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• Jose Emmanuel Chema

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN

REPORTE EXPERIMENTAL “TRANSFERENCIA DE CALOR EN RECIPIENTE ENCHAQUETADO”

LEM III SIXTO BERROCAL ANA MARÍA QUIROZ MACIAS MARÍA ELENA Acosta Pozos Elizabeth Rubí Medina López Michell Santiago Mendoza Ramírez Tonanzin Guadalupe Zermeño Alcazar Leticia

07/05/2015

Introducción Principalmente se coloca un revestimiento a los reactores o también llamados chaquetas para asegurar un eficiente intercambio de calor. Esta transferencia debe ser uniforme sobre el total de la superficie del tanque.

Se denomina chaqueta al doble fondo o encamisado de un recipiente, su propósito es calentar el contenido del recipiente, siendo este el medio físico donde el calor puede ser transmitido al fluido. Los tanques con chaqueta son muy utilizados en la industria para reacciones endotérmicas y exotérmicas. En el diseño del equipo es necesario considerar la velocidad de calentamiento o enfriamiento necesaria para llevar a cabo la operación deseada, por lo tanto se requiere saber la forma como se modifica la velocidad de transferencia de calor con las variables de diseño y operación. En la chaqueta se suele usar vapor como medio calefactor. Al mismo tiempo se agita el recipiente para asegurar un buen intercambio.

Procedimiento Experimental 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Llenar el tanque con 18 litros de lote. Encender el equipo. Abrir el flujo del vapor. Registrar los datos experimentales, que consisten en los cambios de temperatura a intervalos de tiempo regulares. Cerrar el vapor. Abrir las válvulas del agua fría, dejando que corra por el sistema. Proceder el registro de los nuevos datos de enfriamiento. Vaciar el tanque. Apagar el equipo.

Experimentación

CALENTAMIENTO

P=

.7

Kg/cm2

TEMPERATURA ºC t1

TIEMPO

ºK

25

14:15

0

0

298.15

T2

30

14:20

00:05

2

303.15

T3

38

14:25

00:10

3

311.15

T4

49

14:30

00:15

4

322.15

T5

59

14:35

00:20

5

332.15

T6

69

14:40

00:25

6

342.15

T7

78

14:45

00:30

7

351.15

T8

86

14:50

00:35

8

359.15

T9

92

14:55

00:40

9

365.15

ENFRIAMIENTO

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21

TIEMPO 15:00 15:05 15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40 15:45 15:50 15:55 16:00 16:05 16:10 16:15

TEMPERATURAS ºC t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1 t1

90 88 84 79 74 70 66 62 59 55 52 50 47 45 43 41 40 38 36 34 30

0 00:05 00:10 00:15 00:20 00:25 00:30 00:35 00:40 00:45 00:50 00:55 01:00 01:05 01:10 01:15

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18

TEMPERATURAS ºK T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16

t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2

363.15 361.15 357.15 352.15 347.15 343.15 339.15 335.15 332.15 328.15 325.15 323.15 320.15 318.15 316.15 314.15

20 20 20 20 19 19 19 19 19 19 19 19 18 18 18 18 18 17 17 17 17

t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2 t2

293.15 293.15 293.15 293.15 292.15 292.15 292.15 292.15 292.15 292.15 292.15 292.15 291.15 291.15 291.15 291.15

16:20 16:25 16:35 16:45 17:05

01:20 01:25 01:35 01:45 02:05

16 17 19 21 24

T17 T18 T19 T20 T21

313.15 311.15 309.15 307.15 303.15

Q (J) 568.640329 530.730974 470.076005 386.675424 310.856713 235.038003 166.801163 106.146195 Uprom =

t2 t2 t2 t2 t2

291.15 290.15 290.15 290.15 290.15

U (W/m2°K) 1743.600549 1518.869812 1191.537869 806.240894 521.0653375 297.8844672 150.0271406 60.75479247

786.247608

CALCULO DEL U TEORICO k 25.87 L 0.17 N 87 0.1 Di 0.287 Ai 0.23009457 Rd 0.005

m rpm poise m m2

NUSSELT h0 hi hi0 Uc 1/Ud Uteorico 0.04108963 3.48520857 3.70379308 3.48418459 1.74234825 0.57893807 172.730046

