Facultad de Ciencias de la Salud
Escuela de Tecnología Médica
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDO EN MOVIMIENTO HEAT EXCHANGE BETWEEN FLUID MOTION
Henry Alcántara Alcántara 1 – Cristina Araoz Tuanama 2 - Hilder Cruz Tarazona 3 - Clinton Espinoza Miranda 4 - Joel Granda García 5- Alex Huari Marcos 6 - Giuliana Pérez Rojas 7 - Brenda Blas Espejo 8 - Karin Racacha Navarro. 9
Resumen En el presente trabajo se empleara las propiedades termodinámicas del agua siendo la parte fundamental de este proyecto, se logró establecer la diferencia entre flujo en contracorriente y flujo en corriente paralela. Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. La destilación es un proceso que consiste separar los distintos componentes de una mezcla mediante el calor. Para ello que se calienta esa sustancia, normalmente en estado líquido, para que sus componentes más volátiles pasen a estado gaseoso o de vapor y a continuación volver esos componentes al estado líquido mediante condensación por enfriamiento. Palabras Claves: Flujo en contracorriente, Flujo en corriente paralela, Proceso de convección, Volátil. Abstract In this study the thermodynamic properties of water being the fundamental part of this project were employed, it was possible to differentiate between countercurrent flow and cocurrent flow. If there is a temperature difference inside a liquid, it is almost certain that a movement of the fluid occurs. This motion transfers heat from one fluid to another part of a process called convection. Distillation is a process of separating different components of a mixture by heat. To do that the substance is heated, usually in liquid form, so that it’s most volatile components pass gas or vapor state and then return these components to the liquid state by condensation by cooling.
Keywords:
Counterflow,
parallel
flow
stream
convection
process,
volatile.
7
Facultad de Ciencias de la Salud I.
INTRODUCCION
El intercambio de calor, en física proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior que está más frío desciende, mientras que al aire cercano al panel interior más caliente asciende, lo que produce un movimiento 5 de circulación.
II.
METODO Y MATERIAL
Este estudio se realizó un 60% de forma cuantitativa ya que primero se halló el caudal correspondiente a la corriente de agua, luego se procedió a esperar un tiempo determinado para poder realizar los cálculos de flujo en contracorriente y flujo en corriente paralela. 7
Materiales: Matraz de destilación de 500ml
Escuela de Tecnología Médica Soporte universak con pinza, aro y rejilla Soporte universal con pinza Probeta de 150ml Cronometro Sulfato de cobre Nitrato de plata Refrigerante Mechero Erlenmeyer Hidde 250ml Termómetro Agua destilada
III.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Experimento # 1 "Intercambio de contracorriente".
calor
de
fluido
en
Se hace circular el agua de refrigeración a través del refrigerante en sentido contrario al que fluirá el vapor. Datos obtenidos: A. Caudal o velocidad de flujo de masa de agua de refrigeración (mc): mc = 500 ml x 1kg x 3600s 7s 1000ml 1h mc = 257,14 kg / h B. Temperaturas: Tha”: 100º C Thb”: 25º C Tca”: 22º C Tcb”: 24º C C. Volumen final de agua condensada obtenida: VF = 43 ml D. Tiempos medidos: Tiempo total del proceso = 11 min. 11 seg. Tiempo de = 7 min. 30 seg. calentamiento de agua de 22º C a 100º C Tiempo transcurrido desde que cae la primera gota de = 3 min. 30 seg. condensado hasta obtener 43ml de condensado
Facultad de Ciencias de la Salud
Experimento # 2 “Intercambio de calor de fluidos en paralelo” Se hace circular el agua de refrigeración a través del refrigerante en el mismo sentido que fluye el vapor.
Datos obtenidos: A. Flujo de masa de agua de refrigeración: mc1 = 500ml x 1kg x 3600s 8s 1000ml 1h mc1 = 225kg/h B. Temperaturas: Tha” = 100º C Thb” = 26º C Tca” = 22º C Tcb” = 24º C C. Volumen final de agua condensada obtenida: VF = 61ml. D. Tiempos medidos: Tiempo total de proceso. = 8min. 50s Tiempo transcurrido desde que cae la primera gota de condensado hasta obtener 43ml de condensado.
