Practicas de Laboratorio Ing Malaga (Calor)

Operaciones Unitarias II (AI-441)

Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga Escuela de Formación Profesional de Ing. Agroindustrial

PRÁCTICA Nº 01 DETERMINACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Y CALOR ESPECÍFICO EN ALIMENTOS I. OBJETIVOS la conductividad conductividad térmica de un alimento, por por el método indirecto. indirecto. 1.1 Determinar la el calor específico de un alimento, por por el método indirecto. 1.2 Determinar el experimento, comprobando con los valores 1.3 Comprobar los resultados obtenidos en el experimento, encontrados en bibliografía.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1 Conductividad térmica: La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que dice cuan fácil es la conducción de calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. La conductividad térmica es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado. En alimentos, la conductividad térmica depende principalmente de la composición, pero también de algunos otros factores que afectan el camino del flujo de calor a través del material, tales como el porcentaje de espacios vacíos, homogeneidad, forma y tamaño del alimento. Como por ejemplo la orientación de las fibras en carne congelada, si se habla de homogeneidad. Esta es una propiedad térmicas crítica, necesaria para el diseño ingenieril en el cálculo de las velocidades de transferencia de calor durante el proceso de calentamiento o enfriamiento. Consideremos un alimento en forma de una tableta, la cantidad de calor denotado por Q, que fluye a través del área A, y espesor x, debido al gradiente de temperatura dT ; entonces la conductividad térmica del alimento es calculada como: ·

Q   KA

dT dx

(1)

La conductividad térmica de un alimento se puede obtener a través de relaciones empíricas, como por ejemplo, de la sumatoria de las multiplicaciones de las conductividades térmicas de los principales componentes del alimento por sus respectivas fracciones volumétricas; así se tiene.

K a lim lim ento

 V agua   V   V    K sólidos  sólidos   K aire  aire ........(1)  K agua   V T   V T   V T 

El contenido de aire en los productos alimenticios, influye sobre la conductividad térmica, ya que el aire es un aislante, siempre y cuando se encuentre atrapado en pequeñas bolsas en las frutas, legumbres y granos, que evitan la transmisión de calor por convección.

Ing. Jorge Málaga Juárez

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Relación entre conductividades térmicas: K aire  0,2 K grasas  0,2 K proteínas  0,1K carbohidra tos  0,04 K agua

2.2

Calor específico:

El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado de temperatura. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en joule por kilogramo y Kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. Si se tiene un alimento de masa m, a una temperatura inicial T 1, el calor requerido Q, para llegar a una temperatura final T 2 sería igual al producto de la masa y el calor específico Cp, por la diferencia de temperaturas:

Q  mxCpx T 2  T 1  El calor específico de un alimento también se puede obtener a través de relaciones empíricas, como por ejemplo, de la sumatoria de las multiplicaciones de los calores específicos de los principales componentes del alimento por sus respectivas fracciones masicas; así se tiene.

Cpa lim lim ento

 magua   m    Cpsólidos  sólidos .....( 2)  Cpagua   mT   mT 

En promedio para alimentos, según su composición química el calor específico de los sólidos, sólidos, aproximadamente aproximadamente es es de: Cp = 1,38

kJ kg º C

III. EQUIPOS Y MATERIALES MATERIALES 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Buretas de 250 ml; 500 ml. Balanza digital. Termocuplas. Muestras de alimentos; frutas, tubérculos, etc. Cuchillos.


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IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL . 4.1 Determinar la humedad de las muestras de alimentos por el método AOAC. 4.2 Medir la temperatura de las muestras. 4.3 Determinar el volumen de las muestras por el método de desplazamiento de agua, para una masa conocida de la muestra y haciendo uso de las buretas. 4.4 Determinar la densidad aparente de las muestras mediante la relación de la masa y el volumen de desplazamiento de agua, del paso anterior. 4.5 Realizar los cálculos de determinación de la conductividad térmica y calor específico de las muestras, mediante las ecuaciones (1) y (2) y las fracciones volumétricas y másicas para cada muestra. 4.6 Determinar el error experimental de los resultados, comparando con los valores de conductividad térmica y calor específico según la bibliografía. V.

CÁLCULOS Y RESULTADOS

VI. DISCUSIÓN VII. CONCLUSIONES VIII. CUESTIONARIO Presentar una tabla de conductividad térmica y calores específicos de alimentos por debajo y por encima del punto de congelación. Estimar la conductividad térmica de una muestra de zanahoria a 20 ºC que contiene 83% de humedad y una densidad aparente de 860 kg/m3

IX. BIBLIOGRAFÍA Batty/Folkman.

1989

“Fundamentos

de

la

ingeniería

de

los

alimentos”

Compañía Editorial Continental S.A. México. Holman J.P. 1998 “Transferencia de calor” Edit orial Mc Graw Hill Octava Edición,

España. EARLE R.L. 1983 “Ingeniería de alimentos” Editorial Acribia S.A. Segunda Edición,

España


-3-



PRÁCTICA Nº 02 DETERMINACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA EN METALES I. OBJETIVOS sensorialmente la conducción conducción de de calor en diferentes metales. 1.1 Evaluar sensorialmente conductividad térmica de una placa placa de hierro, por el el método indirecto. 1.2 Determinar conductividad experimento, comprobando comprobando con los valores valores 1.3 Comprobar los resultados obtenidos en el experimento, encontrados en bibliografía.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO Si hablamos de la conductividad térmica, ésta es una propiedad de un material o medio cuyo valor nos indica su adaptabilidad adaptabilidad para un uso determinado, la información disponible esta basada en medidas experimentales. En general la conductividad térmica de un material varia con la temperatura, pero en muchas situaciones practicas se puede considerar como un valor medio constante, si el sistema tiene una temperatura media, lo que proporciona resultados bastantes satisfactorios. Cuando la conductividad térmica tiene un valor alto, el cuerpo es buen conductor del calor, ejemplo cobre, plata, aluminio, etc. Cuando la conductividad térmica tiene un valor pequeño, el material es mal conductor de calor, actúa como como un aislante, ejemplo el asbesto, fibra de vidrio, vidrio, el aire, etc. Por la ley de Fourier la conductividad térmica se define K  

qx …….(1) T  X

En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con una elevada área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto. El calor Q, que pasa por unidad de tiempo entre dos planos de área A y espesor x y con una diferencia de temperatura T viene dado por: ·

Q  K

A x

T ……(2)

Integrando con respecto al tiempo obtenemos la expresión para el calor transmitido en un intervalo de tiempo T : Q  K

A x

t .T ……(3)

La conductividad térmica de un sólido es mayor que la de un líquido, que a su vez es mayor que la de un gas. La conductividad térmica de un sólido puede ser más de cuatro


-4-



órdenes de magnitud mas grande que la de un gas esta tendencia se debe a gran parte a la diferencia en el espacio intermolecular para los dos estados. Se puede determinar la conductividad térmica de un metal desconocido mediante la transmisión de calor, a través de dicho metal y de un metal de material conocido cuyas áreas de transferencia sean iguales, de espesores conocidos, las temperaturas en las superficies de los materiales en equilibrio y teniendo en cuenta que el flujo de calor es igual para ambos materiales, utilizando la ecuación (2).

 T  X  K 1  K 2  2  1 ......(4)  T 1  X 2  Donde:

1 : Metal de material desconocido. 2 : Metal de material conocido. III. EQUIPOS Y MATERIALES 3.1 3.2 3.3 3.4

Recipiente con varillas de metal; cobre, acero inoxidable, bronce, etc. Termocuplas. Vernier. Planchas de metal de diferentes materiales.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL . 4.1 Calentar agua aproximadamente hasta 80 ºC y colocarla en el recipiente con las varillas de metal de diferentes materiales y evaluar sensorialmente la conducción de calor en cada una de ellas. 4.2 Disponer un recipiente con agua caliente y colocar las planchas de metal por fuera de las paredes del recipiente, una a continuación de la otra de tal manera que exista la conducción de calor a través de ellas. 4.3 Luego de alcanzar el equilibrio medir la temperatura entre las paredes de las placas. 4.4 Determinar la conductividad térmica del metal desconocido mediante la ecuación (4) y según la bibliografía indique que posible material se trata. V.

