Manual Laboratorio Transferencia de Calor

Universidad de Guadalajara Centro Universitario niversitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Departamento de Ingeniería Química

Laboratorio de Transferencia de Calor

Transferencia de Calor

Intercambiadores

M . en C. J aim ai m e Ru bé n Pé r ez L eañ o M . en C. L aur a Emi Em i li a Or tega Rosal Rosale es

Evaporación

I . Q. H u go A n ton to n i o V ega Gómez I . Q. L ui s F er nan do Gonz Gon zál ez Reynoso Reynoso

Laboratorio de Ingeniería Química

D epartam epar tamento ento de Ing I ngeni eni ería Quí Qu ími ca

L aborator io de Tr ansferencia de Calor

ÍNDICE Pág. INTRODUCCIÓN

2

PRÁCTICA: Conductividad Térmica.

3

PRÁCTICA: Intercambiadores de Calor.

5

P PRÁCTICA: Intercambiador de Placas. Placas.

13

PRÁCTICA: Líneas de Dühring

20

PRÁCTICA: Evaporación. Evaporación.

24

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS REFERENCIAS

31

INTRODUCCIÓN

El presente material se realizó con el fin de facilitar el trabajo teórico-práctico, tanto para los profesores como para los alumnos. alumnos. Esto es, que el manual de Laboratorio de Transferencia de Calor, servirá al docente para describir con puntualidad el aspecto teórico y hacer una mejor conducción del trabajo práctico; y para el alumno, como una guía metódica del desarrollo de cada una de las prácticas y del acopio acop io sistemático de la información necesaria para elaborar el reporte correspondiente correspondiente al finalizar la sesión. Este manual no contiene toda la teoría que el alumno debe conocer y utilizar, en cada tema, tan solo es una guía. Por lo que el trabajo de investigación y cálculo queda latente en el reporte final de la práctica. La metodología que lleva el profesor es inherente al presente manual, ya que él tomará los resultados que en él se recaben y solicita a los alumnos que calculen, diseñen y desarrollen el reporte de manera muy personal pero que cumpla con el programa de prácticas correspondiente 2



ÍNDICE Pág. INTRODUCCIÓN

2

PRÁCTICA: Conductividad Térmica.

3

PRÁCTICA: Intercambiadores de Calor.

5

P PRÁCTICA: Intercambiador de Placas. Placas.

13

PRÁCTICA: Líneas de Dühring

20

PRÁCTICA: Evaporación. Evaporación.

24

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS REFERENCIAS

31

INTRODUCCIÓN

El presente material se realizó con el fin de facilitar el trabajo teórico-práctico, tanto para los profesores como para los alumnos. alumnos. Esto es, que el manual de Laboratorio de Transferencia de Calor, servirá al docente para describir con puntualidad el aspecto teórico y hacer una mejor conducción del trabajo práctico; y para el alumno, como una guía metódica del desarrollo de cada una de las prácticas y del acopio acop io sistemático de la información necesaria para elaborar el reporte correspondiente correspondiente al finalizar la sesión. Este manual no contiene toda la teoría que el alumno debe conocer y utilizar, en cada tema, tan solo es una guía. Por lo que el trabajo de investigación y cálculo queda latente en el reporte final de la práctica. La metodología que lleva el profesor es inherente al presente manual, ya que él tomará los resultados que en él se recaben y solicita a los alumnos que calculen, diseñen y desarrollen el reporte de manera muy personal pero que cumpla con el programa de prácticas correspondiente 2



PRÁCTICA 1: CONDUCTIVIDAD CONDUCTIVIDAD TÉRMICA. 1. OBJETIVOS  Determinar experimentalmente los coeficientes conductivos de transferencia de calor de diferentes metales. 



Comparar los resultados entre los valores experimentales y los valores reportados en la bibliografía, de los los coeficientes conductivos conductivos de transferencia transferencia de calor. Con los datos experimentales realizar los balances de energía correspondientes.

2. TEORÍA Cuando en un medio sólido existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. El calor transmitido por conducción por unidad de de tiempo q k es es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx multiplicado por el área A de transferencia, es decir:

La fuerza impulsora que permite la transferencia de calor, es la diferencia de temperatura entre dos puntos. El flujo con que se transmite el calor es similar en todos los equipos y la ley de Fourier es es el modelo modelo ideal que rige estos fenómenos, indicando la rapidez de transferencia de calor. Para un proceso por conducción unidireccional se representa como: q

k A

dT dx

El flujo de calor depende de la conductividad térmica k que es la propiedad física del medio [W/m K] Se ha visto que los diferentes materiales almacenan calor en forma diferente y se ha definido la propiedad de calor específico como una medida de la capacidad de un material para almacenar almacenar energía térmica. La ecuación =− / para para la velocid velocidad ad de con conduc ducci ción ón en la transf transfere erencia ncia de calor, en condiciones condiciones estacionarias, estacionarias, también se puede puede considerar como la ecuación que describe la conductividad térmica. Por tanto, la conductividad térmica de un material se puede definir como la velocidad de transferencia de calor a través de un espesor unitario del material por unidad unidad de área por unidad de diferencia de temperatura. La conductividad térmica tér mica de un material es una medida de la capacidad del material para conducir calor. Un valor elevado para la conductividad conductividad térmica indica que el material es un buen conductor conductor del calor y un valor bajo indica que es un mal conductor de calor o que es un aislante. Los materiales como co mo el cobre y la plata, que son buenos conductores eléctricos, también lo son del calor y tienen valores elevados de conductividad térmica.

3

Departamento de Ingeni ería Quími ca


Los materiales como el caucho, la madera y la espuma de estireno son malos conductores del calor y tienen valores bajos de conductividad térmica. Se puede calentar una capa de material de espesor y área conocido, desde uno de los lados, por medio de un calentador de resistencia térmica de potencia conocida. Si las superficies exteriores del calentador están bien aisladas, todo el calor generado por la resistencia se transferirá a través del material cuya conductividad se va a determinar. Entonces, midiendo las dos temperaturas de las superficies del material cuando se llega al estado estacionario de la transferencia y sustituyéndolas en la ecuación =− / junto con otras cantidades conocidas se obtiene la conductividad térmica

PROCEDIMIENTO. a) Tomar medidas del diámetro y el largo de la barra de metal. b) Aislar la barra de metal con el material adecuado, dejando descubiertos dos puntos donde se puedan tomar lecturas de temperatura. c) Medir las distancias a las que se encuentran los puntos descubiertos en la barra. d) Llenar el calentador con agua, esperar a que llegue a una temperatura específica y mantener esta temperatura contante. e) Ajustar la barra en el soporte universal de tal manera que uno de los extremos de la barra quede sumergida en el calentador y la otra en el vaso precipitado conteniendo un volumen conocido de agua. (Ejem. 100 mL) f) Cada 3 minutos, tomar lecturas de las temperaturas en el calentador, el vaso precipitado y los puntos descubiertos. TABLA DE CONCENTRACIÓN DE DATOS.

