PRACTICA DE LABORATORIO LABORATORIO 3 CONDENSACION TIPO GOTA Y TIPO PELICULA
INTRODUCCION
La condensación condensación es un fenómeno termodinámico termodinámico por medio del cual la materia materia pasa a una forma más densa, como ocurre en la licuefacción del vapor. La condensación es el resultado de la reduc reducci ción ón de la temp temper erat atura ura,, causa causada da po porr la elim elimin inaci ación ón del del calor calor late latent ntee de evaporación; al líquido resultante del proceso a veces se denomina condensado. En el proceso se transfiere trans fiere calor por conducción entre un gas (vapor en nuestro caso) y un sólido. El estudio de la manera en que se presenta el flujo de calor es ojeto de esta práctica, además se identificaran los procesos por medio de los cuales se produce la condensación por gota y por película, anali!ando sus ecuaciones ecua ciones ásicas. 1. OBJETIVOS
• Efectuar el alance de energía y "allar las p#rdidas por radiación del sistema. • $eterminar los coeficientes de película prácticos, e%terior e interior y compararlos con los otenidos mediante fórmulas empíricas.
• $eterminar el coeficiente total de transferencia de calor tanto práctico como teórico. 2. GENERALIDADES
&.' *$E*+-*
'
La condensación ocurre cuando el vapor saturado se pone en contacto con una superficie a una temperatura inferior, en condiciones normales se forma un flujo continuo de líquido sore la superficie y el condensado fluye "acia aajo, por la influencia la gravedad. El movimiento del condensado es laminar a menos que la velocidad del vapor sea muy alta y la película de líquido sea muy gruesa, la transferencia de calor se presenta /nicamente por conducción y ocurre desde la superficie intermedia vapor0líquido "acia la superficie. uando los vapores se condensan sore una superficie, pueden "acerlo mediante condensación por gotas o mediante condensación de tipo película. +i la superficie está sucia o contaminada por un agente que impide el "umedecimiento, la condensación tiene lugar en forma de gotas deido a que el agua no moja la superficie. En general es deseale que la condensación se "aga en forma de gotas (aunque es difícil de mantener) ya que los coeficientes correspondientes de transferencia de calor pueden ser mayores (entre 1 o '2 veces) que los de la condensación tipo película. &.& E3-*E+ *EE+4-+ 54 L 4EL-6-* $E L+ 7L3L+ &.&.' Balance de energía. El alance de energía alrededor de cada tuo se reali!a mediante la siguiente ecuación8 V Q
= Q A + Q P (Ec. ')
$onde8 V Q
= m V (he − h s ) 9lujo de calor cedido por el vapor de agua, dado en (W )
V m
kg = 9lujo de vapor, en s
La entalpía
he puede
tomarse como la entalpía de vapor saturado a la presión de entrada a
la cámara y la entalpía
h s
como la entalpía del líquido su0enfriado a la temperatura de &
salida del condensado. Esta /ltima entalpía puede tomarse como la entalpía del líquido saturado a la temperatura del condensado. a Q
= m a C P (t s − t e ) 9lujo de calor tomado por el agua (W )
a m
kg = 9lujo de agua s
Las temperaturas P Q
t s
y
t e
son las temperaturas de salida y entrada respectivamente.
= 9lujo de calor perdido en el equipo.
&.&.& Coeficiente de película práctico. El coeficiente de película práctico interior calcula mediante la siguiente fórmula8
hi
a Q
=
a Q Ai (T P
− T f )
(Ec. &)
9lujo de calor ganado por el agua de enfriamiento (W )
= π Di L 7rea interior del tuo ( m & )
Ai
T P T V
L
=
= :emperatura media de la pared del tuo ( ) =
:emperatura media del agua ( )
= Longitud del tuo (m)
El coeficiente de película práctico e%terior se calcula por la siguiente fórmula8
he
V Q Ae T V
T P
=
=
V Q Ae (T V
− T P )
9lujo de calor cedido por el vapor (W )
= π De L 7rea e%terior del tuo ( m & ) =
:emperatura del vapor saturado ( )
= :emperatura media de la pared del tuo ( ) <
(Ec. <)
hi
se
5ara determinar los coeficientes de película teóricos las siguientes ecuaciones pueden aplicarse en condensación de vapores tipo película. &.&.&.' Para flu!o laminar 8 +e determina el n/mero de "e#nolds por medio de la ecuación.
