OPERACIONES UNITARIAS

OPERACIONES UNITARIASLABORATORIO N 1

INGENIERIA CIVIL INDUSTRIALFACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURAUNIVERSIDAD ARTURO PRAT

LABORATORIO N1OPERACIONESUNITARIAS

Docente: Juan Segovia Rivera

Integrantes: Jorge Loyola SanhuezaWillybaldo Saavedra PortalesFecha de Entrega: 05/12/2013

ndicendice2Introduccin4Objetivos5Objetivo General5Objetivos Especficos5Marco Terico6Conduccin7Conveccin8Radiacin9Metodologa10Objetivo 110Objetivo 211Objetivo 311Procedimiento12Experiencia12Datos Fluidos13Coaxial14Temperaturas promedios15Por Tubos15Calculo rea de Flujo y Velocidad (Zona Anular)16Calculo Dimetro Equivalente17Clculos de Coeficientes de Transferencia en el Tubo y por la Carcasa (Zona Anular). Sin la Viscosidad a la T de la pared.17Calculo de hi y hio18Clculos de Coeficientes de Transferencia (Zona Anular) Sin la viscosidad a la T de la Pared.19Clculo de ho20Clculo T de la Pared21Clculo del Coeficiente de Transferencia en el Tubo22Calculamos ahora el nuevo hi23Calculamos ahora el nuevo ho23Clculo del Coeficiente de Transferencia (Zona Anular)24Calculamos ho25Clculo diferencias medias logartmicas de T26Clculo de Coeficiente Global de Calor sin Ensuciamiento27Calculo del rea de Transferencia de Calor de cada Tubo27Calculo del rea de Transferencia de Calor de cada Tubo27Calculo del Coeficiente Global de Transferencia de Calor para el Equipo tomando en cuenta el Ensuciamiento27Calculo del Factor de Ensuciamiento28Conclusiones29Bibliografa30

IntroduccinEn la actualidad y en mundo de las Industrias, las Operaciones Unitarias son ocupadas para distintos procesos, ya sean fsicos o qumicos.Una operacin unitaria puede definirse como el proceso en que uno o muchos equipos, materiales e reactantes interactan para lograr una funcin determinada.De modo que en el siguiente laboratorio se busca la forma de experimentar el proceso qumico de intercambio de calor que se lleva a cabo en la industria, simulando esto por medio del software AZprocede, el cual nos brinda modelos computacionales de procesos que ocurren en la Industria. Ayudando a comprender el proceso de la manera ms real posible sin incurrir en costos de operacin. Adems, se mostrara diferencias o similitudes que existen entre el clculo terico y la simulacin prctica del proceso en cuestin. Bajo la denominacin general de intercambiadores de calor, o simplemente cambiadores de calor, se engloba a todos aquellos dispositivos utilizados para transferir energa de un medio a otro, sin embargo, en lo que sigue se har referencia nica y exclusivamente a la transferencia de energa entre fluidos por conduccin y conveccin, debido a que el intercambio trmico entre fluidos es uno de los procesos ms frecuente e importante en la ingeniera. Un intercambiador de calor es un dispositivo que facilita la transferencia de calor de una corriente fluida a otra

ObjetivosObjetivo General Simular una operacin unitaria de intercambiadores de calor mediante software Azprocede.Objetivos Especficos Identificar los equipos, variables manipuladas, variables controladas y perturbaciones si es que las hubiese.

Operar los equipos modificando continuamente las variables para llegar a distintos estados estacionarios.

Realizar clculos de rea de transferencia de calor, coeficiente global, balance de materia y energa.

Marco TericoAntes que todo, debemos aclarar ciertos conceptos que en la vida cotidiana muchas personas lo toman como un simple sinnimo. Calor y Temperatura.Calor: Se define como la energa cintica total de todos los tomos o molculas de una sustanciaTemperatura: Es una medida de la energa cintica promedio de los tomos y molculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor a una sustancia, sus tomos o molculas se mueven ms rpido y su temperatura se eleva o viceversa.Cuando 2 cuerpos tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre s, se produce una Transferencia de Calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. La transferencia de calor se puede realizar por 3 mecanismos fsicos: Conduccin, Conveccin y Radiacin.[footnoteRef:1] [1: TRANSFERENCIA DE CALOR: Capitulo 14 - Mecanismos de Transferencia de Calor]

Figura 1 Esquemas de Transferencia de Calor.

