Lab Evaporacion

LABORATORIO DE TRANFERENCIA DE CALOR

EVAPORACIÓN

CUEVAS AUGUSTO

OTERO LUIS

PALACIOS RASCHID

PUENTES SEBASTIAN

RANGEL RICHARD

CRISOSTOMO PERALTA HERNANDEZ

INGENIERO QUÍMICO

UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE MECÁNICA

BARRANQUILLA

2014

Evaporación Laboratorio de transferencia de calor

1

Contenido

1. RESUMEN................................................................................................................................3

2. INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................3

2.1 Marco teórico..................................................................................................................4

3. ANÁLISIS EXPERIMENTAL..................................................................................................5

3.1 Descripción del equipo................................................................................................5

3.1.1 Cuerpos cilíndricos..................................................................................................5

3.1.2 Calandrias.................................................................................................................5

3.1.3 Condensador tubular...............................................................................................6

3.1.4 Trampas de Vapor...................................................................................................6

3.1.5 Rotámetros...............................................................................................................6

3.2 Procedimiento................................................................................................................6

3.3 Consideraciones............................................................................................................7

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS...........................................................................................7

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS...............................................................................................7

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES......................................................................9

7. BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................................10

1. RESUMEN


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Un método de transferencia de calor es por ebullición y es por ello que se trabajó con el equipo de evaporación para un simple efecto, utilizando solamente una calandria y no las dos que componen el sistema. Consistió en un ciclo en el que se hacía necesario dejar entrar el vapor de agua al equipo y un flujo de agua para el intercambio de calor. El proceso debe ser estable por lo que a una determinada presión de vapor, el nivel de agua en el cuerpo del equipo debe mantenerse constante, es decir la rata de entrada de vapor debe ser igual a su rata de condensado, lo mismo para el agua de alimentación. Entonces, el vapor de entrada se encargará de la evaporación del agua de alimentación en el cuerpo del equipo.

2. INTRODUCCIÓN

Muchas aplicaciones conocidas de la ingeniería comprenden la transferencia de calor por condensación y ebullición. Por ejemplo, en un refrigerador doméstico, el refrigerante absorbe calor de la cámara fría por ebullición en la sección del evaporador y rechaza el calor hacia el aire de la cocina condensándose en la sección del condensador (los largos serpentines que se encuentran detrás o abajo del refrigerador). Asimismo, en las plantas de potencia que funcionan con vapor, se transfiere calor al agua en la caldera, en donde se vaporiza, y el calor de desecho se rechaza de ese vapor en el condensador, en donde se condensa. Algunos componentes electrónicos se enfrían por ebullición al sumergirlos en un fluido con una temperatura apropiada.

La ebullición es un proceso de cambio de fase de líquido a vapor precisamente como la evaporación, pero existen diferencias significativas entre las dos. La evaporación ocurre en la interface vapor-líquido, cuando la presión de vapor es menor que la de saturación del líquido a una temperatura dada. Por otra parte, se tiene ebullición en la interface sólido-líquido cuando un líquido se pone en contacto con una superficie mantenida a una temperatura Ts suficientemente por arriba de la de saturación Tsat de ese líquido. Es por ello que para la experiencia de evaporación se tendrán en cuenta los siguientes objetivos:

Determinar los balances de calor en el evaporador, trabajando para un solo efecto. Estabilización del evaporador. Calcular el coeficiente de transferencia de calor de cada cuerpo para las condiciones

de operación. Calcular la eficiencia del evaporador. Calcular el porcentaje de pérdidas de calor por radiación.

La ebullición es un fenómeno complicado debido al gran número de variables que intervienen en el proceso y los patrones complejos del movimiento del fluido causados por la formación y el crecimiento de las burbujas; es por eso que será evaluado a través de un evaporador.


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1.1 Marco teórico

El evaporador es un intercambiador de calor entre fluidos, de modo que mientras uno de ellos se enfría, disminuyendo su temperatura, el otro se calienta aumentando su temperatura, pasando de su estado líquido original a estado vapor (cabiendo la posibilidad de un calentamiento ulterior, con lo que se dice que alcanza el estado de vapor sobrecalentado). Los evaporadores se fabrican en muy diversos tamaños y con distintas disposiciones, siendo profusamente empleados en gran cantidad de procesos térmicos.

Los evaporadores, deben funcionar siempre a vacío parcial, pues esta medida reduce la temperatura de ebullición en la cámara de evaporación. Otro punto a tener en cuenta es que cuando se procede a la instalación de cascadas de etapas en serie, estas deben de ir en vacío sucesivo, es decir en la cámara de cada evaporador debe haber siempre menos presión que en el anterior, y en el primero de ellos siempre menos de la atmosférica. De no ser así la evaporación no tendría efecto. La capacidad de evaporación está dada por la siguiente fórmula:

dQdt

=αt S ΔT

Dónde: dQ/dt = cantidad de calor trasmitida por el evaporador en función del tiempo. αt = coeficiente de transmisión calorífica del material del evaporador. S = superficie de contacto. ΔT = T final - T inicial.

