OBJETIVOS: Determinar la eficiencia térmica del equipo. Determinar el comportamiento del equipo tomando en cuenta las condiciones de
operación Analizar que intercambiador de calor es más eficiente, trabajando en las las mismas condiciones de operación. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental y teórico. INTRODUCCION En las industrias químicas se utiliza con gran frecuencia u na sencilla caldera encamisada como tanque de reacción. En muchos casos, como ocurre en reacciones de nitración o sulfatación, es preciso comunicar o retirar calor de la mezcla, o bien para controlar co ntrolar la velocidad de reacción o para conseguir que sea completa. La adición o separación de calor se consigue adecuadamente haciendo pasar vapor de agua o agua de refrigeración a través de una camisa acoplada a la superficie exterior, o bien mediante un serpentín situado en el interior del tanque. En cualquier caso se utiliza algún tipo de agitador para obtener una buena mezcla en el tanque. Para mezclas muy viscosas se utilizan agitadores tipo áncora, mientras que para líquidos no demasiados viscosos se emplean agitadores de palas o tipo turbina. En el intercambiador de serpentín, las resistencias resistencias térmicas de calor se se deben a la película de agua situada sobre el interior del serpentín, la pared del tubo, la película situada sobre el exterior del serpentín y costras que puedan existir sobre cualquiera de las superficies. En la pared del tubo y en las costras, el calor se transfiere por conducción, mientras que en las películas se transfiere por convección Los fluidos no newtonianos se encuentran en la industria una gran variedad, que pueden tener un comportamiento de plástico de Bingham, seudoplasticos o dilatantes y pueden ser no tixotrópicos. Para el diseño de equipo ´manejo o procesamiento de fluidos no newtonianos, las propiedades se deben medir experimentalmente, puesto que existen relaciones generalizadas para predecir las mismas. En cualquier operación en la que un material sufre sufre un cambio de fase se debe prever la adición o eliminación de calor, para proporcionar el calor latente de cambio de fase mas cualquier otro calentamiento o enfriamiento sensible que tenga lugar en el el proceso. El calor se puede transmitir por uno de los tres mecanismos distintos o una combinación de ellos; conducción, convección, y radiación. El proceso que incluya cambio de fase implica la transmisión simultánea de masa y de calor.
La función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.
DESARROLLO EXPERIMENTAL. 1. Verificar que todas las válvulas estén cerradas 2. Abrir la válvula de alimentación general del agua del sistema 3. Abrir las válvulas de alimentación de agua de los tanques de camisa y serpentín hasta que se llenen 4. Regula el flujo de agua a la salida salida de los intercambiadores de calor con las válvulas correspondientes 5. Abrir las válvulas de alimentación de agua a los enfriadores del condensado de ambos intercambiadores 6. Alimentar vapor a los cambiadores de calor abriendo purga , válvula de globo, válvula reductora. 7. Purgar el equipo 8. Fijar la presión de trabajo observando en el indicador de de presión de cada equipo 9. Observar el mecanismo de transferencia de calor por convección natural de cada equipo 10. Poner a funcionar los agitadores de cada intercambiador 11. Operar el sistema hasta obtener régimen permanente , condiciones constantes de operación 12. Obtenido el régimen permanente tomar los datos experimentales 13. Cerrar la válvula general de alimentación del vapor del sistema y todas las válvulas pertenecientes a la línea de vapor 14. Apagar los agitadores 15. Cerrar válvula principal de línea de operación 16. Descargar los intercambiadores, dejarlos vacios 17. Verificar que todas las válvulas estén cerradas
Tabla de datos experimentales
Intercambiador de calor
Pv (Kg/cm2)
Tv (°C)
Tc (°C)
Serpentín Camisa
0.9 0.9
113 114
101 ----
Tc frio (°C) 24 24
T agua
26 26
Secuencia de cálculos
Intercambiador de calor camisa 1.- Cálculo del gasto masa de agua
〈〉 〈〉 Gm =
Gma= a
2.- Cálculo del gasto masa del condensado Gm a
Gva a
Kg h
Gmvc= (0.03017)(957.2)= (0.03017)(957.2)= 28,8787Kg/h 3.- Cálculo del gasto volumétrico del condensado Gv vc
4
D 2
Z
m3
h
2
3
Gvvc=(π/4)(0.285) =(π/4)(0.285) (0.049/0.1)=0.03017 (0.049/0.1)=0.03017 m /h 4.- Cálculo del calor ganado o absorbido por el agua (Qa)
Qa Gma C pt 2 t 1
Kcal h
Tagua calient e 92 90
ΔZ
de
Θ
condensado
(min)
5.2 4.9
6 6
