Manual de Flujo y Transferencia de Calor 2013

UNIVERSIDAD AUTNOMA DEL

ESTADO DE MXICO

FACULTAD DE QUMICA

LABORATORIO DE INGENIERA QUMICA

MANUAL DE PRCTICAS DE LABORATORIO DE FLUJO DE FLUIDOS Y TRANSFERENCIA DE CALOR

ELABORADO POR: M en C. JUAN ANTONIO ARZATE SALGADO Dra. RUBI ROMERO ROMERO M. en I. SANDRA LUZ MARTNEZ VARGAS

Fecha: Marzo 2013

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NDICE

CONTENIDO PAGINA

Introduccin

3

Reglamento para el uso del equipo del Laboratorio de Ingeniera Qumica

4

Prctica No. 1. Elaboracin de los diagramas del equipo de flujo de fluidos y

transferencia de calor del laboratorio de Ingeniera Qumica

5

Prctica No. 2. Determinacin del coeficiente de friccin en tuberas lisas 7

Prctica No. 3. Determinacin del coeficiente de friccin en tuberas rugosas 11

Prctica No. 4. Determinacin del coeficiente de resistencia en accesorios

15

Prctica No. 5. Determinacin del coeficiente de resistencia en vlvulas 18

Prctica No. 6. Determinacin de la cada de presin en medidores de flujo

21

Prctica No. 7 Determinacin de eficiencia de bombas

24

Prctica No. 8 Determinacin de eficiencia de bombas en serie y paralelo 31

Prctica No. 9 Flujo en canales abiertos

34

Prctica No.10 Determinacin de la perdida de calor en tubos aislados 37

Prctica No.11 Comparacin de la diferencia de temperaturas media logartmicas

en un arreglo en contracorriente y en un arreglo en paralelo con un sistema

vapor-agua

41

Prctica No. 12 Determinacin del coeficiente global de transferencia de calor y

factor de obstruccin en un intercambiador de calor de tubos concntricos

45

Prctica No. 13 Determinacin de la correlacin matemtica que describa el

coeficiente convectivo de transferencia de calor del intercambiador de tubos

concntricos para el sistema de agua caliente-agua fra

49

Prctica No. 14 Clculo del coeficiente de transferencia de calor sin cambio de

fase en un intercambiador de calor de tubo y coraza

53

Prctica No. 15. Clculo del coeficiente de transferencia de calor con cambio de

fase en un intercambiador de calor de tubo y coraza

57

Prctica No. 16. Clculo de la conduccin trmica (axial y radial) en slidos 61

Prctica No. 17. Proyecto: Clculo del coeficiente conductivo de un slido 64

Prctica No. 18. Construccin de carta psicromtrica 68

Prctica No. 19 Secado de una muestra en secador rotatorio 70

BIBLIOGRAFIA 73

3

INTRODUCCIN

El Programa Educativo de Ingeniero Qumico 2003, establece un modelo educativo basado en competencias y bajo un sistema de crditos, con lo que se pretende:

propiciar el aprendizaje efectivo y continuo de los estudiantes propiciar el trabajo en equipo, la formacin de los estudiantes con iniciativa

y el desarrollo de habilidades

fomentar el desarrollo de la creatividad fomentar el cuidado en el medio ambiente, entre otros.

Mediante la integracin de los conocimientos (saber), habilidades (saber-hacer) y actitudes (saber-ser) para asegurar la calidad en la formacin profesional de los egresados. El trabajo en el laboratorio permite fortalecer el desarrollo de las competencias. La estructura curricular del programa educativo se concibe con base en tres ncleos de formacin:

Ncleo bsico. Comprende la formacin elemental y general. Ncleo sustantivo. En este se completan los conocimientos que permiten el

anlisis y aplicacin del conocimiento especfico de carcter unidisciplinario, proporciona los elementos que refuerzan y le dan identidad a la profesin; y promueven en el estudiante los elementos tericos, metodolgicos, tcnicos e instrumentales propios de la profesin. En este ncleo se encuentra ubicado el Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor.

Ncleo Integral. Este proporciona una visin integradora-aplicativa de carcter interdisciplinario y transdisciplinario.

Los laboratorios integrados se conciben para la integracin del conocimiento de ms de una unidad de aprendizaje en la parte experimental; buscando con esto la realizacin de proyectos integrados que acerquen al estudiante a la resolucin de problemas de su mbito profesional. El propsito de esta unidad de aprendizaje es que los estudiantes del Programa Educativo de Ingeniero Qumico mediante trabajo individual y en equipo sern capaces de desarrollar el proceso cientfico al relacionar los conocimientos tericos con los experimentos realizados en el laboratorio. Entre las actividades que se llevarn a cabo sern identificar y clasificar los accesorios del equipo de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor y una vez familiarizados con stos poder determinar, balances de materia y energa, cadas de presin, coeficientes de transferencia de calor, factor de obstruccin, con una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

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REGLAMENTO PARA EL USO DEL EQUIPO DEL LABORATORIO DE INGENIERA QUMICA

1. Llegar a la hora que marca el horario de laboratorio.

2. Haber ledo con anticipacin el protocolo de prctica.

3. Antes de iniciar la prctica leer el manual de operacin del equipo a emplear

4. Usar bata.

5. Usar guantes de carnaza cuando se operen las lneas de vapor.

6. Usar guantes de carnaza para operar los equipos operados a alta temperatura.

7. No calzar tenis, mujeres sin zapatillas

8.- No dejar mochilas ni portafolios en los equipos de operacin, en pasillos o corredores

5

PRCTICA No. 1

ELABORACIN DE LOS DIAGRAMAS DEL EQUIPO DE FLUJO DE FLUIDOS Y TRANSFERENCIA DE CALOR DE LABORATORIO DE INGENIERA

QUMICA

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los equipos y accesorios del equipo de laboratorio de flujo de fluidos y transferencia de calor, para elaborar sus diagramas; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: Para el ingeniero qumico es importante poder usar el balance de materia y energa y el diagrama de flujo en la resolucin de problemas de diseo y operacin, ya que ayudan a visualizar problemas de una manera rpida y directa. Bosquejar un diagrama de flujo es una herramienta eficaz para el ingeniero, para transmitir informacin sobre el proceso a las diferentes reas de la planta. Principalmente se trabaja con tres tipos de diagramas esquemticos: diagrama de bloques, diagrama de flujo de procesos y diagrama grfico de flujo. PROPSITOS:

1. Conocer el equipo existente para la realizacin de las prcticas de Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor

2. Elaborar los diagramas del equipo de tuberas para Flujo de Fluidos y del equipo de Bombas, que permitan la utilizacin de la simbologa adecuada

3. Elaborar los diagramas del equipo del equipo de aislante trmico, del equipo de intercambiadores de calor de tubos concntricos, del equipo de intercambiadores de calor de coraza y tubos, de la caldera y del equipo de conduccin trmica, que permitan la utilizacin de la simbologa adecuada

4. Elaborar los diagramas que se utilizarn en los reportes siguientes de las prcticas de Laboratorio.

6

DIAGRAMAS: Realizar los diagramas de los equipos que se mencionan en el punto anterior CONCLUSIONES BIBLIOGRAFA

7

PRCTICA No. 2

DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE FRICCIN EN TUBERAS LISAS PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de tuberas, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular el factor de friccin de cada lnea; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: En la industria qumica cualquier fluido se transporta por tuberas durante su produccin, transporte o utilizacin; entre los fluidos ms comunes estn el petrleo, agua, gases, cidos y destilados. Las tuberas de seccin circular son las ms frecuentes, ya que esta forma ofrece mayor resistencia estructural y mayor seccin transversal para el mismo permetro exterior que cualquier otra forma. El flujo de los fluidos en tuberas est siempre acompaado de rozamiento de las partculas del fluido entre s (friccin) y, por la prdida de energa disponible; es decir, existe una prdida de presin en el sentido del flujo. La ecuacin general de la prdida de presin, conocida como la frmula de Darcy, es vlida tanto para flujo laminar como turbulento de cualquier lquido en una tubera. El factor de friccin debe ser determinado experimentalmente, este factor para condiciones de flujo laminar solo es funcin del nmero de Reynolds; mientras que para el flujo turbulento es tambin funcin del tipo de pared de la tubera (lisa o rugosa). Para paredes lisas el factor de friccin disminuye ms rpidamente con el aumento del nmero de Reynolds, que para tuberas con paredes ms rugosas; la rugosidad de las paredes tiene mayor efecto en el factor de friccin para dimetros pequeos. Las prdidas de presin en un sistema de tuberas lisas se debe a varias caractersticas del sistema, que pueden clasificarse como sigue: 1) rozamiento en las paredes de la tubera, que es funcin de la rugosidad de la superficie interior de la misma, del dimetro interior de la tubera y de la velocidad, densidad y viscosidad del fluido, 2) obstrucciones en el paso del flujo, 3) cambios repentinos o graduales en la superficie y contorno del paso del flujo, 4) cambios de direccin del flujo.

