestos. El intercambiador de doble tubo es el tipo más simple que se puede encontrar de tubos rectos. Básicamente consiste en dos tubos concéntricos, lisos o aleteados. Normalmente el fluido frio se coloca en el espacio anular, y el fluido caliente va en el interior del tubo interno. Algunas de sus ventajas son:



Son flexibles, fáciles de armar y mantener.



La cantidad de superficie útil de intercambio es fácil de modificar para adaptar el intercambiador a cambios en las condiciones de operación, simplemente conectado más horquillas o anulándolas; desconectándolas lleva minutos.



Se modifican en poco tiempo, con materiales abundantes en cualquier taller.



No requieren mano de obra especializada para el armado y mantenimiento.



Los repuestos son fácilmente intercambiables y obtenibles en corto tiempo.

3

Algunas de sus aplicaciones son: cuando un fluido es un gas, o un líquido viscoso, o su caudal es pequeño, mientras que el otro es un líquido de baja viscosidad, o con un alto caudal. Son adecuados para servicios con corrientes de alto ensuciamiento con lodos sedimentables o solidos alquitranes por la facilidad con que se limpian. Si hay una buena respuesta a la limpieza química o los fluidos no ensucian, las uniones pueden ser soldadas para resistir altas presiones de operación. Son bastante comunes en procesos frigoríficos.

DESARROLLO MATEMÁTICO:

Q = ṁCp∆T 𝑄

Q = UA∆TMLDT → ⁖ U = 𝐴∆𝑇

𝑀𝐿𝐷𝑇

Para flujo contra corrientes:

∆T1 = T1-t2

∆T2 = T2-t1

∆TMLDT =

∆𝑇₁−∆𝑇₂ ∆𝑇₁ ) ∆𝑇₂

ln (

4

MATERIAL Y EQUIPO:

MATERIAL  2 Vasos de precipitados (50-100ml)  2 Probetas (50-100ml)  Cronometro  Guantes térmicos  Cubeta

Intercambiador de tubos concéntricos

5

PROCEDIMIENTO EMPLEADO 1.- Revisar que la conexión del intercambiador esté dispuesta de manera que sea a contracorriente 2.- Conectar el aparato enfriador de agua 3.-Se agrega agua caliente al recipiente de agua caliente hasta obtener una temperatura de 54°C 4.- Presionar el botón de encendido general 5.- Registrar temperatura inicial de agua fría y de la caliente 6.- Abrir válvulas de agua fría y caliente 7.- Encender la bomba para el agua caliente 8.-Esperar un momento hasta que se lleve a cabo la transferencia de calor 9.- Tomar medida de los flujos frio y caliente 10.- Tomar al mismo tiempo las temperaturas de entrada y salida 11.- Cambiar el flujo de agua fría y caliente mediante la apertura de las válvulas 12.- Esperar unos minutos, medir flujos de entrada y salida nuevamente y realizar la medición de flujos 13.- Desconectar bomba de agua caliente 14.- Cerrar las válvulas de agua fría y caliente 15.- Apagar el equipo presionando el botón te encendido general

6

DATOS EXPERIMENTALES Experimento 1: Volumen (mL) agua caliente

62.5 mL

T entrada del agua caliente (°C)

54 °C

T salida del agua caliente (°C)

40 °C

Tiempo (s) para el agua caliente

7.44 s

Flujo (mL/s) del agaua caliente

8.4005 mL/s

Volumen (mL) del agua fría

54 mL

T entrada del agua fría (°C)

19 °C

T salida del agua fría (°C)

27 °C

Flujo (mL/s) del agua fría

20.7692 mL/s

Tiempo para el agua fría

2.60 s

Experimento 2: Volumen (mL) agua caliente

78 mL

T entrada del agua caliente (°C)

54 °C

T salida del agua caliente °C

42 °C

Tiempo (s) para el agua caliente

3.08 s

Flujo (mL/s) del agua caliente

25.3246 mL/s

Volumen (mL) del agua fría

66 mL

7

T entrada del agau fría (°C)

18 °C

T salida del agua fría (°C)

