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Objetivos:
Determinar la eficiencia térmica de los equipos.
Dete Determ rmin inar ar el comp compor orta tami mien ento to del del equi equipo po toma tomand ndo o en cuen cuenta ta las las condiciones de operación.
Analizar que intercambiador de calor es más eficiente, trabajando en las mismas condiciones de operación.
Determinar el coeficiente global de transferencia de calor experimental y teórico.
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Marco teórico:
Serpentín: El serpentín de tubos proporciona uno de los medios más baratos de obtener superficie para transferencia de calor. Generalmente, se construyen doblando longitudes variables de tubería de cobre, acero, o aleaciones, para darle forma de hélices, o serpentines helicoidales dobles en los que la entrada y salida están conveni convenient enteme emente nte locali localizad zadas as lado lado a lado. lado. Los serpent serpentines ines helicoi helicoidal dales es de cualquier cualquier tipo se instalan frecuenteme frecuentemente nte en recipientes recipientes cilíndricos cilíndricos verticales, verticales, ya sea con agitador o sin el, y siempre se provee de espacio entre el serpentín y la pared del recipiente para circulación. Cuando estos serpentines se utilizan con agitación mecánica, el eje vertical del agitador corresponde usualmente al eje vertical del cilindro. Los serpentines de doble espiral pueden instalarse dentro de las corazas con sus conexiones pasando a través de la coraza o sobre su tapa. Tales aparatos aparatos son similares similares a un intercambiado intercambiadorr tubular, tubular, aunque limitados limitados a pequeñas superficies. Otro tipo de serpentín es el de espiral plano, que es un espiral enrollado en un plano de manera que se puede localizar cerca del fondo de un recipiente recipiente para transferir transferir calor por convecció convección n libre. La manufactura manufactura de los serpenti serpentines nes,, particul particularme armente nte con diámet diámetros ros superio superiores res a 1plg, 1plg, requier requiere e técnicas especiales para evitar que el tubo se colapse dando secciones elípticas, ya que esto reduce el área de flujo.
Camisa: El encamisado o enchaquetado se utiliza con frecuencia para recipientes que necesitan limpieza frecuente o para los recubrimientos de vidrio que son difíciles de equip equipar ar con con serpe serpent ntin ines es inter interno nos. s. La cami camisa sa elimi elimina na la neces necesid idad ad del del serpe serpent ntín. ín. Los tres tres medi medios os más más utili utilizad zados os en la camis camisa a son agua, agua, vapor vapor y refrigerante tales como amoniaco y freón. En la camisa con agua el espacio entre los cilindros es pequeño para que exista una velocidad de escurrimiento alto alto que que mejo mejora ra el coef coefic icie ient nte e de tran transm smis isió ión n de calo calorr e impi impide de con con su turbulencia la formación de depósitos, generalmente se utiliza el sistema en contracorriente y debido a la alta velocidad de flujo la diferencia de procesos en contr contrac acor orrie rient nte e y en paral paralel elo o es pequ pequeño eño.. Al calen calenta tarr con con vapor vapor se debe debe distribuir el vapor a lo largo de la camisa y el condensado escurre por la cañería hasta el fondo donde es eliminado. Al enfriar con refrigerantes la situación es la siguiente: Muchos aparatos operan con el sistema inundado y la camisa es alimentada por la parte inferior y la ebullición del refrigerante se produce dentro de la camisa y como la eficiencia del sistema exige que la camisa este siempre húmeda, la corriente de líquido y vapor sube al estanque de purga donde se separa el vapor
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del líquido, volviendo este último a la camisa donde se mantiene el nivel por medio de una válvula.
Convección: La convección se refiere al flujo de calor asociado con el movimiento de un fluido, tal como cuando el aire caliente de un horno entra a una habitación, o a la transferencia de calor de una superficie caliente a un fluido en movimiento. El segundo significado es más importante para las operaciones unitarias, de forma que incluye la transferencia de calor a partir de paredes metálicas, partículas solidas y superficies liquidas. Por lo general, el flujo convectivo por unidad de aire es proporcional a la diferencia entre la temperatura de la superficie y la temperatura del fluido, como establece en la ley de Newton de enfriamiento.
A diferencia de la conductividad térmica, el coeficiente de transferencia de calor no es una propiedad intrínseca del fluido, sino que depende tanto de los patrones de flujo determinados por la mecánica de fluidos como de las propiedades térmicas del fluido. Si:
El calor será transferido del fluido a la superficie.
Convección natural y forzada: Cuando las corrientes en fluido son consecuencia de las fuerzas de flotación generadas por diferencias de densidad, que a su vez se originan por gradientes de temperatura en la masa del fluido, la acción recibe el nombre de convección natural. Cuando las corrientes se deben a un dispositivo mecánico tal como una bomba o agitador, el flujo es independiente de las diferencias de densidad y recibe recibe el nombre nombre de convec convecció ción n forzada. Las Las fuerz fuerzas as de flot flotac ació ión n tambi también én
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existen en la convección forzada, pero por lo general solo tienen un pequeño efecto.