= 6min. 30s
Experimento # 3 Se procede de manera similar al experimento #2, agregándole al agua de caño restante 0,5g de sulfato de cobre (Cu2SO4) Datos obtenidos: A) Flujo de masa de agua de refrigeración: mc2 = 225kg/h mc2 = 500ml 8s
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B) Temperaturas: Tha = 100º C Thb = 25º C Tca = 22º C Tcb = 24º C C) Volumen final del destilada obtenida: VF = 56ml.
agua
D) Tiempos medidos: Tiempo total del proceso Tiempo transcurrido desde que cae la primera gota de condensado hasta obtener 9 56ml de condensado.
= 8min. 35s. = 6min. 15s.
IV. DISCUSION DE RESULTADOS En el equipo de destilación la entrada del agua en el condensador fue en la parte inferior de este y la salida fue en la parte superior, esto con el fin que el destilado se enfriase más rápido ya que si el agua está a contracorriente con el destilado este se enfría más rápido porque de esta manera el agua absorbe mucho más calor, si se colocase en el mismo sentido el agua cae inmediatamente y no enfría el tubo interno del condensador lo que hace que no se condense correctamente el vapor del destilado. Ya que la destilación es un proceso de separación que purifica sustancias. Se obtuvo una variación de un ácido base de PH=6 en el agua y en el sulfato de cobre ya destilados por la separación de las sales y minerales presentes en el agua, cuyo indicador de pureza del agua que se uso fue el AgNO3 (nitrato de plata) el cual no reacciono con los cloruros y no se formó el AgCl no habiendo precipitados o manchas blancas y evidenciando así un agua pura y exenta de cloruros y para destilar medio litro de agua se gastó 47 litros de agua saliéndose así de un presupuesto considerado que nos traería 3 más perdida que ganancia.
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CONCLUSIONES
1.- Los calores ganados van a ser iguales a los calores perdidos por los fluidos considerando que nuestro sistema opera en condiciones de estado estacionario, por ende evaluamos la transmisión de calor en función de los balances de energía. 2.- A través de los experimentos #1,#2 y #3 podemos verificar que para obtener volúmenes pequeños de fluidos condensado se requiere de un gran gasto de energía que se ve reflejada a través de la transmisión de calo entre los fluidos y aun sin considerar el gasto de energía que provoca el calentamiento de agua. En consecuencia, está experiencia requiere de un costo elevado en materia prima, combustible y demás. 3.- La transferencia de calo entre los fluidos a contracorriente es menor que la que se da entre os fluidos que van en paralelo. Esto explica porque la consideración se da más rápidamente en el primer sistema y el vapor tiene una mayor cantidad de superficie a temperatura baja que justamente facilita esto. En contraposición con el sistema de flujo paralelo, que al ser más lento va haber un mayor tiempo de intercambio de calor entre los fluidos caliente y frio, incluso que de haber perdida de vapor, ya que no todo se ha condensado. En consecuencia el sistema contracorriente es más eficiente que el sistema paralelo.
4.- La temperatura del vapor a la entrada del condensador a 100º C es razonable y se ha podido demostrar con el Termómetro. Sabemos que la temperatura de ebullición del agua es a 100º C y va a haber un calor latente de cambio de fase que no va alterar la temperatura del sistema; de aquí se desprende que la temperatura del condensador se va a 9 mantener constante.
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VI.
PREGUNTAS:
Para cada uno de los 3 casos de los experimentos, determinar: 1) El calor ganado por el fluido frio. 2) El calor perdido por el fluido caliente. 3) La masa de agua de refrigeración empleada por volumen del condensado obtenido.
