7/24/2019 Calidad Del Vapor y Perdidas de Calor a Traves de Tuberias
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Laboratorio de Transferencia de calor I
Calidad del Vapor en la Caldera y Prdidas de Calor en Tuberas
Fernando Andrs Solano Borja
Facultad de Ingeniera Mecnica y Ciencias de la Produccin (FIMCP)
Escuela Suerior Politcnica del !itoral (ESP"!)
#asolano$esol%edu%ec
RESUMEN
Esta rctica se reali& en el la'oratorio de ero*Fluidos+ se deterin la calidad de ,aor de
la caldera y las rdidas de calor or edio de ,arios tios de tu'eras (con aislante y sinaislante)% En la riera arte de la rctica se e-ansion el ,aor .ue asa or el caloretro
de estrangulaiento+ en donde ocurri una cada de resin o e-ansin adia'tica+ !uego se
rocedi a /allar los ,alores de las entalas conociendo los ,alores de la resin de la caldera y
conociendo el ,alor de la teeratura del caloretro y la resin atos#rica+ la cual #ue
edida en el 'aretro%
Para luego calcular el ,alor de la calidad de ,aor de la caldera+ en ca'io .ue en la segunda
arte de la rctica se rocedi a calcular el ,alor de la rdida de calor .ue ocurre en cada
tu'era+ ca'e recalcar .ue anterior a esto+ se de'i sacar un roedio de las calidades o'tenidas
en la riera arte de la rctica%
!uego se reali& el resecti,o clculo de las conducti,idades tricas de cada uno de los
ateriales de las tu'eras+ teniendo en cuenta .ue las 0 rieras tu'eras tienen un aislaiento y
las des no tenan ning1n aislaiento+ en las tu'eras .ue lle,an aislaiento 0 y 2 es la
teeratura de los radios de las tu'eras (interno y e-terno)+ en ca'io .ue en la teeratura
sin aislaiento 0 y 2 son las teeraturas dentro del tu'o y la teeratura a'iente%
Al #inal se deterin .ue en las tu'eras .ue oseen aislaiento /ay enos rdidas de calor
coarada con la .ue tiene aislaiento ya .ue oone oca resistencia trica a la trans#erencia
de calor%
Palabras claes!
Caloretro de estrangulaiento+ calidad de ,aor+ e-ansin adia'tica+ aislaiento+ caldera+
conducti,idad trica%
mailto:[email protected]:[email protected]7/24/2019 Calidad Del Vapor y Perdidas de Calor a Traves de Tuberias
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"#STR"CT
/is ractice 3as carried out in t/e t/ero#luid4s la'oratory+ .uality and 'oiler stea /eatlosses t/roug/ ,arious tyes o# ies (insulated and uninsulated) 3as deterined% In t/e #irstart o# ractice ,aor assing t/roug/ t/e t/rottling calorieter+ 3/ere it occurred a ressuredro or adia'atic e-ansion+ t/en it roceeded to #ind t/e ,alues o# t/e ent/alies 5no3ing t/e
,alues o# t/e ressure o# t/e 'oiler and 5no3ing t/e ,alue o# t/e calorieter teerature andatos/eric ressure+ 3/ic/ 3as easured in t/e 'aroeter%
/en calculate t/e ,alue o# .uality stea 'oiler+ /o3e,er in t/e second art o# t/e racticeroceeded to calculate t/e ,alue o# t/e /eat loss t/at occurs in eac/ ie+ it s/ould 'ee/asi&ed t/at 'e#ore t/is+ 3as due ta5ing an a,erage o# t/e grades o'tained in t/e #irst art o#ractice%
Calculating t/e resecti,e t/eral conducti,ities o# eac/ ie aterials 3as er#ored+considering t/at t/e #irst t3o ies are insulated and t/e ot/er /ad no isolation in t/e isolationies carrying 0 and 2 is t/e teerature radii (inner and outer) ie+ in 3/ic/ t/eteerature c/ange uninsulated 2 and 0 are t/e teeratures 3it/in t/e tu'e and rooteerature%
As it 3as deterined t/at t/e ies /a,e insulation t/ere is less /eat loss coared to t/e one3it/ insulation and lo3 t/eral resistance t/at ooses t/e trans#er o# /eat%
6ey3ords7
/rottling calorieter+ stea .uality+ adia'atic e-ansion+ insulation+ 'oiler+ t/eralconducti,ity%
INTR$%UCCI&N
En la rctica de la'oratorio se deterin
la calidad del ,aor generado or un
interca'iador de calor% Ca'e recalcar .ue
de estrangulaiento #ue el caloretro a
usar%
El caloretro e-ansion adia'ticaente
el ,aor sin reali&ar tra'ajo e-terno or lo
.ue la energa (entala) del ,aor
eranece constante+ el caloretro y la
unin con la ca8era de ,aor estn aisladas
tricaente+ ara e,itar rdidas de calor%%
!uego de .ue se o'tu,o el roedio de las
calidades de la riera arte de la rctica
se rocedi a toar las teeraturas de los
aislaientos y la teeratura de las
tu'eras ara de esa #ora /allar las
rdidas de calor y conducti,idad trica
de las tu'eras%
Calor'etro de estran(ula'iento!
