PRACTICA DE LABORATORIO 3

CONDENSACION TIPO GOTA Y TIPO PELICULA

INTRODUCCION

La condensación es un fenómeno termodinámico por medio del cual la materia pasa a una

forma más densa, como ocurre en la licuefacción del vapor. La condensación es el resultado

de la reducción de la temperatura, causada por la eliminación del calor latente de

evaporación; al líquido resultante del proceso a veces se denomina condensado. En el

proceso se transfiere calor por conducción entre un gas (vapor en nuestro caso) y un sólido.

El estudio de la manera en que se presenta el flujo de calor es objeto de esta práctica,

además se identificaran los procesos por medio de los cuales se produce la condensación

por gota y por película, analizando sus ecuaciones básicas.

1. OBJETIVOS

Efectuar el balance de energía y hallar las pérdidas por radiación del sistema.

Determinar los coeficientes de película prácticos, exterior e interior y compararlos

con los obtenidos mediante fórmulas empíricas.

Determinar el coeficiente total de transferencia de calor tanto práctico como teórico.

2. GENERALIDADES

2.1 CONDENSACIÓN

La condensación ocurre cuando el vapor saturado se pone en contacto con una superficie a

una temperatura inferior, en condiciones normales se forma un flujo continuo de líquido

1

sobre la superficie y el condensado fluye hacia abajo, por la influencia la gravedad. El

movimiento del condensado es laminar a menos que la velocidad del vapor sea muy alta y

la película de líquido sea muy gruesa, la transferencia de calor se presenta únicamente por

conducción y ocurre desde la superficie intermedia vapor-líquido hacia la superficie.

Cuando los vapores se condensan sobre una superficie, pueden hacerlo mediante

condensación por gotas o mediante condensación de tipo película. Si la superficie está sucia

o contaminada por un agente que impide el humedecimiento, la condensación tiene lugar en

forma de gotas debido a que el agua no moja la superficie. En general es deseable que la

condensación se haga en forma de gotas (aunque es difícil de mantener) ya que los

coeficientes correspondientes de transferencia de calor pueden ser mayores (entre 5 o 10

veces) que los de la condensación tipo película.

2.2 ECUACIONES NECESARIAS PARA LA REALIZACIÓN DE LOS CÁLCULOS

2.2.1 Balance de energía. El balance de energía alrededor de cada tubo se realiza mediante

la siguiente ecuación:

(Ec. 1)

Donde:

Flujo de calor cedido por el vapor de agua, dado en (W)

Flujo de vapor, en

La entalpía puede tomarse como la entalpía de vapor saturado a la presión de entrada a

la cámara y la entalpía como la entalpía del líquido sub-enfriado a la temperatura de

salida del condensado. Esta última entalpía puede tomarse como la entalpía del líquido

saturado a la temperatura del condensado.

2

Flujo de calor tomado por el agua (W)

Flujo de agua

Las temperaturas y son las temperaturas de salida y entrada respectivamente.

Flujo de calor perdido en el equipo.

2.2.2 Coeficiente de película práctico. El coeficiente de película práctico interior se

calcula mediante la siguiente fórmula:

(Ec. 2)

Flujo de calor ganado por el agua de enfriamiento (W)

Área interior del tubo ( )

Temperatura media de la pared del tubo (ºK)

Temperatura media del agua (ºK)

Longitud del tubo (m)

El coeficiente de película práctico exterior se calcula por la siguiente fórmula:

(Ec. 3)

Flujo de calor cedido por el vapor (W)

Área exterior del tubo ( )

Temperatura del vapor saturado (ºK)

Temperatura media de la pared del tubo (ºK)

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Para determinar los coeficientes de película teóricos las siguientes ecuaciones pueden

aplicarse en condensación de vapores tipo película.

2.2.2.1 Para flujo laminar: Se determina el número de Reynolds por medio de la ecuación.

(Ec. 4)

Flujo másico de condensado por unidad de longitud en la parte inferior del tubo

En el presente caso (tubo horizontal) la transición de régimen laminar a turbulento ocurre a

números de Reynolds alrededor de 3600 debido a que la película de condensado entre

ambos lados del tubo se junta en el fondo del tubo.

Si el flujo es laminar cómo se espera en esta práctica se utiliza la ecuación para calcular el

coeficiente de película exterior:

(Ec. 5)

Donde:

Temperatura de saturación (ºK)

Temperatura de pared (ºK)

Aceleración de la gravedad

Densidad del líquido y el vapor

3m

kg

4

Entalpía de condensación

Conductividad térmica del líquido

Viscosidad del líquido

Diámetro exterior del tubo (m)

Las propiedades del líquido se determinan a la temperatura media.