Intercambiadores de camisa y serpentín:
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Datos experimentales:
PV
TV
TC
TCfri
θ
tagu
tagua
∆zcondensa
a
caliente
do
o
θ
wagu a
Kg/c m2
°C
° C
°C
mi n
°C
°C
cm
mi n
Kg
Camisa
1.2
11 8
1 1 2
26
4
26
85
11.5
10
17.6
Serpen tín
0.85
11 2
4 6
26
2.3 1
26
50
12.8
10
17.6
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Diagrama de flujo:
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Secuencia de cálculos (corrida camisa)
Gasto masa del agua:
Gasto volumétrico del condensado:
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Gasto masa del condensado:
Calor ganado o absorbido Qa:
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Calor cedido Qv:
Pba λ r Kj/Kg 2
2201. 9
2.1 90 2.5 0
2181. 5
*interpolando entre estos valores para obtener λ:
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Eficiencia térmica:
Diferencia de temperatura:
Coeficiente global de transferencia de calor experimental:
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Coeficiente de película interior:
*las propiedades se evalúan a la temperatura de salida del agua (t 2 =85°C), la viscosidad se considera 1 debido a que el fluido es poco viscoso, µc se evalúa a temperatura de Tsup :
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T °C
ρKg/
80
971.5 3
m3
85 90
965.3 4
*interpolando entre estos valores para obtener ρ:
T °C
K Kcal m/h °C
80
0.577
85 90
0.582
*interpolando entre estos valores para obtener k:
30
T °C
µ cp
10 0
0.28 4
10 1.5 11 0
0.25 6
*interpolando entre estos valores para obtener k:
Coeficiente de película exterior:
*las propiedades se evalúan a la temperatura de película T f :
Temperatura de superficie Tf :
30
T °C
K Kcal m/h °C
100
0.586
105. 625 110
0.588
*interpolando entre estos valores para obtener k:
30
T °C
ρKg/
m3 100
958.3 8
105. 625 110
951.0 0
*interpolando entre estos valores para obtener ρ:
T °C
µ cp
100
0.28 4
105. 625 110
0.25 6
30
*interpolando entre estos valores para obtener µ:
T°C
λ
Kj/Kg 100
2257. 0
105. 625 110
2130. 2
*interpolando entre estos valores para obtener λ:
Coeficiente global de transferencia de calor teórico:
30
Desviación porcentual:
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Secuencia de cálculos (corrida serpentín)
Gasto masa de agua:
Gasto volumétrico del condensado:
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Gasto masa del condensado:
Calor ganado o absorbido por el agua:
30
Calor cedido Qv:
Pbar
λ
Kj/Kg 1.50
2226. 5
1.84 69 2
2201. 9
*interpolando entre estos valores para obtener λ:
30
Eficiencia térmica:
Diferencia de temperaturas:
Coeficiente global de transferencia de calor experimental:
Coeficiente de película interior:
*las propiedades físicas se evalúan a temperatura de película T f :
Temperatura de película Tf :
30
T °C
K Kcal m/h °C
80
0.577
88. 75 90
0.582
*interpolando entre estos valores para obtener k:
30
T °C
ρKg/
m3 80
971.8 3
88. 75 90
965.3 4
*interpolando entre estos valores para obtener ρ:
T °C
µ cp
80
0.35 7
88. 75 90
0.31 7
*interpolando entre estos valores para obtener µ:
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*la densidad se evalúa a la temperatura que tiene el condensado al llegar al tanque colector.
T °C 25
ρ
Kg/m3 997.0 7
26 30
995.6 7
*interpolando entre estos valores para obtener ρ:
30
Coeficiente de película exterior:
*las propiedades físicas se evalúan a temperatura de salida del agua (t 2):
30
T °C
µ cp
80
0.35 7
81 90
0.31 7
*interpolando entre estos valores para obtener µ:
30
Coeficiente global de transferencia de calor:
Desviación porcentual:
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P
Tabla de resultados experimentales: Gma
Gmv
Qa
Qv
%η
∆T
Uexp
hi
he
Uteo
***
%D ***
Camisa
1.2
264.2 64
42.40 6
15666.4 13
22238.9 43
70.4 4
65. 5
374.12 3
635.33 1
6894. 32
533.15 3
29.8 2
Serpen tín
0.8 5
457.1 42
47.19 5
11000.6 74
24923.5 79
44.1 3
74
288.09 6
12912. 838
954.2 65
2615.1 03
88.9 8
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Observaciones:
Debemos mencionar que nuestro equipo no se opero en condiciones optimas ya que parte de él se encuentra averiado como el flotador del serpentín, no se cuenta con rotámetro, hay pequeñas fugas en las tuberías, todos estos detalles afectan dentro de nuestra operación, debido a que por parte del operario hay fallas en las lecturas de la temperatura, presión. Por tal motivo se registran errores a la hora de hacer la secuencia de cálculos porque se esperan un tipo de resultados y aparecen un poco disparados o todo lo contario.es por eso que debemos operar más concentrados en nuestro equipo, y tomar en cuenta todas las pérdidas antes mencionadas.
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Conclusiones:
Independientemente de que en nuestra operación se cometen equivocaciones, y comparando los datos entre nuestros dos equipos (camisa y serpentín), observamos que nuestros resultados son cercanos o próximos a excepción de la eficiencia y la desviación porcentual. Comparando observamos que la eficiencia del serpentín es menor pero podría ser que tenía problemas (flotador) esto pudiera impedir obtener una mayor eficiencia ya que a menor presión hay un gasto masa mayor, una eficiencia menor, y una desviación porcentual muy alta, también se podría experimentar elevar la presión como en la camisa para ver si se obtienen otros resultados. En la camisa obtenemos una mayor eficiencia, menor desviación porcentual, un menor gasto masa, solo que a mayor presión y al no tener parámetros para comparar resultados y basándonos en la eficiencia se podría decir que en la camisa se obtienen mejores resultados al contrario del serpentín.
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