Es un roceso terodinico donde el,aor del tu'o se e-ande adia'ticaentesin rdidas de calor y sin reali&ar tra'ajo+ca'e recalcar .ue en el caloretro de
estrangulaiento ocurre una 'ajada deresin donde /29/0%
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Conociendo de anteano la resin de la
caldera (P2)y la resin atos#rica y la
teeratura a la cual se estrangula del
caloretro (0)+ se uede /allar /0 or
edio de la ecuacin 27 /09c:(0*2)+
donde 2 es la teeratura de saturacin
de la resin atos#rica% Ades sa'er
.ue /29/#;-/#g Ecuacin 0+ de a.u se
uede desejar la calidad+ .ue es el ,alor
deseado%
/2(6=l')7 entala de laresin de la caldera
/#(6=l')7 entala en li.uidocoriido de la resin de la caldera
/g(6=l')7 entala en gassaturado a resin de la caldera
-7 calidad del ,aor en &ona de e&cla de latu'era%
PER%I%"S %E C"L$R " TR"V)S %E
TU#ER*"S
oda tu'era or donde ase ,aor decaldera siere ,a a tener rdidas decalor+ una de las tcnicas de coo disinuirlas rdidas de calor a tra,s de una tu'erade cual.uier tio de aterial esrecu'rindolo con aterial aislante or susalrededores+ ara .ue de esta anera noanular ero si tratar de .ue disinuya latrans#erencia de calor%
!a rdida de calor deende de algunos#actores coo7
?i#erencia de teeratura entre el#lujo de ,aor y el aire #uera de latu'era+ inclusi,e el esesor de latu'era%
!a ,elocidad del ,aor dentro de latu'era%
@uedad del ,aor% El estado en .ue se encuentra el
aire rodeando la tu'era
A edida de .ue el coe#iciente detrans#erencia de calor es grande las rdidasen las tu'eras son ayores%
Facilita la trans#erencia de calor de latu'era la resencia de /uedad en el ,aory su condensacin en las suer#icies%Cuando el ,aor est suer*calentadoerite una reduccin de teeratura sin.ue se deosite /uedad en la tur'ina+ lo.ue roduce una disinucin de lasrdidas de calor%
!os #actores .ue /ay .ue toar en cuentaara la di#erencia de teeratura de dos#luidos+ searados or una ared7
a) El aterial de la ared%') El rea noral al #lujo de calorc) !as di#erencias de teeratura%d) El esesor de la ared%
?e la ecuacin de #urier se o'tiene laecuacin de tu'eras con y sin aislaiento
Ecuacin 1 ecuacin de flujo de calor entuberas sin aislamiento,
hrKJr
rttKlQ =
2
0ln=)02(0 =
Ecuacin 3 ecuacin de flujo de calor entuberas con aislamiento (anexos).
hrKJr
r
Kr
r
KttlQ =)
0
Aln
0
2
2
0ln
2
2=()02(0 +=
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E+UIP$S E INSTRUMENT"CI&N!