"e
Γ $ = mC
L 9lujo
=
=Γ $
(Ec. =)
µ L
másico de condensado por unidad de longitud en la parte inferior del
kg tuo m − s En el presente caso (tuo "ori!ontal) la transición de r#gimen laminar a turulento ocurre a n/meros de "e#nolds alrededor de <>22 deido a que la película de condensado entre amos lados del tuo se junta en el fondo del tuo. +i el flujo es laminar cómo se espera en esta práctica se utili!a la ecuación para calcular el coeficiente de película e%terior8 '
ho
g ρ L h fg k L< ( ρ L − ρ V ) = (Ec. 1) = 2.?&1 µ L D (T % − T W )
$onde8 T %
T W
=
:emperatura de saturación ( )
=
:emperatura de pared ( )
g = celeración de la gravedad
m & s
=
ρ L , ρ V
kg = $ensidad del líquido y el vapor <
m
h fg
= Entalpía de condensación & kg
k L
W = onductividad t#rmica del líquido m−;
µ L
kg = @iscosidad del líquido m − s
D
= $iámetro e%terior del tuo (m)
Las propiedades del líquido se determinan a la temperatura media. 5ara determinar el coeficiente de película teórico interior
hi
se utili!an las ecuaciones
empíricas para la convección for!ada dentro de tuos.
•
Para r'gimen laminar 8 $entro de un tuo en el que la temperatura de la pared es
constante puede utili!arse8 hi Di k
L
=
<.>> +
2.2>>A( "e )( Pr ) ( Di ' + 2.2=[ ( Di
L )
( )( ) ]
L) "e Pr
&
<
(Ec. >)
= Longitud del tuo (m)
:odas las propiedades del fluido se determinan a la temperatura media.
•
Para r'gimen tur(ulento8 5uede utili!arse la ecuación.
hi Di k
= 2.2&<( "e) 2.A ( Pr ) n
1
(Ec. ?)
n
= 2.= 5ara calentamiento.
En la ecuación anterior
hi
es el coeficiente de película teórico interior, el cual se puede
aplicar cuando las diferencias de temperatura son pequeBas para Pr entre 2. ? y '22, "e mayores de '2.222 y L
D
mayor de >2. Las propiedades del fluido se determinan a la
temperatura media. +i la diferencia de temperaturas entre la pared del tuo y el fluido es grande, puede utili!arse la ecuación de %ieder y Tate8
hi Di k
µ
2.'=
µ = 2.2&?( "e) ( Pr ) < µ W 2.A
'
= @iscosidad del fluido a la temperatura media
µ W
(Ec. A)
m − s kg
kg = @iscosidad del fluido a la temperatura de pared del tuo m − s
k = onductividad t#rmica del fluido dentro del tuo
W m−;
La ecuación A, es aplicale para Pr entre 2.? y '>?22, "e mayor de '2.222 y L
D
mayor
de >2. Las propiedades del fluido se toman a la temperatura media de este. *ota8 5ara condensación en gota no "ay una correlación empírica para calcular los coeficientes de película y sólo puede decirse que los coeficientes de película son de cinco a die! veces mayores, pero el coeficiente de transferencia de calor entre el vapor y el agua es de & a < mayor. &.&.<. Coeficientes totales. Los coeficientes totales pueden determinarse así.