8

PROPSITOS:

1. Reconocer la relacin que se da entre las unidades de aprendizaje de Flujo de Fluidos y Fenmenos de Transporte

2. Conocer la operacin del equipo de flujo de fluidos 3. Observar de manera practica la cada de presin en tuberas lisas de

diferente dimetro, originada por la friccin de los fluidos 4. Determinar la relacin existente entre las cadas de presin y la velocidad

del flujo de agua en tuberas lisas en rgimen turbulento 5. Obtener el valor del coeficiente de friccin a partir de los datos

experimentales obtenidos para la tubera correspondiente 6. Comparar los valores del coeficiente de friccin obtenidos

experimentalmente con los reportados en la bibliografa 7. Determinar la cada de presin en el programa de simulacin ASPEN de las

tuberas y comparar con los valores experimentales obtenidos en la prctica MATERIAL:

1. Cronmetro 2. Probeta de 1 litro 3. Termmetro 4. Pizeta

METODOLOGA:

1. Preparar el equipo de tuberas de Flujo de Fluidos para iniciar la operacin* 2. Tomar de 5 a 10 lecturas de cada de presin para cada tramo recto de 3

metros de longitud para las diferentes tuberas de PVC del equipo 3. Al trmino de la toma de lecturas, apagar y limpiar el equipo

9

EQUIPO.

Equipo de Flujo de fluidos

Nmero Tubera

1 Tubera PVC 2 Tubera PVC 1 3 Tubera negra 4 Tubera de Acero galvanizado 5 Tubera de Acero galvanizado 3/4 6 Tubera de Acero galvanizado 1 7 Medidor de cada de presin

8 Tina de recirculacin

9 Vlvula de purga del sistema

*Ver manual de Operacin. DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en la siguiente tabla:

Tubera Corrida (No de vueltas

en vlvula)

Volumen (L) Tiempo (s) Cada de presin (mmHg)

10

CLCULOS:

1. Calcular el flujo volumtrico 2. Calcular la velocidad 3. Calcular el Nmero de Reynolds 4. Calcular el factor de friccin 5. Elaborar una grfica de cada de presin contra velocidad 6. Elaborar una grfica de factor de friccin contra velocidad 7. Elaborar una grfica de factor de friccin contra Nmero de Reynolds

ANALISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFA

11

PRCTICA No. 3

DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE FRICCIN EN TUBERAS RUGOSAS

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de tuberas, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular el factor de friccin de cada lnea; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: En la industria qumica cualquier fluido se transporta por tuberas durante su produccin, transporte o utilizacin; entre los fluidos ms comunes estn el petrleo, agua, gases, cidos y destilados. Las tuberas de seccin circular son las ms frecuentes, ya que esta forma ofrece mayor resistencia estructural y mayor seccin transversal para el mismo permetro exterior que cualquier otra forma. El flujo de los fluidos en tuberas est siempre acompaado de rozamiento de las partculas del fluido entre s (friccin) y, por la prdida de energa disponible; es decir, existe una prdida de presin en el sentido del flujo. La ecuacin general de la prdida de presin, conocida como la frmula de Darcy, es vlida tanto para flujo laminar como turbulento de cualquier lquido en una tubera. El factor de friccin debe ser determinado experimentalmente, este factor para condiciones de flujo laminar solo es funcin del nmero de Reynolds; mientras que para el flujo turbulento es tambin funcin del tipo de pared de la tubera (lisa o rugosa). Para paredes lisas el factor de friccin disminuye ms rpidamente con el aumento del nmero de Reynolds, que para tuberas con paredes ms rugosas; la rugosidad de las paredes tiene mayor efecto en el factor de friccin para dimetros pequeos. Las prdidas de presin en un sistema de tuberas rugosas se debe a varias caractersticas del sistema, que pueden clasificarse como sigue: 1) rozamiento en las paredes de la tubera, que es funcin de la rugosidad de la superficie interior de la misma, del dimetro interior de la tubera y de la velocidad, densidad y viscosidad del fluido, 2) obstrucciones en el paso del flujo, 3) cambios repentinos o graduales en la superficie y contorno del paso del flujo, 4) cambios de direccin del flujo.

12

PROPSITOS:


2. Conocer la operacin del equipo de flujo de fluidos 3. Observar de manera practica la cada de presin en tuberas rugosas de

diferente dimetro, originada por la friccin de los fluidos 4. Determinar la relacin existente entre las cadas de presin y la velocidad

del flujo de agua en tuberas rugosas en rgimen turbulento 5. Obtener el valor del coeficiente de friccin a partir de los datos

experimentales obtenidos para la tubera correspondiente 6. Comparar los valores del coeficiente de friccin obtenidos

experimentalmente con los reportados en la bibliografa 7. Determinar la cada de presin en el programa de simulacin ASPEN de las

tuberas y comparar con los valores experimentales obtenidos en la prctica

MATERIAL:

1. Cronmetro 2. Probeta de 1 litro 3. Termmetro 4. Pizeta

METODOLOGA: 1. Prepara el equipo de tuberas de Flujo De Fluidos para iniciar operacin* 2. Tomar e 10 a 15 lecturas de cada de presin para el tramo e 3 metros de

longitud para las tuberas: - Tubera negra de 3/8 de pulgada - Tubera ac. galvanizado de 1/2 pulgada - Tubera ac galvanizado de 3/4 pulgada - Tubera ac galvanizado de 1 pulgada - Tubera de cobre rgido de 3/8 pulgada

3. Al trmino de la toma de las lecturas, pagar y limpiar el equipo* EQUIPO.

13

Equipo de Flujo de fluidos

*Ver manual de operacin DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en la siguiente tabla:

Tubera Corrida Volumen (L) Tiempo (s) Cada de presin (mmHg)

CLCULOS:

1. Calcular el flujo volumtrico 2. Calcular la velocidad 3. Calcular el Nmero de Reynolds 4. Calcular el factor de friccin

14

5. Elaborar una grfica de cada de presin contra velocidad 6. Elaborar una grfica de factor de friccin contra velocidad 7. Elaborar una grfica de factor de friccin contra Nmero de Reynolds

ANLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFA

15

PRCTICA No. 4

DETERMINACIN DEL COFICIENTE DE RESISTENCIA EN ACCESORIOS

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de tuberas y accesorios, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular los coeficientes de resistencia de los diferentes accesorios, tales como codos, expansiones, reducciones, entre otros; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: Las instalaciones industriales, en su mayor parte estn constituidas por vlvulas y accesorios, por lo que es necesario que el ingeniero qumico conozca y maneje informacin sobre la resistencia al flujo en vlvulas y accesorios, para disear y/u operar un sistema de tuberas completo. Los acoplamientos o accesorios para conexin se clasifican en: de derivacin, reduccin, ampliacin y desviacin. Los accesorios como tes, creces, codos con salida lateral, etc., pueden agruparse como accesorios de derivacin. Los conectores de reduccin o ampliacin son aquellos que cambian la superficie de paso del fluido reducciones-; los accesorios de desvo curvas, codos, curvas en U- son los que cambian la direccin de flujo. Cuando un fluido se desplaza uniformemente por una tubera recta, larga y de dimetro constante, la configuracin del flujo indicada por la distribucin de la velocidad sobre el dimetro de la tubera adopta una forma caracterstica; cualquier obstculo en la tubera cambia la direccin de la corriente en forma total o parcial, altera la configuracin caracterstica del flujo y ocasiona turbulencia, causando una prdida de energa mayor de la que normalmente se produce en un flujo por una tubera recta. Ya que los accesorios en una lnea de tuberas alteran la configuracin de flujo, producen una prdida de presin adicional. La prdida de presin total producida por un accesorio consiste en: 1) la prdida de presin dentro del accesorio, 2) la prdida de presin en la tubera de entrada es mayor de la que se produce normalmente si no existe un accesorio en la lnea, este efecto es pequeo, 3) la prdida de presin en la tubera de salida es superior a la que se produce normalmente si no hubiera un accesorio en la lnea, este efecto puede ser muy grande.

16

Desde un punto de vista experimental es difcil medir las tres cadas por separado, sin embargo, su efecto combinado puede evaluarse mediante mtodos conocidos. PROPSITOS: 1. Reconocer la relacin que se da entre las unidades de aprendizaje de Flujo de

Fluidos y Fenmenos de Transporte 2. Conocer la operacin del equipo de flujo de fluidos 3. Observar prcticamente el efecto de los cambios de direccin y/o cambios de

dimetro en las tuberas, sobre la cada de presin que experimenta el fluido. 4. Obtener los valores de los coeficientes de resistencia K para los accesorios con

que cuenta el equipo de Flujo de Fluidos del Laboratorio de Ingeniera Qumica. 5. Comparar los valores de K obtenidos experimentalmente con los valores

reportados en la bibliografa. 6. Comparar las cadas de presin con el programa de simulacin ASPEN de los

diferentes accesorios con los valores experimentales obtenidos en la prctica MATERIAL:

1. Cronmetro 2. Probeta de 1 litro 3. Termmetro

METODOLOGA: 1. Prepara el equipo de tuberas de Flujo e Fluidos para iniciar operacin* 2. Tomar e 10 a 15 lecturas de cada de presin manejando el fluido en flujos

turbulentos, haciendo pasar el fluido a travs de los siguientes accesorios - Codo de 90 - Codo de 45 - T lineal y T lateral - Y lineal y Y lateral - Expansin - Reduccin

