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CONTENIDO
Introducción…………………………………………………………………2
Objetivos…………………………………………………………….………3
Fundamento………………………………………………………………...4
Experimental………………………………………………………………..10
Cálculos y Resultados …………………………………………………….15
Discusión de resultados…………………………………………………………………...20
Conclusiones……………………………………………………………….21
Recomendaciones…………………………………………………….…...22
Bibliografía…………………………………………………………….……23
Cuestionario…………………………………………………….…………..24
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 1
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INTRODUCCION
Cuando se produce una transferencia de Calor, se intercambia energía en forma
de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que
están a distinta temperatura.
No confundir calor con temperatura: calor es la energía que poseen los cuerpos y
temperatura es la medición de dicha energía.
El calor se puede transferir mediante convección, radiación o conducción.
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi
seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor
de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección.
La transferencia de calor en los gases y líquidos puede efectuarse por conducción.
El proceso de convección es el responsable de la mayor parte del calor que se
trasmite a través de los fluidos.
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 2
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OBJETIVOS
Estudio cuantitativo de transferencia de calor en un condensador simple de tubos concéntricos.
Estudiar la diferencia entre flujo en contracorriente y flujo en corrientes paralelas.
Demostrar que la destilación es un fenómeno físico.
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 3
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FUNDAMENTO
TRANSFERENCIA DE CALOR:
La transferencia o flujo de calor que se transmite desde un fluido a otro puede ser el calor latente, que se desarrolla en los cambios de fase, o el calor sensible, debido al aumento o disminución de temperatura de un fluido sin cambio de fase.El aparato que emplearemos para el estudio de la transferencia de calor, es conocido como condensador tubular simple de tubos paralelos y concéntricos (refrigerante). En este aparato, los fluidos están físicamente separados pero se mantienen en contacto térmico a través de la pared, desde la fase vapor que condensa, hasta el fluido más frio que circula por el tubo exterior.
La diferencia local entre las temperaturas del vapor y el fluido se denomina diferencia puntual de temperaturas y se representa por T.
La diferencia puntual de temperatura a la entrada de los tubos y los correspondientes a la salida (temperatura de extremos) se denomina acercamientos. Finalmente, la variación de temperatura del fluido se llama intervalo de temperatura o simplemente intervalo, y corresponde ala del fluido que se calienta.
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 4
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FLUJO EN CONTRACORRIENTE:
A diferencia de equicorriente, aquí los dos fluidos se mueven en sentidos opuestos, lo que permite que el sistema pueda mantener un gradiente casi constante entre ellos a lo largo de la ruta de movimiento. A medida que la ruta de flujo sea más larga y que la velocidad del movimiento de los fluidos sea más lenta, la tasa de transferencia será mayor, sin embargo esto se debe a que los dos fluidos son "iguales" en algún sentido. Por ejemplo, si tenemos en cuenta la transferencia de masa de una cierta cantidad de soluto por una cantidad determinada (en volumen o masa) de solvente, la velocidad de la disolución debe ser la misma en las dos corrientes. En el caso de transferencia de calor, el producto del calor específico (el promedio en el rango de temperatura involucrado) y el flujo de masa, también deben ser iguales. Si los dos fluidos no son los mismos, por ejemplo si el calor está siendo transferido del agua al aire o vice-versa, entonces la conservación de la masa o energía requiere que las corrientes vayan con concentraciones o temperaturas diferentes a las indicadas en la figura.
Las cuatro temperaturas de los extremos se representan en la forma siguiente:
T ha : Temperatura del fluido caliente a la entrada.
T hb : Temperatura del fluido caliente a la salida.
T ca : Temperatura del fluido frio a la entrada.
T cb : Temperatura del fluido frio a la salida.
Las ecuaciones para determinar los acercamientos son:
T ha−T cb=T 2 y T hb−T ca=T 1 ………………………………. (1)
Los intervalos del fluido caliente y el fluido frio son:
T hb−T ha y Tcb−T ca
Ejemplo:
Existe un equilibrio térmico como resultado del intercambio de calor, donde el fluido caliente cede calor incrementando la temperatura del fluido frío y éste absorbe calor enfriando el fluido caliente. Ambos terminan alcanzando aproximadamente la misma temperatura, que vendría siendo un promedio entre las dos temperaturas originales.
