Informe de laboratorio: Batería de calentamiento.

BATERIA DE CALENTAMIENTO

Calderón F. Kevin M. (2113507), Melgarejo R. Daniel A. (2112484),

Plata S. Paola A. (2103360) y Silva S. Paula M. (2112523).

Escuela de Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander.Carrera 27 con 9na, Bucaramanga – Colombia

Realizado: Noviembre 20 de 2015 Entregado: Noviembre 27 de 2015

La siguiente práctica se realizó con el fin de conocer la eficiencia, el coeficiente de transferencia de calor, y la curva de calentamiento de un intercambiador de calor tipo serpentín con agitación mecánica, con el fin de cuantificar variables y poder comparar diferentes métodos de calentamiento. Aunque el sistema presenta cuantiosas pérdidas al ambiente, se pudo observar que el sistema es bastante eficiente y tiene un alto coeficiente de transferencia de calor.

Palabras clave: Intercambiador de calor, Serpentín, Convección forzada, Agitación Mecánica, Coeficiente de transferencia de calor.

1. Introducción

En los procesos físicos y químicos se involucran cantidades de calor que pueden transferirse debido a la naturaleza de los cuerpos o la diferencia de potencial, la perdida de calor de un cuerpo deberá ser igual al calor recibido por otro dentro del sistema.

Los sistemas de transferencia de energía en forma de calor son vitales en la industria ya que representan al forma preferida para transportar energía de un lugar a otro, pero la transferencia debe ser estudiada para reducir las pérdidas que existan en el sistema, que al final se representaran en tiempo y dinero, por esto, en esta práctica, se estudiara un sistema de calentamiento con el objetivo de ver en funcionamiento los principios de transferencia de calor e identificar los procesos físicos que se presentan en dicho sistema (batería de calentamiento).

Para poder cuantificar estas observaciones se pretende calcular el coeficiente de transferencia de calor, calcular las pérdidas de calor cedido al ambiente, realizar la curva de calentamiento y medir la eficiencia de un intercambiador de calor tipo serpentín junto con agitación mecánica.

2. Marco teórico

Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de a fuente al recibidor, aun cuando muchas de las aplicaciones en la ingeniería son combinaciones de dos o tres. Estas son conducción, convección y radiación.

CONDUCCION: es la transferencia de energía que se da entre dos cuerpos en contactos a diferentes temperaturas, donde la conducción de calor ocurre cuando átomos y moléculas calientes se mueven rápidamente cediendo

parte de su calor a los átomos y moléculas vecinas. La conducción se da en un sólido o sólidos en contacto.

CONVECCION: es la trasferencia de energía de un lugar a otro a través de movimientos de fluidos. Este proceso se da principalmente en líquidos y gases.

La trasferencia de calor por convección puede ser:

FORZADA: se da cuando el fluido es forzado a fluir por una fuente externa como un ventilador o bomba.

LIBRE: se da cuando el fluido se mueve por las fuerzas de flotabilidad que resultan de las variaciones de densidad debido a los cambios de temperatura del fluido.

RADIACCION: se da cuando la transferencia de energía es mediante fotones. Es emitida como ondas electromagnéticas debido a la energía térmica. Es decir, es el resultado directo de los movimientos aleatorios de los átomos y moléculas debido a que están compuestos de partículas cargadas por lo que su movimiento resulta en la emisión electromagnética.

INTERCAMBIADORES DE CALOR: Es un dispositivo que perite el intercambio de energía térmica por medio de la diferencia de temperatura entre una corriente caliente y una corriente fría. La transmisión de calor de estos aparatos es básicamente por conducción y convección.

INTERCAMBIADOR DE TUBOS Y CARCAZA: consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza, siendo uno de los más utilizados en la industria debido a que proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen.

INTERCAMBIADOR DE PLACAS: consiste en un conjunto de placas para separar dos fluidos (caliente y

1

Informe de laboratorio: Batería de calentamiento.

frio) los líquidos calientes y fríos se alternan entre casa una de las placas de esta manera proveen un área extremadamente grande de trasferencia térmica a cada uno de los líquidos.

INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO: consiste en dos tubos concéntricos en donde una corriente circular dentro del tubo interior mientras que la otra circula entre los dos tubos.

3. Sección experimental

En la parte experimental se trabajó con un equipo que consta de dos sistemas de calentamiento, dos de agitación, un tanque con capacidad para 48 L que contiene el líquido a calentar y una trampa termodinámica que permite la recolección del vapor condensado.

El sistema de calentamiento que se usó fue un serpentín de cobre, que se encuentra dentro del tanque, el cual tiene una longitud de 15.45 m, diámetro interno de 5/16” y externo de 3/8”, como método de agitación mecánica un mezclador de hélice que gira a 1750 rpm.

Las variables a medir fueron el tiempo en función de la temperatura de la masa de líquido en el tanque, y el volumen del condensado también en función de la temperatura de la masa del líquido en el tanque.

El procedimiento usado para la práctica se expone en el siguiente diagrama de flujo:

2

Precalentamiento de la masa de agua en el tanque hasta 30 °C.

Se midió la temperatura de entrada y salida del vapor a travès del serpentin, el

tiempo y el volumen del condensado cada aumento de 5 °C hasta llegar a 80 °C.

Se estabilizó la temperatura de la masa en 80 °C y se mantuvo durante 40 minutos.

Se realizó la medición del volumen de condensado y evaporado obtenido al final

de la estabilización.

Se agregó agua al tanque hasta obtener el nivel inicial, utilizando probetas con cierta

cantidad de agua conocida.

Se midió el tiempo de enfriamiento cada 5 °C, desde 80 °C hasta 65 °C.

Informe de laboratorio: Batería de calentamiento.

4. Resultados y discusión

A partir del procedimiento descrito en la sección experimental se obtuvieron los datos que se consignan en las tablas 1,2 y 3.

Temperatura masa[°C]

Tiempo[s]Volumen condesado

[L]

T entrada vapor [°C]

T salida vapor [°C]

30 0 - 121 -

35 77.68 0.54 121 44

40 162.52 0.77 121 38

45 215.45 0.39 121 52

50 286.37 0.48 121 57

55 352.79 0.47 121 61

60 413.5 0.44 121 66

65 474.21 0.38 121 70

70 535.82 0.37 121 74

75 627.1 0.49 121 79

80 737.34 0.64 121 84Tabla 1. Temperaturas de vapor, volumen condesado y tiempo en función de la temperatura de la masa.

Temperatura masa [°C]

Tiempo [s]

80 0

75 1261.02

70 2329.85

65 3500.21

Tabla 2. Tiempo de enfriamiento en función de la temperatura.

Presión 21 [lbf]Volumen condensado 30-

80 °C4.97 [L]

Volumen condensado durante 40 min a 80°C

2 [L]

Volumen evaporado 1.2 [L]Tabla 3. Otros valores medidos.

Balance de masa:

−w v=dMdt

w1=w2+wV (1)

Balance de energía:M∗dhT

dt=−wV∗hv−Q p+U∗A∗∆T (2)

Donde:w v :Razón de agua perdida por evaporación

M : Masa de agua contenida en el tanque

t : Tiempo

hT : Entalpia del agua contenida en el tanque

hv : Entalpia de vapor perdido hacia la atmosfera

Q p : Calor perdido por convección y radiación hacia el

exteriorU :Coeficiente de transferencia de calor entre el vapor

A : Área de transferencia de calor

∆T :Diferencia de temperatura entre el vapor y el fluido del procesoT 1:Temperatura de agua de entrada

T 2:Temperatura del agua contenida en el tanque

T 0: Temperatura de referencia

T vc : Temperatura de vapor de la caldera

λ0 : Calor de vaporización a T 0 de referencia

C p: Calor especifico del contenido del tanque

C pv :Calor especifico del vapor que sale del tanque

Se pueden conocer los términos Q p ,U , A ,∆T con los

datos obtenidos de la práctica:

Qsuministrado=Qlatente=mvapor∗λvaporización

mvapor=(∑V condensados )∗ρagua

ρagua=0.997 kg/L

mvapor=4.97 L∗0.997kg /L=4.955kg

λ=2257kJ /kg

Cpagua=4.18kJ

kg∗° C

Qsuministrado=4.955 kg∗2257kJ /kg=11217.29[kJ ]Qaprovechado=mcalentamiento∗Cpagua∗(∆T )

Qaprovechado=47.856kg∗4.18∗50 ° C=10001.904[kJ ]

3

Informe de laboratorio: Batería de calentamiento.