3. Al trmino de la toma de las lecturas, apagar y limpiar el equipo* EQUIPO.

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Equipo de flujo de fluidos

*Ver el manual de operacin DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en las siguientes tablas: ACCESORIO:

Corrida Volumen (L) Tiempo (s) Cada de presin (mmHg)

CLCULOS: 1. Calcular el flujo volumtrico 2. Calcular la velocidad 3. Calcular el Nmero de Reynolds 4. Calcular el factor de friccin para accesorios 5. Elaborar una grafica de velocidad contra cada de presin para cada

accesorio ANLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFA

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PRCTICA No. 5

DETERMINACIN DE LOS COEFICIENTES DE RESISTENCIA EN VLVULAS

PROPSITO GENERAL:

El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de tuberas y accesorios, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular los coeficientes de resistencia en diferentes vlvulas; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: Las instalaciones industriales, en su mayor parte estn constituidas por vlvulas y accesorios, por lo que es necesario que el ingeniero qumico conozca y maneje informacin sobre la resistencia al flujo en vlvulas y accesorios, para disear y/u operar un sistema de tuberas completo. La variedad en diseos de vlvulas dificulta una clasificacin completa. Generalmente, se clasifican segn su resistencia que ofrecen al flujo, las que presentan un paso directo de compuerta, de bola, macho y de mariposa-; y de acuerdo al cambio de direccin del flujo de globo y angulares-. Cuando un fluido se desplaza uniformemente por una tubera recta, larga y de dimetro constante, la configuracin del flujo indicada por la distribucin de la velocidad sobre el dimetro de la tubera adopta una forma caracterstica; cualquier obstculo en la tubera cambia la direccin de la corriente en forma total o parcial, altera la configuracin caracterstica del flujo y ocasiona turbulencia, causando una prdida de energa mayor de la que normalmente se produce en un flujo por una tubera recta. Ya que las vlvulas en una lnea de tuberas alteran la configuracin de flujo, producen una prdida de presin adicional. La prdida de presin total producida por una vlvula consiste en: 1) la prdida de presin dentro de la vlvula o accesorio, 2) la prdida de presin en la tubera de entrada es mayor de la que se produce normalmente si no existe vlvula en la lnea, este efecto es pequeo, 3) la prdida de presin en la tubera de salida es superior a la que se produce normalmente si no hubiera vlvula en la lnea, este efecto puede ser muy grande.

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Desde un punto de vista experimental es difcil medir las tres cadas por separado, sin embargo, su efecto combinado puede evaluarse mediante mtodos conocidos. PROPSITOS:


2. Conocer la operacin del equipo de flujo de fluidos 3. Observar de manera prctica el comportamiento de los valores de cada de

presin que sufre el fluido al pasar a travs de diferentes tipos de vlvulas. 4. Determinar el valor experimental del coeficiente K para cada tipo de vlvula

y a diferentes aberturas 5. Comparar los valores de K obtenidos experimentalmente con los reportados

en la bibliografa 6. Determinar las cadas de presin de las diferentes vlvulas en el programa

de simulacin ASPEN y comparar con las obtenidas durante la prctica

MATERIAL:


METODOLOGA: 1. Prepara el equipo de tuberas de Flujo e Fluidos para iniciar operacin* 2. Tomar datos de cada de presin en cada una de las siguientes vlvulas:

Vlvula de compuerta Vlvula de globo Vlvula de bola Vlvula de aguja

3. Variando la abertura en cada una de las vlvulas 4. Al trmino de la toma de las lecturas, apagar y limpiar el equipo* *Ver el manual de operacin EQUIPO.

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EQUIPO DE FLUJO DE FLUIDOS

DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en las siguientes tablas: VLVULA:

Corrida Abertura de la vlvula

Volumen ( L )

Tiempo ( s )

Cada de presin (mmHg)

CLCULOS: 1. Calcular el flujo volumtrico 2. Calcular la velocidad 3. Calcular el Nmero de Reynolds 4. Calcular el factor de friccin para accesorios 5. Elaborar una grafica de velocidad contra cada de presin para cada

accesorio 6. Elaborar una grafica de velocidad contra % de abertura de la vlvula 7. Elaborar una grafica de cada de presin contra % de abertura de la vlvula


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PRCTICA No. 6

CADA DE PRESIN EN MEDIDORES DE FLUJO PROPSITO GENERAL:

El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de tuberas y accesorios, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular las cadas de presin en los diferentes medidores de flujo; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: En un proceso industrial es importante poder medir y controlar la cantidad de material que entra y que sale en una etapa del proceso. Como muchos de los materiales estn en forma de fluidos, suelen fluir por tuberas o conductos, y para medir el flujo de fluidos se utilizan diferentes dispositivos, los ms sencillos son los que miden directamente el volumen de los fluidos, como los medidores ordinarios de gas y agua y las bombas de desplazamiento positivo. Los medidores actuales usan un elemento, como un propulsor o copas en un brazo rotatorio, que gira a una rapidez determinada por la velocidad del fluido que pasa por l. Para medir los fluidos se utilizan extensamente el tubo Pitot, el medidor venturi, el medidor de orificio y los vertederos de canal abierto. El Tubo Pitot se usa para medir la velocidad local en un punto dado en la corriente del flujo, y no la velocidad dentro de la tubera o conducto. Este dispositivo est formado por un tubo, el tubo de impacto, que tiene una abertura normal a la direccin del flujo, y el tubo esttico tiene su abertura paralela a la direccin del flujo. El medidor de orifico puede utilizarse en instalaciones comunes de las plantas de proceso, ya que no ocupa un espacio considerable y no es tan costoso; su desventaja es que la prdida de carga o potencia es mayor que en otros dispositivos como el Venturi.

22

PROPSITOS:


2. Conocer la operacin del equipo de flujo de fluidos 3. Determinar la cada de presin en placa de orificio y venturi 4. Comparar los resultados obtenidos con los reportados en la bibliografa 5. Evaluar comparativamente los dos tipos de medidores de flujo

MATERIAL:


METODOLOGA: 1. Prepara el equipo de tuberas de Flujo de Fluidos para iniciar la operacin* 2. Tomar datos de cada de presin en cada uno de los medidores de flujo:

Venturi Placa de orificio

3. Al trmino de la toma de lecturas, apagar y limpiar el equipo* *Ver manual de Operacin. MATERIAL:


EQUIPO

23

Equipo de flujo de fluidos

DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en las siguientes tablas: MEDIDOR:

Corrida Volumen ( L )

Tiempo ( s )

Cada de presin (mmHg)

CLCULOS:

1. Calcular el flujo volumtrico 2. Calcular la velocidad 3. Calcular el Nmero de Reynolds 4. Calcular el coeficiente de descarga 5. Elaborar una grfica de coeficiente de descarga contra Nmero de Reynolds 6. Elaborar una grfica de cada de presin contra Nmero de Reynolds


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PRCTICA No. 7

DETERMINACIN DE EFICIENCIA DE BOMBAS

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de bombas, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular la eficiencia de las bombas; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: El transporte de lquidos es de gran importancia en los procesos industriales, por lo que es necesario familiarizarse con el funcionamiento, seleccin, elementos constitutivos y problemas operativos de las bombas; as como con el conocimiento de los instrumentos de control, accesorios e instalaciones asociadas. En el diseo de un sistema de bombeo, deben considerarse muchos factores que determinarn la seleccin del equipo adecuado. Desde el punto de vista del proceso: la capacidad, la presin de descarga y de succin, la temperatura a la cual es necesario el bombeo. Desde el punto de vista del fluido a manejar: su presin de vapor, viscosidad, densidad y borrosidad. Desde el punto de vista de operacin: loa energa elctrica suministrada y desde el punto de vista mecnico es necesario determinar los materiales que se usarn en cada parte de la bomba, as como la conveniencia de utilizar succin o descarga radiales o tangenciales, etc. Todo esto debe tener una instalacin segura, confiable y econmica. Las bombas para las industrias de procesos qumicos difieren de las utilizadas en otras industrias principalmente en los materiales de que estn hechas; la mayora de las bombas de proceso en uso son centrfugas. Cuando la bomba se utiliza para transferencia o recirculacin, puede haber una posible acumulacin de productos de corrosin o contaminantes que reducirn su duracin til; por ello, esto se debe considerar en la evaluacin de las caractersticas del producto que se maneja. La clave para hacer la seleccin correcta de la bomba radica en el conocimiento del sistema en que trabajar la bomba; la eficiencia de la bomba un lugar relevante entre los factores que se deben considerar. Actualmente existen tablas reportadas en la bibliografa que incluyen factores como los mencionados anteriormente para

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la seleccin de una bomba, dicha seleccin se hace sobre la base de un porcentaje de eficiencia fijado. Ecuaciones: Utilizando el teorema de Bernoulli se puede realizar un balance de energa, y se determinan las ecuaciones de carga de succin y de descarga:

Carga de succin: zg

g

g

vPH

cc

ss

s 2

2

Carga de descarga: zg

g

g

vPH

cc

dd

d 2

2

La carga total ser: sdt HHH

)(2

1)( 22 sd

cc

sd

t vvg

zzg

gPPH

)11

(2

1)(

22

2

sdcc

sd

tAAg

Qzz

g

gPPH

Potencia. La potencia del motor se calcula mediante la ecuacin: Potencia de entrada (WI ) = Potencia de salida del motor (WM) - Perdidas por Transmisin (WL) WI = WM - WL = WM - 0.13410 (H.P) Las prdidas por transmisin incluye la energa absorbida debido a la friccin, aire atrapado, etc., y se puede suponer el valor de 0.10 kW para WL La potencia del motor (WM), se determina a partir del torque del motor y de la velocidad rotacional mediante la siguiente ecuacin: WM= T (lbf ft)

El torque, se puede calcula mediante T= Wpeso L = M L cg

g ( lbf ft)

y la velocidad rotacional ( ) por : = 60

2 N( rev/seg)

Entonces: WM = T = M L cg

g

60

2 N= Wpeso L

30

N

Como la longitud del brazo es de 0.25 m (0.8202 ft), sustituyendo los valores correspondientes, la ecuacin nos queda:

WM = (0.8202) Wpeso 30

N = 0.085892 Wpeso N (

seg

ftlb f)

WM =550

085892.0Wpeso N = 1.5616x10

-4 Wpeso N (H.P)

Potencia Hidrulica:

26

La potencia hidrulica (WO), se calcula por:

WO = Q HT (cg

g) (

seg

ftlb f)

WO = 550

THQ (cg

g) (H.P)

Eficiencia: La eficiencia hidrulica de la bomba est dada por:

= M

O

W

WX 100

Ecuaciones La potencia de la bomba se puede correlacionar con la velocidad rotacional mediante la siguiente ecuacin:

3

2

1

2

1

N

N

W

W

El flujo volumtrico se relaciona con la velocidad rotacional por la ecuacin:

2

1

2

1

N

N

Q

Q

Y la carga total est en funcin de la velocidad rotacional, cuya ecuacin es la siguiente:

2

2

1

2

1

N

N

H

H

En la operacin en serie la misma descarga pasa a travs de ambas bombas. La carga total desarrollada se obtiene tericamente sumando cada carga de la bomba correspondiente La eficiencia global de las dos bombas, en serie puede calcularse de la siguiente forma:

2

2

1

121 )(

HHQg

HHQg cc

Donde H1, H2, 2, 2, son las cargas y las eficiencias respectivamente de la bomba 1 y la bomba 2, a la descarga Q. De aqu que, para calcular la eficiencia global de bombas en serie se utiliza la siguiente ecuacin

2

2

1

1

21 )(

HH

HH

En el caso de que la conexin se encuentre en paralelo, la carga a travs de las bombas es la misma pero las descargas pueden ser diferentes al menos que las

27

bombas sean idnticas. La descarga total correspondiente es la suma de las descargas a travs de cada bomba.

2

2

1

121 )(

QQHg

QQQg cc

De aqu se obtiene que la eficiencia global se calcula por :

2

2

1

1

21 )(

QQ

QQ

Datos tcnicos: Dimetro de la lnea de succin: 31.75 mm (0.104167 ft) Dimetro de la lnea de descarga: 25.4 (0.08333 ft) Tipo de bomba: Centrifuga Dimetro del impulsor: 120 mm (0.3937 ft) Tipo de Motor: Velocidad variable 0-2900 rev/min Suministro elctrico: 220 Volts fase/50 o 60 HZ Brazo del Torque 0.25 m (0.82021 ft)

Notacin Concepto Unidad

P Presin 2lgp

lb f

H Carga de Presin Ft

L Longitud de dinammetro Ft

M Masa aplicada al torque Lb

T Torque lbf ft

Q Descarga (Velocidad de Flujo) seg

ft 3

A rea de Seccin Transversal ft2

V Velocidad Media en la tubera (Q/A) seg

ft

N Velocidad Rotacional

seg

rev

w Potencia H.P

X Diferencia en elevacin entre la tapa de presin de succin y de la descarga

Ft

Y Altura de succin manomtrica por arriba de la presin de descarga

Ft

Z Altura de descarga manomtrica por arriba de la presin de succin (Despreciable en este caso)

Ft

Velocidad rotacional seg

rev

28

V Velocidad promedio

seg

ft

Wpeso peso Lb

WL Potencia por prdidas de transmisin H.P

WI Potencia de entrada H.P

WM Potencia de Motor H.P

Eficiencia gc Constante de la aceleracin de gravedad 32.17

2seglb

ftlb

f

Densidad del agua 3ft

lb

PROPSITOS:

1. Reconocer la relacin que se da entre las unidades de aprendizaje de Flujo

de Fluidos y Fenmenos de Transporte 2. Conocer la operacin del equipo de bombas centrfugas 3. Calcular la potencia y eficiencia del motor de las bombas

MATERIAL: 1. Termmetro 2. Franela

METODOLOGA:

1. Preparar el equipo de bombas para iniciar la operacin* 2. Tomar 10 lecturas de cada una de las bombas variando la velocidad

rotacional del motor 3. Al trmino de la toma de lecturas, apagar y limpiar el equipo.

29

EQUIPO

EQUIPO DE BOMBAS

Nmero Descripcin

1 Manmetro de succin bomba No.1

2 Manmetro de descarga bomba No. 1

3 Medidor de rpm del motor

4 Manmetro de descarga bomba no.2

5 Manmetro de succin bomba no.2

6 Medidor de flujo volumtrico

7 Caja de control

8 Bomba no. 2

9 Motor

10 Bomba no.1

11 Tina de agua

12 Seccin de la tina para vertederos

13 Vlvulas de bola

14 Placa de orificio

*Ver manual de operacin

DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en las siguientes tablas

30

Para cada valor de velocidad rotacional (de 1000 a 3000 rpm con intervalos de 200)

Velocidad rotacional: _________________________ rpm Temperatura del agua: ______________________C

Arreglo Gasto (Q) Presin de succin

Presin de descarga

Peso del torque

Bomba No. 1

Bomba No. 2

CLCULOS:

1. Calcular carga total 2. Calcular la potencia a la salida del motor 3. Calcular la potencia a la entrada del motor y la eficiencia 4. Calcular la carga neta de succin positiva 5. Elaborar una grfica de carga total contra flujo volumtrico de descarga,

para cada bomba 6. Elaborar un grfica de eficiencia contre el flujo volumtrico de descarga

Los clculos debern presentarse en las siguientes tablas

Arreglo Gasto (Q)

Presin de

succin

Presin de

descarga

Carga de

descarga

Carga de

succin

Carga total

Peso del

torque

Potencia del

motor

Eficiencia

Bomba No. 1

Bomba No. 2


31

PRCTICA No. 8

DETERMINACIN DE EFICIENCIA EN BOMBAS EN SERIE Y PARALELO

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de bombas, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular la eficiencia de bombas conectadas en serie y en paralelo; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: En los procesos u operaciones industriales existen requerimientos de flujos en los que es necesario utilizar un sistema de bombeo con ms de una bomba; esto puede ser porque la demanda de gasto o de carga del proceso sea exclusivamente variable. El usos de dos o ms bombas, en lugar de una, permite que cada una de ellas opere en su mejor regin de eficiencia la mayor parte del tiempo de operacin, an cuando los costos iniciales pueden ser mayores, el costo de operacin ms bajo y la mayor flexibilidad en la operacin ayuda a pagar la inversin inicial. En el diseo de un sistema de bombeo, deben considerarse muchos factores que determinarn la seleccin del equipo adecuado. Desde el punto de vista del proceso: la capacidad, la presin de descarga y de succin, la temperatura a la cual es necesario el bombeo. Desde el punto de vista del fluido a manejar: su presin de vapor, viscosidad, densidad y corrosin. Desde el punto de vista de operacin: la energa elctrica suministrada y desde el punto de vista mecnico es necesario determinar los materiales que se usarn en cada parte de la bomba, as como la conveniencia de utilizar succin o descarga radiales o tangenciales, etc. Todo esto debe tener una instalacin segura, confiable y econmica. Las bombas para las industrias de procesos qumicos difieren de las utilizadas en otras industrias principalmente en los materiales de que estn hechas; la mayora de las bombas de proceso en uso son centrfugas. Cuando la bomba se utiliza para transferencia o recirculacin, puede haber una posible acumulacin de productos de corrosin o contaminantes que reducirn su duracin til; por ello, esto se debe considerar en la evaluacin de las caractersticas del producto que se maneja.

