UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

LABORATORIO DE INGENIERIA II

DOCENTE: ING. ISAAC ORTIZ OTERO

TEMA : intercambiadores de calor

INTEGRANTES: Ramos Cconislla Jhon Zaga Hinojosa Neyer Iván

ABANCAY – APURIMAC2011

PRACTICA N° 04 BALANCE DE ENERGIA EN UN EQUIPO

I. OBJETIVO:

Realizar el balance de energía correspondiente para un equipo durante

el tiempo de operación

Calcular el costo de operación del equipo para un determinado producto

II, MARCO TEORICO

Existen diferentes métodos para obtener los aceites esenciales de las plantas y corteza de frutos, entre los cuales tenemos:

a.- D es t ilaci ó n : es la operación unitaria más empleada debido a su bajo costo y simplicidad en cuanto a equipos a utilizar.La destilación puede ser de la siguiente manera:

A.1.- H i d r od e s t ilación o d es t ilaci ó n c on ag u a : la cual consiste en llevar a ebullición una mezcla de agua y material vegetal aromático y condensar directamente los vapores generados.

Existen diferentes métodos para obtener los aceites esenciales de las plantas y corteza de frutos, entre los cuales tenemos:

a.- D es t ilaci ó n : es la operación unitaria más empleada debido a su bajo costo y simplicidad en cuanto a equipos a utilizar.La destilación puede ser de la siguiente manera:

A.1.- H i d r od e s t ilación o d es t ilaci ó n c on ag u a : la cual consiste en llevar a ebullición una mezcla de agua y material vegetal aromático y condensar directamente los vapores generados.

Donde el tanque extractor es donde se vaporiza la mezcla rompiendo el vegetal sus moléculas para liberar el aceite esencial. En el condensador se condensan los vapores generados y en el florentino que no es más que un separador es donde se separa el agua y el aceite por diferencia de densidades.

a.2.- D es t ilaci ó n p or arr a s t re c on Va p or d e ag u a : es similar al proceso anterior solo que en este se genera el vapor por separado en una caldera y se inyecta por debajo del recipiente que contiene el material vegetal atravesando la hierba, así extrae y arrastra el aceite esencial que pasa por el condensador y se separa en el florentino.

Este método es uno de los más utilizados y más antiguo. Su uso se radica en le bajo consumo energético y no ocasiona transformación química en los componentes del aceite. Su fundamento es que por efecto de la temperatura del vapor (100ºC) en un cierto tiempo, el tejido vegetal se rompe liberando el aceite esencial, el cual presenta en estas condiciones una presión de vapor PT = Pv + Pa. La fracción de aceite esencial en la mezcla de vapor será: Ya = Pa / PT. Donde:PT = Presión totalPv = Presión parcial de vapor

BALANCE DE ENERGIA

CONCEPTOS BÁSICOS:

Sistema: Cualquier masa de material o parte de equipo especificados arbitrariamente. Un sistema se define circundándolo con una frontera. Un sistema cerrado por el cual no hay transferencia de masa se denomina sistema cerrado o sistema sin flujo, en contraposición a un sistema abierto o sistema con flujo, en el cuál se permite el intercambio de masa. Toda masa o equipos externos al sistema definido se designan como entorno. Al resolver un problema se debe definir claramente el sistema y su entorno.

Propiedad: es una característica de un materia la cuál se puede medir, como volumen, presión, temperatura etc.., o que se puede calcularPropiedad extensiva(variable, parámetro): es aquella cuyo valor depende de la cantidad de material y es aditiva, por ejemplo el volumen y la masa son propiedades extensivas.Propiedad intensiva (variable, parámetro): es aquella cuyo valor no es aditivo y no varía con la cantidad de material, ejemplo temperatura, presión, densidad.Estado: es el conjunto de propiedades de los materiales en un momento dado. El estado de un sistema no depende de la forma o la configuración del sistema sino sólo de sus propiedades intensivas como la temperatura, la presión y la composición.Dos propiedades son independientes una de la otra, si existe por lo menos una variable de estado del sistema en la que una propiedad varíe y la otra se mantenga fijaProceso Adiabático: proceso en que no hay intercambio de calor, el sistema está aislado. También puede considerarse como adiabático el proceso, si Q(calor transferido) es muy pequeño o cuando el proceso ocurre con tal rapidez que no hay tiempo de transferir calorCapacidad calorífica: se definen las capacidades caloríficas a volumen constante(Cv) y

a presión constante(Cp)

dU¿

dT y

d H¿

dT respectivamente. También se utiliza el término calor específico para indicar la capacidad calorífica expresada con base a la unidad de masaPara rangos no demasiado amplios de temperatura se puede considerar a las capacidades caloríficas como independientes de la temperatura. Para líquidos y sólidos Cv y Cp se pueden considerar prácticamente iguales. Para los gases ideales Cp = Cv +RCon objeto de dar un significado físico a la capacidad calorífica, se puede pensar que representa la cantidad de energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de la unidad de masa de una sustancia. Si consideramos la dependencia de la capacidad calorífica a presión constante Cp, con la temperatura y teniendo en cuenta que casi todas las ecuaciones para Cp de sólidos y líquidos son empíricas, se expresa mediante una serie de potencias, con constantes a, b b, c, etc. por ejemplo:

Cp = a + bT + cT2 + dT3

TIPOS DE ENERGÍA: SEIS TIPOS DE ENERGÍA

Trabajo (W): es una forma de energía que representa una transferencia entre el sistema y el entorno. El trabajo no puede almacenarse. Es positivo si se efectúa sobre el sistema, el trabajo hecho por el sistema es negativo.

Calor: se define como la parte del flujo total energía que cruza a través de la frontera de un sistema debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y el entorno. Se conoce en ingeniería también como flujo calórico El calor es positivo cuando es transferido al sistema, este puede ser transferido por conducción, convección y radiación.

Para evaluar cuantitativamente la transferencia de calor , se puede utilizar una fórmula empírica:

Q.=UA ΔT (1)

Q.= Velocidad de transferencia de calor

A = área de transferenciaU = coeficiente de transferencia de calor(dato empírico)T = diferencia efectiva de temperatura entre el sistema y el entorno

Energía cinética (Ec): es la energía que tiene el sistema asociada a su velocidad relativa al entorno en reposo

Ec = ½ mv2 (2)

Energía potencial (P): es la energía que posee el sistema debido a la fuerza ejercida sobre su masa por un campo gravitacional o electromagnético con respecto a un plano de referencia

Energía potencial debida a un campo gravitacional: P = mgh

h = distancia al plano de referencia, medida a partir del centro de masa del sistemam = masa del sistema g = aceleración de gravedad

Energía interna: la energía interna(U), es la medida macroscópica de la energías molecular, atómica, y subatómica, lo cual sigue reglas microscópicas definidas para los sistemas dinámicos. La energía interna se mide indirectamente a través de la medición de otras variables, tales como presión, volumen, temperatura y composición. La energía interna se calcula como en relativa a un estado de referencia, pero no en forma absoluta

Entalpía: la entalpía se expresa como H = U + PV (3), donde E es la energía interna, P es la presión y V el volumen. .Al igual que en el caso de la energía interna, la entalpía no tiene un valor absoluto, sólo se miden los cambios de entalpía. Para determinar la entalpía se considera un estado de referencia:

Estado inicial del sistema Estado final del sistema Entalpía = H1 - Href H2 - Href

Cambio neto de entalpía del sistema al pasar del estado inicial al estado final:

(H2 - Href ) – (H1 - Href ) = H2 – H1 = H (4)

Se tiene que del primer principio de la termodinámica: U = Q – W (5)

Siendo Q el calor absorbido y W el trabajo realizado, W = PV.

Si consideramos un proceso a presión constante tenemos:

H = U + PV, en este caso H corresponde al calor absorbido por el sistema, luego

H = Qp

Si el proceso se verifica a volumen constante V = 0, luego Qv = U = H

La entalpía es una función de estado y sólo depende de los estados inicial y final y no del camino recorrido

III.- MATERIALES:

Para llevar adecuadamente el experimento se necesita los siguientes materiales y

equipos:

Un determinado equipo

Producto (muña seca y muña húmeda )

Termocuplas

Cronometro

IV.- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL:

1. Tomar los datos iníciales:

a. Del equipo: Longitudes

Espesores

Temperatura inicial de las partes del equipo

Materiales del que está construido el equipo.

b. Del ambiente:

Temperatura del ambiente

Velocidad del aire, si hay corriente del aire

c. Del producto de la muña

Temperatura inicial del producto a ser procesado

Masa o cantidad

Propiedades del producto

2. Acondicionar el equipo para su adecuado funcionamiento

3. Poner en marcha el equipo desde el cual se toma el tiempo con un cronometro

4. Tomar el tiempo que demora cada uno de los procesos de la operación, al

mismo tiempo que las temperaturas

5. Tomar los datos hasta que termine la operación

6. Con los datos obtenidos realizar el balance de energía correspondiente para el

equipo

V.- RESULTADOS:

PARA DETERMINAR LA MASA:

V=AL e+A Be…………………(3)

Donde:

AL : Área lateral

AB : Área de la basee : Espesor

⇒ AL=Ai+Ae

2 …………………. (4) CALDERO Donde:CALDERO h = 36cm espesor = 0.67 cm

Ai : Área interior D externo = 31.5 cm

Ae : Área exterior

Ai=π .Di . L……………………. (5); L=h=altura Dinterno = 29.2 cm

[ Ai=π∗29 .2 cm∗36 cm ]

Ai = 3302.44 cm2 ≈ 0.3302 m2

Ae=π .De . L………………………(6); L=h=altura

Ae = π (0.315m+0.0067m)* 0.36 m Ae = 0.3638 m2

AL¿0.3302+0.3638

2 AL = 0.347m2

AB=π . D2

4 …………………………….. (7)

AB =π∗(0.292m)2

4 AB = 0.066966 m2

En (3):

V=AL e+A Be…………………(3)

V = 0.347 m2 (0.0067m) + 0.066966 m2 (0.0067m)

V= 0.00277 m3

m=ρ∗V ………………………………………. (8)

ρ : Densidad del material acero inoxidable = 7801Kg/m3

m = 0.00277 m3 * 7801 Kg/m3

m = 21.60877 Kg

En (2):

Q1 calor necesario para calentar el equipo

QE=m .Cp . ΔT

Cp.: Capacidad calorífica del acero inoxidable = 0.464KJ/KgºC

Qg = 21.60877 Kg * 0.464KJ/KgºC *(75℃-18℃)

QE = 571.50 KJ

Q2 = calor necesario para calentar el producto + el agua

QP= m*CP*∆T

M = 𝛒 * v𝛒agua (13℃) = 0.99844 g/cm3 ≈ 998.94 Kg / m3

m = 998.94 Kg / m3 * 7 lts¿1m3 /1000lts

mAGUA = 6.99 Kg

QP = 6.99 Kg * 4.185 KJ

Kg℃ *(90℃-13℃)

QP = 220052.49 KJ

Q2.2 calor perdido de la muña

Q2.2 = mmuña * Cpmuña *∆Tmuña

Q2.2 = 0.538Kg (2.343 KJKg℃ ) *(18-17)℃

Q2.2 = 1.260534 KJ

Q3 calor perdidos

Qcon paredes = 16.3 W

m℃∗0.347m2∗(75℃−18℃)

0.0067m

Qcon paredes = 48119.059 w 1KJ1.16222W /h= 41402.71 Kj / h

Qcon paredes = K∗Ab∗∆T

X = 16.3 W

m℃∗0.066966m2∗(75℃−18℃)

0.0067m

Qcon paredes =9286.29 w

Qcon paredes = 9286.29 w x 1KJ

1.16222wh

= 7990.13 KJ /h

Tpel =Tacero+Taire

2 = 45+182

=46.5℃

De la tabla A.3-3 -“Procesos de transferencia y operaciones unitarias” – Christie J. Geankoplis. Pág. 955; interpolamos y calculamos las propiedades del aire a

51.6ºC.

51 .6 ºC−37 .8 ºC65 .6ºC−51 .6 ºC

=ρ−1 .1371. 043−ρ

⇒ ρ=1 .1075Kg /m3

51 .6 ºC−37 .8 ºC65 .6ºC−51 .6 ºC

=Cp−1 .00481. 0090−Cp

⇒Cp=1 .0062 KJ /Kgc ºC

51 .6 ºC−37 .8 ºC65 .6ºC−51−6 ºC

=μ−1 .902 .03−μ

⇒μ=1.94∗10−5 Kg /ms

51 .6−37 .8ºC65 .6ºC−51 .6 ºC

=K−0 .027000 .02925−K

⇒K=0 .0277W /mºC

51 .6 ºC−37 .8 ºC65 .6ºC−51 .6 ºC

=Npr−0 .7050 .702−Npr

⇒Npr=0.7043

51 .6 ºC−37 .8 ºC65 .6ºC−51 .6 ºC

=β−3 .222. 95−β

⇒ β=3 .1365∗10−3K−1

Npr .Ngr=L3 . ρ2 . g .β .ΔT .Cpμ .K ………………………………………(17)

Npr .Ngr=(0 .315m+0 . 0067m)3∗(1 .1075 Kg /m3 )2∗(9 .81m / s2 )∗(3 .1365∗10−3 K−1 )∗(75−18 )ºK∗(1 .0062KJ /Kg ºK )(1 . 941∗10−5 Kg /ms )∗(0 .0277W /mºK )

Npr .Ngr=137507 .0043

Npr .NgrSe encuentra entre 104−109

a = 0.59; m = ¼; Nnu =a(Npr . Ngr )m

FUENTE: pág. 287 tabla 4.7.1 geankoplis

Nnu=0. 59(137507 . 0043)1/4= 11.361

h=Nnu∗KL

=11.361∗0 .0277W /mºK(0 .315m+0. 0067m)

