MANUAL DE PRÃ_CTICAS LABORATORIO II

Benemérita Universidad Autónoma de

Puebla

Facultad de Ingeniería Química

Manual de prácticas

Laboratorio de Ingeniería Química II

1

ÍNDICE INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 2

ESPECIFICACIONES DE LA ASIGNATURA ........................................................................................ 2

OBJETIVOS ......................................................................................................................................... 3

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ASIGNATURA ......................................................................... 3

METODOLOGÍA DE LA ASIGNATURA .............................................................................................. 4

PRODUCTOS DE EVIDENCIA DE APRENDIZAJE .............................................................................. 4

PRE-LABORATORIO ............................................................................................................. 4

REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO .............................................................. 5

REPORTE FINAL DE LABORATORIO .................................................................................... 6

CRITERIOS DE EVALUACION POR PRÁCTICA ............................................................................... 8

PRÁCTICA 1: CONDUCCIÓN LINEAL .............................................................................................. 10

PRÁCTICA 2: CONDUCCIÓN RADIAL DE CALOR .......................................................................... 15

PRÁCTICA 3: TRANSFERENCIA DE CALOR EN SUPERFICIES EXTENDIDAS ................................ 18

PRÁCTICA 4: FLUIDIZACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO ............................................................................ 25

PRÁCTICA 5: PERDIDAS DE ENERGÍA EN ACCESORIOS DE TUBERÍA ........................................ 31

2

I. INTRODUCCIÓN La asignatura Laboratorio de Ingeniería Química constituye un

complemento esencial para completar la formación del alumno en los

aspectos prácticos y aplicados de los contenidos teóricos correspondientes

a las asignaturas de Taller de Introducción a la Ingeniería Química y

Balance de Materia y Energía, las prácticas de laboratorio

correspondientes a los contenidos teóricos incluidos en dichas asignaturas.

II. ESPECIFICACIONES DE LA ASIGNATURA

Nivel Educativo: Licenciatura

Nombre del Plan de Estudios:

LICENCIATURA EN INGENIERÍA

QUÍMICA

Modalidad Académica:

Presencial

Nombre de la Asignatura:

Laboratorio de Ingeniería II

Ubicación:

Nivel Formativo

Correlación:

Asignaturas Precedentes: Balance de Materia y Energía

Asignaturas Consecuentes: Laboratorio de Ingeniería III

Conocimientos, habilidades,

actitudes y valores previos:

Termodinámica, Balances de

Momentum, Materia y Energía,

Interpretación y análisis de datos

experimentales; Facilidad para el

trabajo en equipo, Perseverancia,

Iniciativa

3

III. OBJETIVOS Las prácticas de laboratorio son una actividad clave para la enseñanza de

cualquier ciencia experimental. Entre los objetivos más importantes que se desean

alcanzar con su desarrollo se encuentran:

• Facilitar la comprensión de los conocimientos teóricos adquiridos en las

asignaturas

• Inculcar la metodología científica.

• Aprender a registrar observaciones, evaluar y presentar resultados.

• Adquirir destreza en el manejo de determinadas técnicas básicas, al mismo

tiempo el conocimiento de instrumental y equipo.

IV. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ASIGNATURA

4

V. METODOLOGÍA DE LA ASIGNATURA 1. Se debe preparar un pre-laboratorio de acuerdo a la práctica

correspondiente.

2. Se realizará la práctica para lo cual los alumnos disponen de la guía de práctica y el asesoramiento del facilitador. Antes de operar los equipos se deben identificar las particularidades de manejo del equipo, instrumentos y los demás elementos indispensables para desarrollar adecuadamente la práctica.

3. Con los datos obtenidos se debe establecer los cálculos necesarios para

realizar luego una discusión del experimento y preparar el respectivo

informe.

VI. PRODUCTOS DE EVIDENCIA DE APRENDIZAJE

1. PRE-LABORATORIO

El objetivo del pre-laboratorio es relacionarse, dominar y asimilar los elementos

necesarios para la puesta en marcha de la práctica. Esto conlleva a investigar y

dominar los conocimientos necesarios e involucrados en la misma; asimismo, la

compresión de los objetivos y del procedimiento experimental.

1.1 Contenido del pre-laboratorio

a) Título

Debe colocarse en la parte superior centrado, Universidad y Asignatura.

A continuación y sin dejar espacio, en el centro, el nombre de la

práctica. Posteriormente, los nombres completos de los integrantes del

equipo (comenzando por apellido) y fecha de entrega.

b) Objetivos

Expresan el para qué de la práctica de laboratorio y representan lo que

se quiere lograr.

c) Fundamento teórico

Describir en forma concisa diferentes teorías que abordan el problema y

características del fenómeno.

d) Algoritmo del procedimiento experimental

Esquematización gráfica del procedimiento experimental observando

una secuencia lógica de los pasos a realizar.

Cada paso debe mostrar la acción a realizarse mediante un verbo en

infinitivo.

e) Rúbrica de evaluación

Entregarla impresa por equipo.

5

1.2 La exposición oral del pre-laboratorio

Se llevará a cabo por parte de todos los integrantes del equipo, utilizando

material de apoyo, se realizará de forma anticipada a la realización de cada

práctica, con una duración máxima de 20 min.

Posteriormente, el equipo, responderá oralmente una serie de preguntas

referentes a la información previa de cada práctica a realizar, tales como

objetivos, procedimientos, medidas de seguridad para la ejecución de la

práctica y/o aspectos teóricos.