23 °C

Flujo (mL/s) del agua fría

61.6822 mL/s

Tiempo (s) para el agua fria

1.07 s

RESULTADOS EXPERIMENTO 1

𝑼 =13,072.4942

EXPERIMENTO 2

𝑘𝐽 𝑚²ℎ°𝐶

U= 24,614.9585

𝑘𝐽 𝑚²ℎ°𝐶

DISCUSIÓN DE RESULTADOS En el laboratorio se llevó a cabo la práctica con el objetivo de determinar los coeficientes de transferencia de calor en un intercambiador de calor de tubos concéntricos a varias velocidades de flujo de agua. Se manejaron dos velocidades de flujo, una mediana y otra rápida, las cuales se controlaron mediante una válvula. Los resultados obtenidos mediante cálculos realizados con los datos experimentales registrados nos arrojaron que para la primera corrida (flujo medio) el coeficiente de transferencia de calor fue 13,072.49 KJ/m3h°C, mientras que en la segunda corrida con la válvula más abierta (flujo rápido) se obtuvo un coeficiente de transferencia de calor de 24,614.95 KJ/m3h°C. Con esto concluimos que la transferencia de calor fue mayor cuando la válvula se encontraba más abierta (flujo rápido), lo que quiere decir, que la transferencia de calor es directamente proporcional a la velocidad del flujo, entonces, mientras más velocidad de flujo más grande será nuestro coeficiente global de transferencia de calor.

8

De esta manera podemos afirmar que el objetivo de la práctica se cumplió en su totalidad.

COMENTARIOS Los factores importantes de los que depende el experimento de esta práctica son los siguientes: 

Buena coordinación: Que cada estudiante e integrante del equipo sepa que va a hacer en que momento, siendo dirigidos por unos facilitadores los cuales saben el procedimiento a desarrollar.



Toma de temperaturas: Se debe hacer al mismo tiempo, es decir, de forma simultánea para que los cálculos salgan lo más cercanos a la realidad.



Reestablecer las temperaturas: Ya que el sistema recirculaba el agua tanto la que se enfría como la que se calienta. Es necesario reestablecer las temperaturas deteniendo todo el sistema para volver a comenzar. Se podría elaborar un sistema donde no recircule el agua a su respectivo contenedor lo cual auxiliaría a no tener tantas variaciones con respecto a la temperatura. Y de esta forma evitar la interrupción de la práctica por lo mencionado anteriormente.



Seguridad: A pesar de que solamente se maneja agua, no por eso se debe de descuidar la salud y protección de cada uno, ya que por esos descuidos se producen accidentes.

 Al inicio de la práctica se presentó un inconveniente al momento de encender el equipo, ya que un interruptor del regulador de corriente eléctrica no estaba activado. Por este motivo se tardó un poco el inicio de la práctica. Después de esto se realizó de manera satisfactoria.

9

COMPETENCIAS APLICADAS Y/O DESARROLLADAS 

Especificas

Planeamos y desarrollamos actividades organizadas y repartidas entre los integrantes del equipo para que se lograra el objetivo de la práctica.



Genéricas

Capacidad de análisis, habilidad de: Gestión de información (habilidad para buscar y analizar información proveniente de fuentes diversas). Al momento de realizar el reporte consultamos paginas y documentos necesarios para el análisis de resultados. Trabajo de equipo, compromiso ético, habilidades de investigación, capacidad de aprender, habilidad para trabajar de forma autónoma en busca de un trabajo bien realizado.

Bibliografía  Incropera, Frank P. Fundamentos de transferencia de calor, 4ta Edicion PRENTICE HALL, Mexico, 1999.  Procesos de los procesos químicos, O, A, Hougen, K, M. Watson; R. A Ragatz, Editorial Reverte S, A, 1982, pag. 571  Operaciones Unitarias, Martha Orozco Flores, 1998; Editorial LIMUSA. S. A. de C. V. Primera Edicion.  Operaciones Unitarias en la Ingenieria Quimica; Julian C. Smith, Peter Harriot, 7° Edicion, McGraw-Hill, 2007, 1168 paginas.

