Practica 6 Vasija Serpentin.docx

UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA U.M.R.P.S.F.X.CH. – Facultad de Tecnología

práctica 5: Intercambiador de calor tipo vasija y serpentín

Nombres y carreras: Rodríguez Delgadillo Jessica – Ingeniería Industrial Vargas Flores Gustavo – Ingenieria Industrial Zeballos Guevara Deisi Ninet– Ingeniera Industrial Materia: Lab. Operaciones Unitaria II Grupo: Jueves de 11:00 – 13:00 Fecha de realización de la práctica: 20 de octubre de 2016 Fecha de entrega del informe: 27 de octubre de 2016 Docente: Ing. Máximo Eduardo Arteaga Téllez

Sucre - Bolivia

PRÁCTICA Nº5 INTERCAMBIADOR DE CALOR TIPO VASIJA Y SERPENTÍN 1.

INTRODUCCIÓN.-

El intercambiador de calor de serpentín, es un equipo en donde el material a enfriar fluye por el interior de un serpentín metálico (un tubo enrrollado para aumentar la superficie de contacto) que se sujeta en sus extremos a una vasija cilíndrica o rectangular. El serpentín queda sumergido por su parte exterior en el líquido refrigerante (a calentar). Se utiliza con frecuencia en los intercambiadores de calor que trabajan a contracorriente. Este modelo se utiliza cuando se desea efectuar la condensación de vapores. (“Apuntes de procesos químicos de la UNIDEG”) 2.

OBJETIVOS.2.1. OBJETIVO GENERAL.Determinar las propiedades de los diferentes fluidos mediante la utilización del programa o software. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.1) Determinar las temperaturas de entrada y salida de ambos flujos. 2) Determinar el coeficiente de transferencia de calor. 3) Determinar los flujos másicos de ambos fluidos. 4) Determinar el calor cedido, calor ganado y calor perdido. 5) Comparar resultados con valores teóricos. 6) Proponer una ecuación de cálculo para Uo en función a di, do, hi, ho y números adimensionales). 7) Comprender el funcionamiento de un intercambiador de calor de tipo serpentín.

3.

FUNDAMENTO TEÓRICO.-

Como se ilustra en la figura, se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador.

(“INTERCAMBIADORES DE CALOR O. A. Jaramillo Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México November 20, 2007”)

Tendríamos 3 diferentes calores:   

Qcedido =W c∗Cpc∗(T 1−T 2)c 2 1 Q ganado =W f ∗Cp f ∗(T −T )f Q perdido =U o∗A o∗TLM

Donde: Wi Cpi Uo Ao TLM

flujo másico del fluido i Calor específico del fluido i Coeficiente global de transferencia Área exterior del tubo interior Media logarítmica

Calculamos el calor cedido y ganado y por la relación: Qc=Qg+qp De donde: Qp=qc-qg Con esta relación calculamos q p, con este valor podemos calcular el valor de U o de acuerdo a la siguiente ecuación: Q U o = perdido A o∗TLM Teniendo el valor de Uo comparamos con el valor teórico (valor obtenido por el software). Para calcular el valor de Uo en función a los diámetros, coeficientes de convección interno y externo y los números adimensionales procedemos de la siguiente manera: Calculamos la media logarítmica mediante la siguiente ecuación:

∆ TLM =

( t1 −T 2 ) −(t 2−T 1) ( t 1−T 2 ) ln

(t 2−T 1)

Calculamos el área exterior del tubo tipo serpentín: A o =π∗d o∗L Calculamos el coeficiente global de transferencia: Uo=

1 do d ∗ln ⁡( d o /d i) 1 + o + d i∗h i 2∗k tub . ho

De donde: 1

k μ 0.14 3 hi= ∗0.027∗ℜ0.8 ∗Pr ∗( ) c c di μo 1

ho =

k μ 0.14 3 ∗0.027∗ℜ0.8 ∗Pr ∗( ) f f do μo

Asumimos que

μ μo

es aproximadamente igual a 1, porque se trata del mismo

fluido. Calculamos el número de Reynolds para cada fluido: ℜc =

ρc∗v c∗di μc

ρ f ∗v f ∗d eq μf Donde: 4∗V f d eq = P I∗d o∗L Leemos todas las propiedades de los fluidos de tablas, a una temperatura promedio: ℜf =

T prom ,cal=

t 1+t 2 2

T prom ,frío =

T 1+ T 2 2

Los sub índices c, f, i, o, corresponden al fluido caliente, frío, tubería interna y externa respectivamente. 4.

DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO.-

4.1. MATERIAL.     

Equipo de tubo tipo serpentín Interface de intercambiador Regulador de presión Sensores de temperatura Tanque de agua Bomba

4.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.Encendemos la interface, abrimos las llaves correspondientes, encendemos la bomba y esperamos a que el agua del tanque llegue a 50ºC para empezar a tomar los datos. Se manda por el tubo serpentín el fluido caliente y por el exterior en el tanque el fluido frío. El tiempo en que grabará los datos el software serán 60 segundos. ST4 Temperatura de entrada del fluido caliente. ST5 Temperatura de salida del fluido caliente. ST1 Temperatura de entrada del fluido frío. ST3 Temperatura de salida del fluido frío. SC1 flujo másico del fluido caliente. SC2 flujo másico del fluido frío. ST16 Temperatura del agua del tanque. Qh Calor cedido. Ql Calor perdido. Qc Calor ganado.

5.

CÁLCULOS.-

Tabla de datos obtenidos: st-1(ºC) 23,9 25,8 26 24,8 cr 2,13754 2,52 1,57797 1,9

st-2(ºC) 23,1 24 24,3 24,1

st-3(ºC) 20,8 20,9 21,1 21,2

st-4(ºC) 39,4 44,3 48,1 21,2

st-5(ºC) 39,4 44,3 48,1 50,7 NTU 0,228491 0,193 0,309 0,272

st-1(l/m) 1,6 1,6 1,6 1,7

st-2(l/m) 3,4 3,8 2,5 3,2

st-16(ºC) 45 50 55 60

Temperatura del depósito (°C) 45 50 39,4 44,3 t1(°C) 32,9 36,5 t2(°C) 20,8 20,9 T1(°C) 23,1 24 T2(°C) 1,6 1,6 Wc(lt/min) 3,4 3,8 Wf(lt/min) 13,3422 16,1877 ATLM (K) Uo(W/m2*K) 1017,77 1002,91 711,659 1259,16 qc (W) 703,407 840,962 qg(W) -825,154 -454,196 qp(W)

55 48,1 38,8 21,1 24,3 1,6 2,5 18,9559 1094,67 853,794 1006,14 152,343

60 50,7 39,6 21,2 24,1 1,7 3,2 21,3981 1136,68 842,087 1259,92 417,834

De tablas leemos propiedades a una temperatura promedio: Flujo Caliente Temperatur Densida Tpromedi Cp k a del d o (°C) (J/kg.K) (W/m.K) tanque (kg/m3) 45 32,9 994,707 4177,69 0,62147 4178,47 50 37,35 993,107 0,62676 0 38,8 991,6 4179,20 0,63206 55 60 45,25 990,0 4180,05 0,63735 Flujo Frío 45 50 55 60

Viscosidad (kg/m.s) 0,0007359

Pr 4,9393

0,0006885

4,5903

0,0006410 0,0005936

4,241 3,892

20,7

998,07

4182,14

21,2

997,76

4181,52

0,00010097 7 0,60016 0,00097536

23,1

997,45

4180,9

0,60295 0,00094095

6,5315

24,3

997,14

4180,28

0,60574 0,00090654

6,2618

0,59737

7,0529 6,8012

Datos adicionales: Do (m) 0,2 lb(m) 0,188

Di (m) 0,18 l (m) 0,18

do (m) 0,00635 w (rev/min) 500

di (m) 0,00435

L (m) 1,7

h (m) 0,3

H(m) 0,1625

deq 0,28661159

Calculamos el caudal, flujo másico, velocidad y el número de Reynolds: Flujo Caliente

Temperatura Q (m3/s) del tanque 2,66667E-05 45 50 6,33333E-05 0,000315932 55 60

0,018944667

0,02653 0,06290 0,31326

Cp (J/kg.K) 4178,470 4180,05 4180,05

18,75522

4180,05

W(kg/s)

velocidad Re (m/s) 1,7943218 9830,518 4,2615143 11258,3666 21,2581155 21088,885 1274,731074 30919,403 7