Experimento # 1 “Fluidos en contracorriente” Calor ganado por el fluido frio: La mayor parte de los aparatos de transición de calor operan en condiciones de estado estacionario y para este tipo de experiencia consideramos este tipo de operación, por lo tanto, el tratamiento cuantitativo de los problemas de transmisión de calor se basaran solo en los balances de energía. Así tenemos: “El calor perdido por el fluido caliente es ganado por el fluido frio”, de forma que:
qc= -qh Dónde:
qc = calor ganado por el fluido frio. qh = calor perdido por el fluido caliente. Luego:
qh = mh x λ Siendo:
mh = velocidad de condensación del vapor Kg/h. λ = calor latente de vaporización del vapor. Considerando que el calor que pierde el fluido caliente no solo se debe al cambio de fase, entonces tomamos en cuenta también el cambio de temperatura: Por lo tanto: qh = mh (λ + Cph (Thb – Tha))
Facultad de Ciencias de la Salud Donde: Mh = masa del condensado. Cph = calor especifico del condensado. Datos: Tha = 100º C Thb = 25º C o Cph = 1cal/g C λ = -540 Kcal/Kg Vcondensado = 43mL Tiempo de condensado = 3min.30s. qc = -qh = min.(λ + Cph (Thb - Tha) qc = qc = qc = 26445 cal. Por lo tanto, el calor ganado por el fluido frio fue de 26445 cal. 1.b) Calor perdido por el fluido caliente: Considerando nuestro sistema como su estado estacionario en sus condiciones de operación, tenemos: Qc = -qh Por lo tanto: Qh = -26445cal. Por lo tanto, el calor perdido por el fluido caliente fue de 26445cal. 1.c) Determinación de la masa de agua de refrigeración empleada por volumen de condensación obtenido: - Se obtuvo 43ml de condensado. - El caudal de agua de refrigeración (mc) fue de 257,14 Kg/h - El tiempo transcurrido para obtener los 43ml de condensado fue de 3min.30s. Por lo tanto, la masa de agua de refrigeración empleada se calcula como: Magua = (mc) (tiempo transcurrido) Magua = (257,14 Kg/h) (0,0583) Magua = 14,999Kg. Finalmente, la masa de agua de refrigeración empleada fue prácticamente 15Kg.
Experimento # 2 “Fluidos en paralelo” 1.a) Calor ganado por el fluido frio: (qc) Empleamos la misma metodología que se utilizó para el experimento # 1: qc'=-qh'=-mh' [λ+cph' (Th'b-Th'a)]
Físico Química
mh' = 61ml = 61g. X = -540 cal/g o Cph' = 1cal/g C Th'b = 26º C Th'a = 100º C
Reemplazando en la ecuación: qc'=-61g[-540cal/g + 1cal/goC(26oC – 100oC)] qc'=-61g[-540cal/g – 74cal/g] qc' = 37454 cal Por lo tanto, el calor ganado por el fluido frio fue de 37454 cal. (qh’): De: qc = - qh’ qh’ = -37454 cal Por lo tanto, el calor perdido por el fluido caliente fue de 37454 cal. 1.c) Determinación de la masa de agua de refrigeración empleada por volumen de condensado obtenido: - Se obtuvo 61 ml de condensado. - El caudal de agua de refrigeración (mc’) fue de 225Kg/h. - El tiempo transcurrido para obtener los 61ml de condensado fue de 6min. 30s. Luego:
magua’=(mc’)(tiempo transcurrido magua’ = 225Kg/h (0,1083h) magua’ = 24,367 Kg. Por lo tanto, la masa de agua de refrigeración empleada fue de 24,367Kg. Experimento # 3: “Fluidos paralelo en CU2SO4. 1.a) Calor ganado por el fluido frio: (qc”)
Facultad de Ciencias de la Salud Empleamos la misma metodología utilizada para los experimentos #1 y #2:
qc”=-qh”=-mh”[λ+cph”(Th”b-Th”a)]
mn”= 56ml. = 56g. λ = -540cal/g. o cph” = 1cal/g C Th”b = 25º C Th”a = 100º C Luego:
qc”=-56g[-540cal/g + 1cal/goC(25oC – 100oC)] qc”=-56g[-540cal/g – 75cal/g]
qc”= 34440 cal
Por lo tanto, el calor ganado por el fluido frio fue de 34440cal. 1.b) Calor perdido por el fluido caliente (qh”) De: qc”= -qh” qh” = -34440 cal. Por lo tanto, el calor perdido por el fluido caliente fue de 34440 cal. 1.c) Determinación de la masa de agua de refrigeración empleada por volumen de condensada obtenido: - Se obtuvo 56ml de condensado. - El caudal de agua de refrigeración ( mc”) fue de 225Kg/h. - El tiempo transcurrido para obtener los 56ml de condensado fue de 6min. 15s. Luego:
magua” = (mc”) (tiempo transcurrido) magua” = (225Kg/h) (0,10416h) magua” = 23,437 Kg. Por lo tanto, la masa de agua de refrigeración empleada fue de 23,437 Kg. 2. ¿Qué conclusión puede sacar de sus resultados obtenidos con respecto a los calores ganados y perdidos por los fluidos?¿Es razonable la temperatura asumida del vapor a la entrada del condensador? Fundamente.