1.3 Sobre la forma escrita de presentar el pre-laboratorio

El reporte debe ser elaborado en hojas de desecho de papel bond

tamaño carta, en caso de utilizar hojas de primer uso deberán estar

escritas por ambos lados.

El reporte de la práctica debe ser escrito en a mano, con letra script,

legible y redactado en tercera persona.

No dejar ni hojas ni espacios en blanco de ningún tipo.

Los reportes deberán ser engrapados en el lado superior izquierdo. No

debe ser anillados, ni colocados en carpetas de ningún tipo.

2. REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO

a) Asistencia

-La asistencia de los alumnos a cada sesión de la práctica es de carácter

OBLIGATORIO, se exige puntual asistencia.

b) Reglas durante la puesta en marcha de la práctica

-Observancia en la totalidad de las reglas de seguridad.

-Se PROHIBE el uso del celular durante la realización de la práctica

-No se permiten salidas injustificadas durante el desarrollo de la práctica.

-Al finalizar la experiencia el sitio de trabajo y los equipos utilizados deben

permanecer limpios y ordenados.

c) Otras consideraciones

-En caso de roturas o pérdidas de material de laboratorio, los estudiantes

adquieren el compromiso de reponerlos antes de finalizar el cuatrimestre.

-Una vez conformados los equipos de trabajo no será posible realizar

cambios en la integración de los participantes.

-Se prohíbe la entrada de alumnos a las prácticas de otros equipos, a

excepción de causas justificadas.

6

d) Rúbrica de evaluación

-Entregarla impresa por equipo

NOTA: Los formatos escritos deben estar citados y referenciados en formato

APA. Esté será un rubro en la avaluación de los reportes.

3. REPORTE FINAL DE LABORATORIO

El reporte final de una práctica tiene el objetivo de mostrar que los alumnos del

equipo han desarrollado un conjunto coordinado de actividades a partir de sus

conocimientos teóricos del tema de la práctica, que les ha permitido diseñar el

experimento y realizar las mediciones adecuadas; que han llevado a cabo el

tratamiento y el análisis de sus datos para obtener la discusión de resultados.

A partir de esta experiencia los alumnos son capaces de discutir y elaborar

conclusiones y recomendaciones para mejorar la realización de la práctica o

podrán, alternativamente, elaborar una crítica fundamentada para demostrar la

validez o invalidez de las teorías o de los procedimientos seguidos en la

realización de la práctica, de ser el caso.

1.1 Contenido del Informe

a) Título Debe colocarse en la parte superior centrado, Universidad y Asignatura. A continuación y sin dejar espacio, en el centro, el nombre de la práctica. Posteriormente, los nombres completos de los integrantes del equipo (comenzando por apellido y en orden alfabético), número de equipo. Finalmente, fecha de realización de la práctica y de entrega.

b) Objetivos

Expresan el para qué de la práctica de laboratorio y representan lo que

se quiere lograr.

c) Marco teórico

Describir en forma concisa diferentes teorías que abordan el problema y

características del fenómeno.

d) Procedimiento experimental

En esta sección se señalarán:

-Los materiales y equipos necesarios para la realización de la práctica.

-Descripción y características del equipo.

7

-El montaje experimental (diagramas o fotografías), describiendo

detalladamente y de forma clara cada paso llevado a cabo en el

procedimiento experimental y en orden de ejecución.

e) Datos experimentales

Son los valores medidos en el laboratorio y que se han de utilizar para

realizar los cálculos. Deben organizarse en tablas.

Todo lo que se registre forma parte de los datos, estén correctos o

erróneos.

f) Observaciones

En este apartado se describirán todos aquellos cambios físicos que se

observaron a lo largo del desarrollo de la práctica así como la ausencia

de estos, tales como: cambios de coloración, de estados físicos, de

temperatura o ausencia de los mismos, inconvenientes para la

realización de alguna de las etapas del procedimiento experimental, etc.

Estas observaciones permiten el análisis y la sustentación de los

resultados obtenidos y las conclusiones.

g) Cálculos

Son las operaciones realizadas al procesar los datos experimentales con

las ecuaciones establecidas. Si los cálculos son repetidos se puede

presentar uno solo.

h) Resultados

Deben mostrarse de forma ordenada y agrupados en tablas,

expresados en el sistema internacional.

i) Análisis

Este análisis se hace con base a la comparación entre los resultados

obtenidos experimentalmente y los valores teóricos que muestran las

ecuaciones sugeridas en la literatura exponiendo las causas de las

diferencias y el posible origen de los errores. Debe realizarse la

comparación de todas las variables estudiadas. Las gráficas que

contrastan los resultados suelen ser útiles para su análisis.

j) Conclusiones

Son los comentarios o ideas finales que resumen los aspectos más

importantes de la experiencia práctica y del análisis de los resultados.

Deben ser presentadas brevemente en forma esquemática, clara y

concisa sin perderse en explicaciones redundantes. Las conclusiones

son específicamente la justificación de los resultados obtenidos en el

laboratorio en base a argumentos lógicos.

Debe determinar al menos una conclusión por cada objetivo.

k) Recomendaciones

8

Aquellos comentarios que ofrezcan mejoras e ideas originales y

justificadas, para la optimización de la experiencia práctica y adquisición

de datos. (Minimización de errores)

l) Bibliografía

Es la lista completa de las fuentes escritas que han servido como

referencia, lectura básica o complementaria y como documentación

general relativa al tema. Se incluyen tanto libros como artículos

científicos, publicaciones periódicas, ponencias, artículos de prensa y,

en definitiva cualquier publicación utilizada.

m) Rúbrica de evaluación

-Entregarla impresa por equipo

NOTA: Los formatos escritos deben estar citados y referenciados en formato

APA. Esté será un rubro en la avaluación de los reportes.