CÁLCULOS Y RESULTADOS.

VI.

DISCUSIÓN.

VII.

CONCLUSIONES.

VIII.

CUESTIONARIO. Presentar una tabla con los valores de conductividades térmicas de diferentes materiales según sean altamente conductores o aislantes (utilizados en la industria).


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IX.


BIBLIOGRAFÍA. Batty/Folkman.

1989

“Fundamentos

de

la

ingeniería

de

los

alimentos”

Compañía Editorial Continental S.A. México. Holman J.P. 1998 “Transferencia de calor” Editorial Mc Graw Hill Octava Edición, España. Frank P. Incropera. 1999 “Fundamentos de transferencia de calor” 4ta Edición, editorial

Prentice Hall México.


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PRÁCTICA Nº 03 TRANSFERENCIA DE CALOR EN ESTADO NO ESTACIONARIO I. OBJETIVOS 1.1

Evaluar la transferencia de calor en estado no estacionario en sistemas de diferentes geometrías. Establecer la curva de penetración de calor a través de materiales de distintas formas geométricas, sumergidos en un baño de agua caliente. Determinar el coeficiente de película y la conductividad térmica en condiciones no estacionarios y/o para flujos diferentes.

1.2 1.3

II. FUNDAMENTO TEORICO La trasmisión de calor en estado no estacionario es aquella etapa del proceso de calentamiento o del enfriamiento en la que la temperatura cambia con el tiempo. Durante este periodo, la temperatura es función de la posición y del tiempo. Dado que la temperatura es función de dos variables independientes, tiempo y posición, la siguiente ecuación diferencial en derivadas parciales es la que describe la situación para el caso unidimensional:

(δT/δt) = α(δ2T/δx2)………….(1) α = (k/ρCp) ……………. (2) T : t : k :

Temperatura (ºC). Tiempo (s). Conductividad térmica (W/mºC).

ρ

: x :

Densidad (kg/m3). Posición (m).

α :

Difusividad térmica.

La combinación de las propiedades k/ρCp se denomina difusividad térmica (α). La solución analítica de la ecuación (1) solo es posible para algunas geometrías sencillas, como la esfera, el cilindro infinito o la lamina infinita. Durante el periodo de calentamiento o enfriamiento en estado no estacionario la temperatura en el interior del sólido (inicialmente a una temperatura uniforme) variará con la posición y el tiempo. Considerando el centro del sólido como el punto de interés, el flujo de calor desde el fluido hacia este punto encontrará dos resistencias en serie: resistencia al flujo de calor por convección en la capa de fluido que rodea el sólido en sus inmediaciones y resistencia al flujo de calor por conducción en el interior del sólido. El número de Biot, NBi se define como la relación entre la resistencia interna, en el sólido y la externa en el fluido. NBi = (Resistencia interna a la transmisión del calor) / ( Resistencia externa a la transmisión del calor)

NBi = (D/k)/(1/h) = (hD/k)…………(3 )


-7-



Entonces:

NBi < 0,1 0,1 40

Ri : despreciable, osea; k>>>h (metales, calentamiento con agitación) se consideran ambas resistencias Ri y Re (se utilizan graficas) Re: despreciable, osea; h>>>k

Caso A : para resistencia interna (Ri) despreciable, es decir, Biot < 0,1

Q = mCp(dT/dt) = -hA(Ta-T)

Ta : temperatura fluido caliente

Q = ρVCp(dT/dt) = -hA(Ta-T)

∫dT/(Ta-T) = -∫ hA/ (ρVCp) dt ln[(Ta-T)/(Ta-Ti)] = -[hA/ (ρVCp)]t

Caso B : para resistencia externa (Re) despreciable, es decir, Biot >40

Q = (KA/x)(Ta-T) = ρVCp(dT/dt)

∫dT/ (Ta-T) = ∫[KA/(x ρVCp)]dt ln[(Ta-T)/(Ta-Ti)] = [KA/(DρADCp)]t ln[(Ta-T)/(Ta-Ti)] = [K/(ρD2Cp)]t ln[(Ta-T)/(Ta-Ti)] = αt/ D2


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Caso C : se consideran ambas resistencias, es decir, 0,1
Se utilizan graficas donde se han representado la relación de temperaturas versus un número nuevo adimensional denominado, número de Fourier (NFo)

NFo = (k/ρCp)(t/ D2) = αt/ D2 Siendo D la dimensión característica. El valor D es la mínima distancia desde la superficie al centro del objeto. D es el radio para esferas y cilindros infinitos, mientras que es la mitad del espesor para láminas infinitas. Para un determinado elemento de volumen, el número de Fourier es una medida del flujo del calor por conducción por unidad de flujo de calor almacenado. Así un valor alto del número de Fourier significa alta penetración del calor en el sólido en un intervalo de tiempo dado. (Ta-T)/(Ta-Ti)Cilindro finito = (Ta-T)/(Ta-Ti)Cilindro infinitox(Ta-T)/(Ta-Ti)Lámina infinita (Ta-T)/(Ta-Ti)Paralepipedo=(Ta-T)/(Ta-Ti) Lámina x(Ta-T)/(Ta-Ti)Lámina x(Ta-T)/(Ta-Ti)Lámina finito

infinita long.

infinita ancho

infinita altura

III. MATERIALES Y EQUIPOS 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Termostato. Ventilador. Termocuplas y termómetros. Cronómetro. Alimentos de diferentes geometrías.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL . 4.1 Caso A : para resistencia interna (Ri) despreciable, es decir, Biot < 0,1 Consiste en someter el alimento inicialmente caliente a una corriente de aire frio y registrar la variación de temperatura en el tiempo. -

Colocar el alimento de forma geométrica característica, a un baño de agua hirviendo y calentar hasta estado estacionario. Tomar la temperatura inicial del alimento (mediante Termocuplas) y la del aire. Someter al alimento caliente a una corriente de aire (transmisión de calor por convección: forzada-natural) y registrar la temperatura respecto al tiempo.

4.2 Caso B : para resistencia externa despreciable (Re), es decir, Biot >40 Consiste en someter el alimento inicialmente a temperatura ambiente a un baño de agua hirviendo y registrar el cambio de temperatura en el tiempo. -

Medir la temperatura inicial del alimento, mediante una termocupla insertada en el centro y la del agua caliente.


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-


Sumergir completamente el alimento en el baño de agua hirviente y registrar el cambio de temperatura en el tiempo.

V. CÁLCULOS Y RESULTADOS 5.1 Presentar los resultados en una tabla de temperaturas versus tiempo, para ambos experimentos. 5.2 Graficar la relación de temperaturas en escala logarítmica versus el tiempo o t/ D2, según sea el caso y determinar el coeficiente de transmisión de calor por convección (h) y la conductividad térmica (K); comparar con la teoría. 5.3 Evaluar la certeza del modelo asociado para cada caso y el método experimental. VI. DISCUSIÓN Discutir los resultados experimentales comparando con la bibliografía e interpretar los gráficos.

VII. CONCLUSIONES VIII.CUESTIONARIO - Presentar una tabla con valores de conductividad térmica, densidad y calores específicos de diferentes alimentos.

IX. BIBLIOGRAFIA 9.1 Frank P. Incropera. 1999 “Fundamentos de transferencia de calor” 4ta Edición, editorial Prentice Hall México. 9.2 Geancoplis. 2002. “Operaciones unitarias” Cuarta edición. Editorial Mc Graw Hill España.


