Practica 6 Bioingeniería Simples

8/20/2019 Practica 6 Bioingeniería Simples

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En la presente práctica se conoció el funcionamiento del intercambiador de tiposerpentín en arreglo de flujo paralelo y en contraflujo. Se realizaron cálculos sobrela transferencia de calor, permitiéndose analizar el coeficiente de transferenciaglobal de calor para ambos arreglos.

I'-./0+1123'

La transferencia de calor es un proceso que ocurre siempre que eiste ungradiente de temperaturas en un sistema o siempre que dos cuerpos condiferentes temperaturas se ponen en contacto !"engel, #$$%&.

Los intercambiadores de calor son dispositi'os que permiten la transferencia decalor de un fluido !líquido o gas& a otro por diferencia de temperatura. Entre lasprincipales razones por las que se utiliza un intercambiador de calor se

encuentran(

• "alentar un fluido frio mediante un fluido con mayor temperatura.• )educir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor

temperatura.• Lle'ar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor

temperatura.• "ondensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frio.• Lle'ar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido

gaseoso con mayor temperatura !*reit+-o+n, #$$&.

/ebido a la gran 'ariedad de procesos en el que se utilizan los equipos detransferencia de calor, los intercambiadores se pueden clasificar de acuerdo a sutipo de operación en(

• 0ntercambiadores de doble tubo• 0ntercambiadores de tipo e'aporati'o• 0ntercambiadores de placa• 0ntercambiadores de serpentín• 0ntercambiadores de espiral•

0ntercambiadores enfriadores por aire• 0ntercambiadores de coraza y tubos• 0ntercambiadores rotatorios

!0ncropera, 111&.

En la práctica, se realizaron los cálculos de transferencia de calor en unintercambiador tipo serpentín !2igura &, por el cual simplemente fluye agua deenfriamiento.

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F24+.5 "% I'-&.15,6250/. T2/ S&.&'-8' 9I'1./&.5 ";;;


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F24+.5 )% A..&4=/ &' 5.5=&=/ 9C&'4&= )((7<

3 el arreglo en contraflujo o en contracorriente es cuando los dos fluidos adiferente temperatura entran al intercambiador por etremos opuestos. 3a que elfluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el

etremo donde entra el 4uido con mayor temperatura, la temperatura del 4uídomás frío se aproimará a la temperatura del 4uido de entrada. Este tipo deintercambiador resulta ser más e5ciente ya que la temperatura del fluido calientedesciende de forma paralela a la forma en la cual la temperatura del fluido fríoaumenta, como se obser'a en la 2igura 6 !2ran7 8 /a'id, 111&.

F24+.5 $% A..&4=/ &' 1/'-.51/..2&'-& 9C&'4&= )((7<

O6>&-2?/*

9-:E;0E)?L

0dentificar los mecanismos básicos de transferencia de calor( la conducción, lacon'ección y la radiación, demostrando los conceptos a tra'és de la prácticaen el laboratorio permitiéndose colaborar en conjunto.

9-:E;0


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este. • ?nalizar la influencia del coeficiente de transferencia global de calor por

la disposición de flujo utilizando las correlaciones apropiadas permitiendo ladiscusión de los resultados obtenidos

D&*5../==/ E@&.2,&'-5=

MATERIALES E#UIPO

• @nidad de ?limentación AL$$• "ambiador de calor de tubos concéntricos AL$.• "omputadora con interfaz para el manejo del las unidades AL$$ y

AL$.• ?gua destilada

• -olsa de +ielo !?gua destilada&

METODOLOGÍA

5


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Comprobar el niveldel agua en el

depósito y llenarlade ser necesario

Encender interruptorprimario

Ajustar eltermostato a la

temperaturadeseada

Encendercalefacción y

esperar a que sealcance la

temperaturadeseada

Conectar elintercambiador

básico mediante lostubos segn sea

usada la corrienteparalela o inversa

Ajustar caudal deagua fr!a

Conectar bombaAjustar caudal de

agua caliente

Correr el soft"areeligiendo el tipo de

arreglo que seanecesario

#edir $ujos ytemperaturas y

registrarlas%

D&*1.2123' 0&= S2*-&,5

&


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F24+.5 % I'-&.15,6250/. T2/ S&.&'-8'

El cambiador de calor de doble camisa consta de un depósito rodeado por unacamisa. /entro del depósito se encuentra un serpentín. El agua caliente fluye atra'és de la doble camisa y transfiere de esta forma una parte de la energíatérmica al agua fría del depósito.