Barra de: L= cm D= cm TABLA DE DATOS

Masa de agua= ΔX1 = ΔX2 = ΔX3 =

Temperaturas (°C)

Tiempo (min)

cm cm cm

Baño Caliente

Agua

Punto 1

Punto 2

Punto 3

4



PRÁCTICA 2: TRANSFERENCIA DE CALOR. 1. OBJETIVOS  Determinar experimentalmente los coeficientes individuales y globales de transmisión de calor en un intercambiador de tubos concéntricos y en un intercambiador de 5 tubos de dos pasos en los tubos y uno en la coraza. 

Valorar las desviaciones entre los valores experimentales y teóricos de los coeficientes individuales y globales de transferencia de calor.



Con los datos experimentales realizar los balances de masa y energía en los intercambiadores de calor utilizados.

2. TEORÍA La transferencia de calor se produce principalmente por conducción, convección y radiación. La conducción se verifica mediante la transferencia de energía cinética entre moléculas adyacentes, la convección implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de porciones calientes y frías de un gas o líquido mientras que la radiación es la transferencia de energía a través de del espacio por medio de ondas electromagnéticas. EI proceso de intercambio de calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas y separados por una pared sólida, ocurre en muchas aplicaciones de ingeniería. El dispositivo que se utiliza para llevarlo a cabo se denomina intercambiador de calor, y las aplicaciones específicas se pueden encontrar en calefacción de locales y acondicionamiento de aire, producción de potencia, recuperación de calor de desecho y algunos procesamientos químicos. El calor transferido puede ser calor latente, que va acompañado de un cambio de fase tal como la condensación o evaporación, o bien tratarse de calor sensible procedente del aumento o disminución de la temperatura de un fluido sin cambio de fase. En procesos de ingeniería se usa una gran variedad de intercambiadores de calor. Según las exigencias del diseño, habrá variaciones en la geometría de la configuración de flujo, en el tipo de superficie de transferencia de calor y en los materiales de construcción. Entre las configuraciones geométricas de flujo en un intercambiador de calor, las más importantes son las de: Una sola corriente. Intercambiador en el que cambia la temperatura de un solo fluido; la dirección de flujo carece de importancia. Los condensadores y calderas simples son ejemplos de este tipo de intercambiador Dos corrientes en flujo paralelo o contracorriente; los dos fluidos, entran por el mismo u opuesto extremo del intercambiador, fluyen en esa dirección y salen por el otro extremo. En su forma más simple, consta de dos tubos concéntricos, o cierto número de tubos se colocan en una coraza para formar lo que se denomina intercambiador de coraza y tubos Distribución en flujo cruzado; donde un fluido se desplaza dentro del intercambiador en forma perpendicular o transversal a la trayectoria del otro fluido. Un ejemplo común de este tipo de intercambiador es el radiador de automóvil. 5



Ti pos de I ntercambiadores de Calor Intercambiadores de doble tubo o de tubos concéntricos. Es el más simple; un fluido fluye en

el interior de una tubería y el otro lo hace en el espacio anular entre ambas tuberías. Son útiles para velocidades de flujo muy bajas. Su principal desventaja es la pequeña superficie de transferencia de calor. Los coeficientes globales de transmisión de calor en estos equipos dependen de la naturaleza de los fluidos y de sus velocidades de circulación. Son importantes en procesos que manejan grandes flujos. Constan de varios tubos en paralelo con uno de los fluidos circulando en su interior. Los tubos, distribuidos en forma de manojo, están encerrados en una coraza y el otro fluido pasa por el exterior , dentro de la coraza. Un importante factor para determinar el número de pasos del flujo por los tubos es la caída de presión permisible. Se usan deflectores transversales de tal manera que el fluido se ve forzado a fluir en forma perpendicular por la batería de tubos y no en paralelo. La turbulencia adicional, por el flujo transversal, aumenta el coeficiente de transferencia de calor de la coraza.

Intercambiadores de tubo y coraza.

De uso más común cuando se va a calentar o enfriar un gas, como el aire. Un líquido fluye dentro de tubos y el gas a través del manojo de tubos por convección forzada o natural. El fluido interior de los tubos se considera sin mezcla, ya que está confinado. El flujo de gas en el exterior de los tubos está mezclado, dado que puede moverse libremente entre los tubos y habrá una tendencia a que la temperatura del gas se iguale en la dirección normal al flujo. En el fluido no mezclado del interior de los tubos habrá un gradiente de temperatura paralelo y normal a la dirección del flujo.

Intercambiador de flujo cruzado.

Prin cipi os de Tr ansferencia de calor

La fuerza impulsora que permite la transferencia de calor, es la diferencia de temperatura entre dos puntos. El flujo con que se transmite el calor es similar en todos los equipos y la ley de Fourier es el modelo ideal que rige estos fenómenos, indicando la rapidez de transferencia de calor. Para un proceso por conducción unidireccional se representa como: q x

k

dT

En el diseño de los intercambiadores es necesario considerar los coeficientes convectivos de transferencia de calor, la capa límite entre el fluido y la pared, así como la temperatura de pared, lo cual es difícil de lograr y obliga a la experimentación. Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que expresan la transferencia de calor lograda por los diferentes tipos de intercambiadores de calor. A

dx

Efectividad de un Intercambiador de calor

La efectividad de un intercambiador se define como la razón de la transferencia de calor lograda entre la máxima transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor. transferencia de calor real Rendimiento

máxima transferencia de calor posible

En un proceso a contracorriente, es aparente que conforme se aumenta el área del intercambiador, la temperatura de salida del fluido frío se aproxima a la temperatura de entrada del fluido caliente en el límite conforme el área se aproxima al infinito. En el caso del flujo paralelo, un área infinita significa que la temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto. 6



La transferencia de calor real se puede obtener calculando tanto la energía perdida por el fluido caliente, como la energía ganada por el fluido frío. q

U i Ai

T m

U o Ao

T m

Cuando los fluidos caliente y frío de un intercambiador de calor de tubo concéntrico o de un paso en la coraza y un paso en los tubos; circulan con flujo a contracorriente o en paralelo, debe usarse la media logarítmica de las diferencias de temperaturas en los extremos del intercambiador, T ml

T 2

T 1

ln ( T 2 / T 1 )

Cuando se trata de un intercambiador de calor de pasos múltiples, es necesario obtener otra expresión para la medida de la diferencia de temperatura, que depende de la configuración de los pasos por tubos y coraza. La deducción matemática de la ecuación para la temperatura media adecuada, es bastante compleja. El procedimiento común es usar en factor de corrección F T que también se define de modo que cuando se multiplica por T ml , el producto es el gradiente correcto de la temperatura media T m, que debe usarse. Al usar los factores de corrección F T , es intrascendente si el fluido más caliente fluye a través de los tubos o de la coraza. La ecuación para un intercambiador es: q

U i Ai F T T ml

U o Ao F T T ml

Para determinar la máxima transferencia de calor posible para el cambiador, se admite en primer lugar que este valor máximo se alcanzaría si uno de los fluidos experimentase una variación de temperatura igual a la diferencia máxima de temperaturas que se da en el cambiador, que es la diferencia entre las temperaturas de entrada de los fluidos caliente y frío. Así, la transferencia de calor máxima posible se expresa como: .

qmax

(m c)min (T hc entrada

T m salida )

El fluido con la capacidad térmica mínima puede ser tanto el frío como el caliente, dependiendo de los flujos másicos y los calores específicos. Con los valores T ml es posible determinar el área superficial del intercambiador si además se conoce el coeficiente total de transferencia de calor U . Sin embargo, si las temperaturas de los fluidos que salen del intercambiador no se conocen y se va a usar un intercambiador determinado, es necesario utilizar un tedioso procedimiento por prueba y error. En estos casos se utiliza el método llamado eficacia del intercambi ador de calor (ε), que no implica ninguna de las temperaturas de salida.