Caldera
!a caldera es una .uina .ue tiene coo#uncin generar ,aor% A resin constante
este ,aor se genera or edio de unatrans#erencia de calor+ en la cual el #luido+originalente en estado l.uido+ se calientay ca'ia su #ase%
ma!en 1 caldera 1" bar
Iagen 0 Placa de la caldera
#ar,'etro-. Sir,e ara edir la resinatos#rica en un unto esec#ico% El'aretro de ercurio es el .ue seencuentra en el la'oratorio%
ma!en 3 #armetro de mercurio
Calor'etro de estran(ula'iento
?eterina la calidad del ,aor /1edo .uecircula or la ca'e&a del caloretro deestrangulaiento%
En otras ala'ras el ,aor /1edo ca'ia a,aor so'recalentado or una cada deresin ro,ocada or el estrangulaiento%
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ma!en $ %alormetro de estran!ulamiento
Manifold
?isositi,o .ue acuula ,aor donde seuede controlar el aso de ,aor /acia otrose.uios de anera indeendiente%
!as ,l,ulas de corte iiden o dan asoal #lujo de ,aor a cada e.uio+ de estaanera
Se controla el aso de ,aor y se a/orrauc/o dinero (energa) en no deserdiciar,aor%
ma!en &'edidor de condensados en tuberas con
distintos recubrimientos
PR$CE%IMIENT$
Calidad en la caldera
Priero se dio un re'ulo a la rctica+
donde se dialog acerca de noras de
seguridad+ concetos de #uncionaiento de
los e.uios a tra'ajar+ etc%
?esus de tener clara la arte concetual
de la caldera (rinciios) se rocedi a
encenderla y se eser un tieo
rudencial ara oerarla%
Posteriorente se lleg a la resin de
tra'ajo y se tu,o ,aor saturado en la
tu'era+ se dirigi a toar edidas de
resin or edio del anetro del
caloretro y teeratura usando un
teretro%
Posterior a a.uello se a'ri con cuidado el
#lujo de ,aor y con guantes se rocedi a
a'rir la ,l,ula .ue controla el #lujo de
,aor /acia el caloretro de
estrangulacin y se eser acienteente
/asta .ue se dio el e.uili'rio trico%
Finalente se uso a #uncionar la lnea de
alientacin del tan.ue del caloretro+
l,ula deestrangulaiento
ManetroBourdon
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/asta .ue la resin y teeratura
disinuyan y se .ued esta'lo% Se reiti el
iso rocediiento ,eces%
Perdidas de calor a tras de tubera
>na ,e& .ue se o'tu,o el ,alor de la
calidad+ se dirigi a los tu'os edidores de
condensado+ ara reali&ar la rctica de
rdidas de calor en las tu'eras+ se de'e
asegurar de .ue
todas las ,l,ulas
estn cerradas en
cada 'ra&o de
rue'a+ la ,l,ula
del ca'e&al de
distri'ucin
(suerior)+ y
Ades .ue las
,l,ulas de entraday salida de los
'ra&os de rue'a y
la ,l,ula de
escae del ca'e&al de recoleccin (in#erior)
del ,aor estn a'ieDrtas% Se a're la ,l,ula
rincial de ,aor y erita el aso de ste
a tra,s de cada 'ra&o de rue'a /acia el
ca'e&al de recoleccin y a tra,s de ste
/acia la lnea de salida or un eriodo de
tieo uy corto% !uego cierre las ,l,ulas
de escae de cada 'ra&o de rue'a y
erita .ue el ,aor se condense /asta
cuando se o'ser,e un ni,el en el edidor
de cada 'ra&o de rue'a% Cierre la ,l,ula
rincial de ,aor y a'ra las ,l,ulas de
escae de cada 'ra&o+ si es necesario drene
el condensado /asta un ni,el re.uerido%
Aseg1rese .ue todas las ,l,ulas de escae
al ca'e&al de recoleccin estn cerradas y
a'ra luego la ,l,ula rincial de
suinistro deD ,aor% oe lecturas
eridicas de7 teeratura de suer#icie de
aislaiento+ resin y teeratura del
suinistro de ,aor+ y lectura inicial y #inal
del condensado% oando un tieo de !as
lecturas sern in ara eserar el e.uili'rio
en el ,aor de la
tu'era y tener una
lectura s recisa+ la
lectura de la
teeratura se
utili&ar una tero*
c1ula+ la cual
#unciona con un
transductor+
trans#orando la
teeratura en una
di#erencia de
otencial+ y este nos
indica la teeratura de la suer#icie+ las
lecturas sern ta'uladas y se usar el ,alor
roedio ara e#ectos de clculos%
RESULT"%$S
AB!A II ( EMPEA>AS ?E !"SC"?ESA?"S)
T/01C2
T301C2
T401C2
T501C2
T601C2
T701C2
/54 2 2G2+ 2G+H 2 20