R&*+=-50/*

;abla . )esultados eperimentales

'


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M&02123' &' 5.5=&=/

"orriente 2ría "orriente caliente

'olumen!L& tiempo!s& 2'!m6BS& lBs


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/onde m es el flujo másico y se puede obtener como(

En tablas de 'apor el 'alor el "pH C%1 :B7gIs y la densidad 11#. *gBm6.

• 8ara fluido frío !corrida &.

En tablas de 'apor el "pH CG. :B7gIs y la densidad 11.DD *gBm6.

ḿ= V́ ρ

ḿ=(0.000053 m3s )(996.55 Kg

m3 )

ḿ=0.0528 kg /s

• 8ara fluido frío !corrida #&.

En tablas de 'apor el "pH CG.6C :B7gIsy la densidad 11%.% *gBm6.

ḿ= V́ ρ

ḿ=(0.000053m 3s )(997.67 Kgm3 )

ḿ=0.0528 kg /s

;abla 6. )esultados teóricos de calor cedido

C/..205 T 9K< F=+>/ 0& 15=/. 15=2&'-&9KJ*<

T1 9K< F=+>/ 0& 15=/. .2/ 9KJ*<

" F C. F 6.D6## $.D $.$6G) F D. F C.C#C# D. .#D1D

)% C5=1+=5 =5 LMTD 5.5 &= 2'-&.15,6250/. 0& 15=/. +-2=25'0/ =5 *24+2&'-&&1+5123'

)


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;abla C. LJ;/

E@&.2,&'-/ T" °C T) °C TML °C" %. 6.D D.##1) #6.% 6.6 G.$$#

$% D&-&.,2'5 &= 1/&212&'-& 0& -.5'*&.&'125 4=/65=

"oeficiente global de transferencia de calor ? partir de los datos calculados, seobtiene el coeficiente de transferencia global, utilizando la ley de enfriamiento de>eKton( H

/ónde(

@H "oeficiente global de transferencia de calor

?S H área total del intercambiador térmico

H ;emperatura media logarítmica

8or lo tanto del manual de =untamburg , tenemos que Mrea de trasferencia decalor es igual a D$$cm#

1m¿2

¿100cm¿2

¿¿¿

A=500c m2=¿

A=π D

2

4

*+


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D=√4 A

π =0.05641m

"alculamos la 'elocidad

V =fv / A

V =(0.00020916m3/s)/( 0.05m2)=0.0041832m/s

NH$.$$$GD 7gBmIs

8rH C.D

*H $.#% ABmIO"

ℜ= ρDV

μ =

(992.1 Kg/m3)(0.05641m)(0.0041832m /s)

0.6856 x 10−3 Kg /ms

=341.49

"alculamos el >usselt

4.62¿0.3=3.8558337.16 ¿0.8¿

Nu=0.023 Re0.8 P r0.3=0.023¿

Nu=hL

k

/espejando el coeficiente de con'ección

h= NuK L

=(4.4653)(0.628W /m° k )0.4m

=6.04W /m2 K

Se realizó el mismo proceso para el fluido frio y los resultados se muestran en lasiguiente tabla.

;abla D. "oeficientes de con'ección

**


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"aliente 2rio

corrida / 0& 15=/. ./,&02/ &* 0& "%

C/'-.5=+>/

M&02123' 5 1/'-.5 =+>/

;abla %. 2lujo de entrada en LBs y temperaturas de entrada y salida para los fluidos

caliente y frio

1/..205 ,9=*< T&'-.505°C T*5=205°C

,19=*< T1&'-.505

T* 0&*5=205

" $.#$1DG6G CD. 61.1 $.$D66G1 G.6 #.%) $.#$1DG6G CD.C C$.G $.$D66G1 G.6 #%.D

*2


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"% C5=1+=/ 0& 15=/. -.5'*&.20/ / 1&020/Hṁ