10

APENDICES 

Experimento 1

1) Conversiones e interpolaciones necesarias. Agua Caliente

Agua fría

3

𝑣 = 62.5𝑚𝑙

𝑡 = 7.44𝑠

1𝑚 = 6.25𝑥10−5 𝑚3 106 𝑚𝑙

𝑣 = 54𝑚𝑙

1ℎ = 2.0666𝑥10−3 ℎ 3600𝑠

𝑡 = 2.60𝑠

1𝑚3 = 5.4𝑥10−5 𝑚3 106 𝑚𝑙

1ℎ = 7.2222𝑥10−4 ℎ 3600𝑠

-Cálculo de la temperatura promedio 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 =

(54 + 40)°𝐶 = 47°𝐶 2

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 =

(19 + 27)°𝐶 = 23°𝐶 2

-Con la temperatura promedio, se va interpolar de la Tabla 4.5: Propiedades del H2O líquida a Patm 𝐾𝐽 ) 𝑘𝑔°𝐾

T(°C)

𝑘𝑔 𝜌( 3 ) 𝑚

4.175

45

990.3

4.1758

47

4.177

50

𝐶𝑝(

𝐾𝐽 ) 𝑘𝑔°𝐾

T(°C)

𝑘𝑔 𝜌( 3 ) 𝑚

4.180

20

999.5

989.42

4.1776

23

998.54

988.1

4.176

25

997.9

𝐶𝑝(

2) Cálculo del flujo másico 𝒗 6.25𝑥10−5 𝑚3 𝒎𝒄 = 𝝆 = ∗ 989.42 𝑘𝑔/𝑚3 = 𝟐𝟗. 𝟗𝟐𝟐𝟗 𝒌𝒈/𝒉 −3 𝜽 2.0666𝑥10 ℎ 𝒗 5.4𝑥10−5 𝑚3 𝒎𝒇 = 𝝆 = ∗ 998.54 𝑘𝑔/𝑚3 = 𝟕𝟒. 𝟕𝟔𝟎𝟐 𝒌𝒈/𝒉 −4 𝜽 7.2222𝑥10 ℎ 3) Cálculo del calor. 11

𝑸𝒄 = 𝒎𝒄𝑪𝒑𝒄∆𝑻 = (29.9229

𝑘𝑔 𝐾𝐽 ) (4.1758 °𝐾) (54 − 40)°𝐶 = 1749.3286 𝐾𝐽/ℎ ℎ 𝑘𝑔

𝑸𝒇 = 𝒎𝒇𝑪𝒑𝒇∆𝑻 = (74.6602

𝑘𝑔 𝐾𝐽 ) (4.1776 °𝐾) (27 − 19)°𝐶 = 2495.2036 𝐾𝐽/ℎ ℎ 𝑘𝑔

𝑸𝒑𝒓𝒐𝒎 =

𝑸𝒇 + 𝑸𝒄 (2495.2036 + 1749.3286) 𝐾𝐽/ℎ = = 𝟐𝟏𝟐𝟐. 𝟐𝟔𝟔𝟏 𝑲𝑱/𝒉 𝟐 𝟐

4) Cálculo de la media logarítmica de temperaturas

∆𝑻𝑳 =

∆𝑻𝟐−∆𝑻𝟏 ∆𝑻𝟐 𝐥𝐧( ) ∆𝑻𝟏

=

(21−27)°𝐶 ln(

21°𝐶 ) 27°𝐶

∆𝑇1 = 𝑇1 − 𝑡2 = 54 − 27 = 27°𝐶 ∆𝑇2 = 𝑇2 − 𝑡1 = 40 − 19 = 21°𝐶

=23.8744°C

5) Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor “U” 𝑸𝒑𝒓𝒐𝒎 = 𝑼𝑨∆𝜯𝑳

Ec. Diseño (1)

-Despejar coeficiente de T. de C. de Ec. (1)

𝑼=

𝑸𝒑𝒓𝒐𝒎 2122.2661 𝐾𝐽/𝑘𝑔 = = 𝑨∆𝑻𝑳 (0.0068𝑚2 )(23.8744°𝐶)