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 5
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Al inicio de la ruta de intercambio existe una gran diferencia de temperatura y una considerable transferencia de calor, mientras que al final hay una pequeña diferencia de temperatura y poca transferencia de calor.
FLUJO EN CORRIENTES PARALELAS:
En este sistema los dos fluidos van en la misma dirección y su gradiente varía a lo largo de la ruta de flujo. Teniendo en cuenta que el fluido presente en los dos tubos es el mismo, este método de intercambio solamente es capaz de intercambiar la mitad de la propiedad (calor, materia, concentración, etc.) entre fluidos, sin importar qué tan larga pueda ser la ruta de flujo. Si alguna de las dos corrientes cambia su propiedad en 50% o más el intercambio será interrumpido ya que el gradiente se reduce a cero, lo que indica que se ha alcanzado el punto de equilibrio. En caso de tener flujos desiguales las condiciones de equilibrio se darán un poco más cerca de las condiciones de la corriente que tenga el mayor flujo.
También aquí, el subíndice “a” se refiere a los fluidos a la entrada y el subíndice “b” corresponde a la salida. En este caso, los acercamientos son:
T 1=T ha−Tca y T 2=Thb−Tcb
El flujo en corrientes paralelas se utiliza en casos especiales, cuando es preciso limitar la temperatura máxima que debe alcanzar el fluido frio o cuando interesa que la temperatura de uno de los fluidos varié rápidamente.
Ejemplo:
En el intercambio de calor por contracorriente, el fluido caliente se enfría mientras que el fluido frío se calienta. En el extremo de calor tenemos un fluido caliente entrando que sede energía a los fluidos de temperatura templada, calentándolos a través de la longitud de intercambio. Debido a que el extremo caliente (o de calor) se encuentra en su máxima temperatura puede calentar el fluido saliente y cercano a su propia temperatura. En contraste, en el extremo frío el fluido entrante sigue estando a baja temperatura, por lo que puede extraer el calor restante del fluido caliente proveniente de la corriente contraria, enfriándolo a un punto cercano al del fluido entrante en el extremo frío.
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 6
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BALACE DE ENERGIA
El tratamiento cuantitativo de los problemas de transferencia de calor, se basa, en los balances de energía y en las velocidades de transmisión de calor (las velocidades de transmisión de calor no se estudian en esta experiencia). La mayor parte de los aparatos de transmisión de calor operan en condiciones de estado estacionario, y este tipo de operación es el que se considera en esta experiencia.
BALANCE DE ENTALPIA EN INTERCAMBIADORES DE CALOR:
En los intercambiadores de calor las energías cinética y potencial son pequeñas en comparación con los demás términos de la ecuación de balance de energía. Así para una corriente que atraviesa el intercambiador, tenemos:
m (H b−H a)=q …………………………………………. (2)
Siendo.
m:Velocidad de flujo de la corriente en Kg/ h
q :Qt
: Flujo de calor que entra en la corriente en kcal/ h
(H b , H a ): Entalpias de la corriente a la entrada y salida respectivamente.
La ecuación (2) se puede escribir para cada una de las corrientes que circulan a través del intercambiador.
Cuando se utiliza la velocidad de flujo de calor “q” se admite otra simplificación que está justificada. Una de las corrientes, la que circula por el tubo exterior, puede ganar o perder calor por intercambio con los limitantes, según, que el fluido este mas frio o más caliente que el ambiente. Esta transferencia de calor se considerara despreciable en comparación con el calor que se transmite a través de la pared del tubo, desde el fluido caliente al fluido frio.