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PRÁCTICA Nº 04 CONVECCIÓN NATURAL Y FORZADA (Manual de prácticas de laboratorio de transferencia de calor del Ing. Cipriano Mendoza Rojas y de la Ing. Anna Zegarra Vila)


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PRÁCTICA Nº 05 CALENTAMIENTO DE LÍQUIDOS EN TANQUES AGITADOS I. OBJETIVOS 1.1 1.2 1.3

Evaluar la transferencia de calor en estado no estacionario en sistemas agitados. Observar el progreso del cambio de temperatura de un fluido, sometido a calentamiento en un tanque con agitación. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor para diferentes velocidades de agitación.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO Los procesos de transferencia de calor por lotes son procesos típicos de estado inestable en los que ocurren cambios discontinuos de calor con cantidades específicas de material, como cuando se calienta una cantidad dada de líquido en un tanque o cuando un horno frío se empieza a calentar. En los procesos en lotes para calentar líquidos el tiempo requerido para la transferencia de calor usualmente puede modificarse aumentando la circulación (agitación) del lote de líquido, el medio de transferencia de calor, o ambos. La razón de usar un proceso por lote en lugar de una operación de transferencia de calor continua, está determinada por numerosos factores. Algunas de las razones comunes son: (1) (2) (3) (4)

El líquido procesado no se dispone continuamente, No se dispone continuamente del medio calefactor o enfriador, Los tiempos de reacción o de tratamiento necesitan cierta retención, La economía de procesar intermitentemente un lote grande justifica la acumulación de una corriente pequeña, (5) La limpieza o regeneraci6n es una parte significante del periodo total de operación, (6) La operación simplificada de muchos procesos en lotes es ventajosa. Cuando se instala un agitador mecánico en un tanque o recipiente como en la Fig. (1), y en el que se somete a calentamiento un determinado fluido, la transmisión de calor se mejora notablemente, debido a que el calor se trasmite instantáneamente, de forma que no existen gradientes de temperatura, por lo cual la resistencia interna a la transmisión de calor es despreciable manteniéndose constante la temperatura en el interior del fluido.


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Para realizar le balance de energía de la transmisión de calor para el sistema mostrado en la fig. (1), se tienen que considerar las siguientes suposiciones: -

La agitación mantiene homogénea la temperatura del fluido en el proceso. Las propiedades físicas de los fluidos y del proceso, el coeficiente global de transferencia de calor y el volumen del fluido en el tanque se mantienen constantes. Los flujos de entrada y salida (W) del fluido a calentar son constantes e iguales. La temperatura inicial (Ti) del fluido de alimentación y la del medio calefactor se mantienen constantes (Isotérmico Tv = Cte.).

Por lo cual el balance de energía resultará: Qc  QF  QW ..........(1)

Donde: Qc : QF : QF :

Calor transferido por el medio calefactor. Calor absorbido por el volumen (Vf ) constante de fluido, en el tanque. Calor absorbido por el flujo de fluido (W) que circula entrando y saliendo del sistema.

Entonces:

 dT    WCpW T  Ti ..............(2)  dt 

UoAoTv  T    F V F Cp F 

La solución de la ecuación (2) para régimen estacionario y flujo continuo (igual flujo de entrada y salida del fluido a calentar), será: Para un tiempo infinito t = ∞ : dT/dt = 0 , entonces:

  UoAo     Tv Ti    WCp F    ...........(3) T      UoAo      1   WCp   F   Para régimen transitorio y flujo continuo, se tiene:

 W UoAo   Tv  T    t ............(4)        Tv  Ti    F V F  F V F Cp F 

ln 

Para régimen transitorio para una operación batch (W = 0) (calentamiento y enfriamiento de lotes agitados), de la ecuación (2) se tiene:

 dT    UoAoTv  T   dt 

 F V F Cp F 


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 UoAo    Tv  T    F V F CpF  dt dT

Para los limites t = 0, T = Ti y t = t , T = T , entonces:

 UoAo   Tv  T    t ............(5)    V Cp  Tv  Ti   F F F 

ln 

III. MATERIALES Y EQUIPOS Para habilitar el sistema mostrado en la Fig. (1) se requiere:

3.1 Tanque cilíndrico para carga del fluido con válvula de drenaje. 3.2 Serpentín para la conducción del fluido calefactor o recipiente con termostato. 3.3 Sistema de agitación con regulador de velocidad. 3.4 Termómetros y termocuplas. 3.5 Generador de vapor o energia eléctrica. IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL . A. Régimen Transitorio: 1. Llenar el tanque con agua fría hasta un nivel determinado, tomar la temperatura inicial (Ti) y el volumen (Vf ) contenido, mantener el nivel constante haciendo ingresar agua y controlando la salida con la válvula de drenaje. 2. Instalar el sistema de calefacción, previamente anotar las características del equipo (material y dimensiones), la temperatura (Tv) y mantenerla constante. 3. Colocar el equipo agitador y ajustar una velocidad de giro (rpm). 4. Registrar las temperaturas del fluido (T) a ciertos intervalos de tiempo (2 min.) hasta llegar a régimen estacionario. 5. Realizar el mismo experimento pero variando la velocidad de giro del agitador. 6. Realizar los mismos pasos del experimento anterior pero, para una operación bacht donde no existe ingreso ni salida del fluido (W = 0). B. Régimen Estacionario: Es el estado estable que se llega al final del régimen transitorio, anotar la temperatura del fluido en este instante (T∞).

V. CÁLCULOS Y RESULTADOS 5.1 Para régimen transitorio y flujo continuo del fluido, graficar en coordenadas semi logarítmicas los términos t Vs (Tv – T)/(Tv – Ti) de la ecuación (4), asemejando a una recta y en la cual se determinara el coeficiente global de transferencia de calor (Uo). 5.2 Para régimen transitorio y operación por lote o en bacht, graficar los términos de la ecuación (5) y de igual forma determinar Uo. Ing. Jorge Málaga Juárez

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5.3 Para régimen estacionario, graficar la temperatura Vs la velocidad de giro (N). Determinar el coeficiente global de transferencia de calor (Uo) para cada N, de acuerdo a la ecuación (3). VI. DISCUSIÓN Discutir los resultados experimentales comparando con la bibliografía e interpretar los gráficos.

VII. CONCLUSIONES Breves y precisas de acuerdo a los objetivos.

VIII.CUESTIONARIO 8.1 Indicar algunas aplicaciones del calentamiento y enfriamiento en tanques agitados en la industria de alimentos. 8.2 Determinar analíticamente el coeficiente global de transferencia de calor (Uo), a partir de los coeficientes de película (h) y comparar con los resultados. IX. BIBLIOGRAFÍA 9.1 Geankoplis Ch. J. “Procesos de transporte y operaciones unitarias”. Editorial Continental. México. 1982. 9.2 Holman J. P. “Transferencia de calor”. Editorial. Mc Graw Hi ll. Madrid. España. 1997. 9.3 Kern Donald Q. “Procesos de transferencia de calor”. Editorial C.E.C.S.A. México. 1973. 9.4 Mc Cabe & Smith. “”Operaciones básicas de ingeniería química”. Editorial Reverte S.A. 1985.


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PRÁCTICA Nº 06 EVALUACIÓN DE PÉRDIDAS DE ENERGÍA EN LÍNEAS DE VAPOR I. OBJETIVOS 1.1 Cuantificar las pérdidas de calor que se dan por la disipación calorífica unidireccional, en tuberías de conducción de vapor. 1.2 Evaluar las pérdidas de calor en un sistema de paredes compuestas en tuberías de conducción de vapor aisladas térmicamente. 1.3 Determinar la eficiencia de ahorro térmico en tuberías de conducción de vapor, aisladas térmicamente. II. FUNDAMENTO TEÓRICO En cualquier fenómeno físico o químico en donde se encuentre presente una diferencia de temperaturas, se presentará una transferencia de calor, la cual únicamente puede llevarse a cabo por tres mecanismos o una combinación de ellos, estos son:

2.1 Conducción. La transferencia de calor por conducción es el proceso mediante el cual fluye calor a través de un sólido. En este tipo de proceso, el calor se transfiere mediante un complejo mecanismo sub microscópico en el que los átomos interactúan a través de choques elásticos e inelásticos para propagar la energía desde las regiones con mayor temperatura hacia las que tienen menor temperatura. La transferencia de calor por conducción generalmente se da en los sólidos pero puede presentarse también en líquidos o en gases bajo ciertas circunstancias como lo son las condiciones cercanas al reposo. La ecuación que predice la disipación de calor por un mecanismo de conducción es la ley de Fourier Q   K . A.T .........(1)

Que para un caso unidireccional se convierte en: Q   K . A

dT dX

..........(2)

Donde:

Q : Flujo de calor. K : Conductividad térmica del material. A : Área de transferencia de calor. T : Temperatura. X : Espesor del material donde se lleva a cabo el fenómeno.