1.2 Sobre la forma de presentar el Informe final de laboratorio:

El reporte debe ser elaborado en hojas de desecho de papel bond

tamaño carta, en caso de utilizar hojas de primer uso deben se escritas

por ambos lados.

El reporte de la práctica debe ser escrito en computadora a excepción

de los cálculos y redactado en tercera persona.

No dejar ni hojas ni espacios en blanco de ningún tipo, usar interlineado

sencillo, tipo de letra libre y en tamaño 11, utilizar margen estrecho.

Los reportes deberán ser engrapados en el lado superior izquierdo. No

debe ser anillados, ni colocados en carpetas de ningún tipo.

VII. CRITERIOS DE EVALUACION POR PRÁCTICA 1. Presentación oral del pre-laboratorio (valor 10%)

2. Presentación escrita del pre-laboratorio (valor 10%)

-Evaluación por equipo.

-Presentar por escrito el pre-laboratorio al final de la exposición oral del

mismo.

3. Trabajo en el laboratorio (valor 40%)

Es una evaluación individual que registra la puntualidad, disponibilidad para

el trabajo, cumplimiento de normas de seguridad, habilidades, destrezas y

capacidad de trabajo en equipo.

4. Informe final de laboratorio (valor 40%)

9

-Evaluación por equipo.

-El reporte final de laboratorio se entregará en la siguiente sesión de

laboratorio.

-No se aceptaran reportes después de la fecha asignada.

NOTA: Todos los elementos que conforman los criterios de evaluación serán

valorados conforme a la rúbrica correspondiente.

10

PRÁCTICA 1: CONDUCCIÓN LINEAL

Código de control:

Laboratorio de Operaciones Unitarias - FIQ Hoja 1 de 5

1. OBJETIVOS

Medir la distribución de temperaturas para conducción en estado

estacionario a través de una pared plana y demostrar el efecto del

cambio en el flujo de calor.

Evaluar la conducción unidimensional de calor en sólidos por medio

de la ley de Fourier

Determinar la conductividad térmica de un metal

2. INTRODUCCIÓN

El calor siempre se ha percibido como algo que produce una sensación de

tibieza y se podría pensar que su naturaleza es una de las primeras

comprendidas por la humanidad. Pero fue hacia mediados del siglo XIX cuando

se tuvo una verdadera comprensión física de la naturaleza del calor, gracias al

desarrollo en esa época de la teoría cinética, en la cual se considera a las

moléculas como bolas diminutas que están en movimiento y que, por tanto,

poseen energía cinética. El calor entonces se define como la energía asociada

con el movimiento aleatorio de los átomos y moléculas. Aun cuando en el siglo

XVIII y a principios del siglo XIX se sugirió que el calor es la manifestación del

movimiento en el nivel molecular, la visión prevaleciente en ese sentido hasta

mediados del siglo XIX se basaba en la teoría del calórico propuesta por el

químico francés Antoine Lavoisier (1743-1794), en 1789. La teoría del calórico

afirma que el calor es una sustancia semejante a un fluido, llamado calórico,

que no tiene masa, es incoloro, inodoro e insípido y se puede verter de un

cuerpo a otro.

11


Código de control:


La teoría del calórico fue atacada pronto después de su introducción. Ella

sostenía que el calor es una sustancia que no se podía crear ni destruir. Sin

embargo, se sabía que se puede generar calor de manera indefinida frotándose

las manos o frotando entre sí dos trozos de madera. En 1798 el estadounidense

Benjamin Thompson (1753-1814) demostró en sus estudios que el calor se

puede generar en forma continua a través de la ficción pero fueron los

cuidadosos experimentos del inglés James P. Joule (1818-1889), publicados en

1843, los que finalmente convencieron a los escépticos de que el calor no era

una sustancia y, por consiguiente, pusieron a descansar la teoría del calórico.

Aunque esta teoría fue totalmente abandonada a mediados del siglo XIX,

contribuyo en gran parte al desarrollo de la termodinámica y de la transferencia

de calor.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1 Investigue los siguientes conceptos

Transferencia de calor

Ley de Fourier y su aplicabilidad

Resistencia al flujo de calor

Constante de conductividad térmica

Variables que deben conocerse o medirse para determinar el flujo de

calor por conducción

Escriba las unidades en el sistema internacional para el flujo de

calor.

Forma de calcular el flujo de calor en una pared compuesta

Descripción del accesorio Accesorio HT11 ARMFIELD LINER HEAT

CONDUCCION

12


Código de control:


4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1 Materiales y equipo

Muestra de bronce

Muestra de aluminio

Muestras de conductores pobres

Agua des-ionizada

Unidad de servicio de transferencia de calor H-10X ARMFIELD

Accesorio HT11 ARMFIELD LINER HEAT CONDUCCION

Recirculador para agua de enfriamiento

4.2 EJERCICIO 1

1) Conectar los termopares 1, 2, 3 que corresponden a la zona caliente y 6, 7,

8 que corresponden a la zona fría del equipo.

2) Fijar el voltaje del equipo.

3) Permitir que el equipo se estabilice para tomar las lecturas en cada uno de

los termopares.

4) Determine experimentalmente, la distancia entre los termopares 1 a 3 y 1 a

8.

5) Las lecturas se deben tomar al menos tres veces para determinar la

reproducibilidad de los resultados.