TEMPERATURA INTERNA q 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

UAq/Wlote 0 2.351888701 4.703777401 7.055666102 9.407554803 11.7594435 14.1113322 16.46322091 18.81510961 21.16699831 23.51888701 25.87077571 28.22266441 30.57455311 32.92644181 35.27833051 37.63021921 39.98210791 42.33399661 44.68588531 47.03777401 49.38966272 51.74155142 54.09344012 56.44532882 58.79721752 61.14910622 63.50099492 65.85288362 68.20477232 70.55666102 72.90854972 75.26043842 77.61232712

Tenfriamiento 70.027 66.4215 62.9616 59.6473 56.4786 53.4555 50.578 47.8461 45.2598 42.8191 40.524 38.3745 36.3706 34.5123 32.7996 31.2325 29.811 28.5351 27.4048 26.4201 25.581 24.8875 24.3396 23.9373 23.6806 23.5695 23.604 23.7841 24.1098 24.5811 25.198 25.9605 26.8686 27.9223

Tcalentamiento 41.083 48.0539 54.5974 60.7135 66.4022 71.6635 76.4974 80.9039 84.883 88.4347 91.559 94.2559 96.5254 98.3675 99.7822 100.7695 101.3294 101.4619 101.167 100.4447 99.295 97.7179 95.7134 93.2815 90.4222 87.1355 83.4214 79.2799 74.711 69.7147 64.291 58.4399 52.1614 45.4555

Memoria de cálculo Se calcula la carga térmica Q  Wlote  Cp  (T2  t1 )

Q  18.962 Kg  0.422

J (373.15  298.15)K Kg K

Q  600.231459 J Se calcula el area de transferencia At    D  h  Vcono

 1  0.305  2  At  0.305    0.254       0.05   3  2     2 At  0.2446m Con el calor cedido y el área de transferencia se procede a calcular el coeficiente de transferencia de calor experimental U

Q At  (T2  t1 )

U

600.231459 J 0.244m (373.15  298.15) K 2

U  1840.4672

W m 2 K

Se debe ahora calcular el coeficiente teórico. Para eso debemos calcular hi y ho con las siguientes expresiones k ho  Nu  D

ho  0.04109  hi  Nu 

25.87 0.305

ho  3.4852

25.87 0.287

hi  3.7037

k Di

hi  0.04109 

Se necesita tener el valor de A hio  hi i At 0.2301 hio  3.7037  0.2446

hio  3.48418

Ahora ya puede calcularse el U teórico apoyándonos en la siguiente expresión hio  ho Uc  hio  ho

Uc 

3.48418  3.4852 3.48418  3.4852

Uc  1.742348 Se usa la siguiente relación

1 1   Rd Ud Uc

1 1   0.005 Ud 1.742348

1  0.578938 Ud Tomando en cuenta Ud  Uc

Uc  172.360045

W m 2 K

Ecuaciones que describen el perfil de temperaturas del sistema

 T  t  U  A  ln  1 1   Wlote  T1  t 2 

 T  t  U  A  ln  1 1   Wlote  T2  t 2 

TEMPERATURA INTERNA VS TIEMPO "ENFRIAMIENTO" 80

70

EXPERIMENTAL

TEMPERATUA ºC

60

TEORICA

50

40

30

20

10

0 0

5

10

15 TIEMPO (min)

20

25

30

35

T de agua de salida vs Tiempo 20.5

20

19.5

Tíemperatura (C°)

19

18.5

18

17.5

17

16.5 0

5

10

15 Tiempo (min)

20

25

30

CONCLUSIONES Como se puede apreciar en la transferencia de calor en recipientes enchaquetados se tiene una ventaja, y es el hecho de que prácticamente se conserva un coeficiente de transferencia de calor constante. En este sistema mantenemos fija una de las partes que transfieren calor , es decir el lote. Las diferencias que se aprecian en el valor del coeficiente de transferencia de calor son atribuibles al error experimental, así como al hecho de que durante la experimentación , además que el agua de enfriamiento se mantuviera casi a la misma temperatura a su salida.

Bibliografía   

KERN D. / Procesos de transferencia de calor PERRY / Manual del ingeniero químico SMITH Y VANN NESS / Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química