Aceptando las suposiciones anteriores, la ecuación (2) se puede escribir del modo siguiente, para el fluido caliente:
mh (H hb−H ha )=qh ……..…………..……………… (3)
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 7
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Y para el fluido frio tenemos que:
mc (H cb−H ca )=qc……………….…………………….. (4)
Siendo.
mh : Velocidad del flujo de masadel fluido caliente en Kg/ h
mc: Velocidad del flujo de masadel fluido frio en Kg/ h
(H hb ) : Entalpia del fluido caliente a la salida en Kcal/Kg
(H ha ) : Entalpia del fluido caliente a la entrada en Kcal/Kg
(H cb ) : Entalpia del fluido frio a la salida en Kcal/Kg
(H ca ): Entalpia del flujo frioa la entrada en Kcal/Kg
qh : Calor perdido por el fluido caliente en Kcal/h, tiene signo negativo
qc :Calor ganado por el fluido frio en Kcal/h, tiene signo positivo
El calor perdido por el fluido caliente es ganadopor el fluido frio de modo que:qc=qh . De acuerdo con las ecuaciones (3) y (4) tenemos que:
mh (H hb−H ha )=mc (H cb−H ca ) ………………..………. (5)
La ecuación (5) recibe el nombre de balance total o global de entalpia. Si se supone que los calores específicos son constantes, el balance global de entalpia para un intercambiador de calor adquiere la forma:
mhCph (Tha−T hb )=mcC pc (Tcb−T ca ) = q……………………. (6)
Siendo
C ph : Calor especifico del fluido frio en Kcal/Kg°CC pc: Calor especifico del fluido caliente en Kcal/Kg°C
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 8
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BALANCE DE ENERGIA EN CONDENSADORES
Para un condensador el balance de entalpia se escribe de laforma siguiente:
mh=mcCpc (T cb−T ca ) ……………………………………(7)Siendo:
mh : Velocidad de condensación del vapor en Kg/hC pc : Calor latente de vaporización del vapor en Kcal/Kg
La ecuación (7) se basa en la suposición de que el vapor llega al condensador como vapor saturado (no sobre calentando) y que el condensado sale a la temperatura de condensación. Si cualquiera de estos dos efectos de calor sensible es importante hay que tenerlos en cuenta, adicionando un término al primer miembro de la ecuación (7). Por ejemplo si el condensado sale a una temperatura T hb , menor que la temperatura T h de condensación del vapor. La ecuación (7) debe expresarse como:
mh+C ph (T h−T hb )=mcC pc (T cb−Tca ) …………………………(8)
Siendo:
C ph : Calor especifico del condensado en Kcal/Kg °C
OBSERVACION
Para cada uno de los casos de la experiencia asumir 100°C como la temperatura del vapor a la entrada del condensador.
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 9
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EXPERIMENTAL
MATERIALES Y REACTIVOS
MATERIALES:
Un matraz de destilación de 500ml.
Un refrigerante
Un soporte universal con pinzas
Un aro y rejilla
Un mechero
Dos Erlenmeyers de 250ml.
Una probeta de 150ml.
Un termómetro
Un cronometro o reloj con segundero
REACTIVOS:
Sulfato de cobre.
Agua potable.
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 10
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PROCEDIMIENTO
1. Instalar el equipo de
destilación como el indicado
en la figura
2. Llenar 400ml de agua
potable al matraz. Empalmar
el matraz, el condensador
(refrigerante) y el colector.
3. Hacer circular el agua de
refrigeración a través del
refrigerante, en sentido
contrario al que fluirá el
vapor (contra corriente).
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 11
[Escriba texto]
4. Medir la velocidad del flujo
de masa del agua de
refrigeración en Kg/h. para
ello a la salida del agua,
medir un determinado
volumen de agua en una
probeta o vaso, en un tiempo
exactamente controlado.
5. Medir la temperatura del
agua de refrigeración a la
salida del refrigerante.
6. Encender el mechero
empezar la destilación
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 12
[Escriba texto]
7. Medir las temperaturas del
condensado y el agua de
refrigeración.
8. Tomar el tiempo que
transcurre desde que cae la
primera gota de condensado
hasta obtener 100ml. De
condensado. apagar el
mechero
9. Hacer circular el agua de
refrigeración a través del
refrigerante en el mismo
sentido que fluirá el vapor
(corrientes paralelas).