>
) Práctico
=
Q A∆T
(Ec. C)
∆T = $iferencia media de temperaturas entre el vapor y el agua ( ) A = 7rea e%terior del tuo ( m & ) Q
=
9lujo de calor cedido por el vapor (W )
) Te*rico
=
' (' hi )( De Di ) + (' ho )
(Ec. '2)
&.< 54E3-*E+
• 3tilice ropas adecuadas para el laoratorio. • -dentifique el equipo de condensación, las partes sore las cuales se van a reali!ar las mediciones, al igual que las superficies que puedan calentarse.
• Evite tocar las superficies calientes. • ualquier irregularidad comuníquela al profesor encargado de la asignatura o al dependiente del laoratorio. &.= 3:EDE* a. FGu# características se necesitan para que se presente condensación en forma de gotasH . $escria revemente el mecanismo por el cual se transfiere el calor en la condensación por gota. c. Fuál es la función directa del n/mero de "e#nolds en cada una de las condensaciones anali!adasH d. FGu# sucedería con los coeficientes de transmisión de calor si los tuos estuviesen verticalesH e. FEn qu# máquinas t#rmicas se emplea la condensaciónH ?
3. MATERIALES Y EQUIPOS
:ala '. Equipos. Cantida d
Elemento
' ' ' '
Equipo de condensación :ermómetro digital :ermómetro de mercurio ronómetro
Cantidad
Elemento
' '
5roeta graduada 4ecipiente para condensado
:ala &. ateriales.
4. PROCEDIMIENTO
ntes de poner a funcionar el equipo se "ace necesario reali!ar unas verificaciones con el propósito de que el equipo funcione correctamente. +e dee verificar la e%istencia de agua en el depósito, la cual dee estar lire de sedimentos o suciedades; verificar el uen estado de las válvulas, manómetros, sensores de temperatura y medidor de caudal; antes de iniciar cualquier ensayo, todas las válvulas se deen "allar en posición de cierre total, previamente se dee "aer comproado la no e%istencia de condensado en las cámaras ni agua en las tuerías. Este equipo tiene solo una forma de utili!ar para lograr otener el ensayo tanto en la cámara "ori!ontal (cámara ') como en la vertical (cámara &) sin que varíen los parámetros iniciales de ensayo en cualquiera de las cámaras. 5or lo tanto siempre que se inicie una práctica que involucre la condensación en superficies "ori!ontales y verticales, se dee iniciar los ensayos por la cámara &, esto con el fin de no alterar las condiciones iniciales de funcionamiento en la cámara '. 4.1.1 funcin!"i#n$ #n %! c&"!'! 2 ()#'$ic!%*.
5ara una mayor compresión de los pasos a seguir, es necesario tener presente el plano 1.&. '. arase la válvula de ventilación +@ y cerrar el ducto de drenaje &. A
&. con la válvula +&I cerrada y con +&@ medio aierta, suministrar vapor lentamente a la cámara &; cuando el vapor comience a escapar por +@, cerrar esta válvula y ajustar el flujo de vapor con +' "asta mantener una presión constante igual a 12 5+-, dentro de la cámara. <. si la presión comien!a a suir demasiado dentro de la cámara, durante este periodo de calentamiento, arir la válvula & (salida de condensado de la cámara &) un poco para permitir la salida del condensado y la regulación de la presión dentro de la cámara. =. mantenga más o menos constante el suministro de vapor "acia la cámara &, por un periodo de tiempo de '1 a &2 minutos, con lo cual se consigue el calentamiento de esta cámara; cuando cese la formación de condensado sore el vidrio de seguridad, y la ventana de oservación se aclare, se puede dar comien!o a los ensayos de condensación dados en la materia de transferencia de calor. 1. finali!ado el periodo de calentamiento, ajustar las válvulas J20J'0J= o J20J&0J< para que "aya flujo de agua por uno o por el otro circuito "idráulico (tuo cromado o tuo de acaado natural); esta selección se "ace dependiendo de cuál tipo de condensación se va a ensayar primero (gota o película). l estar graduadas las válvulas para que "aya flujo de agua por uno de los dos circuitos "idráulicos, se registra en el rotámetro el caudal que circula en ese momento por las tuerías; grad/ese a las condiciones de traajo utili!ando ya sea la válvula J' o J& seg/n el tuo por el cual circula agua. >. cuando se alcan!a la operación en estado estacionario, "acer ajuste final de la presión sore la cámara &, utili!ando la válvula +&@. ?. realice los ensayos correspondientes a la cámara vertical, maniorando cada una de las válvulas para el correspondiente ensayo. A. al finali!ar cada uno de los ensayos reali!ar sore la cámara &, drenar totalmente el condensado y luego cerrar la válvula &. C. cuando los ensayos por reali!ar sore la cámara & est#n incluidos, ara +@ y permita la salida del condensado ariendo la válvula &. '2. corte el suministro de vapor a la cámara & cerrando la válvula +&@ y luego +'.