4.2.1Cálculos y resultados

Con los datos medidos, realice las siguientes determinaciones: Flujo de

calor, gradiente de temperaturas en la zona caliente y en la zona fría.

Compare los gradientes de temperatura en la zona caliente y en la zona fría

manteniendo el mismo flujo de calor.

Compare los cambios en temperatura manteniendo el mismo flujo de calor.

Grafique la temperatura en función de la posición a lo largo del elemento y

trace una línea de unión entre los puntos. Cada perfil deberá ser lineal,

donde el gradiente se incrementa con el flujo de calor. Calcule el gradiente

en cada línea y muestre que Q/gradiente es una constante.

13


Código de control:


4.3 EJERCICIO 2

1) Conecte los termopares 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Los termopares 4 y

corresponden a la sección de distancia desconocida X.

2) Fije el voltaje.

3) Permita que el sistema se estabilice y registre las temperaturas de todos los

termopares, así como el voltaje del calentador.

4) Repita el procedimiento ajustando un valor de voltaje diferente.

5) Determine experimentalmente la distancia entre los termopares y el

diámetro de la barra.

4.3.1 Cálculos y resultados

Calcule el flujo de calor en la barra.

Calcule la constante de conductividad en la sección caliente y en la sección

fría.

Grafique la temperatura en función de la posición a lo largo de la barra y

una sus datos con una línea recta para cada una de las repeticiones

realizadas a diferente voltaje.

4.4 EJERCICIO 3

1) Permita que el equipo se estabilice a un calor de voltaje administrado.

2) Registre las temperaturas de todos los termopares, así como el voltaje del

calentador.

3) Repita el procedimiento ajustando un valor de voltaje diferente.

4) Determine la distancia entre los termopares y el diámetro de la barra con

objeto de poder calcular el flujo de calor.

5) Calcule la constante de conductividad en la sección caliente y en la sección

fría.


Grafique la temperatura en función de la posición a lo largo de la barra y

una sus datos con una línea recta para cada una de las repeticiones

realizadas a diferente voltaje.

14


Código de control:


Observe el gradiente de temperatura en el material conductor. Mida el

gradiente de temperatura en esta sección y calcule la constante de

conductividad usando el valor promedio del gradiente.

Calcule el porcentaje de error de las conductividades térmicas obtenidas

en el laboratorio respecto a las conductividades térmicas reportadas en la

literatura.

5. BIBLIOGRAFÍA

5.2 Cengel, Y., “Transferencia de calor”, 3ª Edición, McGraw Hill, México

(2004).

5.3 Incoprera, F. & Dewitt D., “Fundamentos de transferencia de calor”,

Prentice-Hall, México (1999).

5.4 Mc Cabe, W., Smith, J. &Harriot, P., “Operaciones unitarias en ingeniería

química, 6ª Edición, McGraw-Hill, México (2002).

15

PRÁCTICA 2: CONDUCCIÓN RADIAL DE CALOR

Código de control:


1. OBJETIVOS

Medir la distribución de temperaturas en estado estacionario de conducción

de energía a través de la pared de un cilindro y demostrar el efecto del

cambio en el flujo de calor.

Entender el uso de la ecuación de Fourier determinando la velocidad de

flujo de calor en conducción en estado estacionario a través de las paredes

de un cilindro.

Entender la aplicación de la ecuación para determinar la constante de

proporcionalidad o conductividad térmica k, del material del disco.

2. INTRODUCCIÓN

La conducción de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso

de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin

intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo a

mayor temperatura a otro a menor temperatura que está en contacto con el

primero. La propiedad de los materiales que determina su capacidad para conducir

el calor es la conductividad térmica.

Los sistemas cilíndricos y esféricos a menudo experimentan gradientes de

temperatura sólo en la dirección radial, y por consiguiente se tratan como

unidireccionales. Además bajo condiciones de estado estacionario, sin generación

de calor estos sistemas se pueden analizar usando la expresión de la Ley de

Fourier en las coordenadas adecuadas

16


Código de control:



3.1 Desarrolle los siguientes conceptos:

Conducción unidireccional

Conducción radial

Determine la expresión de la ley de Fourier bajo condiciones de estado

estacionario para las coordenadas adecuadas para conducción radial

Describa las principales características y de funcionamiento del equipo

HT-12 Armfield


4.1 EJERCICIO 1

4.1.1 Materiales y equipo:

Equipo HT-12 Armfield

4.1.2 Procedimiento

1) Ajustar el nivel de calentamiento.

2) Permitir que la temperatura se estabilice y registrar los valores

observados de T1, T2, T3, T4, T5, T6 V, I.

3) Las lecturas se deben tomar tres veces para determinar la

reproducibilidad de los resultados y el error experimental.


Grafique los resultados y observe:

Que cada perfil de temperatura es una curva y que el gradiente en

cualquier punto de la curva decrece cuando se incrementa el radio a

partir del centro.

Que el gradiente a cualquier radio se incrementa cuando se incrementa

el flujo de calor.

A partir del gráfico, estime la temperatura en la periferia del disco T0,

para cada valor del flujo de calor.

17


Código de control:


4.1. EJERCICIO 2

4.2.1 Materiales y equipo

Equipo HT-12 Armfield

4.2.2 Procedimiento

1) Ajuste el nivel de calentamiento

2) Permita que la temperatura se estabilice y registre los valores

observados de T1, T2, T3, T4, T5, T6 V, I.

3) Las lecturas se deben tomar tres veces para determinar la

reproducibilidad de los resultados.


Compare los valores obtenidos de la conductividad térmica a diferentes

valores de flujo de calor en el elemento de estudio.