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2.2 Convección. La transferencia de calor por convección aparece siempre que un cuerpo se coloca en un fluido con una temperatura mayor o menor. Debido a la diferencia de temperaturas, el calor fluye entre el fluido y el cuerpo, cambiando la densidad del fluido cerca de la superficie. La diferencia de densidad produce un flujo descendente del fluido más pesado y un flujo ascendente del flujo más ligero. Si el movimiento del fluido solo se debe a diferencias de densidad producidas por gradientes de temperaturas, el mecanismo de transferencia de calor asociado se llama convección natural. Si los cambios de densidad además de ser provocados por gradientes de temperaturas, son favorecidos por dispositivos externos como bombas o ventiladores, el mecanismo de transferencia de calor se conoce como convección forzada En ambos casos la ecuación que predice la pérdida de calor, es la ecuación de Newton. Q = h A (Ts −T ) ………(3)

Donde:

Q : Flujo de calor h : Coeficiente de transferencia de calor por convección natural o forzada. A : Área de transferencia. Ts: Temperatura de la superficie. T : Temperatura del fluido. 2.3 Radiación. Es un fenómeno de transferencia de calor a partir de ondas electromagnéticas, originado por un gradiente de temperaturas, entre más grande es este, la radiación se incrementa. La ecuación que predice las pérdidas de calor por radiación es la Ecuación de Stefan – Boltzmann.



4 4 Q   . A. Ts  T ............(4)

Donde:

Q : Flujo de calor σ : Constante de radiación Α : Área de transferencia ε : Emisividad del cuerpo radiante Ts: Temperatura de la superficie. T : Temperatura del medio receptor Algunas de las tuberías de transporte de vapor vivo se encuentran expuestas directamente al aire ambiental, generando una pérdida de calor y un aumento considerable en la temperatura al interior de una fábrica, la utilización del aislamiento térmico permite el ahorro de combustible del 3 al 8% dependiendo del diámetro del tubo expuesto, lo que se ve reflejado en la disminución de costos de producción, además se reduce la contaminación térmica y con el ahorro de combustible se minimiza la generación de gases de combustión responsables del calentamiento global.


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Tabla 01: Emisión de calor para tuberías horizontales con aire en calma a 10-20 ºC Pérdidas de calor en tuberías de vapor.

.

m

Q. L.3,6 h fg

xF .........(5)

Donde: : Flujo de condensado (kg/h) : Calor emitido (W/m), de la tabla anterior L :Longitud equivalente de tubería con bridas y válvulas (m) hfg: Calor latente de cambio de fase (kJ/kg) F : Factor de aislamiento : 1 para tubo desnudo; 0,1 para buen aislamiento.

2.4 Paredes cilíndricas compuestas (Resistencias en serie). El problema de obtener la expresión que permita evaluar la pérdida de calor para el caso de un conducto cilíndrico tal como una tubería o un tanque aislado térmicamente, en donde se identifican los diferentes mecanismos de transferencia de calor como se muestra en la figura 1, puede obtenerse a partir de la ecuación general de energía:


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Resistencias en serie en tubo cilíndrico aislado: 1.- El sistema opera a régimen permanente. 2.- El flujo de calor es básicamente en dirección radial. Entonces bajo condiciones estacionarias y teniendo en mente que a lo largo del espesor del tubo con radio r1 y del aislante con radio r2 y r3 , la pérdida de calor se lleva acabo por un mecanismo de conducción por lo que según la ecuación de Fourier, ecuación (2) y de la misma manera las pérdidas de calor que se dan en la superficie interna del tubo y desde la superficie externa del aislante hacia el aire están gobernados por los mecanismos de convección y convección más radiación respectivamente, por lo que sustituyendo la ecuación de Newton (ecuación 3) en la ecuación general de transmisión de calor se tiene:

Una ecuación práctica para el cálculo del calor de transmisión a través de paredes cilíndricas y compuestas de acuerdo a la figura 1 es: Q

T i  T   T ...........(6)  Ri  R1  R2  R3  1 ln(r 2 / r 1 ) ln(r 3 / r 2 ) 1       h A K L K L h0 A0  2 2   T A  i i

Evaluación de coeficientes: Es muy importante distinguir las características de los coeficientes ho y hi que componen las resistencias a la transferencia de calor en la parte externa e interna del tubo respectivamente, ya que estos pueden ser por convección natural o forzada. Para el caso de tuberías de conducción de vapor, la resistencia interna es despreciable debido a que el coeficiente convectivo del vapor hi es alto por lo que Ri  0 , si no fuera el caso el coeficiente de convección se determinaría con las ecuaciones apropiadas ya sea para convección natural o forzada y según el régimen laminar o turbulento; tales como: Sieder Tate, Dittus-Boilter, de Colburn o mediante algunas ecuaciones simplificadas para flujo turbulento. En el caso del coeficiente convectivo exterior ho, para el lado del aire, se utilizarían las ecuaciones para convección natural o forzada según sea el caso y en tuberías horizontales del tipo:


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Para régimen laminar :

Nu  C Pr G r 

Para régimen turbulento

:

n

Nu  C  N Re  Pr  p

q

Para convección natural existen ecuaciones simplificadas agua y aire del tipo: h  C T 

n

III. EQUIPOS Y MATERIALES 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Caldero eléctrico o industrial. Probetas de 100 ml; 250 ml. Termocuplas. Cronómetro. Vernier. Cinta métrica.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL . 4.1 Instalar las tuberías de conducción de vapor. 4.2 Encender el caldero y levantar la presión hasta 20 lb/pulg2. 4.3 Medir la longitud de tubería, inventariar los accesorios; y medir los diámetros de tubería y aislante. 4.4 Hacer circular el vapor a través de la tubería y mantener constante la presión. 4.5 Luego de establecer el flujo de vapor y la presión constante; determinar el flujo de vapor, mediante la medición del volumen del condensado en el tiempo. 4.6 Medir las temperaturas en las superficies de la tubería, del aislante y del aire. 4.7 Realizar los cálculos de determinación de los coeficientes de convección, mediante las ecuaciones apropiadas encontradas en bibliografía. 4.8 Determinar las pérdidas de calor en la tubería de vapor aislada y sin aislar, según la ecuación (6) y compararla haciendo uso de la tabla Nº 01. 4.9 Variar el flujo de vapor o la presión del caldero y repetir los pasos desde el punto (4) hasta (8). V.

CÁLCULOS Y RESULTADOS 5.1 Presentar un cuadro con los resultados obtenidos. 5.2 Revisar las ecuaciones apropiadas para el cálculo del coeficiente convectivo y calcular las pérdidas de calor teóricas y experimentales en la línea de vapor para cada caso.

VI. DISCUSIÓN VII. CONCLUSIONES VIII. CUESTIONARIO 8.1 Presentar una tabla indicando el coeficiente de convección para vapor de agua y otros fluidos, según la temperatura y condiciones de flujo. 8.2 Presentar las diferentes ecuaciones para el cálculo del coeficiente de convección ya sea en convección natural o forzada y según el régimen de flujo 8.3 Como se modificaría la ecuación (6) si se quisiera considerar el efecto de la incrustación en la línea de vapor.


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IX. BIBLIOGRAFÍA 9.1 Bird Stewart. 1978 “Fenómenos de transporte” Editorial Reverté S.A. 9.2 Holman J.P. 1998 “Transferencia de calor” Editorial Mc Graw Hill Octava Edición, España. 9.3 Coulson and Richardson. 1979 “Ingeniería Química” Editorial Reverté S.A. Tomo I. 9.4 E. Costa Novella y otros. 1986 “Transmisión de calor” Editorial Alambra, Primera Edición. 9.5 Perry/Chilton. 2003 “Manual del Ingeniero Químico” Editorial Mc Graw Hill, 5ta Edición.