Para determinar el coeficiente de película teórico interior se utilizan las ecuaciones

empíricas para la convección forzada dentro de tubos.

Para régimen laminar: Dentro de un tubo en el que la temperatura de la pared es

constante puede utilizarse:

(Ec. 6)

Longitud del tubo (m)

Todas las propiedades del fluido se determinan a la temperatura media.

Para régimen turbulento: Puede utilizarse la ecuación.

(Ec. 7)

Para calentamiento.

5

En la ecuación anterior es el coeficiente de película teórico interior, el cual se puede

aplicar cuando las diferencias de temperatura son pequeñas para Pr entre 0. 7 y 100, Re

mayores de 10.000 y mayor de 60. Las propiedades del fluido se determinan a la

temperatura media.

Si la diferencia de temperaturas entre la pared del tubo y el fluido es grande, puede

utilizarse la ecuación de Sieder y Tate:

(Ec. 8)

Viscosidad del fluido a la temperatura media

Viscosidad del fluido a la temperatura de pared del tubo

Conductividad térmica del fluido dentro del tubo

La ecuación 8, es aplicable para Pr entre 0.7 y 16700, Re mayor de 10.000 y mayor de

60. Las propiedades del fluido se toman a la temperatura media de este.

Nota: Para condensación en gota no hay una correlación empírica para calcular los

coeficientes de película y sólo puede decirse que los coeficientes de película son de cinco a

diez veces mayores, pero el coeficiente de transferencia de calor entre el vapor y el agua es

de 2 a 3 mayor.

2.2.3. Coeficientes totales. Los coeficientes totales pueden determinarse así.

(Ec. 9)

6

Diferencia media de temperaturas entre el vapor y el agua (ºK)

Área exterior del tubo ( )

Flujo de calor cedido por el vapor (W)

(Ec. 10)

2.3 PRECAUCIONES

Utilice ropas adecuadas para el laboratorio.

Identifique el equipo de condensación, las partes sobre las cuales se van a realizar las

mediciones, al igual que las superficies que puedan calentarse.

Evite tocar las superficies calientes.

Cualquier irregularidad comuníquela al profesor encargado de la asignatura o al

dependiente del laboratorio.

2.4 AUTOEXAMEN

a. ¿Qué características se necesitan para que se presente condensación en forma de

gotas?

b. Describa brevemente el mecanismo por el cual se transfiere el calor en la

condensación por gota.

c. ¿Cuál es la función directa del número de Reynolds en cada una de las

condensaciones analizadas?

d. ¿Qué sucedería con los coeficientes de transmisión de calor si los tubos estuviesen

verticales?

e. ¿En qué máquinas térmicas se emplea la condensación?

3. MATERIALES Y EQUIPOS

Tabla 1. Equipos.

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Cantidad Elemento1 Equipo de condensación1 Termómetro digital1 Termómetro de mercurio1 Cronómetro

Tabla 2. Materiales.Cantidad Elemento

1 Probeta graduada1 Recipiente para condensado

4. PROCEDIMIENTO

Antes de poner a funcionar el equipo se hace necesario realizar unas verificaciones con el

propósito de que el equipo funcione correctamente. Se debe verificar la existencia de agua

en el depósito, la cual debe estar libre de sedimentos o suciedades; verificar el buen estado

de las válvulas, manómetros, sensores de temperatura y medidor de caudal; antes de iniciar

cualquier ensayo, todas las válvulas se deben hallar en posición de cierre total, previamente

se debe haber comprobado la no existencia de condensado en las cámaras ni agua en las

tuberías.

Este equipo tiene solo una forma de utilizar para lograr obtener el ensayo tanto en la cámara

horizontal (cámara 1) como en la vertical (cámara 2) sin que varíen los parámetros iniciales

de ensayo en cualquiera de las cámaras. Por lo tanto siempre que se inicie una práctica que

involucre la condensación en superficies horizontales y verticales, se debe iniciar los

ensayos por la cámara 2, esto con el fin de no alterar las condiciones iniciales de

funcionamiento en la cámara 1.

4.1.1 funcionamiento en la cámara 2 (vertical).

Para una mayor compresión de los pasos a seguir, es necesario tener presente el plano 5.2.