Conduccin La conduccin es el mecanismo de transferencia de calor a escala atmica a travs de la materia por actividad molecular, por el choque de unas molculas con otras, donde las partculas ms energticas entregan energa a las menos energticas, producindose un flujo de calor desde las temperaturas ms altas a las ms bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor de calor. Los objetos que son malos conductores de calor, se llaman aislantes.La conduccin solo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor para un volumen de determinado espesor con rea de seccin transversal y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes temperaturas. El calor transferido por unidad de tiempo se mide en watts y est dado por la ley de conduccin de calor de Fourier (Universidad de Cordoba, 2012).En la figura 2 se muestra la transferencia de calor, para un volumen de espesor x, con rea de seccin transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1 y T2, con T2 > T1.

Figura 2 - Transferencia de Calor por Conduccin.ConveccinLa Conveccin es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulacin dentro de la sustancia. Puede ser de forma natural producida solo por las diferencias de densidades de la materia o forzada cuando la materia es obligada de moverse de un lugar a otro. Solo se produce en lquidos y gases donde los tomos y molculas son libres de moverse en el medio.En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmsfera por conduccin y radiacin cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmsfera por conveccin.Un modelo de transferencia de calor H por conveccin, llamado Ley de Enfriamiento de Newton es la que mide el calor que entrega una superficie con una temperatura determinada al fluido adyacente que se encuentra a una temperatura. Como se muestra en la figura 3.

Figura 3 - Transferencia de calor por Conveccin.

Radiacin La radiacin trmica es energa emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energa es producida por los cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas constitutivos y transportada por ondas electromagnticas o fotones, por el recibe el nombre de radiacin electromagntica.A diferencia de la conduccin y la conveccin, la radiacin electromagntica es independiente de la materia para su propagacin sin embargo, la velocidad, intensidad y direccin de su flujo se ven influenciados por la presencia de materia.

MetodologaPara la realizacin de este laboratorio experimental, se debe manipular el software AZprocede, el cual fue proporcionado por el acadmico Juan Segovia Rivera.

Objetivo 1Se analizara el software por medio de la manipulacin, conociendo los artefactos que incluye el proceso de intercambio de calor, posterior a esto se investigara cual es el nombre y la funcin de cada uno de los componentes del sistema, detallando su funcionamiento y en que afecta al desarrollo de la simulacin.

Se explicara que es una variable manipulada, identificando la posicin que tiene dentro del sistema y cules son los resultados obtenidos por la variacin de estas.Adems, se manipularan, para corroborar si es que la descripcin de su movimiento es acertada con la realidad de la simulacin.Se determinara cules son las variables controladas explicando la utilidad que tienen en un proceso y el efecto de su control, utilizndolas para determinar las modificaciones que sufri el proceso de simulacin posterior a la manipulacin de otras variables.Se decretara de forma terica, que es una perturbacin considerando casos reales y el efecto que tienen las manipulaciones en el proceso de simulacin si es que las hubiere.

Objetivo 2Se operara el sistema manipulando las variables conocidas existentes en el proceso de simulacin, buscando llegar en un tiempo determinado al estado estacionario, siendo relevante la modificacin de las variables con el objetivo de obtener distintos estados estacionarios comparando y analizando el cambio y diferencias que cada uno de estos tiene con el otro y viceversa.Al lograr diferentes estados estacionarios, estos se inmortalizaran fotogrficamente para tener respaldo de la informacin al momento de comparar los clculos realizados en forma manual, por los que automticamente entrego el software AZprocede al momento de manipular.

Objetivo 3Con los datos que nos entrega el software AZprocede, se proceder a realizar los clculos manuales de rea de transferencia de calor, coeficiente global, balances de materia y balances de energa. Posterior a esto se realizara la comparacin entre los datos automticamente entregados por el software y los datos conseguidos de forma manual, considerando si es que existe alguna diferencia para analizar cules seran las supuestas causales que generaron dicha diferencia en el proceso de simulacin de operaciones unitarias de intercambiadores de calor.

ProcedimientoExperiencia

Datos Fluidos

Intercambiador1

Temperaturas promedios

Por Tubos

a) rea de Flujo (rea de Seccin Transversal)0.02 m 0.0957m

b) Velocidad del Fluido por el Tubo

Calculo rea de Flujo y Velocidad (Zona Anular)0.0957 m0.02 m

a) rea de Flujo

b) Velocidad por Carcasa

Calculo Dimetro Equivalente

Clculos de Coeficientes de Transferencia en el Tubo y por la Carcasa (Zona Anular). Sin la Viscosidad a la T de la pared.

Calculo de hi y hio

Clculos de Coeficientes de Transferencia (Zona Anular) Sin la viscosidad a la T de la Pared.

Clculo de ho

Clculo T de la Pared

Calcularemos la T de la pared para corregir las clculos utilizando la Viscosidad.