- 21 -



PRÁCTICA Nº 07 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE DOBLE TUBO DE CUATRO PASOS (Manual de prácticas de laboratorio de transferencia de calor del Ing. Cipriano Mendoza Rojas y de la Ing. Anna Zegarra Vila).


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PRÁCTICA Nº 08 PLANTA PILOTO PARA EL ESTUDIO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR: DE CORAZA Y TUBOS, DE DOBLE TUBO Y DE PLACAS I. OBJETIVOS 1.1 1.2 1.3

Saber operar la planta piloto para el estudio de intercambiadores de calor. Determinar la capacidad de transferencia de calor para cada tipo de intercambiador de calor, para flujo en contracorriente y en paralelo. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor para cada tipo de intercambiador de calor, a diferentes flujos.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1 Intercambiador de calor de coraza y tubo: El intercambiador de casco y tubos es el equipo mas utilizado en toda la industria.

Ventajas del equipo. • • • • •

Proporciona una mayor área de transmisión de calor en pequeño volumen. Soportan altas presiones y altas temperaturas de operación. Tiene procedimientos de diseño y técnicas de fabricación bien establecidas. Su construcción se realiza con diversos tipos de materiales. La limpieza del equipo es relativamente fácil.

Descripción de un intercambiador de calor de coraza y tubos:

Tubos: - Los diámetros varían de 16 a 50 mm. - Los espesores se seleccionan de acuerdo a la presión. - La longitud de los tubos en el diseño pueden ser de; 6; 8; 12; 16; 20 y 24 pies. Coraza: - Son construidos mayormente de acero, cuyo diámetro interior varía de 150 a 1067 mm. - El espesor del casco es de 10 mm (3/8”) a una presión de 2,70 Mpa.


- 23 -



Placas: - Estas placas varían de 0,2 a 1,0 del diámetro de carcasa. - Soporta los tubos y conduce el fluido que circula por el casco. Diferencia media de temperaturas (la temperatura como fuerza impulsora)

T L 

T ent  T sal  T  ln ent   T sal 

La práctica usual en el diseño de intercambiadores de casco y tubos es estimar la “diferencia de temperaturas verdaderas” a partir de la diferencia de temperaturas media

logarítmica mediante la aplicación de un factor de corrección para compensar la desviación de un real flujo en contracorriente. T 

Q

F T T L

 U . A.T L F T

A 

Q U T L F T

Un diseño económico de intercambiadores no puede ser obtenido si el factor de corrección F T es menor que 0,75.

Coeficiente de película para el lado de los tubos (ht) •

Esta correlación permite estimar ht a través del factor J H . De acuerdo a la Ecuación:

 k   Cp  ht  J H   N Re    Di   k  •

•

1/ 3

       W 

0,14

Donde: J H se evalúa como función del número del Reynolds para el fluido que circula por los tubos. El cual se evalúa a partir de la correlación dada por la figura y un diámetro equivalente para el lado del casco De en lugar de Di.


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Área de transferencia de calor: a) Área disponible Ad .- Para realizar la transferencia de calor se debe suponer una unidad estándar, la cual tendrá un área de transferencia de calor disponible, dada por el área lateral de los tubos de “haz”

Ad  AltxNt

Donde: Alt : área lateral ofrecida por un tubo, m2 (pies2) Nt : número de tubos en el “haz”

b) Área requerida A.- Siempre el área de transferencia de calor disponible debe ser mayor que el área Requerida en un exceso entre 10 y 20%. Caída de presión: a).- Caída de presión en el lado de los tubos, PT En un intercambiador de casco y tubos: las pérdidas por fricción en los tubos y las pérdidas debido a las expansiones y contracciones esta dado:  T    2

PT  8 f ( L / Di) ´

2

m

    W 

Donde: m : 0,25 para flujo laminar, NRe < 2 1 y 0,14 para flujo turbulento, NRe > 10 000 μ : viscosidad del fluido a su temperatura media μW : Viscosidad del fluido a la temperatura de la pared del tubo.


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b).- Caída de presión en el lado del casco, PS El modelo de flujo en el casco de un intercambiador con pantallas segmentadas, es complejo y esto hace la predicción del coeficiente total de transferencia de calor y la caída de presión mucho más difícil que para el lado de los tubos. La caída de presión para el lado del casco se puede evaluar usando la ecuación siguiente:  L   PS  8 f ( Ds / de)  T  B  2

2

       W 

0 ,14

ƒ : factor de fricción (L/B) : Es el número de veces que el flujo cruza el eje longitudinal del casco.

Consideraciones generales para el diseño de intercambiadores de coraza y tubos: •

Velocidades del fluido en los tubos y el casco: Líquidos.-Lado de los tubos, Fluido de proceso: 1 a 2 m/s, máximo 4 m/s si se requiere

para reducir las incrustaciones; agua 1,5 a 2,5 m/s Lado del casco: 0,3 a 1 m/s Vapores.- Para vapores, la velocidad usada depende de la presión de operación y de la densidad del fluido; los valores bajos en los rangos dados a continuación se aplican a materiales de alto peso molecular. Vacío 50 a 70 m/s Presión atmosférica 10 a 30 m/s Alta presión 5 a 10 m/s

2.2 Intercambiador de calor de doble tubo:

En un intercambiador de calor de doble tubo, el fluido caliente circula por un tubo, descendiendo su temperatura, mientras que el fluido frío lo hace por el segundo tubo, bien en el mismo sentido (corriente directa), bien en sentido contrario (contracorriente), aumentando su temperatura. El intercambiador de calor es adiabático, y por lo tanto, las pérdidas al exterior son despreciables, entonces según un balance de calor:

El flujo transversal de calor será: Q = U · A · ΔTL T L 

T 1  T 2   T 1    T  2 

ln ΔT1 = diferencia

de temperaturas entre ambos fluidos en el punto 1

ΔT2 = diferencia

de temperaturas entre ambos fluidos en el punto 2


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Para los coeficientes de convección interna:

Para los coeficientes de convección externa:

2.3 Intercambiador de calor de placas: Están integrados por una serie de placas metálicas, de tamaños normalizados, por cada constructor, que se acoplan unas a otras en mayor o menor número, según las necesidades térmicas, en un bastidor que las sostiene unidas. Con objeto de que las placas queden correctamente enfrentadas unas a otras, están dotadas en su parte superior e inferior de dos aberturas, mediante las cuales pueden deslizarse a lo largo de las guías del bastidor. La abertura superior permite además que la placa quede suspendida de la correspondiente guía portadora.


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En este tipo de cambiadores se denomina paso al conjunto de placas, montadas en paralelo, que son recorridas con el mismo sentido de flujo en cada fluido, como muestra la figura.

Flujos en un intercambiador de placas

Donde: : Acero Carbono (pintado) EPOXI 1 Bastidor : Acero Inoxidable AISI 316 2 Placas 3 Conexiones roscadas : Acero Inoxidable AISI 316 : NBR ó EPDM 4 Juntas : Placas Acero Inoxidable 5 Guías En cuanto a los materiales de que están construidos estos intercambiadores dependen fundamentalmente de las características de los fluidos que vayan a intercambiar calor; siendo las principales condiciones que deben tenerse en cuenta al seleccionar el material de las placas las siguientes: • • •

Facilidad de deformación por prensado. Pequeña resistencia térmica. Inatacabilidad por los fluidos a emplear.

Esta última condición limita a su vez al material empleado en las juntas entre las placas.


- 28 -



A la vista de estas condiciones, los materiales más usualmente empleados en la construcción de las placas son los aceros inoxidables y las aleaciones de níquel, cromo, y titanio, mientras que para las juntas se emplean siliconas, caucho natural y sintético.