C
''. cuando el sistema se "alle parcialmente frio cortar el suministro de agua contenida en las tuerías, ariendo las válvulas J2 lo mismo J< y J=. 4.1.2 funcin!"i#n$ +# %! c&"!'! 1 (,'i-n$!%*.
Kásicamente tiene que cumplir con los mismos pasos que para el caso anterior. '. rir la válvula de ventilación +I y mantener cerrada la válvula de condensado '. &. on la válvula +&@ cerrada y con +&I medio aierta, suministre vapor lentamente a la cámara '.cuando el vapor comience a escapar por +I, cerrar esta válvula y ajustar el flujo de vapor con +' manteniendo una presión constante de 12 5si. <. l elevarse la presión en la cámara, arir u poco la válvula de drenaje ' para regular la presión interna de la cámara =. $urante de '1 a &2 minutos mantenga un flujo constante de vapor "acia esta cámara, "asta que "aya terminado su periodo de calentamiento. 1. :erminado el periodo de calentamiento, conecte de nuevo al equipo de condensado al depósito de agua y ajuste las válvulas J20J'0J= o J20J&0J< para que "aya flujo de agua por uno de los dos circuitos "idráulicos ( o K). utilice las válvulas correspondientes J' o J& para graduar el cauda en el rotámetro, de acuerdo a las necesidades de la práctica. >. uando la cámara se "alle funcionando en estado estale, "acer el ajuste final de presión, utili!ando la válvula +I&. ?. 4ealice los ensayos correspondientes a la cámara "ori!ontal. A. l finali!ar cada ensayo, drenar totalmente el condensado e%istente y cerrar ' C. oncluidas las practicas, ara la válvula +I y permita la salida del condensado ariendo ' '2. orte el suministro de vapor a la cámara &cerrando la válvula +&I; luego cierre la válvula +' 11.uando el sistema se "alle completamente frio, cerrar el suministro de agua. a como una operación final del ensayo reali!ado sore las cámaras, se dee desconectar totalmente tanto la fuente de vapor como el depósito de agua. Luego arir todas las válvulas de agua, vapor y condensado contenido en las cámaras y permita la evacuación del líquido contenido en los ductos. '2
$e esta forma se da una idea clara de los pasos para poner a funcionar cada una de las cámaras; siguiendo estos pasos los estudiantes o personas que utilicen el equipo no van a tener inconvenientes en su manejo. 4.2. PUESTA A PUNTO
5ara que el equipo se "alle funcionando siempre en una forma contin/a y sin inconvenientes, es necesario que todos y cada uno de sus elementos que lo constituyen, traajen ien. 5or lo tanto, para otener un uen funcionamiento se deen reali!ar las verificaciones anotadas al principio de este capítulo; en caso de que se presente fallos durante las practicas, tratar de solucionar el prolema si es posile o de lo contrario se deen suspender la reali!ación de los ensayos "asta que se "alla corregido la falla, puesto que se pueden alterar los resultados del ensayo. 9ácilmente por un sMitc" selector de posiciones. 4.2.1 C&"!'! +# cn+#n!ci/n.