De la tabla de viscosidad del Agua Lquida A.2-4 del libro Geankoplis Edicin 4.[footnoteRef:2] [2: TRANSPORT PROCESSES AND SEPARATION PROCESS PRINCIPLES (INCLUDES UNIT OPERATIONS), Christie John Geankoplis, Fourth Edition (2003). Pearson Education.Apndice A.2-4 Viscosidad del Agua Lquida, Pg. 970. ]

Extrapolamos para poder encontrar el valor de la tabla:

Clculo del Coeficiente de Transferencia en el Tubo

Nuevo Nusselt. Utilizando la Viscosidad extrada de la tabla a la T de la pared.

Calculamos ahora el nuevo hi

Calculamos ahora el nuevo ho

Clculo del Coeficiente de Transferencia (Zona Anular)

Calculamos ho

Clculo diferencias medias logartmicas de TT2 = 39,4T1 = 33,7t2 = 22,9t1 = 20

Clculo de Coeficiente Global de Calor sin Ensuciamiento

Calculo del rea de Transferencia de Calor de cada Tuboio L

Calculo del rea de Transferencia de Calor de cada Tubo

Calculo del Coeficiente Global de Transferencia de Calor para el Equipo tomando en cuenta el Ensuciamiento

Calculo del Factor de Ensuciamiento

Coaxial

Temperaturas promedios

Por Tubos

c) rea de Flujo (rea de Seccin Transversal)0.015 m 0.0075 m0.03 m0.0075 m

d) Velocidad del Fluido por el Tubo

Calculo rea de Flujo y Velocidad (Zona Anular)0.0254 m0.015 m

c) rea de Flujo

d) Velocidad por Carcasa

Calculo Dimetro Equivalente

Clculos de Coeficientes de Transferencia en el Tubo y por la Carcasa (Zona Anular). Sin la Viscosidad a la T de la pared.

Calculo de hi y hio

Clculos de Coeficientes de Transferencia (Zona Anular) Sin la viscosidad a la T de la Pared.

Clculo de ho

Clculo T de la Pared

Calcularemos la T de la pared para corregir las clculos utilizando la Viscosidad.

De la tabla de viscosidad del Agua Lquida A.2-4 del libro Geankoplis Edicin 4.[footnoteRef:3] [3: TRANSPORT PROCESSES AND SEPARATION PROCESS PRINCIPLES (INCLUDES UNIT OPERATIONS), Christie John Geankoplis, Fourth Edition (2003). Pearson Education.Apndice A.2-4 Viscosidad del Agua Lquida, Pg. 970. ]

Viscosidad X T (Kg/m*seg)*10-3 Y a

b

Extrapolamos para poder encontrar el valor de la tabla:

Clculo del Coeficiente de Transferencia en el Tubo

Nuevo Nusselt. Utilizando la Viscosidad extrada de la tabla a la T de la pared.

Calculamos ahora el nuevo hi

Calculamos ahora el nuevo ho

Clculo del Coeficiente de Transferencia (Zona Anular)

Calculamos ho

Clculo diferencias medias logartmicas de T

T2 = 39,4T1 = 29,3t2 = 25,2t1 = 20

Clculo de Coeficiente Global de Calor sin Ensuciamiento

Calculo del rea de Transferencia de Calor de cada Tuboio L 6m

Calculo del rea de Transferencia de Calor de cada Tubo

Calculo del Coeficiente Global de Transferencia de Calor para el Equipo tomando en cuenta el Ensuciamiento

Calculo del Factor de Ensuciamiento

ConclusionesEn general, el ingeniero es libre de elegir la configuracin del intercambiador (contracorriente, flujo cruzado, pasos mltiples, etc.), el tipo de superficie de transferencia de calor (tubos coaxiales, placas y aletas, haces de tubos, etc.) y las dimensiones caractersticas de la superficie (dimetro de los tubos, separacin en un haz de tubos, etc.). Para obtener una cada de presin baja se requiere una seccin transversal de flujo de gran rea, aunque tambin es importante seleccionar de manera adecuada la configuracin y la superficie de transferencia de calor.El principal problema de diseo de un intercambiador de calor consiste en hacerlo ptimo, para lo cual se dispone de diversos mtodos matemticos y computacionales avanzados. En todo proyecto serio se deben utilizar estos mtodos. Sin embargo, antes de valerse de esta compleja herramienta debe poseer una clara comprensin de algunos conceptos fundamentales del proceso de diseo. Tienen problemas de utilizacin cuando la diferencia de temperatura entre fluido fro y caliente es grande, por las dilataciones o contracciones del haz respecto a la carcasa.

BibliografaJuan Inzunza, Universidad de Concepcin. (2012). Mecanismos de transferencia de calor.http://old.dgeo.udec.cl/~juaninzunza/docencia/fisica/cap14.pdfGua Docente, Universidad de Valladolid. (2012). Intercambiadores de Calor.https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdf

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