Qa= (187.726)(.999)(90-26)=1200 (187.726)(.999)(90-26)=12008.5 8.5 Kcal/h 5.- Cálculo del calor cedido (Qv) Qv Gm vc
Kcal h
Qv= (28.8787)(530.3)= (28.8787)(530.3)= 15309.761Kcal/h 15309.761Kcal/h 6.- Cálculo de la eficiencia térmica del equipo
Qa Qv
100
η= (12008.2/15309.761)100= (12008.2/15309.761)100=78.43 78.43% % 7.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental U exp
Qa AT ML 2
Uexp=12008.2/(0.67x56)= =12008.2/(0.67x56)= 320.048Kcal/m 320.048Kcal/m h°C 8.- Cálculo de la diferencia de temperatura ΔT=Tv-Tm
∆T=114-58= 56°C 9.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico
=
Uteo=
Uteo=
2
= 359.822 Kcal/m h°C
10.-Calculo del coeficiente de película interior
+ = [ ] * 0.36× [] []
hi=
hi=0.36×
=
11.-Cálculo de temperatura de película (T sup)
=102°C
12.-Cálculo del coeficiente de película exterior
he= * + = he= * = + 13.- Cálculo de temperatura de película (T f )
=
T
Tf =114-0.75X12= 105 °C
∆T=114-102=12 °C
Tsup= 114+90/2= 102°C
14.- Cálculo de la desviación porcentual (%D) de los coeficientes experimentales
11.05% %D= %D=
Intercambiador de calor serpentín 1.- Cálculo del gasto masa de agua
〈〉 〈〉 Gm =
Gma= a
2.- Cálculo del gasto masa del condensado Gm a
Gva a
Kg h
Gmvc= (0.03201)(957.2)= 30.64Kg/h 3.- Cálculo del gasto volumétrico del condensado Gv vc
2 Z m3 D h 4 2
3
Gvvc=(π/4)(0.285) (0.052/0.1)=0.03201m /h
4.- Cálculo del calor ganado o absorbido por el agua (Qa)
Qa Gma C pt 2 t 1
Kcal h
Qa= (187.726)(1)(92-26)=12389 (187.726)(1)(92-26)=12389.6 .6 Kcal/h 5.- Cálculo del calor cedido (Qv) Qv Gm vc
Kcal h
Qv= (30.64)(530.5)= 16248.6 Kcal/h 6.- Cálculo de la eficiencia térmica del equipo
Qa Qv
100
η= (12389,2/16254.5)100=7 (12389,2/16254.5)100=76.25 6.25% % 7.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor experimental U exp
Qa AT ML 2
Uexp=12389.2/(0.516x54)= =12389.2/(0.516x54)= 444.656 Kcal/m h°C 8.- Cálculo de la diferencia de temperatura ΔT=Tv-Tm
∆T=113-59= 54°C 9.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor teórico
=
Uteo=
= 816.444Kcal/m2h°C
Uteo=
10.-Calculo del coeficiente de película interior
hi=1.51[ ( )]= Kcal/m h°C 2
hi=1.51 2
hi=17111.1 Kcal/m h°C
11.- Cálculo de temperatura de película (T f )
=
T
Tf =113-0.75X10.9= =113-0.75X10.9= 108 °C °C
∆T=113-102.5=10.5 T=113-102.5=10.5 °C
Tp= 113+92/2= 102.5°C 12.-Cálculo del coeficiente de película exterior
[ ]
he=0.87
=
11.-Cálculo de temperatura de película (T p)
=102.5°C
14.- Cálculo de la desviación porcentual (%D) de los coeficientes experimentales
%D=
%D=
31.49%
Conclusión
-
Los coeficientes de transmisión de calor deben ser mayores conforme se aumenta la velocidad de agitación, debido a que la agitación del agua provoca una mayor turbulencia en el sistema facilitando la transferencia de calor, del mismo modo se necesita menos tiempo para que se de toda la transmisión de calor y se llegue antes al estado estacionario. Conforme aumenta el grado de turbulencia, turbu lencia, la velocidad de transferencia, como el calor transferido es mayor, aumenta, perdiéndose calor, por lo tanto es menos menos efectiva. Los valores teóricos aumentan conforme las revoluciones del agitador son mayores. Durante el desarrollo de la practica se pudo llevar a cabo la eficiente de cada uno de los equipos siendo este el de serpentín debido a que evapora mucho vapor y este a su vez vez libera energía. Ambos equipos son eficientes eficientes de acuerdo acuerdo al tipo de fluido que se va a manejar manejar ya que si es muy muy viscoso se recomienda el el de camisa de lo contrario sería el de serpentín. serpentín. .
Observaciones El equipo con el que opero opero para esta práctica estuvo estuvo bien a excepción que le faltaba un termómetro, aunque también tiene muchas incrustaciones formadas debido que el agua utilizada contiene muchas sales; a pesar de estas se pudo operar bien el equipo obteniendo una buena transferencia de calor. Con respecto al manual manual se debe de actualizar actualizar , es decir , corregir ya que por lo menos menos en cada practica tiene errores ya sea de ecuaciones de error de dedo , lo cual nos ocasiona ocasiona muchas de las beses errores en nuestros cálculos. cálculos. De ahí en fuera está bien ya que te explican explican con detalle la secuencia de los cálculos cálculos a realizar.
Bibliografía
HOLMAN, J.P. (1998) “Transferencia de Calor”. McGraw-Hill. McGraw-Hill.
LEVENSPIEL, O. (1993) “Flujo de Fluidos e Intercambio de Calor”.
Reverté.
ROBERT H. PERRY MANUAL DEL INGENIERO QUIMICO McGraw-Hill. “
”