/55 0 2H+ 2D+ 2 2/5/ 0 2H0+G 20+ 2 2D
T"#L" I 0%"T$S %ELC"L$RIMETR$2
LaboratorioPresi,n at' @g GJ
CalderaPresi,n de caldera 'ar 2DTe'peratura Cal C 2K
Calor'etro 8 Lectura P0 (si) 0 (LC) 0 (LF)
/ 2+2 20H 0K+K3 2+ 20K 0H0+4 2+ 20 0HJ+H
5 J+ 22 0HG+K
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/55 2HD+ 20J+ 2 2
35/ 2H+0 20 20 2D
AB!A III (?IFEECIAS ?E
"!MEES E >B"S C"?ESA?"S)9c/0c'42"ISL"NTE:RUES$
9c30c'42"ISL"NTE ;IN$
9c40c'42PINTUR"NE:R"
9c50c'42SINRECU#R
3/ 2 2D KG
3/ J2 2D J2
53 JK 2G 2
/5 GG 2G 22J
T"#L" IV 0RESULT"%$S %EL
PR$:R"M"2
PR$:R"M";lu?@ArB
Conductiidad
tr'ica 02
=>?@'Ar>BTubera / K%K D%0DTubera 3 22 D%KTubera 4 0D22 2%0G0
Tubera 5 2HD D%J2JG
T"#L" V 0RESULT"%$S %EL
PR$:R"M"2
PR$:R"M"C"LI%"% DC"LI%"%D%JKD JK%DN
"NLISIS %E RESULT"%$S!
En la rctica se deterin riero la
calidad de ,aor+ la cual #ue #undaental en
la segunda arte de la rctica% Al coien&o
se dirigi al 'aretro de ercurio donde
to la edida de GJ de @g+ luego se
to el dato de la resin de la caldera .ue
#ue de 2D 'ar+ osteriorente se o'tu,o lateeratura del teretro del caloretro
donde se e-ansion el ,aor (a'al I
?atos del Caloretro)+ ca'e recalcar .ue el
,aor se encontr en so'recalentado+ tal
coo se redijo+ se o'tu,o un roedio de
calidades de JKN o D+JK or edio de las
entalas+ ara la cual las calidades al ser
altas+ or ende sus /uedades #ueron 'ajas+
y se coro' .ue la rctica #ue /ec/a de
anera satis#actoria or.ue en las tur'inas
las /uedades de'en ser uy 'ajas ara
.ue no da8en los ejes de las isas
Coo la cantidad de rdida de calor decada tu'era deende directaente de la
conducti,idad trica del aterial+ or
ejelo el rier #lujo de calor es
O29K%K 6
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coo la tu'era est recu'ierta de intura
negra esta roduce una ayor trans#erencia
de calor /acia el a'iente%
C$NCLUSI$NES F REC$MEN%"CI$NES
En la rctica se concluy .ue el roceso
en el caloretro de estrangulaiento e-iste
un roceso isoentlico% Ades se
#ailiari& con el #uncionaiento de las
.uinas .ue ,an a ser uy iortantes en
la ,ida ingenieril (tur'inas+ caloretros+
anetros+ etc)%
a'in se us las ta'las terodinicas+
recordando de esta anera lo arendido en
los cursos anteriores+ y se alic un Balance
de energa (terodinico) ara /allar la
calidad del ,aor de la caldera%
Se cre un rograa donde calcula la
calidad de la caldera%
Fue necesario toar todas las edidas de
seguridad dado or el instructor de la
rctica+ ya .ue al no seguirlas /u'iese
ocurrido un accidente%
En la segunda arte de la rctica se udo
corender la iortancia de los
ateriales aislantes en cual.uier clase de
disositi,o terodinico esecialente
calderas+ de esta anera se udo coarar
las rdidas de calor a tra,s de la tu'eras
con y sin aislaiento+ ta'in se calcul el
#lujo de calor en cada uno de ellos y ades
calcular la conducti,idad trica del
aislaiento%
En conclusin la rdida de calor a tra,s
de una tu'era aislada coarada con una
sin aislaiento ,a a ser uc/o enor
or.ue oone oca resistencia trica a la
rdida de calor% Ades de considerar .ue
la conducti,idad de un aterial aislante ,a
a ser enor .ue la del tu'o sin aislaiento%
Por.ue a ayor conducti,idad trica ,a a
e-istir ayor trans#erencia de calor%
Se recoienda .ue todo el estudiantado
de'era usar 'otas de seguridad ara
re,enir cual.uier tio de accidente%
Al oento de toar los datos+ en los
disositi,os anuales (anetros+
teretros+ 'aretro)+ u'icarse de
anera erendicular al iso ara e,itar
.ue ocurra alguna toa errnea de datosor el aralaje%
En caso de tener duda en un dato toado+
acudir a la teora ara e,itar errores
grandes%
RE;ERENCI"S
ESP"!+ ua de reorte de calidad del
,aor en la caldera+ II trino 0D2*0D2H
ESP"!+ Forato eorte de !a'oratorio
de Instruentacin Bsica
ESP"!+ ua de reorte de rdidas de
,aor en las tu'eras+ II trino 0D2*0D2H
%
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"neGos!