Luego, proceder como en los
pasos 6 y 7.
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 13
[Escriba texto]
10.A los 200ml restantes de
agua potable, agregarle 0.5
gramos de sulfato de cobre
disolverlo
11. Proceder a la destilación,
repitiendo los pasos del 3 al
8, hasta obtener 50ml. De
destilado y condensado.
Depositar la solución de
sulfato de cobre del matraz
en el lugar que el docente le
indique.
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 14
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CALCULOS Y RESULTADOS
1. Para cada uno de los cuatro casos de la experiencia determinamos.
1.1Calculamos para el caso de contracorriente:
a) El calor ganado por el fluido frio.
q= mc (Hcb –Hca)
q= 0.3Kg0.1436h
10−3 calC . Kg
(36−13 )C=40.05 X 10−3 calh
b) El calor perdido por el fluido caliente.
q= mc (Hhb –Hha)
q= 0.03Kg0.1108h
10−3 calC .Kg
(20−92 )C=−19.49 X 10−3 calh
c) La velocidad de condensación de vapor.
mh = mcCpc(Tcb– Tca).
mh= 0.3Kg0.1436h
10−3 X 540calC . Kg
(100−20 )C=90. 25Kgh
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 15
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d) La masa de agua de refrigeración empleada por el volumen de condensado obtenido.
30ml condensado 400 ml refrigerante
0.03 Kg condensado 0.4 Kg refrigerante
13.333 Kg = 13.3333
1
1.2Calculamos para el caso de corriente paralela.
a) El calor ganado por el fluido frio.
q= mc (Hcb –Hca)
q= 0.9Kg0.083h
10−3 calC . Kg
(32−19 )C=140 .96 X 10−3 calh
b) El calor perdido por el fluido caliente.
q= mc (Hhb –Hha)
q=0.028Kg0.083h
10−3 calC .Kg
(44−92 )C=−16.193 X 10−3 calh
c) La velocidad de condensación de vapor.
mh = mcCpc(Tcb– Tca).
mh= 0.9Kg0.083h
10−3
X540calC . Kg
(100−44 )C=327.90 .Kgh
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 16
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d) La masa de agua de refrigeración empleada por el volumen de condensado obtenido.
28ml condensado 0.37 ml refrigerante
0.28 Kg condensado 0.37 Kg refrigerante
13.21Kg = 13.21
1
1.3. Calculamos para el caso de contra corriente para el agua y sulfato de cobre.
a) El calor ganado por el fluido frio.
q= mc (Hcb –Hca)
q= 1Kg0.081h
10−3 calC . Kg
(24−20 )C=49 .38 X 10−3 calh
b) El calor perdido por el fluido caliente.
q= mc (Hhb –Hha)
q=0.001Kg0.081h
10−3 calC .Kg
(22−93 )C=−0.877 .193 X 10−3 calh
c) La velocidad de condensación de vapor.
mh = mcCpc(Tcb– Tca).
mh= 1Kg0.081h
10−3
X540calC . Kg
(100−22 )C=520Kgh
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 17
[Escriba texto]
d) La masa de agua de refrigeración empleada por el volumen de condensado obtenido.
10 ml condensado 370 ml refrigerante
0.001Kg condensado 0.37 Kg refrigerante
37 Kg = 371
1.4. Calculamos para el caso de corriente paralela para el agua y sulfato de cobre.
a) El calor ganado por el fluido frio.
q= mc (Hcb –Hca)
q= 1Kg0.084h
10−3 calC .Kg
(29−21 )C=95.24 X 10−3 calh
b) El calor perdido por el fluido caliente.
q= mc (Hhb –Hha)
q=0.02Kg0.081h
10−3 calC .Kg
(20−21 )C=−0.247 X 10−3 calh
c) La velocidad de condensación de vapor.
mh = mcCpc(Tcb– Tca).
mh= 1Kg0.084h
10−3
X 540calC .Kg
(100−20 )C=514.29Kgh
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 18
[Escriba texto]
d) La masa de agua de refrigeración empleada por el volumen de condensado obtenido.