Las cámaras de condensación son dos cainas, una
"ori!ontal y la otra vertical, construidas en su parte interna en acero ino%idale, cuiertas con un material aislante (lana de vidrio), con un espesor de =1mm., por todos los lados con e%cepción de la cara frontal, la cual consiste de un vidrio de seguridad que sirve para oservar el fenómeno de condensación y para la limpie!a de la caina; el aislante es cuierto por una cuierta e%terna de aluminio. Las dimensiones internas de la caina son de ?2 % &2 % &2 cm, las cuales permiten un uen estudio del fenómeno. En la parte superior de la caina "ay un ensamle que se compone de una válvula de ventilación y un manómetro. 4.2.2 Tu0 +# #nf'i!"i#n$ +# c0'#. $os
tuos de core se e%tienden a lo largo de las
cainas. El de acaado natural producirá la condensación tipo película del vapor en las cámaras; mientras el otro tuo que tiene un acaado en cromo altamente pulido producirá la condensación tipo goteo. Los tuos son de diámetro nominal de N pulg. 5or 2.2= pulg. $e espesor de la pared y de 2.? metros de longitud. ''
4.2.3 Cn#in# !'! 'c# +# !u! )!'.
El arreglo de la tuería para el flujo de
agua se muestra en el plano 1.&. ada uno de los dos circuitos de pruea se puede seleccionar para estudiar individualmente el tipo de condensación (tipo película o gota); tami#n se puede seleccionar la cámara a usar (cámara "ori!ontal o vertical), accionando las válvulas apropiadas. 3n rotámetro situado deajo de la caina se utili!a para medir el flujo de agua. Este dispositivo esta calirado en galOmin. , para líquidos con gravedad especifica unitaria. 4.2.4 M#+i+'# +# $#"#'!$u'!. E%isten
'= medidores de temperatura que tienen como
elementos sensores transistores. Están colocados de forma que pueden registrar las temperaturas; ver plano ' La función de cada uno de ellos se especifica a continuación8 :' :emperatura entrada de agua tuo s. c. cámara "ori!ontal. :& :emperatura agua, punto medio tuo s. c. cámara "ori!ontal. :< :emperatura salida agua tuo s. c. cámara "ori!ontal y entrada cámara vertical s. c. := :emperatura agua punto medio tuo +. . cámara vertical. :1 :emperatura salida del agua cámara vertical; para el tuo +. . :> :emperatura entrada de agua tuo +. *. cámara "ori!ontal. :? :emperatura agua punto medio tuo +. *. cámara "ori!ontal. :A :emperatura de salida del agua tuo +. *. cámara "ori!ontal y entrada cámara vertical +. *. :C :emperatura agua punto medio tuo +. *. cámara vertical. :'2 :emperatura salida del agua +. *. cámara vertical. :'' :emperatura del vapor en la cámara "ori!ontal, lado i!quierdo. :'& :emperatura del vapor en la cámara "ori!ontal lado derec"o. :'< :emperatura del vapor en la cámara vertical parte inferior. :'= :emperatura del vapor en la cámara vertical parte superior. *ota8 +e toma +. . como superficie cromada. +e toma +. *. como superficie natural.
'&
9igura '. $iagrama del equipo. :odos los sensores de temperatura, terminan en un sMic" selector de varias posición, locali!ando convenientemente junto a las cámaras. La caja del selector tiene dos contactos e%teriores para conectar un miliamperímetro o un registrador de corrientes, si se quiere una "istoria continua de las temperaturas. 4.2.5 S#u'i+!+.