PR$:R"M" P"R" $#TENER L" C"LI%"% F EL ;LU?$ %E V"P$R ENTU#ERI"SH "%EMS %EL" C$N%UCTIVI%"% T)RMIC" %E C"%" M"TERI"L
clc Qclear Qdislay (RBien,enidos al Prograa de FC R)Qn9inut(RIngrese datos toadosR)Q#or i927n (i)9inut(RIngrese dato de eeratura R)Q P(i)9inut(RIngrese dato de PresinR)QendNt9inut(RIngrese ,alor a InterolarR)Q Nalor de PresionN&9inut(RIngrese la Proiedad a E,aluar + (2) /# (0) /g () ,# () ,g () sat R)QM9-lsread(RSteaR)Q#or i927KQ
-(i)9M(i+2)Q y(i)9M(i+&;2)Qend#or i927n
/g(i)9inter2(-+y+P(i)+RslineR)QendNsatN
&9inut(RIngrese la Proiedad a E,aluar + (2) /# (0) /g () ,# () ,g () sat R)QM9-lsread(RSteaR)Q#or i927KQ -(i)9M(i+2)Q y(i)9M(i+&;2)Qend
#or i927nsat(i)9inter2(-+y+P(i)+RslineR)Q
endN ?eterinar /0 NC9D%KQ
#or i927n
/0(i)9/g(i);C:((i)*sat(i))Qend
N?A"S A 2D BAa90G%GDQ
'922J%Q#or i927n --(i)9((/0(i)*a)=('*a))Qend-,ar9(su(--)=n)Qdislay(/0R)dislay(--R)dislay(-,arR)N#lujo de calor y conducti,idad
9inut(RIngrese el tio de tu'eria (2) (0) () ()TnR)Qt9inut(RIngrese el ,alor de tieo en inutosTnR)Q,#9D%DD2DGJDQ/#g90G0%H2Q
O9UVQ69UVQ
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i# (992) #or 5927 cc(5)9inut(RIngrese la ,ariacin del condensado recolectadoTnR)Q t2(5)9inut(Ringrese la teeratura inicial(t2)R)Q t0(5)9inut(Ringrese la teeratura #inal(t0)R)Q O(5)9(cc(5)%:HD:-,ar%:/#g)%=(,#%:t%:(2D) WH)Q
6(5)9(O:log(22=GH))=(0:%22H:(t2*t0))Q dislay(REl calor erdido or la tu'eria 2 esR)Q dislay(O)Q dislay(R!a conducti,idad trica del aterial esR)Q dislay(6)Q endendi# (990) #or 5927 cc(5)9inut(RIngrese la ,ariacin del condensado recolectadoTnR)Q t2(5)9inut(Ringrese la teeratura inicial(t2)R)Q t0(5)9inut(Ringrese la teeratura #inal(t0)R)Q O(5)9(cc(5)%:HD:-,ar%:/#g)%=(,#%:t%:(2D) WH)Q
6(5)9(O:log(K2=GH))=(0:%22H:(t2*t0))Q dislay(REl calor erdido or l tu'eria es 0R)Q dislay(O)Q dislay(R!a conducti,idad trica del aterial esR)Q dislay(6)Q endendi# (99) #or 5927 cc(5)9inut(RIngrese la ,ariacin del condensado recolectadoTnR)Q t2(5)9inut(Ringrese la teeratura inicial(t2)R)Q t0(5)9inut(Ringrese la teeratura #inal(t0)R)Q O(5)9(cc(5)%:HD:-,ar%:/#g)%=(,#%:t%:(2D) WH)Q
6(5)9(O:log(GH=H))=(0:%22H:(t2*t0))Q dislay(REl calor erdido or tu'eria es R)Q dislay(O)Q dislay(R!a conducti,idad trica del aterial esR)Q dislay(6)Q endendi# (99) #or 5927 cc(5)9inut(RIngrese la ,ariacin del condensado recolectadoTnR)Q t2(5)9inut(Ringrese la teeratura inicial(t2)R)Q t0(5)9inut(Ringrese la teeratura #inal(t0)R)Q O(5)9(cc(5)%:HD:-,ar%:/#g)%=(,#%:t%:(2D) WH)Q