1. abrase la válvula de ventilación SCV y cerrar el ducto de drenaje C2.

2. con la válvula S2H cerrada y con S2V medio abierta, suministrar vapor lentamente a la

cámara 2; cuando el vapor comience a escapar por SCV, cerrar esta válvula y ajustar el

flujo de vapor con S1 hasta mantener una presión constante igual a 50 PSI, dentro de la

cámara.

8

3. si la presión comienza a subir demasiado dentro de la cámara, durante este periodo de

calentamiento, abrir la válvula C2 (salida de condensado de la cámara 2) un poco para

permitir la salida del condensado y la regulación de la presión dentro de la cámara.

4. mantenga más o menos constante el suministro de vapor hacia la cámara 2, por un

periodo de tiempo de 15 a 20 minutos, con lo cual se consigue el calentamiento de esta

cámara; cuando cese la formación de condensado sobre el vidrio de seguridad, y la ventana

de observación se aclare, se puede dar comienzo a los ensayos de condensación dados en la

materia de transferencia de calor.

5. finalizado el periodo de calentamiento, ajustar las válvulas W0-W1-W4 o W0-W2-W3

para que haya flujo de agua por uno o por el otro circuito hidráulico (tubo cromado o tubo

de acabado natural); esta selección se hace dependiendo de cuál tipo de condensación se va

a ensayar primero (gota o película).

Al estar graduadas las válvulas para que haya flujo de agua por uno de los dos circuitos

hidráulicos, se registra en el rotámetro el caudal que circula en ese momento por las

tuberías; gradúese a las condiciones de trabajo utilizando ya sea la válvula W1 o W2 según

el tubo por el cual circula agua.

6. cuando se alcanza la operación en estado estacionario, hacer ajuste final de la presión

sobre la cámara 2, utilizando la válvula S2V.

7. realice los ensayos correspondientes a la cámara vertical, maniobrando cada una de las

válvulas para el correspondiente ensayo.

8. al finalizar cada uno de los ensayos realizar sobre la cámara 2, drenar totalmente el

condensado y luego cerrar la válvula C2.

9. cuando los ensayos por realizar sobre la cámara 2 estén incluidos, abra SCV y permita la

salida del condensado abriendo la válvula C2.

10. corte el suministro de vapor a la cámara 2 cerrando la válvula S2V y luego S1.

11. cuando el sistema se halle parcialmente frio cortar el suministro de agua contenida en

las tuberías, abriendo las válvulas W0 lo mismo W3 y W4.

4.1.2 funcionamiento de la cámara 1 (horizontal).

Básicamente tiene que cumplir con los mismos pasos que para el caso anterior.

9

1. Abrir la válvula de ventilación SCH y mantener cerrada la válvula de condensado

C1.

2. Con la válvula S2V cerrada y con S2H medio abierta, suministre vapor lentamente a

la cámara 1.cuando el vapor comience a escapar por SCH, cerrar esta válvula y

ajustar el flujo de vapor con S1 manteniendo una presión constante de 50 Psi.

3. Al elevarse la presión en la cámara, abrir u poco la válvula de drenaje C1 para

regular la presión interna de la cámara

4. Durante de 15 a 20 minutos mantenga un flujo constante de vapor hacia esta

cámara, hasta que haya terminado su periodo de calentamiento.

5. Terminado el periodo de calentamiento, conecte de nuevo al equipo de condensado

al depósito de agua y ajuste las válvulas W0-W1-W4 o W0-W2-W3 para que haya

flujo de agua por uno de los dos circuitos hidráulicos (A o B). utilice las válvulas

correspondientes W1 o W2 para graduar el cauda en el rotámetro, de acuerdo a las

necesidades de la práctica.

6. Cuando la cámara se halle funcionando en estado estable, hacer el ajuste final de

presión, utilizando la válvula SH2.

7. Realice los ensayos correspondientes a la cámara horizontal.

8. Al finalizar cada ensayo, drenar totalmente el condensado existente y cerrar C1

9. Concluidas las practicas, abra la válvula SCH y permita la salida del condensado

abriendo C1

10. Corte el suministro de vapor a la cámara 2cerrando la válvula S2H; luego cierre la

válvula S1

11. Cuando el sistema se halle completamente frio, cerrar el suministro de agua.

Ya como una operación final del ensayo realizado sobre las cámaras, se debe

desconectar totalmente tanto la fuente de vapor como el depósito de agua. Luego abrir

todas las válvulas de agua, vapor y condensado contenido en las cámaras y permita la

evacuación del líquido contenido en los ductos.