3. APARATOS 3.1 Intercambiador de Calor de Tubos Concéntricos. Consiste de las siguientes partes: 1) Línea de alimentación de vapor. 2) Línea de alimentación de agua como fluido calentante. 3) Línea de alimentación de agua como medio de prueba. 4) Válvula de servicio. 5) Válvula de paso de vapor. 6) Inyector de vapor (mezclador.) 7) Válvula de seguridad. 7


8) 9) 10) 11) 12) 13)


Líneas de distribución y descarga con válvulas de bola. Intercambiador de tubos concéntricos. Tubo de descarga del fluido calentante. Tubo de dren del fluido calentante. Elementos de medición de temperatura y de presión. Elementos indicadores de flujo (rotámetros).

TIPO DE VÁLVULA

FLUIDO QUE PASA

INSTRUMENTOS

VA VB VC A

Válvula de asiento Válvula de esfera (bola) Válvula check Agua

V I PI TI TT

Vapor Incondensables Indicador de presión Indicador de temperatura Trampa termodinámica de vapor

OPERACIÓN y PROCEDIMIENTO Sólo se deberán operar los equipos bajo la supervisión directa del profesor o responsable. Antes de iniciar, cerciorarse de que las condiciones de operación a las que trabajara, están dentro del rango de las especificaciones del intercambiador. 

Utilizar prendas de protección personal adecuadas, tales como: bata, guantes y lentes de seguridad, ya que es posible que haya fugas de vapor o agua caliente que pueden ocasionar lesiones severas a los usuarios.



Evitar colocar herramientas u objetos sobre el equipo o usuario como soporte.



Los usuarios deberán guardar su distancia con respecto al equipo ya que las temperaturas a las que puede trabajar pueden causar lesiones severas.



Para iniciar la operación, drenar todo el condensado e incondensables presentes en el equipo. Espere el tiempo necesario para que el sistema llegue al equilibrio térmico, es decir, hasta que la presión y temperaturas permanezcan constantes. 8



INTERCAMBIADOR de CALOR de TU BOS CONCÉNT RI COS

Características Generales: Tubos: INTERNO Acero inoxidable, T-304, cédula 40

D=½" D=¾" D=2"

ó de Cobre, Tubing EXTERNO Acero inoxidable, Cédula 50

Material: Cobre k = 385 W/m-K

Acero inoxidable k = 15.2 W/m-K

Medio de prueba a d i r r o c

Medio calentante

Calidad del vapor X = ______

Temperatura

Te °C

Ts

Flujo

t

°C

Lt = 10 ft Lt = 10 ft Lt = 10 ft

m

(s)

W L kg/s

(kg)

Presión

Temperatura

Ps

Te

2

kg/cm

Ts

°C

°C

Flujo

t

(s)

ms

W v kg/s

(kg)

1 2 3 4 5 6

RESULTADOS INTERCAMBIADOR de CALOR de TU BOS CONCÉNT RI COS

MEDIO DE PRUEBA # A D I R R O C

Flujo Fluido velocidad Dif. de temperatura y temperatura media Densidad, Viscosidad, Capacidad calorífica Conductividad térmica Calor ganado

v

m/s

Tm Cp

T

°C

Q1

ρ1 kg/m3

k

μ1 cp

Parámetros Número de Reynolds Número de Nussrelts Número de Prandtl

Re

Nu

Pr

1 2 MEDIO CALENTANTE

# A D I R R O C

1 2

Flujo

Fluido

Gasto Diferencia de temperatura Temperatura media Calor latente

Densidad, Viscosidad, Conductividad térmica, Calor cedido

W s

kg/s

T

Tm

°C

Hs -hs

c

c

3

kg/m

cp

k

Eficiencia

Q 2

Q1 Q2

100

. 9



CÁLCULO DE “U” COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA # A D I R R O C

Temperatura media logarítmica Área de transferencia interna Área de transferencia externa Coeficiente global práctico

T om Ai

Ae

U p

Coeficiente convectivo interno Coeficiente global interno Coeficiente convectivo externo Coeficiente global externo Coeficiente conductivo Coeficiente global teórico de transferencia

hi

he

k

Ui

Ue

U

1 2 3.2 Intercambiador de Calor de Dos Pasos en Tubos y Uno en Coraza. Consiste de las siguientes partes: 1) Una cámara que contiene a los tubos de prueba. 2) Válvulas y manómetros para control de flujos. 3) Manómetro para determinar la calidad del vapor. 4) Medidor de desplazamiento para cuantificar el flujo del material de prueba. 5) Trampa de vapor para eliminación de condensados. 6) Medidores de temperaturas en las diferentes secciones de los aparatos. 7) Material aislante.

Descripción del equipo . El intercambiador consta de coraza y calandria, en la coraza se tiene conectada la entrada de vapor, en esa misma línea y antes de la entrada tiene una salida para gases no condensables. Antes de la salida de los incondensables se instaló un calorímetro. Este sirve para investigar la calidad de vapor. La entrada de vapor se localiza en la parte alta del intercambiador y en la zona trasera. En la parte baja y cerca de la brida principal de la coraza se localiza un cople de 1” y 6000 kg/cm2 de presión para drenar los vapores condensables, pasando posteriormente por una trampa que finalmente expele el vapor condensado. En la zona de la coraza se localiza un cople con una T en la cual se instaló un manómetro, el otro brazo sirve de ventila. En la boquilla de una y media pulgada localizada a 180 grados (parte baja del equipo) se encuentra la entrada de agua (a la temperatura ambiente), esta agua sale calentada después de haber pasado por los tubos, por la boquilla que se encuentra a 0 grados. 10



4.1 Intercambiadores de Calor de Dos Pasos en Tubos y Uno en Coraza y, de Tubos Concéntricos. a) Obsérvese las medidas de seguridad necesarias para el equipo y el manejo de vapor y equipos a alta presión. b) Abra la válvula del agua o medio de prueba a un valor fijo. c) Abra válvula de vapor y controle a una presión determinada (debajo de 0.5 kg/cm 2). d) Espere que se alcance el equilibrio térmico. e) Efectuar las lecturas de presión y temperatura en los instrumentos de medición. f) Determine el gasto de agua y la cantidad de condensado obtenido en la corrida. g) Procédase de la misma manera en las siguientes corridas y anótense las lecturas en los cuadros de concentración de datos correspondientes.

