II MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 MATERIALES

- Bomba centrifuga

- 4 Termómetro

- 2 rotámetros

- Equipo de calefacción

- Agua

2.2 DESCRIPCION DEL EQUIPO

Intercambiador de Doble Tubo:

3 Es el tipo más sencillo de cambiador de calor. La

tubería doble consiste esencialmente en dos tubos

concéntricos, con un fluido fluyendo a través del tubo

central, en tanto que el otro se mueve a

contracorriente dentro del espacio anular. La longitud de cada sección está

generalmente limitada a las longitudes estándar de los tubos; así que si se requiere una

superficie apreciable para la transferencia de calor, se emplea frecuentemente los

llamados bancos o secciones. Si el área requerida fuera demasiado grande, entonces este

tipo de cambiadores no es el aconsejable. El empleo de cambiador de calor de tubería

doble no se limita al caso de intercambio de calor líquido - líquido, sino que también

puede usarse para sistemas gas - líquido y para sistemas gas - gas. Los materiales de

construcción pueden variar, dependiendo de los fluidos que se van a procesar.

Cualesquiera de los dos tubos puede moverse a través del tubo, o a través del anillo, a

velocidades relativamente altas, limitadas sólo por el proceso de transferencia de calor.

El sistema constaba de un tanque de calefacción en donde el agua ingresaba a la

Temperatura ambiente y aumentaba su temperatura por efecto de la resistencia que

existía en el interior de este, enseguida la bomba succionaba el agua caliente hacia una

tubería de ½´´, el cual estaba conectado a un rotámetro con el cual podíamos controlar

su caudal. En ese mismo instante por otra un tubo de ¾´” que contenía

concéntricamente en su interior al tubo de ½´’, fluía en contracorriente el agua a la

temperatura ambiente, este tubo también estaba conectado en paralelo a un rotámetro.

Consideramos que el fluido caliente fluye dentro del tubo y el frio en el espacio anular.

Ambos tubos tenían un termómetro tanto a la salida como a la entrada de cada

Fluido obteniendo así la temperatura T1 y T2 para el fluido caliente y t1 y t2 para el

fluido frío.

VENTAJAS DE LOS INTERCAMBIADORES DOBLE TUBO Simplicidad de construcción� Facilidad de Mantenimiento� Flujo verdadero a contracorriente� Posibilidad de uso de tubos aleteados� Aplicaciones de alta presión�

2.3. METODO

1. Llenamos el tanque del equipo calefactor, abriendo la llave1 de la

cisterna ubicado en el techo.

2. Encendemos el equipo de calefacción, y esperamos unos minutos

hasta que el agua estabilice su temperatura.

3. Enseguida prendemos la bomba la cual succiona el fluido hacia el

tubo de 1/2´´.

4. El agua a temperatura ambiente proveniente del tanque elevado fluía

en contracorriente por un tubo de 3/4´´.

5. En ambos flujos calibramos los rotámetros a una lectura de 80

6. Esperábamos un minuto para permitir que se estabilice la lectura de

los termómetros.

7. Proseguimos inmediatamente a medir la temperatura de entrada y

salida del fluido caliente y frío.

8. Calibrar ambos rotámetros a una lectura de 110 y repetimos los pasos

6, 7.

Repetir el paso 8 con lecturas de rotámetro 140, 170 y 210

2.4. FUNDAMENTO TEORICO

Las industrias de procesos químicos utilizan ampliamente la transferencia de

energía como calor.

Intercambiador de calor.-

Un intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor

entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes evitando que se

mezclen entre sí.

Tres son los tipos fundamentales de transmisión de calor: Conducción,

Convección y Radiación.

Conducción.- Es la transmisión de calor de una parte a otra de un mismo

cuerpo, o de un cuerpo a otro con el que está en contacto físico, sin que

produzca un desplazamiento apreciable de las partículas del cuerpo.

Convección.- Es la transmisión de calor de un punto a otro en un fluido, gas

o liquido, mezclándose una porción de fluido con la otra. En la convección

natural, el movimiento de fluido es por entero el resultado de las diferencias

de densidades ocasionadas por las diferentes temperaturas; en la convección

forzada el movimiento se produce por medios mecánicos.

Radiación.- Es la transmisión de calor de un cuerpo a otro, con el que no

está en contacto, por medio del movimiento de las ondas a través del

espacio.

CONDUCCION ESTACIONARIA Y CONDUCTIVIDAD TERMICA

La ecuación diferencial fundamental para la transmisión de calor es la ley de

Fourier:

dQdθ = kA

dtdx (1)

dónde :

dQ/d : es igual al flujo de calor

A: es el arrea normal a la dirección que fluye calor

-dt/dx: es la rapidez con que varía la temperatura en función con la

distancia, es la gradiente de la temperatura

k: es la conductividad térmica, depende del material a través del cual

fluye el calor y la temperatura.

Para sólidos no homogéneos la conductividad térmica a una temperatura

dada es función de la densidad aparente.