Estos intercambiadores de calor se encuentran al interior de neveras, refrigeradores domésticos, cámaras de refrigeración industrial, vitrinas comerciales para alimentos y un sinfín de aplicaciones en procesos para la industria de alimentos, así como en procesos químicos. En los sistemas frigoríficos el evaporador opera como intercambiador de calor, por cuyo interior fluye el refrigerante el cual cambia su estado de líquido a vapor. El flujo de refrigerante en estado líquido es controlado por un dispositivo o válvula de expansión la cual genera una abrupta caída de presión en la entrada del evaporador. Debido a las propiedades termodinámicas de los gases refrigerantes, esta caída de presión está asociada a un cambio de estado y, lo que es más importante aún, al descenso en la temperatura del mismo.

De esta manera, el evaporador absorbe el calor sensible del medio a refrigerar transformándolo en calor latente el cual queda incorporado al refrigerante en estado de vapor. Este calor latente será disipado en otro intercambiador de calor


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del sistema de refrigeración por compresión: el condensador, dentro del cual se genera el cambio de estado inverso, es decir, de vapor a líquido. La evaporación puede ser de múltiple efecto, en el que se ponen en serie una cantidad de cuerpos que disponen del líquido objeto a que se le va a aplicar el proceso de evaporación, el cual se puede observar en el figura 1.

2. ANÁLISIS EXPERIMENTAL

2.1 Descripción del equipo

2.1.1 Cuerpos cilíndricos

Son 2, de 20” de diámetro exterior por 303/4” de altura, fabricadas en lámina de cobre, con sus respectivos indicadores de nivel.

2.1.2 Calandrias

Son 2, de 6” de diámetro interior, fabricados en cobre, las cuales contienen 37 tubos de cobre de 5/82 de diámetro nominal de 19 BWG. El largo de los tubos es de 5” y el espesor de pared de los tubos es de 0.042 milésimas de pulgada. Estas calandrias son del tipo de fisión, debido a que la mezcla de vapor-agua dentro de los tubos pesa menos que el agua líquida de los cuerpos. Este desequilibrio de pesos debido a la temperatura hace que el agua de los cuerpos empuje la mezcla menos pesada dentro de los tubos. En estas calandrias, el calor de calentamiento (vapor vivo) circula por la carcasa.

2.1.3 Condensador tubularFabricado de cobre y está unido al segundo cuerpo, el cual posee el mismo diámetro de las calandrias e igual número de tubos de cobre con las mismas dimensiones.

2.1.4 Trampas de VaporSon dos termostáticos, cuya presión de trabajo es de 0 a 16 PSI. Están unidas a la


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Figura 1: Esquema básico de un banco para medición de la evaporación

Figura 2: Banco de trabajo completo

Figura 3: Ubicación de rotámetro y manómetros

parte inferior de las calandrias y sirve para drenar el condensador de vapor de calentamiento.

2.1.5 RotámetrosSon dos para alimentación de agua a los cuerpos del mismo tipo con una escala de 0 a 25 mm, y otro para agua de enfriamiento en el condensador vertical de tubos.

2.2 Procedimiento

Para operar el equipo de evaporación con un solo efecto se procede de la siguiente

manera:

Cerrar la válvula de vapor G situada entre el cuerpo I y la calandria II

Cerrar la válvula de vapor B que conduce a la calandria I

Abrir la válvula de vapor P que conduce a la calandria II

Llenar el cuerpo de agua hasta un nivel constante y verificarlo con el rotámetro

Trabajar a una presión constante de 5 psi variándose el flujo de agua.

Se debe tener en cuenta que durante el proceso de evaporación, el agua contenida

en el cuerpo no debe bajar su nivel.

Medir los flujos de condensado del evaporador y del intercambiador y sus

temperaturas.

Después de realizada la experiencia, se cierra la válvula que permite la entrada del

vapor.

Se cierra la válvula de los rotámetros al alimento de agua a los cuerpos

2.3 Consideraciones

Las presiones que se usaron para las corridas son: 5,6 y 7 PSI respectivamente.

La temperatura ambiente es de 24°C.

La temperatura de alimento (Tf) es igual a 210°F = 98.88 °C

3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS


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Figura 4: Trampa de vapor

Se tabularon los datos obtenidos del evaporador simple en las siguientes tablas:

Agua condensada de vapor Agua condensada de cuerpo Presión de entrada de vapor

Temperatura agua entrada(intercambiador) (condensador)

Volumen Tiempo Caudal Volumen Tiempo Caudal(PSI) (ºF)

(mL) (s) (m3/s) (mL) (s) (m3/s)570 65,28 8,73162E-06 310 40 0,00000775 5 210455 30 1,51667E-05 390 30 0,000013 6 210730 39 1,87179E-05 570 30 0,000019 7 210