5. TABLA DE CONCENTRACIÓN DE DATOS INTERCAMBIADOR de CALOR de DOS PASOS en TUBOS y UNO en CORAZA

Características Generales: Tubos BWG A-179 : Material: Acero al car bón

5 tubos en U Dext = 1" Dint = 3/4"

Lt = 356" 3/4

Ar reglo tri angular , sin defl ectores k = 45.2 W/m-K Patm. = 0.84 atm. = 0.87 kg/cm2

Medio de prueba (Agua)

Medio calentante (Vapor) Calidad del vapor X = ______

a d i r r o c

Temperatura

Te °C

Ts °C

Flujo

t

(s)

m

W L kg/s

(kg)

Presión

Temperatura

Ps

Te

kg/cm2

Ts

°C

°C

Flujo

t

(s)

ms

(kg)

W v kg/s

1 2 3 4 5 6

RESULTADOS INTERCAMBIADOR de CALOR de DOS PASOS en TU BOS y UNO en CORAZ A

MEDIO DE PRUEBA

# A D I R R O C

Flujo

Fluido

Parámetros

Velocidad Dif. de temperatura y temperatura media Capacidad calorífica Calor ganado

Densidad, Viscosidad, Conductividad térmica

Número de Reynolds Número de Nusselts Número de Prandtl

v m/s

T

Tm Cp

°C

Q1

ρ1 kg/m3

μ1 cp

k

Re

Nu

Pr

1 2 11



MEDIO CALENTANTE # A D I R R O C

Flujo

Fluido

Gasto Diferencia de temperatura Temperatura media Calor latente

Densidad, Viscosidad, Conductividad térmica, Calor cedido

W s

kg/s

Tm

T

°C

Hs -hs

s

s

3

kg/m

1 2

k

cp

Eficiencia

Q1

Q 2

100

Q2

.

CÁLCULO DE “U” COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA # A D I R R O C

Temperatura media logarítmica Área de transferencia Factor de corrección Coeficiente global práctico

T om A

Y*

U p

Coeficiente convectivo interno Coeficiente convectivo externo Coeficiente conductivo

hi

he

k

Coeficiente global interno Coeficiente global externo Coeficiente global teórico

Ui

Ue

U

1 2 NOMENCLATURA: Te: Ts: W1: ρ1 : μ1 : Cp: v: Re: Pr: Nu: h: P:

Temperatura de entrada °C Temperatura de salida °C Flujo de líquido kg/min. Densidad del líquido kg/m3 Viscosidad kg/h m Calor específico Velocidad m/hr Número de Reynolds. Número de Prandtl. Número de Nusselt Coeficiente de película, Presión vapor. kg/m2

X; λ = hm: Δtom: Y*: Ws: Qs: U: Ts: Tw: Tsc:

Calidad del vapor Hs – hs: Entalpía Coeficiente de película Dif. de temperatura media logarítmica Factor de corrección. Flujo vapor condensado. kg / min. Calor entregado al sistema. Coeficiente de transmisión de calor. Temperatura del vapor °C Temperatura del liquido °C Temperatura del vapor condensado °C

BIBLIOGRAFIA VAN WYLEN, Gordon J. Sonntag, Richard E. Borgnakke Claus. Fundamentos De Termodinámica; Segunda Edición, Editorial Limusa. GEANKOPLIS, Christie J., Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Ed.l CECSA. PERRY, Chilton, et al. Manual del Ingeniero Químico. Editorial McGraw Hill HOLMAN, J. P. Transferencia de Calor . Editorial CECSA. WELTY, James R. Transferencias de Calor Aplicada a la Ingeniería. Editorial Limusa. 12



PRÁCTICA 4: INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS. 1. OBJETIVOS 2  Determinar experimentalmente el coeficiente global de transferencia de calor U [ W/m ∙K ] en un intercambiador de Placas en dos variantes: a contracorriente y paralelo. 

Valorar las desviaciones entre los valores experimentales y teóricos de los coeficientes globales de transferencia de calor.



Con los datos experimentales realizar los balances energía en el intercambiador de calor utilizado.

2. TEORÍA Descripción de un intercambiador de marco y placas Los intercambiadores de calor del tipo marco y placas consisten en una serie de placas metálicas corrugadas en relieve con empaques, colocadas alternadamente y unidas entre sí por medio de pernos de apriete en un par de marcos a presión, formando canales a través de los cuales circulan los fluidos. El fluido caliente fluye en un lado de la placa mientras que el fluido frío lo hace por el otro lado y la placa es el medio para transferir el calor. Las placas generalmente tienen cuatro puertos, abiertos o sellados conforme a las necesidades del proceso. Las placas son suspendidas en una barra guía superior y otra inferior para asegurar una apropiada alineación y pueden deslizarse para su inspección y limpieza. EMPAQUE

BARRA GUÍA SUPERIOR

MARCO FIJO

POSTE

MARCO MÓVIL

BARRA GUÍA INFERIOR PLACA “A”

PERNOS DE APRIETE

PLACA “B”

Figura 1. Intercambiador de calor de placas y sus componentes.

13



Las placas son ensambladas con el corrugado de forma que linden unas con otras estrechando o creando vías de flujo tortuoso para incrementar el índice de transferencia de calor. El espacio entre placas está definido por la geometría del corrugado que, además; mejora el soporte mecánico para el paquete de placas, a través de los múltiples puntos de contacto. Cuando las placas están correctamente ensambladas, los bordes forman una configuración aplanada, como se indica en la figura Figura 2. Correcta instalación del paquete de placas

El empaque está constituido por un material elastómero que se fija en el acanalado especial que esta a lo largo de los bordes de las placas y alrededor de los orificios (ver figura 3). Algunas ventajas del intercambiador de calor de placas son: Las placas pueden desmontarse con facilidad para limpieza, inspección y mantenimiento. El área de transferencia de calor; es la mitad o un tercio que el de tubo y coraza, para el mismo servicio. La alta turbulencia de flujos reduce el ensuciamiento del 10% al 25% respecto a los intercambiadores de tubo y coraza. El peso total del intercambiador es cerca de un sexto que el equivalente de tubo y coraza.

Sin contaminación cruzada

Figura 3. Diseño de empaque que no permite mezcla de los fluidos.

La mayoría de sus empaques están diseñados de modo que las fugas debidas al empaque sean visibles y detectables por el personal de mantenimiento. La alta eficiencia térmica @el 93% permite un bajo costo económico en calor recuperado. Algunas limitaciones inherentes a los intercambiadores de calor de placas son causadas por las placas y los empaques: Las caídas de presión son muy altas comparadas con los de tubo y coraza, sin embargo, son aceptables porque las velocidades de flujo son usualmente bajas y las longitudes de las placas son cortas. Por la longitud de la periferia de empaque, no es idóneo para aplicaciones de alto vacío. Fluidos extremadamente viscosos pueden llevar a problemas de distribución,. No deben ser usados para fluidos tóxicos debido a una potencial fuga del empaque Durante el arranque, y para minimizar esfuerzos internos, expansión diferencial y movimiento relativo de las piezas, las temperaturas y presiones se incrementarán progresivamente hasta alcanzar las condiciones normales de operación.