6(5)9(O:log(GH=H))=(0:%22H:(t2*t0)) dislay(REl calor erdido or tu'eria es R)Q dislay(O)Q dislay(R!a conducti,idad trica del aterial esR)Q dislay(6)Q endendO,ar9(su(O)=n)Q6,ar9(su(6)=n)Qdislay(O,ar)Qdislay(6,ar)Q
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C"LCUL$ %E C"LI%"%
!a calidad se la encuentra or la siguiente e-resin7
)(2 f!f hhxhh +=
ecuacin /2(Bu=l')7 entala a resin ayor
/#(Bu=l')7 entala en li.uido coriido de la resin ayor
/g(Bu=l')7 entala en gas saturado a resin ayor
-7 calidad del ,aor en &ona de e&cla de la tu'era%
f!
f
hh
hhx
= 0
Ecuacin & ecuacin *ara hallar la calidad del +a*or de la turbina
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Se /all la calidad or edio del rograa anterior7
Cp=0.48( BtuLbm F)
%e 'odo ue para una libra tene'os!
Ecuacin ental*a a *resin maor
h2=hg+CpT=h2g+0.48Tsh
?onde Tsh en grados de recalentaiento en el unto 0 y se o'tiene de7
Tsh=(Temp.recalent2Temp. saturacinP2)
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C"LCUL$ %E ;LU?$ %E C"L$R
Ecuacin 3 E%-%/0 E 2-4E4
dr
dtK.Q =
dr
dtrlKQ 0=
r
dt
lK
Qdt
0
=
=
2
0
2
0 0
r
r
t
t r
dr
l5
Qdt
Integrando7
Ecuacin $ ecuacin de flujo de calor en tuberas sin aislamiento
hrKJ
r
r
ttKlQ =
2
0
ln
)02(0 =
Siilarente se o'tiene la ecuacin general7
Ecuacin & ecuacin de flujo de calor en tuberas con aislamiento
hrKJ
r
r
Kr
r
K
ttlQ =
0
Aln
0
2
2
0ln
2
2
)02(0
+
=
?onde7
0
2ln
002
r
r
lK
Qtt
=
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O 9 Flujo de calor 6
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Se /all el #lujo de calor y conducti,idad en la tercera tu'era7
Se /all el #lujo de calor y conducti,idad en la cuarta tu'era7
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%ERIV"%"S!
El ,alor Proedio de las Entalas ,iene dado or la siguiente e-resin7
hpromedio=i=1
4 hi
4
hpromedio=2713,78277+2723,43871+2731,80710+2732,34
4 [KJkg]
hpromedio=2725,32[KJKg ]Y su resecti,o error est dado or7
h=i=14 (hpromediohi )
2
(41)
h= (hpromediohi )
2
+(hpromediohi )2
+(hpromediohi )2
(hpromediohi )2
3
7/24/2019 Calidad Del Vapor y Perdidas de Calor a Traves de Tuberias
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h=8,7192[KJKg ]Error de la calidad de ,aor
!h
2
= 1hgh "
!=h
2
hgh"
!=h
2
hgh"
!=8,7192
2253,4=0,0038693
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6720,7)
2
+( 370,38231 0,7)2
7/24/2019 Calidad Del Vapor y Perdidas de Calor a Traves de Tuberias
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$=0,36692[ kJhr]