intercambiador de calor con cambio de fase
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7/23/2019 Intercambiador de Calor con Cambio de Fase
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Laboratorio de Ingeniera de Alimentos IIFacultad de Ciencias QumicasUNA 1
Profesores: I. Q. Mario Smidt; I. Q. Eduardo Sandoval.
Prctica 3: Intercambiador de Calor con Cambio de Fase
Vera, Patricia; Jara, Claudia; Bentez, Larissa; Tintel, Alejandra; Fernndez, Karen; Adrin, Karina; Serafini,Hugo; Serafini, Andrea; Espnola, Ivn.
Resumen En funcin a los clculos realizados se
obtuvo una grfica del coeficiente detransferencia de calor para una superficie
cilndrica en contacto con el refrigerante R 141b
en funcin a la diferencia de temperaturas entre
el fluido y la citada superficie, para valores de
presin constantes. En una segunda experiencia
se determin el flujo trmico de transicin entre
la ebullicin nucleada y la de pelcula a una
diversidad de presiones.
I. INTRODUCCION
l proceso de ebullicin se caracteriza por larpida formacin de burbujas de vapor en lainterfase solido lquido que se separan de la
superficie cuando alcanzan cierto tamao ypresentan la tendencia a elevarse hacia la superficielibre del lquido. [1]
La ebullicin es un fenmeno complicadodebido al gran nmero de variables que intervienenen el proceso y los patrones complejos delmovimiento del fluido causados por la formacin yel crecimiento de las burbujas. [1]
El estudio en el intercambiador de calor concambio de fase se inicia con la observacin de las
diferentes formas de ebullicin, tales comoebullicin nucleada, de transicin y en pelcula.
La parte esencial de este anlisis consiste endeterminar el flujo trmico y el coeficiente detransferencia de calor superficial de ebullicin a
presin contante.Por ltimo se observa grficamente el efecto de
la presin sobre el flujo trmico crtico.
II. MATERIALES Y METODOLOGIA
1. Descripcin de la instalacin.
Las mediciones se realizaron en una instalacinexperimental prefabricada por Edibon S.A., Espaa.Los principales componentes que constituyen launidad de transferencia de calor de ebullicin H655se muestran en la Figura 1.
Dentro de la cmara vertical de vidrio se montahorizontalmente una resistencia de alta densidad devatios en el interior del tubo de cobre sumergido enel lquido refrigerante. La temperatura del tubo de
cobre (TS) se mide mediante termopares y un
indicador digital de temperatura.La entrada elctrica al calentador est
controlada por un dial mostrndose la tasa detransferencia de calor real en el vatmetro digital.
En el extremo superior de la cmara de vidriose encuentra un condensador, un serpentn niqueladode tubo de cobre donde por su interior circula elagua refrigerante, por la superficie extrema secondesa el vapor del refrigerante R141b, el lquidoformado regresa a la parte inferior de la cmara paravolverse a evaporar.
El flujmetro de agua permite calcular la
trasferencia de calor en el condensador, en conjuntocon las medidas indicas por los termmetros devidrio a la entrada y salida del flujo del condensador(T5y T6).
Los termmetros de vidrio dentro de la cmarapermiten medir la temperatura del lquido y del
vapor del refrigerante R141b (T2y T3).
2. Ensayos Realizados.
Se realizaron 5 (cinco) ensayos variando la
presin de trabajo en valores de 0, 30, 50 y 100kN/m2, donde para lograr mantener la presin
relativamente constante se manipula el flujo de aguade refrigeracin.
Se hace variar el consumo de calor de laresistencia metlica de 0 a 400watts, observando losregmenes de ebullicin.
Los datos obtenidos del equipo son:
- Temperatura de superficie del calentador (T1).- Temperatura del lquido R141b (T2).- Temperatura del vapor R141b (T3).
- Temperatura del agua de refrigeracin a laentrada del condensador (T5).- Temperatura del agua de refrigeracin a la
salida del condensador (T6).- Presin en el condensador (P).- Entrada elctrica al calentador (Q).
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3. Determinaciones Experimentales.
Se determin el flujo trmico desde el R141bhacia el agua de refrigeracin utilizando la formula
A
Qq (1)
Donde Q es el consumo de calor en watts y Aes el rea superficial del cilindro calentador en m2.
De la siguiente formula se despej elcoeficiente de calor superficial del tubo calentador.
Thq sup (2)
Donde hsup es el coeficiente de transferencia decalor superficial en W/m
2C y T es la diferencia de
temperatura entre la temperatura de superficie delcalentador (T1) y la temperatura del lquido R141b(T2), en C.
III.