"omo los flujos másicos ya fueron obtenidos en el cálculo para flujo en

paralelo. Entonces se muestra la siguiente tabla con los resultados;abla G. )esultados teóricos de calor cedido

C/..205 T 9K< F=+>/ 0& 15=/. 15=2&'-&9KJ*<

T1 9K< F=+>/ 0& 15=/. .2/ 9KJ*<

" F D.# FC.DCD G.C .G) F C. F6.116 G.# .G

)%C5=1+=5 =5 LMTD 5.5 &= 2'-&.15,6250/. 0& 15=/. +-2=25'0/ =5 *24+2&'-&&1+5123'

;abla 1. LJ;/E@&.2,&'-/ T" °C T) °C TML °C" #.G 6.# 1.#$C$) #%. 6.6 1.6GG#

$% C/&212&'-& 4=/65= 0& -.5'*&.&'125 0& 15=/.

? partir de los datos calculados, se obtiene el coeficiente de transferencia global,utilizando la ley de enfriamiento de >eKton, los resultados se muestran en la tabla

1.

H

C/..2&'-& 15=2&'-& 1/..205 "

Mrea de trasferencia de calor es la misma que se calculó en flujo en paralelo por lotanto

*3


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1m¿2

¿100cm¿2

¿¿¿

A=500c m2

=¿

A=π D

2

4

D=√4 A

π =0.05641m

"alculamos la 'elocidad

V =fv / A

V =(0.00020916m3/s)/(0.05m2)=0.0041832m /s

"alculando el )eynolds con las propiedades de C$FCDO"

ℜ= ρDV

μ =

(991.05 Kg/m3)(0.05641m)(0.0041832m /s)

0.6245 x 10−3 Kg/ms

=374.47

"alculamos el >usselt

4.115¿0.3=4.02506374.47 ¿0.8¿

Nu=0.023

Re

0.8

P r

0.3

=0.023

¿

Nu=hL

k

/espejando el coeficiente de con'ección

*4


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h= NuK

L =

(4.02506)(0.634W /m°k )0.4m

=6.3797W /m2 K

Se realizó el mismo proceso para el fluido frio y los resultados se muestran en lasiguiente tabla.

;abla $. "oeficientes de con'ección

"aliente 2rio

corrida

/ 0& 15=/. ./,&02/ &* 0& "%)77$"

D2*1+*23' 0& =/* R&*+=-50/*

*5


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@n intercambiador de calor es un dispositi'o en el que se intercambia energíaentre fluidos, cuando se mezclan dos fluidos que están a distinta temperatura seproduce un intercambio de calor y esta mezcla alcanzan un equilibrio, en el casode un intercambiados se consigue el mismo efecto sin embargo los fluidos no semezclan !*reit+ et al, #$#&.

8aralelo

2lujo paralelo está en contacto térmico la superficie de un tubo que contiene elfluido caliente, con el fluido que tiene menor temperatura. ?l circular los fluidoscomienza la transferencia calorífica como se muestra en la tabla #, la corrientecaliente cede temperatura a la corriente fría, en las dos corridas el fluido calientedisminuye su temperatura y el fluido con menos temperatura aumenta sutemperaturaP lo cual disminuye la diferencia de temperatura !0ncropera, 111&.

En el caso de tener un área de contacto mayor el comportamiento esperado entrelas dos corrientes se deberían aproimar entre si asintóticamente.

F24+.5 ! I'-&.15,6250/. 0& 15=/. 0& =+>/ 5.5=&=/ 1/,/.-5,2&'-/5*2'-3-21/%

2lujo contracorriente

Se pone en contacto la superficie más caliente del fluido caliente con el fluido fríocon mayor temperatura, por lo que se tiene una diferencia de temperatura másconstante entre los fluidos a lo largo del intercambiador, de esta manera como semuestra en la tabla %, la temperatura del fluido frío aumenta su temperatura!Jadrid, 11&.