Construya una gráfica del logaritmo del radio y la temperatura en un eje

lineal, y dibuje una línea recta entre los puntos experimentales.

Observe que el perfil de temperatura es logarítmico y que el gradiente

aumenta cuando aumenta el flujo de calor.

5. BIBLIOGRAFÍA

5.1. Christie John Geankoplis, “Procesos de transporte y principios de procesos

de separación”, 4ª Ed. Grupo Patria Editorial, México (2011)

5.2. Junus A. Cengel, Afshin J, Ghajar, “Transferencia de calor y masa:

fundamentos y aplicaciones”, 4ª Ed. McGraw Hill, México (2011)

5.3. James R. Welty, “Fundamentos de transferencia de momento, calor y

masa”, 2ª Ed. LIMUSA WILEY, México (2009)

5.4. R. B. Bird, W. E. Stewardt, E. N. Lightfoot, “Fenómenos de Transporte” Ed.

REPLA, México (2001)

18

PRÁCTICA 3: TRANSFERENCIA DE CALOR EN SUPERFICIES EXTENDIDAS

Código de control:


1. OBJETIVOS

Medir la distribución de temperaturas a lo largo de una superficie extendida

y comparar los resultados con un análisis teórico.

Obtener la conducción y pérdidas de calor global por conducción y

convección.

Realizar un análisis fundamentado teóricamente para la interpretación de

los resultados obtenidos.

2. INTRODUCCIÓN

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

CONVECCIÓN.

La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa

o circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las

diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada

a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con

una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas

son libres de moverse en el medio.

Un modelo de transferencia de calor H por convección, llamado ley de

enfriamiento de Newton, es el siguiente:

H = h A (TA – T) donde h se llama coeficiente de convección, en W/(m2K), A es la

superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se

encuentra a una temperatura T, como se muestra en el esquema de la figura 1.

19


Código de control:


El flujo de calor por convección es positivo (H > 0) si el calor se transfiere desde la

superficie de área A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el

fluido hacia la superficie (TA < T).

RADIACIÓN.

La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a una

temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas

las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones

electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas

electromagnéticas o fotones, por lo recibe el nombre de radiación

electromagnética. La masa en reposo de un fotón (que significa luz) es

idénticamente nula. Por lo tanto, atendiendo a relatividad especial, un fotón viaja a

la velocidad de la luz y no se puede mantener en reposo. (La trayectoria descrita

por un fotón se llama rayo). La radiación electromagnética es una combinación de

campos eléctricos y magnéticos oscilantes y perpendiculares entre sí, que se

propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.

A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el

sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación

electromagnética es independiente de la materia para su propagación, de hecho,

la transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío. Sin embargo,

la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se ven influidos por la

presencia de materia. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario

e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. La longitud de onda

(λ) y la frecuencia (ν) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la

expresión λν = c, son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su

poder de penetración y otras características. Independientemente de su frecuencia

y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío

con una rapidez constante c = 299792 km/s, llamada velocidad de la luz.

Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La longitud de onda de la

radiación está relacionada con la energía de los fotones, por una ecuación

desarrollada por Planck: E = hc/λ donde h se llama constante de Planck, su valor

es h = 6,63 x 10-34 Js.

La puesta en marcha de la práctica consiste en la implementación del equipo HT-

15 Armfield.

20


Código de control:


El quipo permite las mediciones de transferencia térmica, las cuales se logran a

través de una larga varilla horizontal que se calienta en un extremo, brindando así

una superficie alargada (esbelta).

Los termopares distribuidos en intervalos regulares a lo largo de la varilla permiten

medir la temperatura superficial. Como la varilla tiene un diámetro pequeño es

relación a su longitud, puede considerarse conducción térmica unidimensional.

Las mediciones obtenidas pueden compararse con la teoría de la conducción

térmica a lo largo de la varilla combinada con la pérdida de calor transferido,

disipado a los alrededores por el modo de convección libre.

Balance de calor en un elemento diferencial de la barra con pérdidas de

calor.

Se tiene una barra sólida que se calienta con una fuente eléctrica en la parte

lateral de

la barra en contacto uniforme con el área transversal, las pérdidas de calor se

transfieren en el área superficial.

21


Código de control:



3.1 Describa los siguientes conceptos

Calor

Temperatura

Conducción de calor

Ley de Fourier

3.2 Materiales y equipo

Equipo Ht-15 Armfield

3.3 EJERCICIO 1

3.3.1 Procedimiento

22


Código de control:


1) Ajuste el nivel de calentamiento.

2) Registre la temperatura frecuentemente hasta que ésta se estabilice,

entonces reduzca el nivel de calentamiento y permita de nueva cuenta

que la temperatura se estabilice.

3) Registre el voltaje y la corriente usada en cada caso, la temperatura en

cada posición a lo largo del cilindro, es decir de T1 a T8 (Temperatura en

x=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35 m) y T9 (Temperatura

ambiente).

4) Registre además los siguientes datos: Voltaje (V), Corriente (I)

5) Medir la longitud del cilindro.

6) Medir el diámetro del cilindro

7) Repita el ejercicio 3 veces, variando la intensidad del calor.


Para cada conjunto de mediciones grafique la temperatura en la

superficie Tx en función de la posición a lo largo de la superficie y dibuje

una recta a través de los puntos.

Calcule los gradientes de temperatura para cada punto tx

3.3.3 Análisis y conclusiones

Observe los gráficos y concluya sobre cuáles son las condiciones de

transferencia de calor determinan dichos comportamientos y cuáles son los

esperados con respecto al fundamento teórico.