RESULTADOS Y DISCUSION
De manera a apreciar la relacincorrespondiente, se presenta en la Figura 2 los
resultados obtenidos en la prctica; ubicndose en eleje de abscisas la diferencia de temperaturas (C)y
en el eje de ordenadas el coeficiente superficial detransferencia de calor (W/m
2C). En la Figura 3 se
muestra, en el eje de abscisas la presin de
saturacin (kN/m2) y en el eje de ordenadas el flujo
trmico critico (W/m2). Un resumen de los
resultados obtenidos se muestra en las tablas 1 y 2.
En la Figura 2 se observa que a las presionesestudiadas, las cuales se mantuvieron constantes
a los valores de 0, 30, 50, y 100 kN/m2, a
medida que aumenta la diferencia de
temperatura en exceso aumenta el coeficiente de
transferencia de calor superficial. As tambin
se puede observar que elevando la presin de
saturacin, el rango de valores obtenidos para el
coeficiente de transferencia de calor aumenta.
Adems se visualizan puntos que se desvan de
la tendencia de las curvas, error que pudo
deberse a que no se esper que estabilizara elequipo para la toma de temperaturas.
Para la ebullicin de transicin, se observa
en la Figura 3 que a medida que aumenta la
presin de saturacin aumenta el flujo trmico
crtico de calor.
IV. CONCLUSIONES
Manteniendo contante la presin de trabajo yregulado convenientemente la alimentacin de aguade refrigeracin fue posible variar la potenciasuministrada al elemento calefactor para as obtenerlas grficas que explican la tendencia de aumentodel coeficiente de transferencia de calor en funcinal aumento de la diferencia de temperaturas entre lasuperficie del cartucho y el fluido calentado. Engeneral se aprecia una suave proporcionalidad.
El aumento de la presin de trabajo origin una
subsecuente tendencia de mayores valores para elFlujo Trmico de Transicin Crtico.
V. REFERENCIAS
[1] Y. A. Cengel. Transferencia de Calor.
Editorial Mc Graw Hill, Mxico, Segunda Edicin,Junio 2006.
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VI. ANEXO
Figura 1. Esquema de la unidad de transferencia de calor de Ebullicin
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Tabla 1. Flujo trmico y coeficiente de transferencia de calor superficial de ebullicin nucleada a
varias presiones de saturacin
Presin(kN/m2)
Consumo
de calor(W)
Temperatura
del lquido(C)
Temperatura
del metal(C)
Diferencia
detemperatura(C)
Flujo
trmico(W/m
2)
Coeficiente
de
transferenciade calorsuperficial(W/m2C)
0
24 32 47 15 13333 889
34 32 48 16 18889 118144 32 48 16 24444 152865 32 49 17 36111 212484 32 50 18 46667 2593
30
176 40 58 18 97778 5432
192 40 59 19 106667 5614212 40 60 20 117778 5888
242 40 61 21 134444 6402282 40 63 23 156667 6812
50
184 44 62 18 102222 5679204 44 62 18 113333 6296224 44 63 19 124444 6550244 44 64 20 135555 6778264 44 65 21 146667 6984
100
261 53 71 18 145000 8056284 53 72 19 157778 8304304 53 73 20 168889 8444324 53 74 21 180000 8571344 53 75 22 191111 8687
Tabla 2. Flujo trmico de transicin de ebullicin nucleada a pelicular a varias presiones de saturacin.
Presin (kN/m2) Consumo de calor (W)Flujo trmico de transicin
(W/m2)
50 422 234444
60 425 236111
100 452 251111
150 453 251667
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Figura 2. Variacin del coeficiente superficial de transferencia de calor con respecto a la diferencia de
temperatura entre la superficie caliente y el fluido refrigerante para una presin de saturacin de 0, 30, 50, y 100
kN/m2
y = 595,17x - 8098
R = 0,9558
y = 292,49x + 121,36R = 0,9742y = 340,2x - 74,396
R = 0,7712
y = 153x + 5352,6
R = 0,9724
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Coe
ficientesuperficialdetrasnferenciad
ecalor
(W/m2C)
Diferencia de temperaturas (C)
P= 0 kN/m2
P = 30 kN/m2
P= 50 kN/m2
P=100 kN/m2
Lineal (P= 0 kN/m2)
Lineal (P = 30 kN/m2)Lineal (P= 50 kN/m2)
Lineal (P=100 kN/m2)
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Figura 3. Variacin de la presin de saturacin con respecto al flujo trmico crtico
y = -3,1936x2+ 825,24x + 199880
R = 0,9798
230000
240000
250000
260000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Flujotrmicocrtico(W/m2)
Presin de saturacin (kN/m2)