*&


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F24+.5 % I'-&.15,6250/. 0& 15=/. &' 1/'-.5=+>/ 1/,/.-5,2&'-/

?l comparar las temperaturas de salida del fluido frío en los dos intercambiadoresse tiene que la temperatura de salida del fluido frío en el flujo contracorriente esmayor a la temperatura de salida del fluido frío en el flujo paralelo, de esta maneraal obtener una ele'ación de temperatura en el flujo contracorriente se debe detener una mayor transferencia de calorP sin embargo, el calor de transferencia en

paralelo es mayor !.C A& que en contraflujo !.#%%6 A&.El cálculo de la media logarítmica sir'e para tener un menor margen de error,debido a que a lo largo del sistema +ay 'ariación de temperatura y está perdida noes lineal se calcula una temperatura media !"engel, #$$%&.

El intercambio de energía depende de manera proporcional a la diferencia detemperatura, y a la superficie de intercambio de calor, las temperaturas de entraday de salida de cada fluido pudo +aber afectado al coeficiente global de calor yaque en el caso de flujo paralelo el coeficiente global de calor es mayor, por lo quede esta manera influye directamente en el calor de transferencia de calor !Jéndezet al, #$$G&.

C/'1=+*23'

La transferencia de calor se terminó mediante el mecanismo de con'ección, asícomo la identificación de cada uno de los componentes del intercambiador decalor, se obtiene que el coeficiente global en el intercambiador de doble tubo paralos flujos en paralelo y en contra flujo es diferente, ya que este 'alor dependedirectamente de las temperaturas de los fluidos caliente y frío de salida en elintercambiador.

C+&*-2/'5.2/

*'


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"% I0&'-2215 0&*1.26& =5* 5.-&* .2'125=&* 0&= 2'-&.15,6250/. 0& 0/6=&15,2*5 +-2=250/ &' =5 .1-215

0ntercambiador de calor de doble camisa, con calentamiento por serpentín

F24+.5 7% I'-&.15,6250/. 0& 15=/. -2/ S&.&'-8'

El cambiador de calor de doble camisa consta de un depósito rodeado por unacamisa. /entro del depósito se encuentra un serpentín. En el modo de operación

calentar con la doble camisa, el agua caliente fluye a tra'és de la doble camisa ytransfiere de esta forma una parte de la energía térmica al agua fría del depósito.En el modo de operación calentar con el serpentín, el agua caliente fluye a tra'ésdel serpentín y calienta de este modo el agua fría dentro del depósito.En la siguiente figura se muestra el esquema del calentador por camisa y por serpentín.

*(


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F24+.5 % 5< C5=&'-5,2&'-/ ,&025'-& =5 15,2*5 6< C5=&'-5,2&'-/ ,&025'-& &=*&.&'-8'

S&'*/.&* 0& -&,&.5-+.5: son aplicados para la super'isión de la temperaturadurante el proceso ya que su principal función es medir la temperatura del aire o latemperatura superficial de líquidos en el intercambiador.

E'-.505*S5=205*: dispositi'os donde se conectan las tuberías correspondientes

que 'an desde la unidad de alimentación al intercambiador de calor con un flujocontrolado de agua calienteBfría.

A42-50/.&*: son utilizados para un mejor mezclado del contenido del depósito yuna distribución +omogénea de la temperatura.

)% A'5=21& 02*1+-5 &= ?5=/. 0& U &' +'123' 0& LMTD -5'-/ &' 5.5=&=/1/,/ &' 1/'-.51/..2&'-&

La diferencia media de temperatura logarítmica sir'e para proporcionar la relaciónque se da del cambio de temperatura entre los estados a la entrada y la salida.

Las temperaturas que se utilicen para calcularla LJ;/ serán diferentes deacuerdo al arreglo de flujos !contracorriente y paralelo&.