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A. Los calores ganados van a ser iguales a los calores perdidos por los fluidos considerando que nuestro sistema opera en condiciones de estado estacionario, por ende evaluamos la transmisión de calor en función de los balances de energía. B. A través de los experimentos #1,#2 y #3 podemos verificar que para obtener volúmenes pequeños de fluidos condensado se requiere de un gran gasto de energía que se ve reflejada a través de la transmisión de calo entre los fluidos y aun sin considerar el gasto de energía que provoca el calentamiento de agua. En consecuencia, está experiencia requiere de un costo elevado en materia prima, combustible y demás. C. La transferencia de calo entre los fluidos a contracorriente es menor que la que se da entre os fluidos que van en paralelo. Esto explica porque la consideración se da más rápidamente en el primer sistema y el vapor tiene una mayor cantidad de superficie a temperatura baja que justamente facilita esto. En contraposición con el sistema de flujo paralelo, que al ser más lento va haber un mayor tiempo de intercambio de calor entre los fluidos caliente y frio, incluso que de haber perdida de vapor, ya que no todo se ha condensado. En consecuencia el sistema contracorriente es más eficiente que el sistema paralelo. D. La temperatura del vapor a la entrada del condensador a 100º C es razonable y se ha podido demostrar con el Termómetro. Sabemos que la temperatura de ebullición del agua es a 100º C y va a haber un calor latente de cambio de fase que no va alterar la temperatura del sistema; de aquí se desprende que la temperatura del condensador se va a mantener constante.
3. Determine la eficiencia de su condensador (refrigerante) en los dos casos: en contracorriente y en corrientes paralelas. Contracorriente
Paralelo
Facultad de Ciencias de la Salud o
1
Tha=100 C
o
Tha =100 C
o
Thb =26 C
o
Tca =22 C
Tcb=24 C
o
Tcb =24 C
Vcondesado=43mL
Vcondesado =61mL
Thb=25 C Tca=21 C
1
o
1
o
1
o
Luego: por cada 1mL de condensado el sistema en paralelo utiliza 0,399Kg de agua como refrigerante. Por lo tanto, notamos que en el sistema a contracorriente se utiliza una menor cantidad de agua como refrigerante en comparación al sistema en paralelo.
1
Finalmente, a partir de las evaluaciones previas ya discutidas podemos afirmar que el sistema a contracorriente es más eficiente que el sistema en paralelo,
Tcondensado=3min.30seg. 1 Tcondensado =6min.30seg. Evaluando los datos obtenidos en ambas experiencias, tenemos: -
-
El condensador a contracorriente los intervalos de temperatura de los fluidos caliente y frio son mayores que el condensador en paralelo lo que sugiere
4. De acuerdo a la pregunta anterior, si hay diferencia entre las eficiencias ¿a qué causas la atribuye? -
La dirección del flujo del agua refrigerante determina una serie de condiciones que van a ser determinantes en la evaluación de la eficiencia de cada sistema. Así te hemos que en el flujo contracorriente toda la superficie por donde va a pasar el vapor de agua va a permanecer a una temperatura más baja que en el flujo en paralelo, condición que va a permitir que la condensación se realiza más rápidamente por la mayor diferencia de temperatura de ambos fluidos.