14



Especificación del equipo. El equipo es un intercambiador de calor tipo marco y placas modelo GXD-012-H-5-UP-10. ¿Qué significa GXD-012-H-5-UP-10? Tipo de placa

Modelo de placa

Espesor de placa (mm)

GXD-012-H-5-UP-10 Dirección del flujo (Diagonal)

Número de placas Angulo del canal

Tipo de Marco

La serie GX es una placa asimétrica de cuatro cuadrantes adecuada para aplicaciones en condiciones de baja viscosidad y de temperatura aproximada o procesos que comprenden dos caudales significativamente diferentes.

Figura 5. Placa GXD. Alrededor de la circunferencia de las placas hay ranuras que aceptan la empaquetadura y también añaden refuerzo debido a sus bordes acostillados. Las empaquetaduras son de construcción moldeada de una sola pieza que van adheridas a las placas con adhesivo. Cada placa contiene directores de flujo en la parte superior e inferior de las superficies de transferencia de calor en las áreas de lumbreras, los que distribuyen uniformemente los líquidos.

Placas. Diez piezas en acero inoxidable AISI 316 modelo GXD-012. Área de transferencia de calor (ft 2)

1.292

Ancho de la placa (in) Largo de la placa (in) Tamaño de conexión (in) Volumen del canal entre placas (gal) Espesor de la placa (mm)

913/16 273/4 2 0.0872 0.5

15



El coeficiente global de transferencia de calor. Balance de energía: h 1, TA

q

TP2

h1 A(T A

T P 1 )

kA

(T P 1

T P 2 ) x

h2 A T P 2

Resolviendo:

TP1 h 2, TB

q

X

A(T A

T B ) x

1 h1

1 h2

k

U A

T (1)

Donde:

Resistencia Conductiva, (m 2∙K/W ), 1/h = Resistencia Convectiva, (m 2∙K/W) U = 1/ΣR i (Coeficiente global) = m2 ·K/W

x/k =

Figura 4. Transferencia de calor total a través de una pared plana.

Diferencia de temperatura media logarítmica La diferencia de temperatura entre los fluidos frió y caliente, dentro de un intercambiador, variará en general, de un punto a otro. La diferencia de temperatura media logarítmica se calcula con las temperaturas finales de las dos corrientes, si son válidas las suposiciones: T 2

T ml

ln

T 1 T 2

(2)

Por tanto, de (1):

q

U A

T ml

(3)

T 1

Cálculo de U teórico Los coeficientes de convección forzada para líquidos turbulentos o de transición que fluyen en intercambiadores de placas son usualmente correlacionados como [1]: n

Nu

c2

c3

c1 Re Pr

(4)

m w

Re

u D H

Pr

C p

Nu

k

h DH k

Las constantes empíricas c 1 y c 2 son dependientes de los parámetros del corrugado y la geometría. Los valores típicos en el régimen de transición y turbulento son: C1 = 0.15  0.40

C2 = 0.65  0.85 C3 = 0.30  0.45 n = 0.05  0.20

Donde μm = viscosidad del fluido a la temperatura promedio (N∙s/m2) μw = viscosidad (N∙s/m2) a la temperatura de la pared, (N∙s/m 2) = viscosidad (kg/m-s)

T B

D H

2 ,

δ = espacio entre placas (m),

h = coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m 2∙K). C p = capacidad calorífica específica (J/kg∙K), k = conductividad térmica del fluido (W/m∙K), ρ = densidad (kg/m 3). 16


u

Q A

m A


A = area (m2),

(m/s)

A partir de la ecuación 3:

U

1

1 x

1

h1

k 1

h2

m = flujo másico (kg/s).

(5)

Los coeficientes h1 y h2 pueden ser los fluidos caliente y frió, x es el espesor de la placa (m) y k 1 es la conductividad térmica de la placa (acero inoxidable tipo 316; k 1 = 15 W/m∙K ). Se utilizan los valores de ρ, μm, , Pr a temperatura promedio. Con los datos experimentales para el sistema aguaagua en contracorriente y paralelo se estimaron, con el algoritmo SOLVER de Microsoft Office Excel 2003 ™ que realiza la estimación lineal por el método de Newton de derivadas progresivas, las constantes empíricas c , c 2 , c 3 y n , para el intercambiador de placas instalado en el Laboratorio de Ingeniería 1 Química (CUCEI); obteniendo la siguiente correlación con un error del ± 10 %. 0.2

Nu

0.15 Re

0.77

0.3

Pr

m

(6)

w

Procedimiento de puesta en marcha. Para arrancar el equipo se recomienda seguir los siguientes puntos: 1. Abrir completamente las válvulas de salida. 2. Cerrar completamente todas las válvulas de descarga al intercambiador de calor. 3. Proporcionar venteo en ambos lados del intercambiador de calor para facilitar la expulsión del sistema. 4. Operar el intercambiador y aumentar la presión abriendo lentamente la válvula de descarga. 5. Cuando el líquido comienza a salir por el venteo, cerrarlo. 6. Abrir lenta y simultáneamente las válvulas de entrada de los líquidos, para evitar que se produzca demasiada sobré presión debido al choque hidráulico. 7. Controlar el grado de calefacción o enfriamiento mediante la utilización en conjunto de válvulas reguladoras y termómetros del producto. PRECA UCI ÓN : El incremento brusco de presión, por un cambio repentino de la

velocidad del líquido, puede ser varias veces mayor que la presión de trabajo normal del sistema. Esta unidad está equipada con un juego de accesorios, válvulas, manómetros y termómetros. El arreglo de las válvulas permite operar la unidad en paralelo y contracorriente. En las siguientes tablas se listan dichas válvulas para su correcta operación para los sistemas vapor – agua, agua – agua en contracorriente y agua – agua en paralelo.

17



SISTEMA VAPOR – AGUA V1

V2

V3

Abierta

Cerrada

Abierta

VÁLVULA V4 V5 Cerrada

Cerrada

V6

V7

V8

Abierta

Cerrada

Abierta

V6

V7

V8

Abierta

Abierta

Cerrada

V6

V7

V8

Cerrada

Abierta

Cerrada

SISTEMA AGUA – AGUA CONTRACORRIENTE V1 Cerrada

V2

V3

Abierta

Abierta

VÁLVULA V4 V5 Cerrada

Cerrada

SISTEMA AGUA – AGUA PARALELO V1 Cerrada

V2

V3

Abierta

Cerrada

VÁLVULA V4 V5 Abierta

Abierta

Apagado de la unidad. 1. Disminuir gradualmente la presión de los dos líquidos simultáneamente hasta descargar toda la presión. 2. Nunca abrir una unidad cuando está caliente. Antes de abrir la unidad, enfriarla hasta una temperatura media para evitar lesiones personales y aflojamiento de las empaquetaduras. 3. Vaciar completamente los líquidos de la unidad.