32

La clave para hacer la seleccin correcta de la bomba radica en el conocimiento del sistema en que trabajar la bomba; la eficiencia de la bomba un lugar relevante entre los factores que se deben considerar. Actualmente existen tablas reportadas en la bibliografa que incluyen factores como los mencionados anteriormente para la seleccin de una bomba, dicha seleccin se hace sobre la base de un porcentaje de eficiencia fijado. PROPSITOS:


2. Conocer la operacin de dos bombas centrfugas operndolas como sistemas en serie y paralelo.

3. Comparar la eficiencia global de las bombas trabajando en serie y paralelo

MATERIAL:

1. Termmetro

METODOLOGA:

1. Preparar el equipo de bombas para iniciar operacin* 2. Tomar 10 lecturas para cada uno de los arreglos. 3. Al trmino de la toma de lecturas, apagar y limpiar el equipo*

Equipo:

EQUIPO DE BOMBAS

33

*ver el manual de operacin DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en las siguientes tablas

Para cada valor de velocidad rotacional (de 1000 a 3000 rpm con intervalos de 200) Velocidad rotacional: _________________________ rpm Temperatura del agua: ________________________C

Arreglo Gasto (Q) Presin de succin

Presin de descarga

Peso del torque

Serie

Paralelo

CLCULOS:

1. Calcular carga total 2. Calcular la potencia a la salida del motor 3. Calcular la potencia a la entrada del motor 4. Calcular la eficiencia global 5. Grafique Carga totalo (Ht) vs el flujo volumtrico de descarga (Q) para cada

arreglo 6. Grafique Eficiencia global de las bombas vs el flujo volumtrico de descarga

Los clculos debern presentarse en las siguientes tablas

Arreglo Gasto (Q)

Presin de

succin

Presin de

descarga

Carga de

descarga

Carga de

succin

Carga total

Peso del

torque

Potencia del

motor

Eficiencia

Serie

Paralelo

ANLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA

34

PRCTICA No. 9

FLUJO EN CANALES ABIERTOS

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de bombas, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para determinar las correlaciones de velocidad del fluido a travs de diferentes tipos de vertederos; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN:

En un proceso industrial es importante poder medir y controlar la cantidad de material que entra y que sale en una etapa del proceso. Como muchos de los materiales estn en forma de fluidos, suelen fluir por tuberas o conductos, y para medir el flujo de fluidos se utilizan diferentes dispositivos, los ms sencillos son los que miden directamente el volumen de los fluidos, como los medidores ordinarios de gas y agua y las bombas de desplazamiento positivo. Los medidores actuales usan un elemento, como un propulsor o copas en un brazo rotatorio, que gira a una rapidez determinada por la velocidad del fluido que pasa por l. Para medir los fluidos se utilizan extensamente el tubo Pitot, el medidor ventura, el medidor de orificio y los vertederos de canal abierto.

Flujo en canales abiertos o vertederos. En muchos casos de ingeniera de procesos e instalaciones agrcolas, los lquidos fluyen en canales abiertos y no en ductos cerrados. Para medir el gasto volumtrico en estos casos se suele usar vertederos. Un vertedero es un dique sobre el cual fluye el lquido, los dos tipos principales son el vertedero rectangular y el triangular. El lquido fluye sobre el vertedero y, se mide la altura carga del vertedero- por encima de la base plana o de la muesca. PROPSITOS:


2. Determinar la medicin de flujos volumtricos en canal, mediante la utilizacin de vertederos de diferentes formas

3. Determinar la relacin existente entre altura del lquido y caudal para cada tipo de vertedero

35

4. Comparar los resultados obtenidos con los reportados en la bibliografa 5. Obtener una correlacin que represente el comportamiento del fluido en

cada uno de los vertederos

MATERIAL: 1. Cronmetro 2. Regla graduada 3. Franela

EQUIPO.

Equipo de Bombas

EQUIPO DE BOMBAS

METODOLOGA:

1. Prepara el equipo de tuberas de Bombas para iniciar operacin* 2. Colocar al final del canal con que cuenta el equipo uno de los siguientes

vertederos:

Vertedero triangular Vertedero rectangular

3. Tomar 10 mediciones de altura de lquido sobre el vertedero a diferentes flujos

4. La medicin del fluido se tomar en el tanque del equipo

36

5. Al trmino de la toma de lecturas, limpiar y apagar el equipo* *Ver manual de Operacin DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en las siguientes tablas VERTEDERO: Tipo de vertedero:_________________ Temperatura del agua: _________________C

Corrida Velocidad r.p.m

Flujo volumtrico ( L/min)

Altura del lquido (cm)

CLCULOS:

1. Determinar la correlacin de velocidad del fluido con respecto a la altura del nivel del lquido y las caractersticas de cada vertedero.

2. Calcular el flujo volumtrico para cada vertedero a partir de los datos del vertedero y la altura registrada.

3. Graficar el Flujo volumtrico vs. altura en cada tipo de vertedero


37

PRCTICA No. 10

DETERMINACIN DE LA PRDIDA DE CALOR EN TUBOS AISLADOS

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de tubos aislados, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular la prdida de calor en las diferentes tuberas aplicando la Ley de Fourier y el clculo de los flujos de cada lnea; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: En el caso de cilindros y tuberas, el rea de la trayectoria del flujo de calor a travs de la pared del tubo aumenta con la distancia de la trayectoria desde el radio interior al radio exterior, es decir, la direccin en la que fluye el calor es radial. Para este tipo de sistema la rapidez a la que se conduce el calor (dt/dr) a travs de cualquier superficie cilndrica, en funcin del rea a cualquier radio (2r) considerando que el calor fluye hacia fuera del cilindro es

dr

dtrkq 2 (1)

La cual despus de integrar queda:

1ln2

Crk

qt

(2)

Relacionando esta expresin con la ley de Fourier obtenemos la expresin que determina la transferencia de calor:

i

i

rr

ttkq

/ln

2

0

0

(3)

Donde: q= flujo de calor (unidades de calor/(unidades de tiempo)(unidades de longitud)) r= radio de la tubera (unidades de longitud)

38

t= temperatura (unidades de temperatura) k= coeficiente de conductividad (unidades de calor/(unidades de tiempo)(unidades de rea)(unidades de temperatura por unidad de longitud))

i y o, se refieren a las superficies internas y externas respectivamente. De forma anloga para el caso en el cual se tengan varias capas en el cilindro (resistencia cilndrica compuesta) se obtienen las siguientes ecuaciones

1

221 ln

2 r

r

k

qtt

a (4)

2

332 ln

2 r

r

k

qtt

b (5)

2

3

1

231 ln

2ln

2 r

r

k

q

r

r

k

qtt

ba (6)

Donde los diferentes subndices indican los diferentes radios de las capas. Esto es cierto nicamente suponiendo que la superficie externa del cilindro pueda mantenerse a una temperatura definida, sin embargo, la temperatura de la pared exterior del cilindro depende tambin de la temperatura del medio. Esto es que la diferencia total de temperatura que origina el flujo de calor hacia fuera del tubo es la diferencia de la temperatura a la cual se encuentra el fluido caliente y la temperatura atmosfrica. Para un sistema de esta naturaleza se deben considerar las siguientes resistencias:

1. Resistencia del vapor al condensarse y transmitir su calor a la superficie interna del tubo

2. Resistencia de la tubera (material de construccin) 3. Resistencia del aislante 4. Resistencia del aire que lo rodea para eliminar el calor de la superficie

externa. Esta se lleva a cabo por conveccin natural y radiacin; sin embargo en el clculo del calor transferido solo se considera el proceso de conveccin ya que el efecto de la radiacin es despreciable

PROPSITOS:

1. Conocer la operacin de equipo que trabaje con vapor 2. Reconocer la relacin que se da entre las unidades de aprendizaje de Flujo

de Fluidos y Transferencia de Calor 3. Determinar las prdidas de calor a travs tuberas aisladas y sin aislar 4. Determinar los flujos de condensado formados en las diferentes lneas del

equipo 5. Determinar el radio crtico del sistema

39

MATERIAL:

1. Cuatro bolsas de hielo 2. Bata y franela 3. Guantes de carnaza 4. Un recipiente de 20 L 5. Termmetro digital 6. Cronmetro 7. Probeta 100 ml y 1 litro

METODOLOGA:

1. Purgar el sistema de vapor principal* 2. Purgar las cuatro tuberas del sistema para eliminar el condensado residual* 3. Llenar la cuba que contiene los serpentines, vertiendo las cuatro bolsas de

hielo en esta 4. Abrir en un orden establecido las vlvulas de las diferentes lneas* 5. Medir las temperaturas sobre el aislante y sobre la tubera 6. Medir el condensado 7. Limpiar el rea de trabajo

EQUIPO.

EQUIPO DE AISLANTES

40

Simbologa Vlvulas e instrumentacin

V1 Vlvula de bola V2 Vlvula de bola de V3 Vlvula de bola de V4 Vlvula de bola de V5 Vlvula de bola PI Manmetro 1-7 kg/cm2

PC Regulador de presin

TV Trampa de vapor de S Serpentn

*Ver manual de operacin DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en las siguientes tablas

Temperatura en la

superficie del aislante

(C)

Temperatura en la

superficie de la tubera sin aislar (C)

Temperatura ambiente

(C)

Volumen de condensado

(L)

CLCULOS:

1. Calcular la prdida de calor por pie lineal de cada una de las tuberas 2. Considerando que el sistema es ideal calcular la temperatura existente en la

seccin entre la tubera y el aislante 3. Calcular la prdida mxima de calor a travs de las tuberas 4. Calcular el espesor ptimo del aislante en la tubera 5. Calcular el radio crtico del sistema

ANLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFA Bird, R.B.; Steward, W.E.; Lightfoot, E.N. "Fenmenos de Transporte", Revert, Barcelona (1992).