Ventajas: - Elevada turbulencia en la circulación de fluidos, consiguiéndose regímenes turbulentos para números de Reynolds de aproximadamente de 10, frente al valor de 2300 correspondiente a la transición de régimen laminar a turbulento en cambiadores multitubulares. Esta elevada turbulencia permite velocidades de circulación menores en los fluidos, disminuyendo el peligro de ensuciamiento. - Elevados valores del coeficiente de transmisión superficial, lo que conlleva valores muy elevados del 2 coeficiente global de transmisión del calor. - Menores perdidas caloríficas, ya que sólo los bordes de las placas están

expuestas al ambiente exterior y además de tener pequeños espesores pueden aislarse fácilmente. - Menor espacio necesario que otros tipos de cambiadores dada su elevada relación superficie de intercambio / volumen total, lo que supone también que la cantidad de líquido contenido por unidad de superficie de intercambio es muy baja en comparación con otros intercambiadores, lo que da lugar a menores pérdidas de fluido al abrir el cambiador, así como a menores problemas de depósito de residuos, fermentaciones en los períodos de funcionamiento, presentando menor inercia térmica en la puesta en marcha o en los cambios de régimen por la misma razón. - Fácil accesibilidad a ambas caras de cada placa, lo que permite una mejor inspección y limpieza, lo que puede realizarse en el mismo lugar de su emplazamiento. - Facilidad de sustituir elementos con la consiguiente ventaja de facilitar las reparaciones y realizar ampliaciones con máxima economía. - En el caso de deterioro de las juntas, se produce escape de fluido hacia el exterior, siendo posible repararlas inmediatamente, evitándose mezclas o contaminaciones de los fluidos.

Inconvenientes: - Limitación que imponen las juntas de unión entre placas, ya que no permiten trabajar con temperaturas superiores a 250ºC o presiones mayores de 20 atm. - Presentan mayor pérdida de presión en la circulación de fluidos. - De no ser necesarios materiales especiales, el cambiador de placas es más caro que los multitubulares. III. MATERIALES Y EQUIPOS 3.1 3.2 3.3 3.4

Planta piloto para el estudio de intercambiadores de calor . Probetas de 250; 500 ml. Termómetros, cronometro, regla graduada, vernier. Llave inglesa.


- 29 -



IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL . Características de la planta piloto: - Estructura de acero inoxidable sobre ruedas. - Intercambiador de calor de carcasa y tubos (19 tubos, diámetro 14x12 mm, longitud de tubos 500 mm) provisto de tres diafragmas (cortados al 75% del diámetro), fabricación en acero inoxidable, superficie de intercambio 0,36 m2, sigla E1. - Intercambiador de calor de doble tubo, fabricación en acero inoxidable, diámetro del tubo interno 21,3x18,3 mm, diámetro del tubo externo 33,7x30,7 mm, superficie de intercambio 0,14 m2, sigla E3. - Intercambiador de calor de placas, fabricación en acero inoxidable, superficie de intercambio 0,18 m2, sigla E2. - Dos caudalímetros de área variable, escala 20-200 l/h, sigla FI1 y FI2. - Bomba de circulación del agua caliente en acero inoxidable, sigla G1. - Tanque de agua caliente de acero inoxidable, capacidad 100 litros, recubierto con poliuretano expandido, sigla D1, con, resistencia eléctrica, P = 6 kW, sigla J1 y termostato, sigla TW1. - Cuatro termómetros digitales con funda de acero inoxidable, escala 0-150 ºC, sigla TI1, TI2, TI3 y TI4. - Cuadro eléctrico, grado de protección IP 55. - Botón de emergencia.

4.1 4.2 4.3 4.4

Conectar la planta piloto a la red eléctrica trifásica (P = 7 kW). Cerrar las válvulas V1 y V4. Abrir las válvulas V2 y V5 y parcialmente la válvula V3. Conectar la planta piloto a la línea del agua fría de la red (consumo máximo 600 l/h, Pmáx. = 2 bares. 4.5 Conectar los tubos de entrada y salida del agua caliente y fría al cambiador de calor que se quiere estudiar sujetando las conexiones con una llave inglesa. Los flujos pueden ponerse en paralelo o en contra corriente según los tubos sean conectados al cambiador. 4.6 Llenar el depósito D1 hasta un 85% preferiblemente con agua desmineralizada o con agua de la red. 4.7 Insertar el interruptor general. 4.8 Ajustar la temperatura del agua caliente accionando sobre el termostato TW1 puesto sobre el tanque D1. 4.9 Encender la resistencia J1 y la bomba G1. 4.10 Cuando la temperatura TI3 se vuelva estable, regular el caudal del agua caliente y fría manipulando las válvulas V4 y V5 (ejemplo 150 l/h). 4.11 Esperar algunos minutos hasta que las temperaturas TI1, TI2, TI3 y TI4 resulten estables; tomar nota de los valores experimentales. 4.12 Variar los caudales, esperar que las temperaturas se estabilicen y tomar nota de los nuevos valores. 4.13 Para estudiar otro cambiador, cerrar la bomba G1. 4.14 Cerrar las válvulas V4 y V5. 4.15 Conectar los tubos de entrada y de salida del agua caliente y fría al cambiador de calor que se quiere estudiar y proceder según los pasos anteriores. 4.16 Para terminar el experimento, cerrar la bomba G1 y la resistencia J1, cerrar las válvulas V4 y V5, cerrar la válvula principal de agua fría y desconectar la planta piloto de la red eléctrica. 4.17 Para periodos largos de inactividad, vaciar el tanque D1 a través de la válvula V1.


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V. CÁLCULOS Y RESULTADOS 5.1 Intercambiador de coraza y tubos: - Presentar los resultados según el cuadro 01; tanto para corrientes de flujo en paralelo y en contracorriente.

Cuadro Nº 01: Resultados en flujo contracorriente o en paralelo. Caudal agua Caliente (l/h)

Caudal agua fría (l/h)

TI1 (ºC)

TI2 (ºC)

TI3 (ºC)

TI4 (ºC)

- Determinar la variación de temperatura media logarítmica, según el tipo de flujo: Flujo en contracorriente :

T L 

Flujo en paralelo

T L 

:

TI 3  TI 2  TI 4  TI 1 ........(a)  TI 3  TI 2    ln  4 1   TI TI   TI 3  TI 1  TI 4  TI 2 .........(b)  TI 3  TI 1   ln   4 2  TI TI  

- Determinar el calor intercambiado por el agua caliente (Qc): Flujo en contracorriente :

Qc  Caudalx C Cp C TI 3  TI 4........(c)

Flujo en paralelo

Qc  Caudalx C Cp C TI 2  TI 1........(d )

:

- Determinar el calor intercambiado por el agua fría (Qf): Flujo en contracorriente :

Qf  Caudalx f Cp f TI 2  TI 1........(e)

Flujo en paralelo

Qf  Caudalx f Cp f TI 3  TI 4 ........( f )

:

- Determinar el coeficiente global de transferencia de calor (U): U 


Qc AT L

........( g )

- 31 -



5.2 Intercambiador de calor de doble tubo: - Presentar los resultados según el cuadro 01; tanto para corrientes de flujo en paralelo y en contracorriente. - Determinar la variación de temperatura media logarítmica, según el tipo de flujo: Flujo en contracorriente :

Ecuación (a)

Flujo en paralelo

Ecuación (b)

:

- Determinar el calor intercambiado por el agua caliente (Qc): Flujo en contracorriente :

Ecuación (c)

Flujo en paralelo

Ecuación (d)

:

- Determinar el calor intercambiado por el agua fría (Qf): Flujo en contracorriente :

Ecuación (e)

Flujo en paralelo

Ecuación (f)

:

- Determinar el coeficiente global de transferencia de calor, mediante Ecuación (g).