Experimentación. 1. Efectuar corridas a diferentes flujos másicos de vapor y agua, o a distintas temperaturas. 2. Dependiendo de la variante a realizar, efectuar el movimiento de válvulas adecuado. 3. Si el sistema es vapor-agua la operación inicia con el encendido de la caldera conforme a las normas de operación y seguridad del laboratorio Ingeniería Química. El suministro de vapor se hará hasta tener el suministro de agua en operación. 4. Se establece la condición de operación con la apertura o cierre de válvulas. 5. Se le da un tiempo al equipo para que el sistema alcance el estado estacionario, para dar lectura a los manómetros y termómetros. 6. Con recipientes de 19 litros, cronometro y balanza se determinan los flujos másicos de las respectivas líneas de salida del equipo. 7. La operación a contracorriente y paralelo en el sistema agua-agua, se utiliza el equipo de transferencia de calor de tubo y coraza. Para una mejor operación la presión de suministro de agua debe ser alta para alimentar a ambos equipos. 8. Con los datos obtenidos se realizan los cálculos correspondientes para determinar el coeficiente global de transferencia de calor “U” (W/m 2·K). 18



9. Hoja de resultados. SISTEMA: AGUA T1 T2 T3 T4 CALIENTE (°C) (°C) (°C) (°C) (kg)

AGUA FRÍA

(kg)

TIEMPO

(s)

P1

2

(kg/cm )

P2

2

(kg/cm )

P3

2

(kg/cm )

P4

(kg/cm2)

SI STEM A AGUA – A GUA PARALEL O

T1 (°C)

T2 (°C)

T3 (°C)

T4 (°C)

AGUA

CALIENTE

(kg)

AGUA FRÍA

(kg)

TIEMPO

(s)

P1 P2 P3 P4 2 2 2 (kg/cm ) (kg/cm ) (kg/cm ) (kg/cm2)

SISTEMA VAPOR – AGUA T1 (°C)

T2 (°C)

T3 (°C)

T4 (°C)

AGUA

CALIENTE

(kg)

AGUA FRÍA

(kg)

TIEMPO

(s)

P1 P2 2 (kg/cm ) (kg/cm2)

P3

2

(kg/cm )

P4

(kg/cm2)

19



PRÁCTICA 8: LÍNEAS DE DÜHRING. 1. OBJETIVOS 1. Graficar la temperatura de ebullición de la solución de hidróxido de sodio-agua a diferentes concentraciones, contra la temperatura de ebullición del agua. 2. Graficar la temperatura de ebullición del agua a diferentes presiones. 3. Comparar la primera gráfica con las que se encuentran el la literatura y obtener un valor sobre la eficiencia del sistema. 4. Determinación experimental de la constante ebulliscópica del agua

1. TEORÍA En algunos procesos de producción es necesario aplicar una etapa de evaporación con la finalidad de concentrar el soluto para una posterior cristalización, o simplemente para recuperar un solvente costoso. Cuando un soluto no volátil es disuelto en un determinado solvente, la temperatura de ebullición de la solución resultante es siempre mayor que la temperatura de ebullición del solvente puro; dicho incremento puede obtenerse a partir de la condición de equilibrio entre la disolución y su vapor, admitiendo que sólo el disolvente es volátil. Una explicación de este fenómeno puede darse a partir de la Ley de Raoult, la cual establece que en soluciones ideales; la presión de vapor de un componente en una solución, está dada por el producto de su fracción molar por su temperatura de vapor, a la temperatura de la solución. Para una solución acuosa binaria se expresa como: Ptotal = x1 Pº1 + x2 Pº2 Donde: x1 y x2 son las fracción del soluto y del H 2O, respectivamente. Pº1 y Pº2 son sus presiones de vapor a la temperatura de ebullición. En el caso de que el soluto no sea volátil, la relación anterior se simplifica: Ptotal = x2 Pº2 En este caso, la fracción de la reducción de la presión de vapor sobre la solución por el efecto del soluto se puede expresar como: (Pºagua — Ptotal) / Pºagua = 1 — xagua = xsoluto De aquí se obtienen, para el caso de soluciones que obedecen la ley de Raoult , las líneas de presión de vapor-temperatura para diferentes concentraciones. Esto a su vez nos permite relacionar por medio de la última expresión, el incremento del punto de ebullición de la solución debido al efecto del soluto con la concentración de dicho soluto:

T solución — T ºagua = k x soluto 20



donde k es una constante de proporcionalidad. Si se despeja de aquí la T solución y se maneja x soluto como una constante y T ºagua como variable, se obtiene la ecuación de una línea recta. De manera simplificada se puede decir que la solución entrará en ebullición cuando la presión parcial del solvente sea igual a la presión del sistema. Para que esto ocurra es necesario que la solución sea llevada a una temperatura superior a la temperatura de ebullición del solvente puro. Los casos de elevación del punto de ebullición son particularmente importantes en el estudio de sistemas de evaporadores, donde normalmente el solvente es agua. La velocidad de transmisión de calor de un evaporador depende, entre otros factores: de la diferencia entre la temperatura de condensación del vapor de calefacción y la temperatura de ebullición de la disolución a concentrar. En las evaporaciones se trabaja con soluciones concentradas en la mayoría de los casos, en las que los valores de: calor específico, calor latente de vaporización y punto de ebullición, no son iguales que los del líquido puro a las temperaturas consideradas. Además pueden existir otros fenómenos térmicos (por ejemplo el calor de cristalización) que hay que tomar en cuenta. No existe método conocido para calcular la elevación del punto de ebullición en las soluciones concentradas. Sin embargo, puede utilizarse una ley empírica conocida como Regla de Dühring. Según esta regla, si se construye una gráfica del punto de ebullición de la solución en función del agua pura a la misma presión, se obtiene una línea recta para cada concentración de la solución y para todas las presiones. Siendo todas ellas rectas, dentro de límites de precisión de los datos que se poseen, no teniendo por que ser paralelas. La ventaja del gráfico de Dühring es que, como las líneas que se construyen son rectas, no es necesario conocer más que los puntos de ebullición de la solución dada a dos presiones diferentes, con lo que se puede trazar la recta que pasa por ellos, dando los puntos de ebullición de la solución a cualquier presión. En general, las líneas de Dühring tienen una inclinación mayor hacía las soluciones más concentradas, por lo que en éstas, la elevación del punto de ebullición aumenta más rápidamente con el aumento de presión que en las soluciones diluidas.