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De esta forma se da una idea clara de los pasos para poner a funcionar cada una de las

cámaras; siguiendo estos pasos los estudiantes o personas que utilicen el equipo no van

a tener inconvenientes en su manejo.

4.2. PUESTA A PUNTO

Para que el equipo se halle funcionando siempre en una forma continúa y sin

inconvenientes, es necesario que todos y cada uno de sus elementos que lo constituyen,

trabajen bien. Por lo tanto, para obtener un buen funcionamiento se deben realizar las

verificaciones anotadas al principio de este capítulo; en caso de que se presente fallos

durante las practicas, tratar de solucionar el problema si es posible o de lo contrario se

deben suspender la realización de los ensayos hasta que se halla corregido la falla, puesto

que se pueden alterar los resultados del ensayo.

Fácilmente por un switch selector de posiciones.

4.2.1 Cámara de condensación. Las cámaras de condensación son dos cabinas, una

horizontal y la otra vertical, construidas en su parte interna en acero inoxidable, cubiertas

con un material aislante (lana de vidrio), con un espesor de 45mm., por todos los lados con

excepción de la cara frontal, la cual consiste de un vidrio de seguridad que sirve para

observar el fenómeno de condensación y para la limpieza de la cabina; el aislante es

cubierto por una cubierta externa de aluminio.

Las dimensiones internas de la cabina son de 70 x 20 x 20 cm, las cuales permiten un buen

estudio del fenómeno.

En la parte superior de la cabina hay un ensamble que se compone de una válvula de

ventilación y un manómetro.

4.2.2 Tubos de enfriamiento de cobre. Dos tubos de cobre se extienden a lo largo de las

cabinas. El de acabado natural producirá la condensación tipo película del vapor en las

cámaras; mientras el otro tubo que tiene un acabado en cromo altamente pulido producirá la

condensación tipo goteo. Los tubos son de diámetro nominal de ½ pulg. Por 0.04 pulg. De

espesor de la pared y de 0.7 metros de longitud.

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4.2.3 Conexiones para proceso de agua y vapor. El arreglo de la tubería para el flujo de

agua se muestra en el plano 5.2. Cada uno de los dos circuitos de prueba se puede

seleccionar para estudiar individualmente el tipo de condensación (tipo película o gota);

también se puede seleccionar la cámara a usar (cámara horizontal o vertical), accionando

las válvulas apropiadas. Un rotámetro situado debajo de la cabina se utiliza para medir el

flujo de agua. Este dispositivo esta calibrado en gal/min. , para líquidos con gravedad

especifica unitaria.

4.2.4 Medidores de temperatura. Existen 14 medidores de temperatura que tienen como

elementos sensores transistores. Están colocados de forma que pueden registrar las

temperaturas; ver plano 1

La función de cada uno de ellos se especifica a continuación:

T1 Temperatura entrada de agua tubo s. c. cámara horizontal.

T2 Temperatura agua, punto medio tubo s. c. cámara horizontal.

T3 Temperatura salida agua tubo s. c. cámara horizontal y entrada cámara vertical s. c.

T4 Temperatura agua punto medio tubo S. C. cámara vertical.

T5 Temperatura salida del agua cámara vertical; para el tubo S. C.

T6 Temperatura entrada de agua tubo S. N. cámara horizontal.

T7 Temperatura agua punto medio tubo S. N. cámara horizontal.

T8 Temperatura de salida del agua tubo S. N. cámara horizontal y entrada cámara vertical

S. N.

T9 Temperatura agua punto medio tubo S. N. cámara vertical.

T10 Temperatura salida del agua S. N. cámara vertical.

T11 Temperatura del vapor en la cámara horizontal, lado izquierdo.

T12 Temperatura del vapor en la cámara horizontal lado derecho.

T13 Temperatura del vapor en la cámara vertical parte inferior.

T14 Temperatura del vapor en la cámara vertical parte superior.

Nota: Se toma S. C. como superficie cromada.

Se toma S. N. como superficie natural.

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Figura 1. Diagrama del equipo.

Todos los sensores de temperatura, terminan en un swich selector de varias posición,

localizando convenientemente junto a las cámaras. La caja del selector tiene dos contactos

exteriores para conectar un miliamperímetro o un registrador de corrientes, si se quiere una

historia continua de las temperaturas.