41

PRCTICA No. 11

COMPARACIN DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGARTMICAS EN UN ARREGLO EN CONTRACORRIENTE Y EN UN

ARREGLO EN PARALELO CON UN SISTEMA VAPOR-AGUA

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del intercambiador de calor de tubos concntricos, sean capaces de relacionar los conocimientos tericos con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular la diferencia de temperatura media logartmica en contracorriente y en paralelo y comparar los resultados obtenidos, utilizando hojas de clculo; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: Una diferencia de temperatura es la fuerza motriz mediante la cual el calor se transfiere desde la fuente al receptor. En un proceso nicamente las temperaturas de entrada y salida de los fluidos calientes y fros se conocen o pueden ser medidos, y se les llama temperaturas de proceso. Cuando dos fluidos uno fro y otro caliente se ponen en contacto, experimentan variaciones de temperatura, que no siguen un comportamiento lineal cuando las temperaturas se grafican contra longitudes. No importa si se est trabajando en un arreglo en contracorriente o en paralelo. La direccin relativa (en contracorriente o en paralelo) de los dos fluidos influye en el valor de la diferencia de temperatura. Para obtener una expresin que defina esa diferencia de temperaturas se hacen algunas suposiciones como: el coeficiente total de transferencia de calor es constante en toda la trayectoria, el calor especfico es constante en toda la trayectoria, las prdidas de calor son despreciables, entre otras. Cuando se tiene el mismo sistema y se trabaja en contracorriente y en paralelo se observa que hay una desventaja trmica distintiva en el uso de flujo en paralelo comparado con un flujo en contracorriente. Cuando se utiliza vapor como medio de calentamiento, se generan algunas dificultades: el condensado caliente es muy corrosivo, y las lneas de condensado deben conectarse con bastante cuidado. Los coeficientes de transferencia de calor asociados con la condensacin de vapor son muy altos comparados con cualquier otro sistema.

42

PROPSITOS:

1. Conocer la operacin de un intercambiador de tubos concntricos 2. Reconocer la relacin que se da entre las unidades de aprendizaje de Flujo

de Fluidos y Transferencia de Calor 3. Determinar a partir de las temperaturas de proceso la diferencia de

temperatura media logartmica para arreglo en contracorriente y en paralelo 4. Determinar si el vapor usado durante la prctica es vapor saturado o no

saturado 5. Determinar el calor transferido del fluido caliente al fluido frio para los

arreglos en contracorriente y en paralelo 6. Determinar la diferencia de temperaturas media logartmica en el simulador

ASPEN y comparar con los valores calculados para el sistema vapor-agua MATERIAL:

1. Bata 2. Lentes 3. Guantes de carnaza 4. Recipiente de 20 L 5. Cronmetro

METODOLOGA:

1. Purgar el sistema de vapor principal 2. Arrancar el sistema de agua de recirculacin del laboratorio para suministrar

agua fra al intercambiador* 3. Purgar el intercambiador de tubos concntricos para eliminar el condensado

residual 4. Abrir las vlvulas de vapor, verificando la presin 5. Determinar con que arreglo se va a operar el equipo en la primera horquilla

(paralelo o contracorriente). Establecer el arreglo en las vlvulas* 6. Tomar las lecturas de las temperaturas de proceso 7. Cerrar todas las vlvulas y verificar que el agua salga de los tubos del

intercambiador 8. Limpiar el rea de trabajo

43

EQUIPO Intercambiadores de tubos concntricos

Intercambiadores de tubos concntricos


Flujo en paralelo

Temperatura de agua

Temperatura de vapor

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida (C)

44

CLCULOS:

1. Calcular la temperatura media logartmica para el arreglo en paralelo 2. Calcular la temperatura media logartmica para el arreglo en contracorriente 3. Calcular el porcentaje de variacin entre las medias logartmicas de los dos

arreglos 4. Calcular el calor transferido a partir de los flujos de los fluidos y las

temperaturas de entrada y salida de los mismos. ANLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFA

Flujo en contracorriente

Temperatura de agua

Temperatura de vapor

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida (C)

45

PRCTICA No. 12

DETERMINACIN DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y FACTOR DE OBSTRUCCIN EN UN INTERCAMBIADOR DE

CALOR DE TUBOS CONCNTRICOS

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos, Transferencia de Calor, Fenmenos de Transporte, Principios de los Procesos Qumicos y Termodinmica, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del intercambiador de calor de tubos concntricos, sean capaces de relacionar conocimientos tericos de las Unidades de Aprendizaje de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular el coeficiente global de transferencia de calor y el factor de obstruccin del intercambiador, utilizando hojas de clculo; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: Un intercambiador de doble tubo consiste en dos tubos concntricos. Generalmente el fluido que debe enfriarse se introduce en la tubera interna mientras que el fluido que se va a calentar, se introduce en el anulo (tubera externa). Cuando el intercambiador se arregla en dos pasos, a la unidad se le conoce como horquilla. En los intercambiadores de calor de tubos concntricos se tienen dos tipos de arreglos: en paralelo y en contracorriente; ambos llevan dos corrientes juntas, en el arreglo en paralelo las corrientes fra y caliente entran en la misma direccin y en un arreglo en contracorriente las corrientes fra y caliente entran en direccin contraria al intercambiador. En consecuencia las temperaturas de salida de los fluidos en los arreglos antes mencionados son distintas. Para el clculo del coeficiente de transferencia de calor es necesario calcular la diferencia de temperatura media logartmica, este clculo variar dependiendo del arreglo del sistema. Los coeficientes totales de transferencia de calor requeridos para cumplir con las condiciones del proceso, deben determinarse a partir de los nmeros adimensionales (Reynolds, Nusselt y Prandtl) y la ecuacin de Fourier, cuando la superficie de transferencia de calor es conocida y el calor total y la diferencia de temperatura media logartmica son calculados a partir de las condiciones de proceso. A partir de los coeficientes de transferencia de calor (coeficiente limpio y

46

coeficiente de diseo) se obtiene el factor de obstruccin, este factor es muy importante en el diseo de intercambiadores de calor ya que es necesario considerar la resistencia a la transferencia de calor ocasionada por la acumulacin de lodos o basura en las paredes del tubo interior. PROPSITOS:


de Fluidos, Transferencia de Calor, Fenmenos de Transporte, Principios de los Procesos Qumicos y Termodinmica

3. Determinar a partir de las temperaturas de proceso la diferencia de temperatura media logartmica para arreglo en contracorriente y en paralelo

4. Determinar los coeficientes de transferencia de calor (coeficiente limpio y coeficiente de diseo) a partir de las condiciones de proceso. Determinar el factor de obstruccin del equipo

MATERIAL:

1. Bata, lentes de seguridad y guantes de carnaza 2. Recipiente de 20 L 3. Cronmetro 4. Termmetro

METODOLOGA:



residual 4. Abrir las vlvulas de vapor, verificando la presin 5. Determinar con que arreglo se va a operar el equipo en la segunda horquilla

(paralelo o contracorriente). Establecer el arreglo en las vlvulas* 6. Tomar las lecturas de volumen con el recipiente y de tiempo con el

cronmetro 7. Tomar las lecturas de presiones y temperaturas 8. Cerrar todas las vlvulas y verificar que el agua salga de los tubos del


EQUIPO

47



Flujo en paralelo

Temperatura de agua caliente

Temperatura de agua fra

Volumen (L)

Tiempo (s)

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida (C)




Volumen (L)

Tiempo (s)

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida (C)

48

CLCULOS:

1. Conocer la operacin de un intercambiador de tubos concntricos 2. Calcular la temperatura media logartmica para cada arreglo 3. Calcular los coeficientes de transferencia de calor (coeficiente limpio y

coeficiente de diseo) para cada arreglo 4. Calcular el factor de obstruccin del equipo (para cada arreglo y compare) 5. Calcular la diferencia entre el coeficiente de diseo calculado con el

reportado en bibliografa y calcular el porcentaje de variacin entre el factor de obstruccin reportado en la bibliografa

6. Calcular el porcentaje de variacin entre los valores obtenidos en los dos diferentes arreglos


49

PRCTICA No. 13 DETERMINACIN DE LA CORRELACIN MATEMTICA QUE DESCRIBA EL

COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL INTERCAMBIADOR DE TUBOS CONCNTRICOS PARA EL SISTEMA DE

AGUA CALIENTE-AGUA FRA

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos, Transferencia de Calor, Fenmenos de Transporte, Principios de los Procesos Qumicos y Termodinmica, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del intercambiador de calor de tubos concntricos, sean capaces de relacionar conocimientos tericos de las Unidades de Aprendizaje de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular el coeficiente convectivo de transferencia de calor para el sistema agua caliente-agua fra, utilizando hojas de clculo; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: La transferencia de calor por conveccin se debe al movimiento del fluido. El fluido fro adyacente a superficies calientes recibe calor que luego transfiere al resto del fluido fro mezclndose con l. La conveccin libre o natural ocurre cuando el movimiento del fluido no se complementa por agitacin mecnica, existen resistencias a la transferencia de calor en la superficie de los tubos, en el caso de un intercambiador de calor de tubos concntricos la resistencia a la transferencia de calor ms importante es la que se lleva a cabo en las paredes interior y exterior del tubo interior. Los recprocos de dichas resistencias se llaman coeficientes de pelcula. Un coeficiente de pelcula es una medida del flujo de calor por unidad de superficie y por unidad de diferencia de temperatura, e indica la razn o velocidad a la cual fluidos que tienen una variedad propiedades fsicas y bajo diferentes grados de agitacin transfieren calor (por conveccin). Existen otros factores que influyen en los coeficientes de pelcula como son las dimensiones de la tubera. Con tantas variables, y cada una teniendo su propio grado de influencia en la razn de transferencia de calor es difcil que exista una expresin que permita el clculo directo de los coeficientes de pelcula. Se puede trabajar con un mtodo de correlacin mediante el cual y con datos experimentales, se obtengan relaciones que mantengan su validez para cualesquiera otras combinaciones de variables.