La temperatura de la superficie del rodillo disminuye cuando se

incrementa la distancia a partir de la fuente de calor, explique a que

condiciones de transferencia de calor se debe esto.

23


Código de control:


El gradiente de temperatura disminuye en el extremo calentado del

cilindro y decrece en el extremo frio, de una explicación fundamentada

teóricamente de dicho efecto.

Describa el efecto de variar la fuente de poder en el flujo de calor a lo

largo del cilindro.

3.4 EJERCICIO 2

3.4.1 Procedimiento

El mismo del apartado anterior


Con los datos obtenidos en el ejercicio anterior calcule los valores de los

siguientes parámetros.

Temperatura de la superficie (Ts)

Temperatura ambiente (Ta)

Perímetro del cilindro (P)

Área superficial del cilindro (As)

Área de sección transversal (A)

Coeficiente convectivo de transferencia de calor (Hc)

La conductividad térmica sugerida para el cilindro es k=121 W.m-2.K-1.

Compare sus valores calculados con el valor sugerido y comente las

diferencias.

Con la determinación de los anteriores parámetros realizar el cálculo de lo

siguiente:

Balance de calor en cada nodo obteniendo el calor conducido y perdido con

respecto al calor inicial y determinar la cantidad global de calor conducido y

perdido, para cada una de las intensidades de calor.

24


Código de control:


Determinar la cantidad de calor conducido y perdido por conducción y

convección en cada nodo, para cada una de las intensidades de calor.

Construir una sola gráfica para calor conducido por conducción y por

convección contra distancia de los nodos (en la misma gráfica vaciar datos

para las diferentes intensidades de calor).

Construir una sola gráfica para calor pérdido por conducción y por

convección contra distancia de los nodos (en la misma gráfica vaciar datos

para las diferentes intensidades de calor).

3.4.3 Análisis y conclusiones

Realizar un análisis fundamentado teóricamente para la interpretación de los

resultados obtenidos.

4. BIBLIOGRAFÍA

4.1 Christie John Geankoplis, “Procesos de transporte y principios de procesos


4.2 Junus A. Cengel, Afshin J, Ghajar, “Transferencia de calor y masa:

fundamentos y aplicaciones”, 4ª Ed. McGraw Hill, México (2011)

4.3 James R. Welty, “Fundamentos de transferencia de momento, calor y

masa”, 2ª Ed. LIMUSA WILEY, México (2009)

4.4 R. B. Bird, W. E. Stewardt, E. N. Lightfoot, “Fenómenos de Transporte” Ed.


25

PRÁCTICA 4: FLUIDIZACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO

Código de control:


1. OBJETIVOS

Demostrar los fenómenos relacionados a los flujos en sistemas sólido -

líquido.

Determinar las velocidades mínimas de fluidización

Determinar las pérdidas de carga en un lecho de partículas

Determinar la expansión del lecho

Los puntos anteriores se estudian a partir de los siguientes parámetros:

Caudal del líquido vinculado a la velocidad del fluido

Pérdida de carga medida en los límites del lecho fluidizado

Espesor del lecho o altura

Características intrínsecas del sólido

2. INTRODUCCIÓN

La fluidización ocurre cuando pequeñas partículas sólidas son suspendidas por

una corriente de un fluido que se dirige de abajo hacia arriba venciendo el peso

de las mismas. Cuando la velocidad del fluido debe ser lo suficientemente alta

como para suspender las partículas, pero a la vez no tan elevada como para

expulsar las partículas fuera del recipiente. Las partículas sólidas rotan en el

lecho rápidamente, creándose un excelente mezclado. El material que se

fluidiza es casi siempre un sólido y el medio que fluidiza puede ser tanto líquido

como gas. Las características y comportamiento de los lechos fluidizados

dependen fuertemente de las propiedades del sólido y del fluido

La fluidez de un líquido tiene su origen en la movilidad de las partículas que lo

constituyen. Es posible separar las partículas de un sólido para que ganen

esta movilidad, mediante el flujo constante de un líquido o un gas a una

velocidad (u).

26


Código de control:


Cuando este líquido tiene una velocidad pequeña, los intersticios entre las

partículas ofrecen la suficiente resistencia para provocar una caída de presión.

Esta aumenta conforme la velocidad de fluido se incrementa, pero llega un

momento en que se iguala al peso de las partículas que comienzan a separase

unas de otras. Se dice entonces que están flotando hidrodinámicamente, o en

estado fluidizado. Es posible que la velocidad del fluido siga elevándose; esto

tiene como resultado que el espacio entre las partículas se haga aún mayor, pero

sin tener efecto en la diferencia de presión, como se pude ver en la imagen.


3.1 Describir los siguientes conceptos

Estado fluidizado

27


Código de control:


Componentes de un sistema de fluidización sólido-líquido

Regímenes de fluidización

Velocidad de fluidización mínima

Cálculo la caída de presión en un lecho empacado

Cálculo de la altura de un lecho fluidizado

Cálculo de la porosidad de un lecho

Aplicación de los lechos fluidizados en operaciones unitarias


4.1 Medida de la porosidad del pellet

1) Pese una probeta vacía.

2) Llene la probeta con el pellet hasta la mitad del volumen y anote su peso

3) Introduzca lentamente agua en la probeta con las pellet, hasta que éstas

queden cubiertas al mismo nivel con agua.

4) Pese la probeta y determine la masa de agua introducida.

5) Realice sus mediciones por triplicado.

6) A partir de los dos datos de masa, determine la densidad aparente del

sólido (pellet).