=0 .9782W /m2 . ºK

QCONV .PARED=h. AL. ΔT

QCONV .PARED=(0 . 9782W /m2 ºK )∗(0. 347m2 )∗(75−18 )ºC

QCONV .PARED=19 . 347W

QCONV .TAPA=h . AB . ΔT

QCONV .TAPA=( 0.9782W /m2 ºK )∗(0 . 066966m2)∗(75−18) ºC

QCONV .TAPA=3 .73W

QCON=QCON . PAREDES+QCON .TAPA

QCON=19 . 347W+3 .73W=23 .077∗ 1KJ1. 16222W /h

=19 .85 KJ .h

Qrad=A .σ . ε . ΔT

Emisividad del acero inoxidable = 0.44 – tabla A.3-17 - -“Procesos de transferencia y operaciones unitarias” – Christie J. Geankoplis. Pag. 973

σ = 5.676*10−8W /m2. .K 4

QRAD=QRAD .PARED+QRAD .TAPA

QRAD .PARED=AL .σ . ε . ΔT

QRAD .PARED=(0.347m2 )∗(5 . 676∗10−8W /m2 . K4 )∗(0 .44 )∗(754−184) ºC

QRAD .PARED=0 . 273W

QRAD .TAPA=AB .σ . ε . ΔT

QRAD .TAPA=(0 .066966m2)∗(5 .676∗10−8W /m2 .K 4 )∗(0 . 44 )∗(754−184)ºC

QRAD .TAPA=0 .0527W

QCON=0.273W+0 .0527W=0 .3257W∗ 1KJ1 .16222W /h

=0 .2802KJ .h

Q4 entalpia de vaporización

Q4 = λm vapor∆T

Según bibliografía (a 90ºC) la entalpia de vaporización del agua

(http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa_de_vaporizaci%C3%B3n)

Q4 = 2257 (kJ∗℃−1 )∗¿(90−13)℃

6.99Kg ¿ = 204.88 KJ mAGUA = 6.99 Kg

QT = Q1+Q2+Q3+Q4

QT = 571.50KJ +220052.49 KJ+1.260534 KJ +204.88 KJ =220830.1305 Kj

- COSTO DE PRODUCCIÓN DEL GAS

Pc gas =11000 KJKg Cgas = QT/PC.GAS CGAS =

220830.1305Kj

11000 KJKg

=20.075 Kg

COSTO =CGAS *PRECIO DEL GAS =20.075 kg *35 soles =702.641soles *cada Kg

VI.- DISCUSIONES Y CONCLUSIONES:

4. Según Geankoplis menciona que el rango de las propiedades de aire están dentro

del rango tanto del aire como del agua que es: K=3. 16∗10−3W /mºK , 0.569

W /mºK5. El balance de energía de un equipo sirve para determinar el costo de operación de

un determinado producto en planta

6. Con los datos obtenidos del balance de energía se toma medidas de ahorro con el

objetivo de incrementar la eficiencia del uso de energía de una planta procesadora

7. Desacuerdo a al balance que se realizo con los datos obtenidos en la práctica se

llego a la conclusión que están dentro del parámetro aproximado de dicho equipo

VII.- CUESTIONARIO:

1. ¿Para qué sirve un balance de energía en una planta agroindustrial?El balance de energía de un equipo en una planta sirve para la reducción de

costo y ahorro de energía así también favorece en el mantenimiento del equipo

para que no se desgaste en un corto periodo de uso, y se tiene que tomar en

cuenta, cuanta energía se necesita para producir un determinado producto y

así mismo ayuda a las empresas a desarrollar adecuadamente sus costos de

producción y desacuerdo a esto se puede ver la manera de ahorrar y el trabajo

eficaz del equipo.

2. Que consideraciones tomaría en cuanta para realizar un balance de un equipo y de una plantaSe tomaría los siguientes pasos:

Propiedades físicas del material

El gasto de energía que utiliza en equipo en producir un determinado

producto

Capacidad de contenido de un equipo para un producto

3. Que consideraciones tomaría en cuenta para instalar los equipos de una planta agroindustrialSe tomaría las siguientes consideraciones:

Ubicación dentro de la planta para la instalación de equipos

Ubicación estratégica dentro de la ciudad, y contar con los servicios

primarios

VIII.- BIBLIOGRAFIA:

8. j. Gabriel barazorda carrillo, ingeniero en industrias alimentarias (Ayacucho 2002)

9. problemas propuestos de geankoplis, tercera edición

10. E.d, grimison, trans. Asme, 59,583(1937)

11. r.h. perry y c.h.chilton. chemicale, coeficiente de trasferencia de calor radiante en

función de la temperatura