5.3 Intercambiador de calor de placas: - Presentar los resultados según el cuadro 01; para corrientes en contracorriente. - Determinar la variación de temperatura media logarítmica, según el tipo de flujo:

T L 

TI 2  TI 4  TI 1  TI 3  TI 2  TI 4   ln   1 3   TI TI  

- Determinar el calor intercambiado por el agua caliente (Qc): Qc  Caudalx C CpC TI 2  TI 1

- Determinar el calor intercambiado por el agua fría (Qf): Qf  Caudalx f Cp f TI 3  TI 4

- Determinar el coeficiente global de transferencia de calor (U): U 


Qc AT L

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VI. DISCUSIÓN Discutir los resultados experimentales comparando con la bibliografía.


VIII. BIBLIOGRAFÍA 8.1 Geankoplis Ch. J. “Procesos de transporte y operaciones unitarias”. Editorial Continental. México. 1982. 8.2 Kern Donald Q. “Procesos de transferencia de calor”. Editorial C.E.C.S.A. México. 8.3 Manual profesor/alumno. Planta piloto para el estudio de los intercambiadores térmicos. Mod. HEBS/EV. Electrónica Veneta.


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PRÁCTICA Nº 09 EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO Y CONDENSADOR DE CORAZA Y TUBOS I. OBJETIVOS 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Conocer la operación de evaporación y aprender a dimensionar evaporadores. Realizar el balance de materia y energía en un evaporador de simple efecto. Evaluar la economía en un evaporador. Determinar el calor transferido en un efecto. Calcular la necesidad de vapor vivo en un evaporador de simple efecto.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO La evaporación es la operación unitaria que consiste en la eliminación de un líquido de una solución, mediante tratamientos térmicos. La resolución práctica de un problema de evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra. La gran variedad de características del líquido es lo que hace que esta operación constituya un arte separado de la simple transmisión de calor. Los factores y criterios que se deben tener en cuenta ante un proceso de evaporación son: • Concentración. • Formación de espuma. • Sensibilidad a la temperatura. • Incrustaciones. • Materiales de construcción. • Solubilidad. • Presión y temperatura. Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y calidad del producto. Entre los criterios que se deben tener en cuenta para la selección de un evaporador tenemos: • Calidad del producto. • Rendimiento del evaporador. • Economía de vapor. •

•

•

•

•

Costes de inversión y funcionamiento. Intervalos de concentración (soluciones muy viscosas se utilizan evaporadores especiales) Formación de costras y cristales. Corrosividad. Formación de espumas (sistemas especiales de separación de la fase vapor).

Especificaciones habituales: Alimentación Vapor vivo

: F, XF y TF : TS (PS)


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Datos adicionales: Equilibrio T = f(P, X); Entalpías de las corrientes.

Relaciones de equilibrio: Ascenso ebulloscópico → Δe = T-Tº Disoluciones diluidas → Ley de Raoult Correlaciones gráficas basadas en la regla de Dühring Teb disolución = f(Teb agua, %peso)

Fig. Nº 01: Esquema de corrientes en un evaporador de simple efecto . W = WC : Flujo de vapor vivo y condensado. F : Flujo de alimentación. C : Flujo de concentrado. E : Flujo de vapor de evaporación. XF, XC % peso : Concentraciones de los flujos de alimentación y del concentrado. Balance de Materia en la cámara de ebullición: F=E+C XF.F = XC.C

Balance Entálpico al evaporador: F·hF + W·HW = C·hC + E·HE +W·hW

Transmisión de calor: Q = W·(HW – hW) = U·A·(TS – T)

Incremento útil de temperatura: Simple efecto :

ΔTútil = TS – T1 = TS – Tº1 - Δe1

Doble efecto :

ΔTútil = (TS – T1) + (Tº1 – T2) = TS – Tº2 - Δe1 - Δe2


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Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga Escuela de Formación Profesional de Ing. Agroindustrial N

Múltiple efecto:

ΔTútil = TS – Tº N –

 ei i 1

Economía del vapor (e): N

 Ei e

i 1

Para simple efecto:

W

e

E W

 1,0

Condensadores Son equipos que se utilizan para hacer pasar un vapor o una mezcla de vapores al estado líquido mediante la extracción de calor. Estos equipos son muy utilizados en las operaciones de destilación, evaporación, refrigeración y licuefacción. Muchos de los condensadores son del tipo de los intercambiadores de calor de coraza y tubos, por lo que su cálculo es semejante, con la excepción del fenómeno de condensación, que afectará a uno de los coeficientes y a las pérdidas de presión. Los condensadores verticales son muy apropiados para el regreso del condensado por gravedad en las columnas de destilación. Por otra parte, los condensadores horizontales permiten una mejor distribución del vapor y eliminación del condensado. El condensador puede ser de superficie, donde el vapor por condensar y el liquido de enfriamiento están separados por una pared metálica, o de contacto directo, donde el vapor y el liquido de enfriamiento se mezclan directamente. Balance global de energía: Teoricamente el calor pérdido por el fluido caliente (calor necesario para el cambio de estado) es igual al calor ganado por el fluido frio. Q  W vapor   W F Cp F t S  t e 

Balance de transferencia de calor: Q  U i Ai F T T L  U 0 A0 F T T L

F T  factor de corrección

El factor de corrección se halla mediante graficas, interceptando los valores de Y – Z en el grafico 3.8 – 3.9 de Geankoplis. Y 

Z 

ts  te Te  Ts Te  Ts ts  te

ts, te  temperaturas de entrada y salida del agua de refrigeración

Ts , Te  temperaturas de entrada y de salida del vapor condensado.


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III. MATERIALES Y EQUIPOS 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Probetas de 250; 500 ml. Termómetros. Termocuplas. Cronometro. Evaporador de simple efecto (hervidor eléctrico de acero inoxidable). Condensador de coraza y tubos de acero inoxidable.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL . 4.1 Colocar una masa de agua conocida en el hervidor (evaporador de simple efecto). 4.2 Instalar el hervidor con un intercambiador de calor de coraza y tubos para condensar el vapor de agua evaporado. 4.3 Colocar las termocuplas en los lugares indicados en el sistema de evaporación. 4.4 Prender el hervidor. 4.5 Hacer circular el agua de refrigeración en el intercambiador de coraza y tubos. 4.6 Medir el flujo de condensado y del agua de refrigeración. 4.7 Leer las temperaturas del vapor evaporado, del condensado, del agua fría de refrigeración y del agua caliente que sale del condensador. V. CÁLCULOS Y RESULTADOS 5.1 Comprobar la proporcionalidad de las corrientes de flujo mediante un balance de materia. 5.2 Realizar el balance de energía y determinar el coeficiente global de transmisión de calor conociendo el área de transferencia de calor en el evaporador. 5.3 Determinar el flujo de vapor y comprobarlo en forma práctica. 5.4 Calcular la economía de vapor. 5.5 Describir las características del condensador. 5.6 Determinar el factor de corrección en el condensador. 5.7 Calcular el coeficiente global de transferencia de calor en el condensador. VI. DISCUSIÓN Discutir los resultados experimentales comparando con la bibliografía.


VIII. BIBLIOGRAFÍA 8.1 Geankoplis Ch. J. 1982. “Procesos de transporte y operaciones unitarias”. Editorial Continental. México. 8.2 Mc Cabe Smith. 1986. “Operaciones Unitarias en Ingeniería”. Editorial España.


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PRÁCTICA Nº 10 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS I. OBJETIVOS 1.1 Conocer la disposición y características de las placas del intercambiador de calor. 1.2 Realizar el balance de energía en las corrientes de flujo de fluidos en el intercambiador de calor de placas. 1.3 Determinar el coeficiente global de transferencia de calor y el factor de corrección F. 1.4 Calcular la eficiencia del intercambiador de calor. II. FUNDAMENTO TEÓRICO Intercambiadores de calor de placas y armazón: los intercambiadores de placas y armazón consisten en un conjunto de placas corrugadas estándares, que se hallan una frente a otra de modo que entre ellas pueden circular fluidos; estás placas sirven como superficies de transferencia de calor y tienen un armazón para su apoyo, como se muestra en la fig. 01. Estas placas se encuentran comprimidas y sostenidas mediante un bastidor, las placas están selladas entre si mediante juntas adecuadas en sus bordes para evitar que los fluidos se mezclen entre si o escapen. Las placas presentan un espesor muy pequeño. Los materiales de construcción por lo general es de acero inoxidable, pero la variable que sirve para determinar el material de construcción es la corrosión que originen los fluidos.