Área (m2)

0,00001

Flujo Frío 1,24589291

358577,24 8

1,250558012

366655,95

55

0,0565397 5,66667E-05 3 0,2217340 0,00022237 2 16,919578 0,016962833 1

4180,28

1,23670152

366655,95

60

0,011860983 11,8270609 4180,28

1,250558012

394245,50 9

45 50

4181,52 4180,28 0,06451748

Calculamos los calores y obtenemos Uo. Temperatura del tanque 45 50 55 60

Qc (W)

Qg (W)

Qp (W)

720,43458 543,771 176,664 2 3181,2312 19931,527 -16750,30 2 3011,74795 127311,433 -124299,685 1685551,7 1945,2 1685551,78 8

Uo (W/m2.K)

390,434246 -485,288855 -5150,21742 70584,9348

Uo (W/m2.K) 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 -10000

Uo (W/m2.K)

Uo (W/m2.K) 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 1.24 -10000

6.

1.24

1.24

1.24

1.24

1.25

1.25

1.25

1.25

CONCLUSIONES. Rodríguez Delgadillo Jessica Después de realizar la práctica, como era de esperarse, la convección natural es menor que la convección forzada, esto indica que la transferencia de calor en la convección natural es menor y más lenta. En la convección forzada, los resultados se deben a la presencia de la velocidad angular, con la que calculamos el número de Reynolds que da lugar al cálculo del coeficiente de transferencia de calor “h”; esta velocidad angular se produce por el movimiento del agitador magnético que se colocó en el experimento para generar el movimiento forzado. El uso de este agitador presenta ventaja como que es un elemento económico y fácil de limpiar para la utilización en comparación de otros mecanismos con engranes que puedan necesitar lubricantes para su movimiento, y la desventaja es que este no puede ser aplicado más que en experimentos a pequeña escala, por su tamaño.

 Vargas Flores Gustavo Realizada la práctica calculamos los calores, con los resultados obtenidos podemos observar que cuando agitamos el agua es decir forzamos la convección, la transferencia de calor es mayor y más rápida, también al calcular el coeficiente de convección podemos ver que el coeficiente es mayor para la convección forzada, pues no solo influye la temperatura si no también la velocidad angular, pues con ella calculamos el número de Reynolds que es un factor adicional para calcular el coeficiente de convección, en convección natural el coeficiente de convección depende de la naturaleza del material en este caso agua y de la temperatura de este, en cambio, en convección forzada depende de otros números adimensionales adicionales que influyen en el coeficiente de convección por lo que es mayor y por tanto la transferencia de calor también, debido a esto y a que las temperaturas

también son mayores, en convección forzada al influir la velocidad el coeficiente es mayor.  Zeballos Guevara Deisi Realizado la práctica, se obtuvo el coeficiente de película o coeficiente de transferencia de calor por conducción con la ayuda de números adimensionales en este caso el número de Nusselts, Prants y Reynolds, siendo mayor el coeficiente por convección forzada que natural, con esto se hace el cálculo de la transferencia de calor por convección forzada y natural, con los resultados obtenidos se puede ver claramente que la transferencia de calor aumenta más rápido cuando se aplica una fuerza externa al fluido, en la práctica se usó un agitador magnético hechizo (porque lo que no se consiguió un movimiento significativo), que cuando se deja calentar naturalmente el mismo. BIBLIOGRAFIA Yunus A. Cengel transferenciadecalorcengel3ed (2006). Libro para universitarios: transferencia de calor cengel (traducción) .tercera edición (traducción).pp.863,870 https://www.ucursos.cl/usuario/cfd91cf1d8924f74aa09d82a334726d1/mi_blog/r/ Transferencia_de_Calor_y_Masa_-_Yunus_Cengel_-_Tercera_Edicion.pdfeduardo carreon; 24 de octubre de 2016. Donald Q. Kern (2006). Libro para universitarios: transferencia de calor y masa (traducción) .primera edición (traducción).pp.573,580, 582