20 ml condensado 452 ml refrigerante
0.02 Kg condensado 0.452 Kg refrigerante
22.6 Kg = 371
1. ¿Es razonable la temperatura asumida del vapor a la entrada del condensador?
Si es razonable ya que con este dato pudimos hallar los siguientes datos:
qh qc mh Masa de
aguaAgua
(contracorriente −19.49 X 10−3 calh
40.05 X10−3 calh
90. 25Kgh
13.3 Kg
Agua (paralelo) −16.193 X 10−3 calh
140 .96 X 10−3 calh
327.90 .Kgh
13.21Kg
Agua con sulfato de
cobre (contracorriente
−0.877 .193 X 10−3 calh
49 .38 X 10−3 calh
520Kgh
37 Kg
Agua conSulfato de
cobre(paralelo
−0.247 X 10−3 calh
95.24 X10−3 calh
514.29Kgh
22.6 Kg
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 19
[Escriba texto]
DISCUSION DE RESULTADOS
En el flujo en contracorriente a medida que la ruta de flujo sea más larga y que la
velocidad del movimiento de los fluidos sea más lenta, la tasa de transferencia
será mayor.
Cuando dos o más sustancias líquidas se encuentran formando mezclas en
proporción relativamente semejante, se dice que la destilación puede usarse
para la separación de componentes
El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de
vapor es igual a la presión externa.
CONCLUSIONES
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 20
[Escriba texto]
La velocidad de transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor
por convección que por conducción. Cuanto mayor es la velocidad del fluido
mayor es la velocidad de transferencia de calor.
La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del
fluido, de la superficie en contacto con el fluido y del tipo de flujo
En cualquier caso, la velocidad de transferencia de calor por convección
siempre es proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie y el
fluido
Se determinó todas las funciones termodinámicas en un proceso isotérmico
para un gas ideal.
RECOMENDACIONES
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 21
[Escriba texto]
Se recomienda primeramente leer detenidamente la parte teórica y en seguida el
procedimiento paso apaso de la prácticapara así obtener buenos resultados.
Se recomienda asumir 100°C como la temperatura del vapor a la entrada del
condensador para cada uno de los casos.
Anote la temperatura a la cual empieza el líquido a destilar y reciba el destilado
hasta antes de que la temperatura llegue a ser constante.
Manipular con cuidado los equipos para tener una mayor precisión en las
mediciones de volumen.
BIBLIOGRAFIA
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 22
[Escriba texto]
http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Intercambio_por_Contracorriente&oldid=51912582» Pough, F. Harvey; Janis, Cristine M.; Heiser, John B. (2002). Vertebrate Life
(Sixth edition edición). Prentice Hall.
Raven, Peter H.; Johnson, George B. (2002). Biology (Sixth edition edición).
McGraw Hill.
Randall, David; Burggren, Warren; French, Kathleen (2002). Eckert Animal
Physiology: Mechanisms and adaptations (Fifth edition edición). Freeman.
Proctor, Noble S.; Lynch, Patrick J. (1993). Manual of Ornithology: Avian
structure & function. Yale University Press.
CUESTIONARIO
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 23
[Escriba texto]
1. ¿Qué factores pueden aumentar o disminuir la eficiencia del condensador empleado en la experiencia?
Los factores que aumentan en la experiencia realizada seria:
La temperatura El pH
Los factores que disminuyen en la experiencia realizada en el laboratorio serian:
La humedadLa presión
2. ¿Qué diferencias existen entre la destilación del agua potable y la solución del sulfato de cobre? Explique de acuerdo a los datos obtenidos.
DESTILACION DEL AGUA POTABLE SOLUCION DE SULFATO DE COBRE
El tiempo es mayorMenor temperaturaMayor calorMasa de agua de refrigeración es poca
Menor tiempo en la destilaciónMayor temperaturaMenor calorMayor cantidad de masa de agua de refrigeración
3. Al destilar la solución de sulfato de cobre se demuestra que la destilación es un proceso físico. Existe alguna ley o leyes que explican este fenómeno.
Si existen una ley que explique esto y es la ley de la termodinámica
INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTO 24