4.2.5 Seguridad. Al operar el equipo es básico tener las siguientes precauciones:

Conectar el vapor y agua del proceso a baja presión de servicio. El sistema ha sido

probado hidrostáticamente para presiones de servicio máximas de 33,226 Kg/m^2 (50

psi).

Cuando se admita vapor al sistema, se deben abrir despacio las válvulas de entrada y se

debe probar todas las conexiones que den posibles escapes.

Asegúrese que la cabina este ventilada (la válvula de ventilación debe estar abierta).

Nunca se debe forzar las válvulas.

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No se deben apoyar objetos ni personas sobre los tubos.

Cuando no se esté ejecutando ninguna práctica el flujo de vapor y de agua deben ser

interrumpidos.

Los medidores de temperatura deben ser manipulados con gran cuidado.

5. TOMA DE DATOS

Tabla 3. Condensación por gota.

Variables a medir MedidaFlujo de agua de enfriamientoVolumen de condensadoTiempo para descarga del condensado s

Temperatura de entrada del agua

Temperatura media de la pared

Temperatura de salida del agua

Temperatura izquierda pared de cámara

Temperatura derecha pared de cámara

Tabla 4. Condensación por película.

Variables a medir MedidaFlujo de agua de enfriamientoVolumen de condensadoTiempo para descarga del condensado s

Temperatura de entrada del agua

Temperatura media de la pared

Temperatura de salida del agua

Temperatura izquierda pared de cámara

Temperatura derecha pared de cámara

6. CARACTERISTICAS A OBTENER

a. Hacer un balance termico para obtener el calor cedido por el vapor para su

condensacion y el calor ganado por el agua de enfriamiento.

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luego las perdidas seran:

El valor hallado se debe comparar con los valores teoricos hallamos en el capitulo III

(diseño termico)

b. Obtenga los coeficientes de pelicula practicos interior hi y exterior he.(ecuaciones

10.2 y 10.4): Dibuje en papel logaritmico las curvas caracteristicas de hi y he en

funcion de el numero de reynolds.

c. Mediante las formulas empiricas descritas en el numeral 10.2.4., obtenga los

coeficientes de pelicula teoricos interior hi y exterior he, y comparelos con los

practicos o experimentales . dibuje en papel logaritmico los valores de hi y he en

funcion del numero de Reynolds.

d. determinar el coeficiente total de transferencia de calor U teorico y practico , si:

Delta T: diferencia media de temperatura entre el valor y el agua.

Delta T =T12 –T17 para la camara horizontal.

Delta T =T14 –T9 para la camara vertical.

A: area exterior del tubo =De.L

Q:calor cedido por el vapor.

Ri: , Re: resistencia termica, interior y exterior respectivamente.

7. CUESTIONARIO

1. ¿En cuál de los dos medios analizados es más eficiente la transmisión de calor?

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2. Describa las diferencias entre los tubos del sistema de condensación.

3. En el interior de una turbina vapor, ¿es deseable la condensación?, justifique su

respuesta.

4. Que aplicaciones en ingeniería hacen uso de la condensación de tipo gota y cuáles del

tipo película.

5. ¿En cual de los medios analizados (gota o peicula ) es mas eficiente la transmicion del

calor ?.

6. Se debe tener en cuenta si se trabaja en la camara horizontal o vertical.

7. ¿ Cuál es la funcion directa del numero de Reynolds en cada una de las

condensaciones analizadas ?

8. Describir las diferencias entre los dos sistemas de condensacion (pelicula y goteo), y

la que exista si se utiliza la camara horizontal o vertical.

9. Que sucede con los coeficientes de transmision de calor en los tubos verticales

comparados con los hallados para los tubos horizontales.

10. ¿Que implica el comportamiento de las curvas?

BIBLIOGRAFIA

CHAPMAN, Alanj. Transmisión del calor. 3ª ed. Madrid: Librería Editorial Bellisco.

1990.

GOODING, Néstor. Manual de prácticas operaciones unitarias II. 1 ed. Universidad

Nacional de Colombia. 1998. 138p.

KERN, Donald. Procesos de transferencia de calor. 14 ed. Editorial continental. 1980.

KREITH, Franck. Principios de transferencia de calor. 1 ed. México. Herrera hermanos,

sucesores S.A, 1970.

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MILLS, Anthony F. Transferencia de calor. Mexico: McGraw-Hill/Irwin, 1999. 932p.

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