Fig. 01 Intercambiador de calor de placas y armazón .


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Unidad de transferencia de calor (NUT): Es el mínimo número de placas en la cual se realiza la transferencia de calor desde el fluido caliente hacia el fluido frio; cada unidad de trasnferencia de calor esta conformada por cuatro placas, como se muestra en la fig. 02.

Donde: Te Ts te ts

: : : :

Temperatura de entrada del fluido caliente. Temperatura de salida del fluido caliente. Temperatura de entrada del fluido frio. Temperatura de salida del fluido frio.

El número de unidades de transferencia de calor se clacula mediante la ecuación (1) N .U .T . 

Te  Ts  T L

.........(1)

Para la evaluación de un intercambiador de calor de placas se tiene que determinar el balance global de energía para cada corriente de flujo, el coeficiente global de transferencia de calor y comparar con las correlaciones de bibliografia, además de determinar la eficiencia del intercambiador por comparación entre las N.U.T teoricas y prácticas; para lo cual se emplean las siguientes ecuaciones: - Balance global de energía: Teoricamente el calor pérdido por el fluido caliente es igual al calor ganado por el fluido frio. Q  W C CpC Te  Ts   W F Cp F t S  t e .........( 2)

- Balance de transferencia de calor: Q  UAT T L F .........(3)

AT  2 NAp

Ap  área de una placa. N  número de placas.

- Número de unidades de transferencia de calor: de las ecuaciones (2) y (3). N .U .T . 


Te  Ts  T L



UAT F W C CpC

.........(4)

F  factor de corrección

- 39 -



- Cálculo de los coeficientes individuales de transferencia de calor:

Flujo laminar: N Re  400  0, 62

h  0,742CpW  N Re 

Pr 

0, 667

  W      0 

0 ,14

.........(5)

Flujo Turbulento: N Re  400  K  0 , 65 0, 4  N Re  Pr  .........(6)  De 

h  0,2536

Para: N Re  De

W

N Re  De

W

De 

Arreglo en serie



2a.b

a  b 

: diámetro equivalente

Arreglo en paralelo.

n

Donde: a : ancho de placa. b : espacio entre placas. n . número de canales (sub corrientes). - Coeficiente global de transferencia de calor: U 

1 1 hC



x K



1 hF

.........(7)

R  resistencia por incrustación.

 R

- Eficiencia térmica:  

N .U .T .TEORICO N .U .T . PRACTICO

x100.........(8)

III. EQUIPOS Y MATERIALES 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Buretas de 250 ml; 500 ml. Cronómetro. Termocuplas. Equipo intercambiador de calor de placas. Vernier.


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IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL . El equipo intercambiador de calor de placas es del tipo 2L de fabricación ALFA LAVAL cuyas características son: - Material - Conductividad térmica - Número de pasos - Número de placas `por paso - Tipo de arreglo - Número total de placas

: SS – 316 : 16,1 W/m : 4 pasos. : 10 placas/paso. : Tipo “Z”

: 40 placas.

Procedimiento: 4.1 Verificar las características del equipo; desmontar el equipo y determinar: el ancho y altura de las placas, la distancia de separación entre placas, el tipo de arreglo, el número de placas y el número de pasos. 4.2 Instalar las termocuplas en los lugares indicados en el equipo. 4.3 Calentar agua en un tanque o en una marmita hasta unos 60 ºC. 4.4 Abrir las válvulas de entrada de agua caliente y la del agua fría. 4.5 Hacer funcionar el equipo poniendo en marcha la bomba para el agua caliente. 4.6 Regular y medir los flujos de agua caliente y de agua fría. 4.7 Luego de alcanzar la estabilidad anotar las temperaturas de entrada y de salida del agua caliente y agua fría. 4.8 Variar los flujos de agua fría manteniendo constante el de agua caliente y repetir el paso 4.7. 4.9 Anotar en una tabla los resultados de temperaturas de entrada y salida de los fluidos para diferentes caudales de agua fría V.

CÁLCULOS Y RESULTADOS 5.1 5.2 5.3 5.4

Presentar en un cuadro las características del intercambiador de calor de placas. Presentar un grafico del intercambiador de calor indicando los flujos de los fluidos. Realizar el balance global de energía para ambas corrientes de flujo. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor y el factor de corrección F, para cada caudal de agua fría y para el área de transferencia de calor del equipo. 5.5 Calcular el área de transferencia de calor mediante el coeficiente global de transferencia de calor determinado con las ecuaciones teóricas, ecuación (7). 5.6 Calcular el número de unidades de transferencia de calor teórico, ecuación (4). 5.7 Determinar la eficiencia térmica del equipo, ecuación (8). 5.8 Todos los cálculos son para cada caudal de agua fría.

VI. DISCUSIÓN VII. CONCLUSIONES VIII. BIBLIOGRAFÍA 8.1 Alfa Laval AB Suecia. “Approximation calculatum og PHE, heat exchanger guide” 2da. Edición. 8.2 Bounaparte R.A. and Morgan J.C. 1963. “Heat tranfer desing method for plate heat exchangers” Chem. Eng. Progress. Vol. 59, Nº 7. 8.3 Geankoplis Ch. J. 1982. “Procesos de transporte y operaciones unitarias”. Editorial Continental. México. Ing. Jorge Málaga Juárez

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PRÁCTICA Nº 11 EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA TÉRMICA DE UNA COCINA A GAS I. OBJETIVOS 1.1 1.2 1.3

Determinar la eficiencia térmica de una cocina a gas. Calcular el flujo de calor producido por el combustible. Determinar las pérdidas de calor por convección hacia el ambiente.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO Si a un elemento o cuerpo se le incrementa la temperatura por cualquier medio, decimos que la materia se calienta, este calor se desplaza desde la zona más caliente hasta el punto más alejado del foco calórico, variando su temperatura en la distancia de desplazamiento del calor y en el tiempo que transcurre en recorrer desde el punto más caliente hasta el lugar más frío.

Cocinas de gas. Convencionales. Se trata de una placa de acero inoxidable con quemadores de llama, aunque también pueden tener tres quemadores de llama y uno eléctrico. Cada hornilla se diferencia en la potencia de la llama. También las hay de dos quemadores, e incluso de un quemador a gas y otro eléctrico. De gas-cristal. Se diferencian de las anteriores en que su base no es metálica, sino de vidrio o similar. Resultan más estéticas y modernas, pero poseen las mismas ventajas e inconvenientes que las tradicionales de gas. Placa vitrocerámica eléctrica. Transmiten el calor de abajo hacia arriba, no de manera horizontal, con lo que se pierde menos calor y hay menos riesgo de quemaduras por contacto con las partes exteriores a las zonas de cocción. Requieren recipientes con base plana para sacarles el máximo rendimiento.

Tipos de vitrocerámicas: De inducción. Funciona por ondas magnéticas El calor se genera de manera instantánea al encender el mando del foco que deseamos utilizar, así que el tiempo necesario para la cocción es inferior al del resto de aparatos y su consumo menor. Estas placas no queman si se tocan cuando están encendidas porque debajo del cristal no hay ninguna resistencia, tan sólo una bobina que crea un campo magnético que atraviesa el cristal. Vitrocerámicas de gas. Este tipo de vitrocerámicas funcionan a gas. Son mucho más caras que las eléctricas, pero ahorran en el recibo de la luz, principal inconveniente de las otras.

Cocinas eléctricas. Cocinas eléctricas tradicionales. Los fuegos son placas metálicas de hierro fundido de diferentes tamaños y potencia que se pueden graduar en función de las necesidades del usuario. Es habitual que uno de los focos sea ‘rápido’ y se caliente en menos tiempo. También es frecuente que se combinen focos eléctricos y quemadores de gas.


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Practicas de Laboratorio Ing Malaga (Calor)

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