Masa aparente del lecho de bolitas, ρap.

𝜌𝑎𝑝 =𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑙𝑙𝑒𝑡

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑙𝑙𝑒𝑡

Porosidad del lecho:

𝜖 =𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑐í𝑜

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

28


Código de control:


Columna de vidrio

Columna Diámetro interno, mm Altura, mm

1 60 1000

2 60 1000

3 100 1000

Características del pellet

Diámetro de las bolitas Tolerancia Densidad

3 mm ± 0.20

6 mm ± 0.30

6 mm ± 0.30

4.2 Visualización de las pérdidas de carga

Las pérdidas de carga del lecho fluidizado corresponden a la diferencia de

presión en los límites del lecho, es decir, por arriba del soporte del lecho y por

debajo del lecho de pellet.

Para poder leer estas pérdidas de carga, en los lechos fluidizados, utilizamos

tubos piesométricos que se encuentran directamente conectados a las

columnas. El llenado de estos tubos es realizado al mismo tiempo que el

llenado de las columnas. Para poder visualizar una pérdida de carga, es

necesario introducir aire bajo presión para bajar el nivel de agua a la mitad de

la altura total de la regleta de medida.

Con la ayuda de la bomba de mano, se mete bajo presión el tubo en U.

29


Código de control:


4.3 Procedimiento para meter el tubo piesométrico bajo presión

1) Coloque el tapón de la bomba de mano en el tubo flexible disponible en la

salida de las válvulas V8, V9 V10.

2) Abra la válvula de aislamiento del tubo en U y comprima ligeramente el

líquido de manera que se pueda colocar el nivel de agua en los tubos al

nivel de la graduación a 50 cm de la regleta.

3) Cierre la válvula de aislamiento.

4.4 Puesta en marcha de la unidad

1) Anote la altura del lecho, estando la unidad sin flujo de líquido.

2) Abra la válvula de selección de la columna (V3, V4 o V5).

3) Llene la columna con agua por circulación vía la bomba centrífuga.

4) Meta el tubo piesométrico bajo presión para ajustar el nivel del agua (que el

nivel del agua se encuentre en medio de las graduaciones de la regleta).

5) Abra la válvula V1 o la válvula V2 en función del caudal que se desea

estudiar.

6) Regule el caudal de líquido sobre el caudalímetro.

7) Anote las pérdidas de carga en los límites del lecho.

8) Mida la altura del lecho de partículas.

9) Repita las mediciones para valores de caudales crecientes.

10) Realice el ejercicio para las tres columnas.

30


Código de control:


4.5 Paro de la unidad

1) Quite la tensión a la bomba.

2) Cierre las dos válvulas de regulación del caudal y cierre también la válvula

de selección de la columna

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS.

Determine la porosidad del lecho en reposo.

Calcule la velocidad mínima de fluidización para cada una de las columnas.

Mida las pérdidas de carga relacionadas al soporte y a las columnas en

función del caudal y establezca la relación entre diferentes regímenes de

flujo para cada columna para los tres lechos fluidizados, graficando la

variación de la pérdida de presión y altura del lecho y trazando la curva de

variación.

Grafique la variación de la altura del lecho contra velocidad y trace la curva

de variación.

Realice un análisis del estudio de fluidización tomando los resultados de

las diferentes variables que intervienen en el proceso.

6. BIBLIOGRAFIA

6.1 Christie John Geankoplis, “Procesos de transporte y principios de procesos


6.2 R. B. Bird, W. E. Stewardt, E. N. Lightfoot, “Fenómenos de Transporte” Ed.


6.3 Joaquín Fernández Franco, Sandra Velarde Suárez, “Introducción a la

mecánica de fluidos”, 1ª Ed. Universidad de Oviedo; Servicio de

publicaciones.

6.4 Robert L. Mott, “Mecánica de Fluidos”, 6ª Ed. Pearson Preantice Hill,

México (2006)

31

PRÁCTICA 5: PERDIDAS DE ENERGÍA EN ACCESORIOS DE TUBERÍA

Código de control:


Autores

M.I Erik Ocaranza Sánchez; M.C Reyes Carlos Macedo y Ramírez

1. OBJETIVO

Determinar mediante mediciones experimentales de presión, las pérdidas de

energía debido al flujo de fluidos a través de accesorios comunes en tuberías

como válvulas, curvas, variaciones de diámetro, etc. Estableciendo de esta

manera, su contribución a la pérdida de carga global en una tubería a diferentes

valores del número de Reynolds.

2. INTRODUCCIÓN

Cuando un fluido circula por un tubo parte de su energía mecánica se disipa por

fricción [1]. Esta puede darse por superficie cuando las moléculas del fluido chocan

con las imperfecciones presentes debido a la rigurosidad de la superficie sólida del

conducto, provocando pérdidas de energía disipadas a través de la pared del tubo [2].

Otra causa de pérdidas de energía por fricción ocurre cuando el fluido golpea

contra una forma perpendicular a la dirección del flujo provocando que la

formación de vórtices en movimiento circular constante. Como resultado de esto

se pierde una gran cantidad de energía debido ala fricción conocida como “fricción

de forma” [2]. Este tipo de fricción es muy común ya que difícilmente los sistemas

de tuberías son rectos.

Por lo tanto, la pérdida de energía por fricción total es la sumatoria de las

contribuciones de la fricción por superficie y la fricción de forma [1].

La pérdida de fricción por forma ocurre en secciones donde es necesario

direccionar, modificar, dividir, prolongar y medir el flujo. Esto se logra mediante la

implementación de algún accesorio al conducto en cuestión. Los accesorios más

comunes son los codos o curvas, las bifurcaciones (T’s o Y’s), cambios de

diámetro del conducto y finalmente las válvulas [3].