La conductividad térmica de los líquidos aumenta solo en unos cuantos por

cientos a la presión de mil atmósferas y para los gases aumenta un 30% a mil

atmósferas

FLUJO ESTACIONARIO

En el flujo estacionario de calor el término dQ/d de la ecuación (1) es

constante y puede sustituirse por q.

q = kA

Δtx

Usualmente la conductividad térmica no es constante sino función de la

temperatura obteniéndose un K medio que es la media aritmética entre la

temperaturas t1 y t2.

CONVECCION.

Es un factor importante en muchos casos de transmisión de calor en los que

interviene líquidos o gases. En la mayoría de los casos de dicha transmisión

de la práctica industrial se transmite calor de un fluido a otro a través de una

pared sólida. En el caso de flujo turbulento del fluido sobre un sólido se sabe

que en la vecindad inmediata de la superficie existe una zona relativamente

tranquila de fluido a la que comúnmente se le denomina película y que en

esta tiene lugar una fracción considerable de la caída total de temperatura

entre la masa principal del fluido y la superficie del sólido. En los últimos

años se ha visto que para la corriente turbulenta isotérmica, el movimiento

de la película es de carácter laminar y el limite exterior de la película se

define hoy comúnmente como caracterizado por algún valor crítico de la

expresión adimensional de Reynolds.

Puesto que no es fácil de medir el espesor de la película del fluido ni la

temperatura, y además interviene la conducción y convección, la velocidad o

flujo con que pasa el calor del fluido al sólido se calcula por medio de la

ecuación:

Dq = hx * dAx * (ti – to)

Donde : x = i,o

h es el coeficiente de la película

El coeficiente h se determina dividiendo el flujo conocido de paso del calor

por unidad de superficie de la pared por la diferencia entre las temperaturas

del fluido y de la superficie. La temperatura del fluido no es uniforme,

debido a la existencia del gradiente de la temperatura y por tanto es

conveniente decir cuál es el punto o la superficie donde se midió la

temperatura del fluido

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSMISIÓN DE CALOR

Debido a que no es fácil medir las temperaturas del tubo se hace necesario

expresar los resultados totales de las mediciones del flujo de calor en forma

de un coeficiente total U, basado en un arrea conveniente dA que puede ser

interno o externo o bien un promedio de ambos, quedando luego por

definición :

Dq=U*dA*(ti-to) (2)

La diferencia media de temperatura es aquella diferencia entre el fluido

caliente y el frío, y varia en lo general a lo largo de toda la tubería y para

tener en cuenta esto debemos integrar la relación (2) obteniéndose:

q=U*A*

Δt01−Δt02

ln ( Δt01

Δt02)

Si U varia mucho con la temperatura debe considerarse como el equipo

dividido en segmentos, en cada uno de los cuales la variación de U con la

temperatura o con la diferencia de temperaturas se halla una función de

primer grado.

PROCESAMIENTO DE DATOS:

Ley de Fourier:

“La cantidad de calor en la unidad de tiempo es directamente proporcional

al área e inversamente proporcional la espesor.

d

dtkA

dt

dx

Twc: temperatura de pared en el lado caliente.

Twf: temperatura de pared en el lado frío.

Alm: Area media logarítmica.

Convección:

Fluido caliente:

hd

dAiT

T Tc Twc

i

Fluido Frío:

hdq

dAoT

T Twf Tf

f

Conducción:

d

dA

k t

dw

T Twc Twf

ln

( ) ( ) ( )

ln

( )

Tc Twc Twc Twf Twf Tf Tc Tf

Tc Twcdq

dAihi

Twf Tfdq

dAohf

dq

dAk

Twc Twf

Xw

Finalmente:

Q U A TD ln

En nuestros cálculos consideramos:

TT T

TT

lnln

2 1

2

1

Para régimen laminar:

Para régimen turbulento:

Cálculo de Tm:

TmT T

fluido caliente1 2

2;

Los datos: densidad (), viscosidad () Y cp.

Son obtenidos del Apéndice mediante interpolación.

Se realiza una regresión con los datos proporcionados por el profesor,

para hallar el caudal a partir de la lectura del rotámetro.

Otros cálculos:

1 1

1 1 1

Uo

dAo

hidAi

XwdAo

kdA ho

Uo hi

Xw

kA ho

ln

ln

Potencia Eléctrica:

PotElec = I.V

Q = m cp T

m = Vol

T = (Tf - Ti)

n =Qganado

Qcedido

Q

Potencia EléctricaH O2

9. .

III. RESULTADOS

IMP

IV. Conclusiones :

Se obtuvo los coeficientes de transmisión de calor hi=12545.9912 y ho=6911.6021 y el coeficiente de transferencia de calor U =568.473662.

V. Bibliografía :

- - “Manual de Perry” : Tomo II. 6ta edición . Editorial Mc.Graw Hill. México 1992.

Ocon J. Y G. Tojo 1982 “PROBLEMAS DE INGENIERÍA QUÍMICA” TOMO II Editorial Aguilar S.A. ediciones, MADRID, ESPAÑA.

Geankoplis “PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS, MADRID, ESPAÑA.

Warren Mc Cabe, Smith, “OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA, ESPAÑA.