El coeficiente global de transferencia de calor dependerá de cómo se encuentrearreglado el flujo, para el arreglo en paralelo se obtu'o un H .DDD menor que el en arreglo en contracorriente con un H1.#1 por lo cual sepuede decir que +abrá un coeficiente global de transferencia de calor mayor en elflujo en paralelo y un coeficiente global de transferencia de calor menor en flujo en

*)

a, Calentar por la camisa- * camisa. 2 agitador

b, Calentar por serpent!n- 3 serpent!n. rojo- agua caliente. a/ul-


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contracorriente, esto es debido a que la cantidad de @ es in'ersamenteproporcional al . Esto se confirma al obser'ar los resultados ya que para el

arreglo en paralelo U"%; W /m2 K mientras que para el arreglo en contraflujo

es U "%$) W /m2 K

$% D&-&.,2'& -&3.215,&'-& /. 1/..&=512/'&* =/* 1/&212&'-&*

2'02?20+5=&* 0& -.5'*&.&'125 0& 15=/. hi h 5.5 15=1+=5. +'5

5./@2,5123' 0&= 1/&212&'-& 0& -.5'*&.&'125 4=/65=%

Los coeficientes de transferencia de calor y coeficiente de transferencia global seencuentran en la parte de resultados.

% C+= 0& =/* 1/&212&'-&* 2'02?20+5=&* 0& -.5'*&.&'125 0& 15=/. 0/,2'5 &= 1/&212&'-& 0& -.5'*&.&'125 0& 15=/. 4=/65=

Si se parte de la condición en donde la resistencia del tubo es pequeQa encomparación con la suma de las resistencias con'ecti'as B+ i y B+o, podrápensarse que la cantidad de calor que podrá intercambiarse estará fuertementedeterminado por la magnitud que alguno de los dos coeficientes indi'idualespresente en un determinado momento dado de operación del cambiador de calor.Si un coeficiente indi'idual es pequeQo y el otro muy grande, el coeficiente menor proporcionará la mayor resistencia y el coeficiente total de transferencia de calor en el equipo será muy cercano al reciproco de la resistencia mayor."uando eiste una diferencia entre +i y +o el que tome un 'alor menor, será elcoeficiente 0ndi'idual controlante./e acuerdo a lo anterior se tiene que en el fluido a contracorriente, domina el + i yen el fluido en paralelo domina el +$ ya que es inferior, estos 'alores son los quedeterminan la cantidad de calor que se intercambia en el intercambiador de calor.

!% A'5=25. *2 *& 1+,=& &= 65=5'1& 0& 15=/. 0& =5 E1%9< &= &&1-/ &' U

La ecuación balanceada que permite cuantificar el calor de un intercambiador es H , esta ecuación permitió, mediante datos eperimentales de ; y flujos,obtener el 'alor del coeficiente de transferencia de calor, que se encuentraprincipalmente en función de la , la cual depende del tipo de arregloanalizado, ya sea en contraflujo o en flujo paralelo. El mayor 'alor de @ sedeterminó en el arreglo en flujo paralelo y este 'alor afecta directamente lacantidad de calor de un intercambiador.

% D2*1+-5 +& *24'2215 &= 51-/. 0& 2'1.+*-5123' 1/,/ 5&1-5 &' &=.&'02,2&'-/ 0&= 2'-&.15,6250/. 0& 15=/.%

2+


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El factor de incrustación influye directamente en el coeficiente de transferencia decalor. La formación de depósitos de incrustación en intercambiadores de calor esla causa de reducción de eficiencia y capacidad del sistema de calentamiento. ?lincrementarse la energía necesaria para una operación, también se incrementan

los costos al paso de los aQos.

7% C+= &* =5 2,/.-5'125 0& 1/'/1&. &= 1/&212&'-& 4=/65= 0&-.5'*&.&'125 0& 15=/.

Es importante ya que este coeficiente global de transferencia de calor representatodos los mecanismos de con'ección de cada lado de la pared de los tubosconcéntricos. Este coeficiente cuantifica la potencia transferida por unidad desuperficie y por grado de diferencia de temperaturas, entre el eterior y el interior.

B26=2/4.585

0. *reit+, 2. J.S. -o+n !#$$&. 8rincipios de ;ransferencia de "alor. Setaedición, Jéico. Editorial ;+omson Learning.

00. 2ran7 8. 0ncropera /a'id 8. de Aitt !111&. 2undamentos de ;ransferenciade "alor. "uarta edición, Jéico. Editorial 8earson 8rentice all.

000. 3unus ? "engel !#$$%&. ;ransferencia de "alor, tercera edición, Jéico.

Editorial Jc =raK ill.

2*

Practica 6 Bioingeniería Simples

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