-
El caudal o velocidad de flujo de masa de agua de refrigeración también va a jugar un rol muy importante en la evaluación de la eficiencia dentro de un sistema, ya fue aumentado este caudal podríamos mejorar el rendimiento del sistema de medida que se evitaría un calentamiento más evidente del agua refrigerante asegurando así una condensación más uniforme del vapor,
Evaluando la velocidad de formación de condensador para cada sistema, tenemos;
a) Velocidad del condensador a contracorriente V1: V1= 43mL= 12,28mL/s 3.5s b) Velocidad del condensador en paralelo V2: V2= 61mL= 9,38mL/s 6,5s Por los tanto, podemos anotar que el sistema de contracorriente se obtiene su mayor producto en una menor cantidad de tiempo con respecto al sistema de paralelos. Evaluando la masa de agua de refrigeración empleada por el volumen del condensador obtenido para cada sistema, tenemos: magua =14,999Kg. 0,348Kg/mL
magua =14,999Kg.
=
Vcondensado =43mL
Vcondensado =43mL 5. ¿Qué, factores pueden aumentar o disminuir la eficiencia del condensador empleado en nuestra experiencia?
Luego: por cada 1mL de condensado en sistema a contracorriente utiliza 0,348 Kg de agua como refrigerante.
c) Sistema en paralelo:
-
magua =24,367 Kg.; magua =24,367Kg.= 0,399Kg/mL
-
Vcondensado =61mL.; Vcondensado =61mL
-
Físico Química
Ya que hemos visto y explicado anteriormente, tenemos: La dirección del flujo del agua refrigerante La velocidad de flujo de la masa de agua refrigerante. La temperatura de ingreso al sistema del agua refrigerante.
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El grado de pureza del agua, ya que si se encuentra disolviendo a un soluto podría tomar más tiempo llegar a su temperatura de ebullición.
consideramos el calor latente del fluido caliente, por lo tanto:
6. ¿Qué diferencias existen entre la destilación del agua potable y la solución de CuSO4 Explique de acuerdo a sus datos, obtenidos.
mc= mh x Ce1 x ΔTh CeH2O x ΔTc
7. Al destilar la solución de sulfato de cobre se demuestra que la destilación es un proceso físico. ¿Existe alguna ley o 1 leyes que explican este fenómeno?.
mc x CeH2O x ΔTc=mc x Ce1 x ΔTh
o
mc = 407700Kg x 0,63Kcal/Kg E x o 166,67 C o 1kcal x 22,22 C o kg C mc = 1 926,613.689 Kg.
VII.
Ejercicios 1. Un fluido cuyo calor específico es 0.63 BTU/lb. ºF ingresa a un condensador a la temperatura de 1500F y a razón de: 900,000 lb/día, saliendo a la temperatura de 1200F. ¿Cuál será la masa de agua necesaria para producir esta diferencia de temperatura, si ésta circula en contracorriente y las Tº de entrada y salida son 70ºF y 11OºF. Fluido caliente o
o
Ce1= 0,63BTU/ib F = 0,63 cal/g C o Tm=1500F = 815,56 C Vcondensado= 900,00ib/dia=40770Kg/dia o Thb=1200F=648,89 C Fluido refrigerante Masa del agua= o o Tca=70 F=21,11 C o o Tcb=110 F=43,33 C
8
BIBLIOGRAFIA
1. MICROSOFT CORPORATION. Biblioteca de Consulta Encarta 2005. 2. J. LIENHARD IV, J. LIENHARD V, A Heat Transfer Textbook 3ª Edición, Phlogiston Press, Cambridge Massachusetts, 2004. 3. R. SERWAY, R. BEICHNER. Física Vol 1 y 2. 5 ° Edición McGRAW HILL. 2002. 4. V. G. LEVICH, Curso de Física Teórica Vol. 1 y 2, 2ª Edición, Ed. Reverté, S.A., España, 1976. 5. D. HALLIDAY, R. RESNICK, Física Parte I y II, Ed. John Wiley & Sons, inc., 1966. 6. MICROSOFT CORPORATION. Biblioteca de Consulta Encarta 2005. VIII.ANEXO
Circula en contracorriente
-
Como no se menciona cambia de fase en los datos del problema, no
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En esta imagen podemos observar cómo es que se trabaja con estos tipos de caudales en el laboratorio
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