Se puede calcular la eficiencia del proceso y la pérdida total de calor:

ε=Qaprovechado

Q suministrado

∗100

ε=10001.90411217.29

∗100 %=89,16 %

Pérdidadecalor total=Qsumin−Qaprov=1215.386[kJ ]

También se procede a calcular el coeficiente de transferencia de calor U:

Qaprovechado=U∗A∗∆T

U=Qaprovechado

A∗∆T

A=2π∗rexterno∗l

A=2π∗0,00474m∗15,45m=0,46[m2]

U=10001.904121−62.5

=370.008[ kJ

m2 °C]

Figura 1. Curva de calentamiento

0 100 200 300 400 500 600 700 80020

30

40

50

60

70

80

90

Curva de calentamiento

Tiempo [s]

Tem

pera

tura

[°C]

La curva de calentamiento muestra un claro comportamiento lineal, mientras la masa de líquido absorbe el calor cedido por el vapor, los tiempos entre cada aumento de temperatura son muy similares.

Figura 2. Curva de enfriamiento.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 400060

65

70

75

80

85

Curva de enfriamiento

Tiempo [s]

Tem

pera

tura

[°C]

La curva de enfriamiento muestra también un comportamiento lineal, pero con una pendiente mucho menor, debido a que la diferencia de temperatura entre el ambiente y la masa de líquido se reduce con el tiempo, cada vez toma más tiempo en bajar la misma cantidad de grados, esto debido a que la diferencia de temperaturas es la fuerza motriz para la transferencia de calor.

4

Informe de laboratorio: Batería de calentamiento.

Figura 3. Temperatura entrada y salida del vapor en el serpentín.

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

20

40

60

80

100

120

140

Temperatura entrada y salida vapor

Temperatura entrada vaporTemperatura salida vapor

La temperatura de salida del vapor aumenta a medida que masa de líquido también aumenta su temperatura, por lo tanto el calor que el vapor alcanza a ceder en el tiempo de contacto es mucho menor debido a que la fuerza motriz (ΔT) es menor.

5. Conclusiones y recomendaciones

Se observó que la transferencia de calor se lleva a cabo en una sola dirección, que va de la sustancia con mayor temperatura hacia la de menor temperatura. Está transferencia se da por conducción a través de la pared del serpentín, y por convección entre las moléculas del fluido en movimiento. El gradiente de temperatura entre el tanque y el serpentín es inversamente proporcional a la energía que se transfiere, entonces a mayor energía transferida, menor es la temperatura a la salida del serpentín, generando un aumento de volumen del condensado del vapor de calentamiento.

Cuando la temperatura de la masa de agua era de 40°C se presentaron datos atípicos en el volumen del condensado y la temperatura de salida del vapor, debido a que la presión no se mantuvo constante durante el proceso, variando de 18 a 21 psi.

El sistema presenta pérdidas por evaporación y convección con los alrededores, por lo tanto la eficiencia del serpentín es de 89,16% .Se recomienda instalar un aislante en las paredes externas del tanque, para evitar las pérdidas de calor.

Bibliografía

1. Holman J. P. Transferencia de calor. 1ª edición en español, 1986. Apéndice A, tabla A4.

2. Cengel Y. A, Boles M. A. Termodinámica. 6 ta edición, 2009. Apéndice A, Tabla A.3.

3. Van Wylen G. J, et al. Fundamentos de termodinámica. 2da edición, 1999. Apéndice A

5