Tabla 1. Datos obtenidos experimentalmente

Qrotámetro

Presión de entrada de

vapor

Altura Liquido Qintercambiador Qcondensador

Tout

intercamTout

condensador

Unidades m3/s (PSI) m m3/s m3/s °C °C1 6,00E-05 5 0,54 8,73162E-06 7,75E-06 61 35

2 4,30E-05 6 0,55 1,51667E-05 1,30E-05 69 353 5,00E-05 7 0,5 1,87179E-05 1,90E-05 74 36

Tabla 2. Datos obtenidos experimentalmente segundo orden

4. CÁLCULOS Y RESULTADOS

BALANCE DE MASA PARA EL AGUA FRÍA DE ALIMENTO DE LOS CUERPOS PARA 5PSIPara el balance de masa para el agua fría de alimento de los cuerpos, se tiene:

m¿=mcondensador

Donde, el flujo másico de entrada (m¿) se obtiene de la siguiente manera:

m¿=Qrotámetro ρ¿

Y el flujo másico del condensador (mcond) es:

mcondensador=Q conρout cond

La densidad de entrada ser: ρ¿=ρT .ambiente (24 °C)=997,38Kgm 3

Y las de salida serán:

ρout cond=ρ@35 °C=994,08

Kgm3

ρ@36 °C=993,73Kgm3

Por lo que la tabla quedaría así:


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Entrada Salida

Qrot (m3/s) ρ(Kg/m3) min(Kg/s) Qcond (m3/s) ρ(Kg/m3) mcond(Kg/s)1 6,00E-05 997,38 5,98E-02 7,75E-06 994,08 7,70E-032 4,30E-05 997,38 4,29E-02 1,30E-05 994,08 1,29E-023 5,00E-05 997,38 4,99E-02 1,90E-05 993,37 1,89E-02

Tabla 3. Datos obtenidos por medio de balance de energía

Para el calor cedido por la caldera Q1 se define por:

Q1=mintercambiadorH s

Donde: Flujomásicoevaporador=mintercambiador=Qinter ∙ ρout interca

Calor latente del vapor de la caldera=H s=2329,4KJKg

ρout inter=

ρ@61°C=982,28Kgm 3

ρ@69°C=978,12Kgm 3

ρ@74 °C=975,28Kgm 3


C Qintercam (m3/s) ρ(Kg/m3) minter(Kg/s) Hs(KJ/Kg) Q1(KW)1 8,73E-06 982,28 8,58E-03 2329,4 2,00E+01

2 1,52E-05 978,12 1,48E-02 2329,4 3,46E+01

3 1,87E-05 975,28 1,83E-02 2329,4 4,25E+01Tabla 4. Datos obtenidos por segundo balance de energía

El calor cedido por la caldera neto Q1n se obtiene por medio de la siguiente por medio de la siguiente ecuación:

Q1n=m¿C p@h2o [T f−T 1 ]+mcond H 1

Donde:

C p@h2o=4,18 kJ

kg°CT 1=T out intercambiador

H 1=Calor latente del aguaevaporada=2357 KJKg


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C min(Kg/s) mcond(Kg/s) Cp (KJ/KgºC) H1(KJ/Kg) Tf - T1 Q1n (KW)1 5,98E-02 7,70E-03 4,18 2357 37,88 2,76E+01

2 4,29E-02 1,29E-02 4,18 2357 29,88 3,58E+01

3 4,99E-02 1,89E-02 4,18 2357 24,88 4,97E+01Tabla 5. Resumen de masas de entrada y condensada

El calor cedido por radiación en el primer efecto al igual que el porcentaje de radiación se definen por:

R1=Q1−Q1n→%R=R1Q1

∗100

C Q1 (KW) Q1n (KW) R1 (KW) %R1 2,00E+01 2,76E+01 7,66E+00 38,31524441

2 3,46E+01 3,58E+01 1,26E+00 3,646045095

3 4,25E+01 4,97E+01 7,15E+00 16,81089992Tabla 6. Resumen de calores y porcentaje de radiación

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Es importante resaltar que el balance de flujo másico se obtuvieron los siguientes errores porcentuales, lo cual nos permite definir que el laboratorio presenta veracidad por obtener errores menores de 20%.

Se tendrá solamente una aproximación de las perdidas por radiación debido a incertidumbres y variación del flujo de agua durante la experiencia y estas no están todas dadas por este fenómeno.

A medida que disminuyen los flujos másicos tanto del agua de alimentación como del de agua de evaporación, el porcentaje de pérdidas por radiación aumenta.

6. BIBLIOGRAFÍA

FUNDAMENTALS OF HEAT TRANSFER, Frank P. Incropera, David P. DeWitt, 4ta edision, Jhon Wiley & Sons, 1996


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YUNUS CENGEL, Transferencia de Calor y Masa. México, McGraw-Hill. 2006. Tercera Edición.

http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/denh2o.pdf [consultado el 20 de noviembre de 2013]

Karlekar, B.V. y Desmond, R.M., Transferencia de Calor, 2ª. Edicion, McGraw Hill, México, 1994.


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http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/denh2o.pdf

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