50

Existen cuatro mtodos disponibles para el clculo de coeficientes de transferencia de calor por conveccin:

Anlisis dimensional combinando con experimentos Soluciones matemticas exactas de las ecuaciones de capa frontera

Anlisis aproximado de la capa de frontera por mtodos integrales Analoga entre la transferencia de calor, masa y cantidad de movimiento

En este caso se utiliza un anlisis dimensional; uno de los aspectos ms tiles del anlisis dimensional es su habilidad para proveer correlaciones entre variables cuando la informacin acerca de un fenmeno es incompleta. Si los valores de los exponentes y coeficientes de las ecuaciones adimensionales para condiciones extremas de operacin son establecidos mediante experimentos, el valor de los coeficientes puede ser calculado para cualquier combinacin intermedia de velocidad, tubera y propiedades del lquido, a partir de una ecuacin dada. PROPSITOS:



3. Determinar los nmeros de Reynolds, Nusselt, Prandtl, otros (si son necesarios), para el arreglo en paralelo y contracorriente

4. Establecer dos correlaciones matemticas para obtener el coeficiente de transferencia de calor para ambos arreglos de flujo en el equipo

5. Comparar los coeficientes de transferencia de calor experimentales contra los que se obtendrn en la literatura

MATERIAL:

1. Bata, lentes de seguridad y guantes de carnaza 2. Recipiente de 20 litros 3. Cronmetro 4. Termmetro

51

METODOLOGA:



residual 4. Abrir las vlvulas de vapor, verificando la presin 5. Determinar con que arreglo se va a operar el equipo en la segunda horquilla

(paralelo o contracorriente). Establecer el arreglo en las vlvulas* 6. Tomar las lecturas de volumen con el recipiente y de tiempo con el

cronmetro 7. Tomar las lecturas de presiones y temperaturas 8. Cerrar todas las vlvulas y verificar que el agua salga de los tubos del


EQUIPO



*Ver manual de operacin DATOS EXPERIMENTALES:

52

Los datos experimentales debern presentarse en las siguientes tablas

Flujo en paralelo



Volumen (L)

Tiempo (s)

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida (C)




Volumen (L)

Tiempo (s)

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida (C)

CLCULOS:

1. Calcular los nmeros adimensionales necesarios para cada relacin emprica (Nmero de Reynolds, Nmero de Prandtl, Nmero de Nusselt, otros)

2. Calcular las temperatura de la pared interior y exterior del tubo interior de ser necesario de acuerdo a la relacin emprica elegida

3. Calcular los coeficientes de pelcula de los dos fluidos 4. Determinar la ecuacin de correlacin para el coeficiente convectivo de

transferencia de calor de acuerdo a la relacin emprica elegida 5. Calcular la diferencia entre los datos experimentales con los reportados en

la bibliografa


53

PRCTICA No. 14

CLCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR SIN CAMBIO

DE FASE EN UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos, Transferencia de Calor, Fenmenos de Transporte, Principios de los Procesos Qumicos y Termodinmica, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del intercambiador de calor de coraza y tubos, sean capaces de relacionar conocimientos tericos de las Unidades de Aprendizaje de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular el coeficiente de transferencia de calor para el sistema agua caliente-agua fra, utilizando hojas de clculo; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender.

INTRODUCCIN: Cuando en un proceso industrial se requieren superficies grandes de transferencia de calor, se utiliza un intercambiador que consiste de un haz de tubos contenidos dentro de un recipiente, coraza o carcasa. El equipo de tubo y coraza involucra la expansin de un tubo en un espejo y la formacin de un sello que no fuga bajo condiciones razonables de operacin, es decir, las terminales de los tubos se encuentran montadas sobre una placa, que se conoce como espejo; los tubos que conforman el haz de tubos del intercambiador pueden tener diferentes arreglos, (arreglo en cuadro, arreglo triangular). Los intercambiadores de coraza y tubo pueden ser con cabezal de tubos estacionario o con cabezal de tubos fijos, entre otro. Los intercambiadores ms comunes son de 1-2 (un paso por la coraza y dos pasos por los tubos), se pueden tener intercambiadores de ms de un paso por la coraza (2-4, 3-6, otros), o bien, dos o ms intercambiadores 1-2 conectados en serie. Estos arreglos permiten que se presente una temperatura de cruce (la temperatura de salida del fluido caliente es menor a la temperatura de salida del fluido fro). Solo en los intercambiadores de calor de coraza 1-1 se trabaja en contracorriente o en paralelo, en el resto de los tipos (1-2, 2-4, otros) se presentan los dos arreglos lo que hace necesario una correccin en el valor de la diferencia de temperatura media logartmica del equipo.

54

Los coeficientes totales de transferencia de calor requeridos para cumplir con las condiciones del proceso, deben determinarse a partir de nmeros adimensionales (Reynolds, Nusselt, Prandtl, otros) y la ecuacin de Fourier. A partir de los coeficientes de transferencia de calor (coeficiente limpio y coeficiente de diseo) se obtiene el factor de obstruccin, este factor es muy importante en el diseo de intercambiadores de calor ya que es necesario considerar la resistencia a la transferencia de calor ocasionada por la acumulacin de lodos o basura en las paredes del tubo interior.

PROPSITOS:

1. Conocer la operacin de un intercambiador de coraza y tubos 2. Reconocer la relacin que se da entre las unidades de aprendizaje de Flujo


3. Determinar los coeficientes de transferencia de calor convectivo por el lado de la coraza y tubos

4. Determinar coeficiente total de transferencia de calor de diseo y limpio para cada arreglo

5. Determinar el factor de obstruccin del equipo 6. Realizar el programa en ASPEN del proceso de transferencia de calor en un

arreglo en contracorriente y paralelo y comparar los valores de flujo de calor transferido con el calculado.

MATERIAL:

1. Bata, lentes de seguridad y guantes de carnaza 2. Recipiente de 20 L 3. Cronmetro 4. Termmetro

METODOLOGA: Se trabaja con el primer intercambiador de calor Pasos para el funcionamiento del sistema de los intercambiadores de calor:



residual

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4. Abrir las vlvulas de vapor, verificando la presin 5. Determinar con que arreglo se va a operar el equipo en el intercambiador 1

(paralelo o contracorriente). Establecer el arreglo en las vlvulas* 6. El agua caliente es suministrada del reactor, para esto, abra la vlvula del

fondo del reactor (cuando el fluido alcance los 60 C), ponga en operacin la bomba centrfuga (colocada sobre la lnea de descarga de la bomba) para que suministre el fluido al intercambiador de calor

7. Antes de iniciar con las lecturas de presin y temperaturas en los intercambiadores, permitir que el equipo se estabilice

8. Tomar las lecturas de volumen con el recipiente y de tiempo con el cronmetro

9. Tomar las lecturas de presiones y temperaturas 10. Cerrar todas las vlvulas y verificar que el agua salga de los tubos del


EQUIPO

Intercambiadores de Tubo y Coraza

*Ver manual de operacin

56

Vlvulas Instrumentacion V1 Vlvula de compuerta roscada de 1 P1 Manmetro de presin con rango 0-4 kg/cm2

V2 Vlvula de compuerta roscada de 1 P2 Manmetro de presin con rango 0-4 kg/cm2

V3 Vlvula de compuerta roscada de 1 T1 Termmetro con vstago y rango de 0-100C




V7 Valvula de compuerta roscada de 1 T5 Termmetro con vstago y rango de 0-100C


V9 vlvula de compuerta roscada de 1 T8 Termmetro con vstago y rango de 0-100C

DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en las siguientes tablas

Flujo en paralelo



Volumen (L)

Tiempo (s)

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida (C)




Volumen (L)

Tiempo (s)

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida (C)

CLCULOS: 1. Calcular la temperatura media logartmica para cada arreglo 2. Calcular los coeficientes de transferencia de calor (coeficiente limpio y

coeficiente de diseo) para cada arreglo 3. Calcular el factor de obstruccin del equipo (para cada arreglo y compare) 4. Calcular la diferencia entre el coeficiente de diseo calculado con el

reportado en bibliografa y calcular el porcentaje de variacin entre el factor de obstruccin reportado en la bibliografa

5. Calcular el porcentaje de variacin entre los valores obtenidos en los dos diferentes arreglos


57

PRCTICA No. 15

CLCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN CONDENSADOR DE CALOR DE TUBO Y CORAZA

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos, Transferencia de Calor, Fenmenos de Transporte, Principios de los Procesos Qumicos y Termodinmica, mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del intercambiador de calor de coraza y tubos, sean capaces de relacionar conocimientos tericos de las Unidades de Aprendizaje de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular el coeficiente de transferencia de calor en un condensador con un sistema vapor-agua fra, utilizando hojas de clculo; manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender..