3. APARATO El aparato consta de tres partes fundamentales: 1.- Un matraz de tres bocas: que se encuentra sobre una parrilla eléctrica de calentamiento por convección, en una de las boquillas laterales se coloca un termómetro para la temperatura de la solución del sistema, en la otra boquilla lateral se coloca un vacuómetro para medir la presión interior, en la boquilla central se insertan un termómetro para tomar la temperatura del vapor y un refrigerante a contracorriente. 2.- Matraz de mercurio: en el cual se introduce un tubo de vidrio y la le adjunta una escala para medir la presión manométrica de vacío a la que esta el sistema, en mm de Hg, la cual se regula mediante una válvula en la descarga del mismo. 3.- Bomba de vacío: la cual es la que realiza la generación de vacío en el interior del sistema y se protege mediante un matraz Kitazato como trampa de agua que dañaría las partes internas si entra por el cabezal de la bomba y se mezcla con el aceite de transmisión.

21



DIAGRAMA del APARATO

4. OPERACIÓN y PROCEDIMIENTO Disponga del material necesario para la práctica. Verifique el estado inicial del equipo, que no presenta fugas ni otro tipo de fallas, como manchas en las zonas de lectura, que dificulte la visión durante la práctica. 1.- Prepare cuidadosamente las soluciones de NaOH, u otro solvente, a las concentraciones en peso del: 5%, 10%, 15%..., hasta un máximo de acuerdo al soluto. Agite perfectamente hasta obtener una solución homogénea. 2.- Tome la lectura de la presión atmosférica en el lugar de trabajo. Establezca las presiones de vacío a utilizar, y con ellas, calcule la presión absoluta: P abs = Patm - Pvacío Posteriormente, obtenga de tablas de vapor, las temperaturas de ebullición del agua a las presiones calculadas. 3.- Active el sistema de vacío y coloque agua destilada en el matraz de tres bocas. Inicie el calentamiento, cuando se estabilice la ebullición a cada presión de vacío prefijada, anote la temperatura del líquido y la del vapor. Repita éste paso para cada una de las presiones de vacío hasta la presión atmosférica. 4.- De la misma manera que el paso anterior, determine las temperaturas del vapor y de la solución durante la ebullición para soluciones de diferentes concentraciones de soluto, limpiando con agua destilada el equipo entre cada corrida. 22



5.- Una vez realizadas las mediciones para todas las soluciones elaboradas, limpie el equipo, y disponga de las soluciones residuales bajo indicaciones del personal del laboratorio.

5. TABLA DE CONCENTRACIÓN DE DATOS

SISTEMA: _____________________ VACÍO (mm Hg)

500

400

P ATM = ________ mm Hg 300

200

100

0

PATM (mm Hg) H2O PURA TSAT oC TL oC 0% TV oC TL oC % TV oC TL oC % TV oC TL oC % TV oC TL oC % TV oC TL oC % TV oC 6. TRABAJO POSTERIOR. Graficar 1.- Temperatura de ebullición de cada solución contra la temperatura de ebullición del vapor, (solvente). 2.- Presión vapor contra la temperatura de ebullición de las soluciones. 3. Calcular el valor de la constante ebulliscópica en el sistema

23



PRÁCTICA 9: EVAPORACIÓN. 1. OBJETIVOS 

Realizar el balance global de masa y del componente menos volátil del sistema.



Hacer el balance de energía del sistema y determinar la eficiencia térmica



Determinación de los coeficientes de transmisión de calor en un evaporador de película descendente.

2. TEORÍA El proceso de evaporación consiste en la eliminación de un líquido de una solución, suspensión o emulsión por tratamientos térmicos; en recipientes calentados con vapor de agua u otro mecanismo de energía, a través de una superficie y con el propósito de concentrar dicha solución. En la mayoría de los casos, el producto evaporado es agua. La causa de la evaporación se encuentra en la teoría cinética molecular de la materia. Las moléculas que integran un líquido tienden a escapar de él por efecto de su energía cinética, que lo consiguen sólo aquellas que disponen de la energía suficiente para vencer la atracción de las otras moléculas de líquido. Al perder estas moléculas, la sustancia pierde energía, es decir, se enfría, de modo que para mantener su temperatura y proseguir la evaporación es preciso aportar calor. Los evaporadores operan totalmente a expensas de una transmisión calorífica, y, en gran parte, los distintos aparatos se han desarrollado como un arte, ya que debido al gran número de factores que intervienen, es muy difícil predecir el comportamiento de la transmisión calorífica; se pueden producir, reacciones de precitación, de aglomeración o de polimerización, y un tratamiento inadecuado puede producir un deterioro parcial o total de distintos componentes químicos involucrados en el líquido y de esta forma modificar indeclinablemente las propiedades del mismo. Algunas propiedades que afectan son:

1. Concentración en el líquido. Por lo general, la solución a evaporar es diluida, por lo que su viscosidad es baja, similar a la del agua, y se opera con coeficientes de transferencia de calor altos. Al avanzar la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede aumentar notablemente, causando marcada disminución del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulación o turbulencia adecuada para evitarlo. 2. Solubilidad. En la mayoría de los casos, la solubilidad del soluto aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura ambiente una solución que proviene de un evaporador puede presentarse una cristalización Esto limita la concentración máxima de la evaporación que puede obtenerse por evaporación. 3. Sensibilidad térmica de los materiales. Muchos productos, en especial los alimentos y materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es prolongado. Entre ellos están los materiales farmacéuticos; alimentos como la leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales químicos orgánicos delicados. La cantidad de degradación está en función de la temperatura y el tiempo. 4. Formación de espumas. En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada y algunas soluciones de ácidos 24



grasos, forman espuma durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas del material. 5. Presión y temperatura. El punto de ebullición de la solución está relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Además, la temperatura de ebullición también se eleva a medida que aumenta la concentración del material disuelto por la acción de la evaporación. Para mantener a un nivel bajo la temperatura de los materiales termo sensibles suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es, al vacío. 6. Formación de incrustaciones y materiales de construcción. Algunas soluciones depositan materiales sólidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento, que se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es una reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La selección de los materiales de construcción del evaporador tiene importancia en la prevención de la corrosión. El punto de partida para proyectar un evaporador son los balances de calor y masa. También hay que tener en cuenta la influencia del soluto en el equilibrio vapor-líquido, sobre todo cuando se emplea un múltiple efecto. Por esta razón se deben realizar ensayos previos y poder así determinar el equipo adecuado para cada una de las necesidades. Los evaporadores a escala de laboratorio permiten determinar variables termodinámicas, coeficientes térmicos, comportamientos en ebullición, grados de ensuciamiento, concentraciones límites y todo lo necesario para asegurar un apropiado diseño y construcción de equipo. Tipos generales de evaporadores

El tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor ya sea por agitación o por circulación de líquidos, esto se expresa en los siguientes equipos: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Marmita abierta o artesa Evaporador de tubos horizontales con circulación natural Evaporador vertical con circulación normal Evaporador de canasta Evaporador de tubos largos Evaporación de caída de película Evaporador de circulación forzada Evaporador de película agitada Evaporador solar de artesa abierta

Métodos de operación Evaporadores de efecto simple:

se usan con frecuencia cuando la capacidad necesaria de operación es relativamente pequeña, o el costo del vapor es relativamente barato comparado con el costo del evaporador, sin embargo la operación de gran capacidad al usar mas de un efecto reducirá de manera significativa los costos de vapor. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación hacia delante : este es el método que se emplea cuando la alimentación esta caliente o cuando el producto concentrado final puede dañarse a temperaturas elevadas, las temperaturas de ebullición van disminuyendo de efecto a efecto. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en retroceso: este método de alimentación en retroceso tiene ventajas cuando la alimentación es fría, ya que la cantidad del líquido que debe calentarse a temperaturas altas en el segundo y primer efecto es más pequeña. 25



Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en paralelo: la alimentación en paralelo

en evaporadores de efecto múltiple implica la adición de alimentación nueva y la extracción de producto concentrado en cada un de los efectos, el vapor de cada efecto se usa para calentar el siguiente.