𝑈 =13,072.4942

𝑘𝐽 𝑚²ℎ°𝐶

Experimento 2

1) Conversiones e interpolaciones necesarias. Agua Caliente 1𝑚3 𝑣 = 78𝑚𝑙 6 = 7.8𝑥10−5 𝑚3 10 𝑚𝑙 𝑡 = 3.08𝑠

Agua fría 𝑣 = 66𝑚𝑙

1ℎ = 8.5555𝑥10−4 ℎ 3600𝑠

1𝑚3 = 6.6𝑥10−5 𝑚3 106 𝑚𝑙

𝑡 = 1.07𝑠

12

1ℎ = 2.9722𝑥10−4 ℎ 3600𝑠

-Cálculo de la temperatura promedio 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 =

(54 + 42)°𝐶 = 48°𝐶 2

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 =

(18 + 23)°𝐶 = 20.5°𝐶 2

-Con la temperatura promedio, se va interpolar de la Tabla 4.5: Propiedades del H2O líquida a Patm

𝐾𝐽 ) 𝑘𝑔°𝐾

T(°C)

𝑘𝑔 𝜌( 3 ) 𝑚

4.175

45

990.3

4.1762

48

4.177

50

𝐶𝑝(

𝐾𝐽 ) 𝑘𝑔°𝐾

T(°C)

𝑘𝑔 𝜌( 3 ) 𝑚

4.180

20

999.5

988.98

4.1796

20.5

999.34

988.1

4.176

25

997.9

𝐶𝑝(

2) Cálculo del flujo másico. 𝒗 7.8𝑥10−5 𝑚3 𝑘𝑔 𝒎𝒄 = 𝝆 = ∗ 988.98 = 𝟗𝟎. 𝟏𝟔𝟒𝟕 𝒌𝒈/𝒉 𝜽 8.5555𝑥10−4 ℎ 𝑚3

𝒎𝒇 =

𝒗 6.6𝑥10−5 𝑚3 𝑘𝑔 𝝆= ∗ 999.34 3 = 𝟐𝟐𝟏. 𝟗𝟏𝟏𝟏 𝒌𝒈/𝒉 −4 𝜽 2.9722𝑥10 ℎ 𝑚

3) Cálculo del calor. 𝑸𝒄 = 𝒎𝒄𝑪𝒑𝒄∆𝑻 = (90.1647

𝑘𝑔 𝐾𝐽 ) (4.1762 °𝐾) (54 − 42)°𝐶 = 4518.5498 𝐾𝐽/ℎ ℎ 𝑘𝑔

𝑸𝒇 = 𝒎𝒇𝑪𝒑𝒇∆𝑻 = (221.9111

𝑸𝒑𝒓𝒐𝒎 =

𝑘𝑔 𝐾𝐽 ) (4.1796 °𝐾) (23 − 18)°𝐶 = 4637.4981 𝐾𝐽/ℎ ℎ 𝑘𝑔

𝑸𝒇 + 𝑸𝒄 (4637.4981 + 4518.5498) 𝐾𝐽/ℎ = = 𝟒𝟓𝟕𝟖. 𝟎𝟐𝟑𝟗 𝑲𝑱/𝒉 𝟐 𝟐

13

4) Cálculo de la media logarítmica de temperaturas

∆𝑻𝑳 =

∆𝑻𝟐−∆𝑻𝟏 ∆𝑻𝟐 𝐥𝐧( ) ∆𝑻𝟏

=

(24−31)°𝐶 24°𝐶 ln( ) 31°𝐶

=23.8744°C

∆𝑇1 = 𝑇1 − 𝑡2 = 54 − 23 = 31°𝐶 ∆𝑇2 = 𝑇2 − 𝑡1 = 42 − 18 = 24°𝐶

5) Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor “U” 𝑸𝒑𝒓𝒐𝒎 = 𝑼𝑨∆𝜯𝑳

Ec. Diseño (1)

-Despejar coeficiente de T. de C. de Ec. (1)

𝑼=

𝑸𝒑𝒓𝒐𝒎 4578.0239 𝐾𝐽/𝑘𝑔 = = 𝑨∆𝑻𝑳 (0.0068𝑚2 )(27.3508°𝐶)

14

𝑈 =24,614.9585

𝑘𝐽 𝑚²ℎ°𝐶