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Objetivos:

Determinar la eficiencia térmica de los equipos.

Determinar el comportamiento del equipo tomando en cuenta 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 convenientemente localizadas lado a lado. Los serpentines helicoidales de cualquier tipo se instalan frecuentemente en recipientes cilíndricos 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 son similares a un intercambiador tubular, aunque 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 para transferir calor por convección libre. La manufactura de los serpentines, particularmente con diámetros superiores a 1plg, requiere 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 equipar con serpentines internos. La camisa elimina la necesidad del serpentín. Los tres medios más utilizados en la camisa son agua, 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 que mejora el coeficiente de transmisión de calor e impide 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 contracorriente y en paralelo es pequeño. Al calentar con vapor se 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 del líquido, volviendo este último a la camisa donde se mantiene el nivel por medio de una válvula.

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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 el nombre de convección forzada. Las fuerzas de flotación también existen en la convección forzada, pero por lo general solo tienen un pequeño efecto.

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Intercambiadores de camisa y serpentín:

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Datos experimentales:

PV TV TC TCfri

o

θ tag

ua

tagua

caliente

∆zcondens

ado

θ wag

ua

Kg/cm2

°C °C

°C min

°C °C cm min

Kg

Camisa 1.2 118

112

26 4 26 85 11.5 10 17.6

Serpentín

0.85 112

46

26 2.31

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:

30

Gasto masa del condensado:

Calor ganado o absorbido Qa:

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Calor cedido Qv:

Pbar

λ Kj/Kg

2 2201.9

2.190

2.50

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:

Coeficiente de película interior:

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*las propiedades se evalúan a la temperatura de salida del agua (t2 =85°C), la viscosidad se considera 1 debido a que el fluido es poco viscoso, µc se evalúa a temperatura de Tsup :

T °C

ρKg/m3

80 971.5

30

3

85

90 965.34

*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:

T °C

µ cp

30

100

0.284

101.5

110

0.256

*interpolando entre estos valores para obtener k:

Coeficiente de película exterior:

*las propiedades se evalúan a la temperatura de película Tf:

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

100 958.38

105.625

110 951.00

*interpolando entre estos valores para obtener ρ:

T °C µ cp

100 0.284

105.625

110 0.25

30

6

*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:

30

Coeficiente global de transferencia de calor teórico:

30

Desviación porcentual:

Secuencia de cálculos (corrida serpentín)

Gasto masa de agua:

Gasto volumétrico del condensado:

30

Gasto masa del condensado:

Calor ganado o absorbido por el agua:

30

Calor cedido Qv:

Pbar λ Kj/Kg

1.50 2226.5

1.8469

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:

30

*las propiedades físicas se evalúan a temperatura de película Tf :

Temperatura de película Tf :

T °C

K Kcal m/h °C

80 0.577

88.75

90 0.582

30

*interpolando entre estos valores para obtener k:

T °C

ρKg/m3

80 971.83

88.75

90 965.34

*interpolando entre estos valores para obtener ρ:

T °C

µ cp

80 0.357

30

88.75

90 0.317

*interpolando entre estos valores para obtener µ:

*la densidad se evalúa a la temperatura que tiene el condensado al llegar al tanque colector.

T °C

ρ Kg/m

3

25 997.0

30

7

26

30 995.67

*interpolando entre estos valores para obtener ρ:

Coeficiente de película exterior:

*las propiedades físicas se evalúan a temperatura de salida del agua (t2):

30

T °C

µ cp

80 0.357

81

90 0.317

*interpolando entre estos valores para obtener µ:

30

Coeficiente global de transferencia de calor:

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Desviación porcentual:

Tabla de resultados experimentales:

P Gma Gmv Qa Qv %η ∆T Uexp hi he Uteo %D

*** ***

Camisa 1.2 264.264

42.406

15666.413

22238.943

70.44

65.5

374.123

635.331

6894.32

533.153

29.82

Serpentín

0.85

457.142

47.195

11000.674

24923.579

44.13

74 288.096

12912.838

954.265

2615.103

88.98

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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

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comparar resultados y basándonos en la eficiencia se podría decir que en la camisa se obtienen mejores resultados al contrario del serpentín.

Bibliografía:

Procesos de Transferencia de CalorDonald Q. KernEd. ContinentalTrigesima sexta reimpresion

Operaciones Unitarias en Ingeniería QuímicaWarren L. Mc.CabeJulian C. SmithPeter HarriotEd. Mc. Graw HillSeptima edicion

Tablas TermodinámicasAcademia de Fisicoquímica

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1998