32

PRÁCTICA 5: PÉRDIDA DE ENERGÍA EN ACCESORIOS DE TUBERÍA

Código de control:



3.1 Describa los siguientes conceptos

La pérdida de energía por fricción en accesorios. (Ensanchamiento,

reducción y codo)

Las funciones para las cuales son requeridos los diferentes accesorios de

tubería.

El funcionamiento de los tipos de válvulas de uso común en la industria.

3.2 Investigue los valores o expresiones de longitud equivalente y coeficiente de

resistencia para válvulas de compuerta, codos, reducciones y ensanchamientos.

3.3 La pérdida de carga debido a un cambio de diámetro es modificada debido al

ángulo de variación de diámetro, explique el por qué de éste fenómeno.

3.4 En una secuencia de curvas de 90° la pérdida de energía total por fricción es

menor que la sumatoria de la pérdida de energía de cada una de las curvas,

explique el por qué de éste fenómeno.

3.5 Estime el número de Reynolds y el factor de fricción para flujos de 2,4 y 6

𝑚

𝑟⁄ , en tuberías con diámetro de 10 y 25 mm, empleando los datos de

rugosidad para una tubería de PVC liso.

4. DESARROLLO EXPERIMENTAL

4.1 Equipo y material

4.1.1 Equipo experimental de Mecánica de Fluidos, mostrado en la figura 1.

33


Código de control:


Figura1. Diagrama de equipo de flujo de fluidos

4.2 Procedimiento

1) Encender la bomba del equipo y esperar a que el flujo se estabilice.

2) Por medio de la válvula reguladora VC1 y del rotámetro, fijar el primer flujo

considerado en el fundamento teórico ( 𝑚

𝑟⁄ ).

3) Para realizar la medición de la caída de presión en la válvula de compuerta,

abrir la válvula V2 y colocar las conexiones de manómetro en las tomas

P15 y P16. Registrar la lectura.

4) Repetir el paso 3 cerrando la válvula al 50%, registrar la lectura.

5) Para realizar la medición de la caída de presión en la reducción de 25 mm a

10 mm de diámetro, abrir la válvula V5 y colocar las conexiones del

manómetro en las tomas P23 y P24. Registrar las lecturas.

34

6) Para realizar la medición de la caída de presión en el ensanchamiento de

10 mm a 25 mm de diámetro, abrir la válvula V5 y colocar las conexiones

de manómetro en las tomas P24 y P25. Registrar la lectura.

7) Para realizar la medición de la caída de presión de un tramo de tubería de

25 mm de diámetro, abrir la válvula V5 y colocar las conexiones de

manómetro en la tomas P23 y P25. Registrar la lectura.

8) Para realizar la medición de la caída de presión en la secuencia de curvas

en tubería de 25 mm de diámetro, abrir la válvulas V5 y colocar las

conexiones del manómetro en las tomas P22 y P23. Registrar la lectura.

9) Repetir los pasos anteriores para cada uno de los flujos calculados en el

fundamento teórico.

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS Calcule los valores del coeficiente de resistencia (K), longitud equivalente

( ), longitud equivalente relativa (

⁄ ) y estime la caída de presión

teórica para dada uno de los accesorios evaluados empleando datos

reportados en la literatura.

Tabule los valores de ΔP obtenidos experimentalmente para cada uno de

los accesorios evaluados.

Mediante los valores de ΔP experimentales, calcule los valores de K,

⁄ , para la válvula de compuerta y compare con los valores

teóricos, determinando en porcentaje de error.

Grafique la variación de la caída de presión (ΔP) vs Flujo (Q), empleando

los valores ΔP obtenidos experimentalmente para la válvula de compuerta

con porcentajes de apertura del 100% y 50%. Compare la curva

experimental con la teórica y explique los resultados.


Código de control:


35

PRÁCTICA 5: PÉRDIDA DE ENRGÍA EN ACCESORIOS DE TUBERÍA

Código de control:


Mediante los valores de ΔP experimentales, para una reducción,

ensanchamiento y la combinación de ambas en un tramo de tubería de

distinto diámetro, calcule los valores de K,

⁄ y compare con los

valores teóricos, determinando el porcentaje de error.

Grafique la variación de la caída de presión (ΔP) vs flujo (Q) para la

reducción y el ensanchamiento, explique sus resultados.

Grafique la variación de la caída de presión (ΔP) vs flujo (Q) empleando los

valores de ΔP de la secuencia de curva y compare con los valores teóricos

para la secuencia y para la sumatoria de la curva por separado.

Discuta los resultados.

6. BIBLIOGRAFÍA

1) O. Levenspiel, “Flujo de Fluidos e Intercambio de Calor”, Ed. REVERTÉ,

Barcelona.

2) W.L. McCabe, J.C. Smith, P. Harriot, “Operaciones Unitarias en Ingeniería

Química”, 4ª Ed.McGraw Hill, Madrid.

3) División de Ingeniería de Crane Co.,”Flujo de Fluidos en Válvulas,

Accesorios y Tuberías”, Ed. McGraw Hill, México.

4) I.H. Shames, “Mecánica de Fluidos”, 3ª Ed. McGraw Hill, México

5) Foust, L.A. Wenzel, Ed. C.E.C.S.A., México.

MANUAL DE PRÃ_CTICAS LABORATORIO II

Documents

Transcript of MANUAL DE PRÃ_CTICAS LABORATORIO II