INTRODUCCIN: En la industria qumica es prctica comn separar una mezcla de lquido destilando los componentes de bajo punto de ebullicin, separndolos as en estado puro de aquellos que tienen alto punto de ebullicin. Los intercambiadores de calor que tienen como objetivo fundamental el cambiar una fase vapor en una fase lquida mediante enfriamiento, son llamados condensadores; y un vaporizador es un cambiador de calor diseado especialmente para suministrar calor latente de vaporizacin a un fluido, si el vapor formado es vapor de agua el cambiador se llama evaporador. El vapor como medio de calentamiento presenta algunas dificultades: el condensado caliente es muy corrosivo, las lneas de condensado deben de conectarse con mucho cuidado; sin embargo, en los procesos se considera a este como un fluido de servicio por excelencia, esto debido a que los coeficientes de transferencia de calor asociados con la condensacin de vapor son muy altos comparados con cualquier otro fluido. En este caso es comn establecer un valor para el coeficiente de pelcula (1500 Btu/h ft2 F). Generalmente se conecta el vapor a los tubos del calentador en lugar de a la coraza, de esta forma si existe dao por la corrosin es ms barato cambiar el haz de tubos que la coraza.

58

PROPSITOS:

1. Conocer la operacin de un intercambiador de coraza y tubos 2. Reconocer la relacin que se da entre las unidades de aprendizaje de Flujo


3. Determinar los coeficientes de transferencia de calor convectivo por el lado de la coraza y tubos

4. Determinar coeficiente total de transferencia de calor de diseo y limpio para cada arreglo

5. Determinar el factor de obstruccin del equipo para cada arreglo MATERIAL:

1. Bata, lentes de seguridad y guantes de carnaza 2. Recipiente de 20 litros 3. Cronmetro 4. Termmetro

METODOLOGA:

Se trabaja con el segundo intercambiador de calor La transferencia de calor se lleva a cabo entre vapor de agua (fluido caliente) que fluye a travs de los tubos y fluido fro (agua) que fluye del lado de la coraza, el fluido caliente proviene de la lnea de vapor y el fro de la torre de enfriamiento. Pasos para el funcionamiento del sistema de los intercambiadores de calor:


agua fra al intercambiador* 3. Purgar el intercambiador de coraza y tubos para eliminar el condensado

residual 4. Abrir las vlvulas de vapor, verificando la presin. 5. Determinar con que arreglo se va a operar el primer intercambiador de

coraza y tubo del sistema (paralelo o contracorriente). Establecer el arreglo en las vlvulas*

6. Antes de iniciar con las lecturas de presin y temperaturas en los intercambiadores, permitir que el equipo se estabilice

7. Iniciar con la lectura de datos en todos los indicadores de presin y temperatura y medir el flujo volumtrico de los fluidos caliente y fro. Registrar los datos en la tabla

59

8. Cerrar todas las vlvulas y verificar que el agua salga de los tubos del intercambiador

9. Limpiar toda el rea de trabajo EQUIPO

Intercambiadores de Tubo y Coraza

*Ver manual de operacin DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales debern presentarse en la siguiente tabla:

Flujo en paralelo



Volumen (l)

Tiempo (s)

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida (C)

P1 P2

60




Volumen (l)

Tiempo (s)

Presin (kg/cm)

Entrada (C)

Salida (C)

Entrada (C)

Salida(C)

P1 P2

Donde:

Pi = Presin de entrada del intercambiador de calor por lado la coraza. P2= Presin de salida del intercambiador de calor por lado la coraza.

CLCULOS:

1. Temperatura media logartmica 2. Coeficientes convectivos de transferencia de calor por lado de los tubos y

coraza y diferente arreglo 3. Coeficientes totales de transferencia de calor (Diseo y Limpio) por lado de

los tubos y coraza y diferente arreglo 4. Factor de obstruccin para los dos arreglos


61

PRCTICA No. 16

CLCULO DE LA CONDUCCIN TRMICA (AXIAL Y RADIAL) EN SLIDOS

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor mediante trabajo individual y en equipo, y la operacin del equipo de conduccin trmica, sean capaces de relacionar conocimientos tericos de Fenmenos de Transporte y Transferencia de Calor con los datos obtenidos experimentalmente, para calcular la conductividad trmica de tres muestras en flujo axial y una muestra en flujo radial; y comparar los resultados obtenidos con los valores reportados en la literatura. Manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender. INTRODUCCIN: La ley de Fourier se aplica para calcular la conduccin del flujo de calor en sistemas unidimensionales simples, estos son aquellos donde existen gradientes de temperatura a lo largo de una sola direccin coordenada y la transferencia de calor ocurre exclusivamente en esa direccin, y el sistema se caracteriza por condiciones de estado estable si la temperatura en cada punto es independiente del tiempo; dentro de estos se pueden encontrar los sistemas cilndricos. Los sistemas cilndricos y esfricos a menudo experimentan gradientes de temperatura slo en la direccin radial, y por consiguiente, se tratan como unidimensional. En un cilindro cuya longitud sea muy grande comparada con su dimetro, se puede suponer que el calor fluye solo en direccin radial, con lo que la nica coordenada espacial necesaria para definir es el radio r.

(1)

Donde: q= flujo de calor (unidades de calor/(unidades de tiempo)(unidades de longitud)) r= radio de la tubera (unidades de longitud) T= temperatura (unidades de temperatura) k= coeficiente de conductividad (unidades de calor/(unidades de tiempo)(unidades de rea)(unidades de temperatura por unidad de longitud))

A= rea para el flujo de calor (unidades de rea)

dr

dTkAq rr

62

Para un flujo axial tambin se puede considerar un flujo de calor unidimensional, por lo que la expresin anterior tambin se aplica. A pesar de la simplicidad en modelos unidimensionales de estado estable, estos sirven para representar de forma precisa numerosos sistemas de ingeniera. PROPSITOS:

1. Conocer la operacin del equipo de conductividad trmica 2. Reconocer la relacin que se da entre las unidades de aprendizaje de

Transferencia de Calor y Fenmenos de Transporte 3. Determinar el coeficiente conductivo de transferencia de calor del acero

inoxidable y del latn, en una direccin axial 4. Determinar el coeficiente conductivo de transferencia de calor del latn, en

una direccin radial 5. Comparar los valores obtenidos con los reportados en la bibliografa

MATERIAL:

1. Bata 2. Lentes de seguridad

METODOLOGA:

1. Iniciar la PC y arrancar el programa PTC010* 2. Seleccionar la direccin con la que se desea trabajar: conduccin axial o

conduccin radial* 3. Seleccionar el nmero de la muestra* 4. Recolectar los datos, esto puede ser instantneo o en forma continua 5. Una vez terminada dar clic en el botn salir 6. Apagar la PC 7. Limpiar toda el rea de trabajo

EQUIPO.

63

Conduccin trmica en slidos

*Ver manual de operacin DATOS EXPERIMENTALES: Los datos experimentales para conduccin axial debern presentarse en la siguiente tabla: %Potencia

suministrada Volts AMP T1

C T2 C

T3 C

T4 C

T5 C

T6 C

T7 C

T8 C

T9 C

50

75

100

Los datos experimentales para conduccin radial debern presentarse en la siguiente tabla:

%Potencia suministrada

Volts AMP T10 C

T11 C

T12 C

T13 C

T14 C

T15 C

50

75

100

CLCULOS:

1. Coeficiente conductivo de transferencia de calor en direccin axial del acero inoxidable y del latn

2. Coeficiente conductivo de transferencia de calor en direccin radial del latn


64

PRCTICA No. 17

PROYECTO: CLCULO DEL COEFICIENTE CONDUCTIVO DE UN SLIDO

PROPSITO GENERAL: El propsito de esta prctica es que los estudiantes de la Unidad de Aprendizaje del Laboratorio de Flujo de Fluidos y Transferencia de Calor mediante trabajo individual y en equipo, enfrenten el reto de calcular el coeficiente de conductividad trmica de un slido propuesto por el profesor, utilizando el equipo de conduccin trmica; el coeficiente de conductividad calculado debe de compararse con el valor reportado en la literatura. Manteniendo una visin de respeto orientada a la calidad en el trabajo, la perseverancia y la tolerancia, as como la disposicin a aprender. INTRODUCCIN: La ley de Fourier se aplica para calcular la conduccin del flujo de calor en sistemas unidimensionales simples, estos son aquellos donde existen gradientes de temperatura a lo largo de una sola direccin coordenada y la transferencia de calor ocurre exclusivamente en esa direccin, y el sistema se caracteriza por condiciones de estado estable si la temperatura en cada punto es independiente del tiempo; dentro de estos se pueden encontrar los sistemas cilndricos. Los sistemas cilndricos y esfricos a menudo experimentan gradientes de temperatura slo en la direccin radial, y por consiguiente, se tratan como unidimensional. En un cilindro cuya longitud sea muy grande comparada con su dimetro, se puede suponer que el calor fluye solo en direccin radial, con lo que la nica coordenada espacial necesaria para definir es el radio r.

(1)

Donde: q= flujo de calor (unidades de calor/(unidades de tiempo)(unidades de longitud)) r= radio de la tubera (unidades de longitud) T= temperatura (unidades de temperatura) k= c

Manual de Flujo y Transferencia de Calor 2013

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