3. APARATO El Evaporador de Película Descendente Este equipo está construido en acero inoxidable, por su funcionamiento, es de un solo paso. Este tipo de evaporador es especialmente útil para materiales sensibles al calor, tales como productos farmacéuticos y alimentos, además se adapta bien para la concentración de líquidos viscosos. Descripción del equipo: I. II. III. IV. V. VI. VII.

Cuerpo del Evaporador Condensador Tanques de Licor, de Condensado y de Alimento. Línea de Alimento, de Licor, de Vapor y de Condensado Servicios: Línea de vacío, vapor y agua de enfriamiento. Instrumentación, Válvulas y Accesorios Estructura de soporte

I. Evaporador

El evaporador esta construido en acero inoxidable, con espesor de 1/8”. Se compone de 2 cavidades cilíndricas, una de 36.9 cm de D ext. y 50 cm de altura y otra de 19 cm D ext y 105 cm de altura que cuenta con un enchaquetamiento para el vapor. El alimento entra por la parte superior del evaporador y cae por las paredes de éste, al tener contacto con la pared enchaquetada el líquido se evapora parcialmente (El vapor producido es arrastrado al condensador) El licor llega a la parte inferior del evaporador y es conducido hacia los tanques receptores de licor a través de una tubería en forma de Y. II. Condensador

Es de cuerpo cilíndrico en acero inoxidable, del tipo de tubos verticales y a contracorriente. Consta de un haz de 25 tubos de ¼” D nom x 99cm de longitud.

26



4. OPERACIÓN Antes de iniciar asegurarse de que se encuentren preparadas para su funcionamiento, la bomba de vacío y la caldera. Después de cargar el tanque de alimentación, aplicar vacío hasta alcanzar la presión preestablecida. Introducir vapor al sistema de tal manera que se mantengan constantes los flujos, temperaturas y presiones correspondientes a la prueba. Terminada la operación se cierra la válvula del alimento, después la válvula de vapor, se deja de aplicar vacío y finalmente el agua de enfriamiento.

27



PROCEDIMIENTO 1.- Poner en servicio la caldera. 2.- Prepare 20 kg de solución acuosa de azúcar al 10% en peso. Agitar la solución para lograr una concentración uniforme y medir su densidad y concentración con el refractómetro y colocarla en el tanque de alimentación. 3.- Aplicar el vacío hasta la presión preestablecida 4.- Alimentar el vapor, controlando la presión en un valor determinado (0.5 kg/cm 2) 5.- Alimentar la solución con un flujo constante. Controle flujo en el rotámetro. 6.- Alimentar el agua de enfriamiento al condensador. 7.- Mida flujo másico del agua de enfriamiento 8.- Medir flujo másico del vapor condensado. 9.- Mida temperaturas del alimento, licor, evaporado y concentrado. Al inicio de la evaporación como al final, y así obtener los ΔT 10.- Mida presión del evaporador y vacío del aparato y el tiempo de la evaporación. 11.- Medir flujo másico de los productos: licor y agua condensada y sus concentraciones.

5. TABLA DE CONCENTRACIÓN DE DATOS EVAPORADOR de PELÍCULA DESCENDENTE Características Generales: Tubos: Evaporador Acero inoxidable, espesor = 1/8"

D=7½"

L = 105 cm

Condensador Acero inoxidable, 25 tubos con Dnom = ¼ " y L = 99 cm c/u

AEvap = _____ m2

K = 15.2 W/m-K

ACond = _____ m2

MATERIAL DE PRUEBA ___________________

F ______ gal/min

TF = _____

Medio calentante Te

Ts

t

Pvac = ______

Ps = ______ kg/cm2 Pabs = ______

m

Ws

Patm = 0.84 atm

Concentración X F = ______ °Bx

Patm = ______

Pabs = ______

Agua de enfriamiento Te

Ts

t

m

W L

1 2 3

PRODUCTOS DE LA EVAPORACIÓN LICOR XL = _____ ° Bx

Te

Ts

t

m

CONDENSADO XC = _____ ° Bx Pvac = _________ cm Hg

Ws

Te

Ts

t

m

W L

1 2 3

28



7. TABLA DE RESULTADOS 1.

Balance de Masa Total

F

L

C

(L + C)

(L + C)/F

F=L+C Fx F

Soluto

Lx L

Cx C

(Lx L + Cx C)

(Lx L + Cx C)/Fx F

Fx F = Lx L + Cx C

2.1

Balance de energía en el Evaporador

Calor cedido por el steam = calor ganado por la solución (licor + evaporado)

Qs = ms[ s + (hfe – hfs)] ms

hfe

s

hfs

Qg = mLCp T + mC mL

2.2

Cp

Qs

Pabs = _______ Tvap = ______

C

mC

T

QmE

Qg

C

Qg / Q s

Balance de energía en el Condensador

Calor cedido por el vapor producido = calor ganado por el agua de enfriamiento

Qs = mC[ c + (hCe – hCs)] mC

C

hCe

hCs

Qs

QmC

Qg = maCp T ma

Cp

Qg

T

Qg/ Qs

3.1 Cálculo de UpE coeficiente total de transferencia de calor, en el Evaporador U pE

QmE Ao

QmE

Ao

T ml

U pE

T ml

29



3.2 Cálculo de URc coeficiente total de transferencia de calor, en el Condensador U pC

QmC

AoC

QmC

T ml

U pC

AoC T ml

4.1 Cálculo de UTE coeficiente total de transferencia de calor, en el Evaporador 1

1

U TE

hi Ai

x K Am

1

R1

hc Ao

Correlación para calcular h i

R 1

h i

R2

R3

Correlación para calcular h c

R 2

R 3

h c

UTE

UTE/UpE

4.2 Cálculo de UTc coeficiente total de transferencia de calor, en el Condensador 1

1

U TC

hi Ai

x K Am

1

R1

hc Ao

Correlación para calcular h i

h i

R 1

R 2

R2

R3

Correlación para calcular h c

h c

R 3

UTC

UTC/UpC

EFICIENCIA MÁSICA y TÉRMICA DEL EVAPORADOR Agua inicial en la solución

Mi

Agua removida de la solución

M R

% de agua removida

(M R /Mi)100

Steam condensado

M s

Eficiencia térmica del evaporador

(M s / MR )100

30

Manual Laboratorio Transferencia de Calor

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