•
l operar el equipo es ásico tener las siguientes precauciones8
onectar el vapor y agua del proceso a aja presión de servicio. El sistema "a sido proado "idrostáticamente para presiones de servicio má%imas de <<,&&> PgOmQ& (12
psi). • uando se admita vapor al sistema, se deen arir despacio las válvulas de entrada y se dee proar todas las cone%iones que den posiles escapes. • seg/rese que la caina este ventilada (la válvula de ventilación dee estar aierta). • *unca se dee for!ar las válvulas. '<
• *o se deen apoyar ojetos ni personas sore los tuos. • uando no se est# ejecutando ninguna práctica el flujo de vapor y de agua deen ser •
interrumpidos. Los medidores de temperatura deen ser manipulados con gran cuidado.
5. TOMA DE DATOS
:ala <. ondensación por gota. Variables a medir
9lujo de agua de enfriamiento @olumen de condensado :iempo para descarga del condensado :emperatura de entrada del agua :emperatura media de la pared :emperatura de salida del agua :emperatura i!quierda pared de cámara :emperatura derec"a pared de cámara
Medida
gal min
ml
s T '
; C
T &
; C
T <
; C
T ?
; C
T A
; C
:ala =. ondensación por película. Variables a medir
9lujo de agua de enfriamiento @olumen de condensado :iempo para descarga del condensado :emperatura de entrada del agua :emperatura media de la pared :emperatura de salida del agua :emperatura i!quierda pared de cámara :emperatura derec"a pared de cámara
Medida
gal min
ml
s
T =
; C
T 1
; C
T >
; C
T ?
; C
T A
; C
6. CARACTERISTICAS A OBTENER
a. Iacer un alance termico para otener el calor cedido por el vapor para su condensacion y el calor ganado por el agua de enfriamiento. '=
luego las perdidas seran8 El valor "allado se dee comparar con los valores teoricos "allamos en el capitulo --(diseBo termico) . tenga los coeficientes de pelicula practicos interior ,i y e%terior ,#.(ecuaciones '2.& y '2.=)8 $iuje en papel logaritmico las curvas caracteristicas de ,i y ,# en funcion de el numero de reynolds. c. ediante las formulas empiricas descritas en el numeral '2.&.=., otenga los coeficientes de pelicula teoricos interior ,i y e%terior ,#, y comparelos con los practicos o e%perimentales . diuje en papel logaritmico los valores de ,i y ,# en funcion del numero de 4eynolds. d. determinar el coeficiente total de transferencia de calor U teorico y practico , si8
$elta :8 diferencia media de temperatura entre el valor y el agua. $elta : R:'& S:'? $elta : R:'= S:C
para la camara "ori!ontal. para la camara vertical.
8 area e%terior del tuo R$e.L G8calor cedido por el vapor. 4i8 , 4e8 resistencia termica, interior y e%terior respectivamente.
7. CUESTIONARIO
'. FEn cuál de los dos medios anali!ados es más eficiente la transmisión de calorH &. $escria las diferencias entre los tuos del sistema de condensación. '1
<. En el interior de una turina vapor, Fes deseale la condensaciónH, justifique su respuesta. =. Gue aplicaciones en ingeniería "acen uso de la condensación de tipo gota y cuáles del tipo película. 1. FEn cual de los medios anali!ados (gota o peicula ) es mas eficiente la transmicion del calor H. >. +e dee tener en cuenta si se traaja en la camara "ori!ontal o vertical. ?. F uál es la funcion directa del numero de 4eynolds en cada una de las condensaciones anali!adas H A. $escriir las diferencias entre los dos sistemas de condensacion (pelicula y goteo), y la que e%ista si se utili!a la camara "ori!ontal o vertical. C. Gue sucede con los coeficientes de transmision de calor en los tuos verticales comparados con los "allados para los tuos "ori!ontales. '2. FGue implica el comportamiento de las curvasH BIBLIOGRA8IA
I5*, lanj. :ransmisión del calor.
'>
